一種多通道瞬變電磁法三維探測的裝置和方法
【專利摘要】本申請提出一種多通道瞬變電磁法三維探測的裝置和方法，所述裝置包括：發射電極對和分布式采集站；在距離所述發射電極對第一預設距離處設置所述分布式采集站；所述分布式采集站包括設置在多條測線上的多個接收電極對，每條測線上設置一個接收電極對或者多個接收電極對，所述方法包括：將分布式采集站獲得的瞬變電磁觀測數據等效轉換為地面虛擬地震波場數據；通過轉換獲得的所述地面虛擬地震波場數據，獲得地下任一點的虛擬地震數據；根據所述地下任一點的地震數據，確定地下目標體的與圍巖的分界面。應用性強、數據采集精度高；能夠獲得精細解釋剖面，直觀地解釋地下目標體與圍巖的分界面。
【專利說明】
一種多通道瞬變電磁法三維探測的裝置和方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及煤田水文地質與地球物理領域，具體涉及一種多通道瞬變電磁法三維 探測的裝置和方法。
【背景技術】
[0002] MTEM(Multi_channel Transient Electromagnetic Method，多通道瞬變電磁法） 最初設想是通過提取同一地點不同時間獲取的EM數據間的差異估計地下天然氣儲層的分 布情況。
[0003] 如圖1所示，為多通道瞬變電磁法實驗的裝置野外布設示意圖。圖上"點"表示試驗 中各發射極點的位置，"十字"表示觀測點的位置。在試驗中，系統沿測線進行陣列式多分量 發射，陣列式多場量、多分量觀測。發射機發射占空比1 〇〇 %的雙極性方波，發射極間距為 250米，進行發射。在觀測點位置，使用接收機進行軸向式或者赤道向式觀測電場及垂直磁 場，電場觀測的電極間距為125米。
[0004] MTEM工作原理如圖2所示。MTEM主要工作特點為:發射電極對與接收電極對位于同 一條測線上，采取一發多收的觀測系統。這種裝置模式與地震勘探數據觀測方式比較相近， 數據處理方法也與地震勘探基本相似，即通過共偏移剖面圖，來推測地下某一深度目標體 的地電信息。
[0005] 在對MTEM法進行實驗的初期，接收裝置記錄電場水平分量、垂直分量，以及垂直磁 場隨時間的導數等參數。隨后的建模研究和數據處理結果表明，除了電場水平分量，其它分 量并沒有反映出地下目標體的更多的信息。因此，后期采取了如圖2所示的軸向式工作裝 置。
[0006] MTEM法采用電偶極源進行信號發射，采用電偶極子陣列來記錄大地電磁響應，發 射源位置和接收電偶極子之間的偏移距一般為2倍目標體深度至4倍目標體深度。整個系統 沿測線移動，直到完成整條測線的數據采集工作。各測點的大地電壓響應的峰值與大地電 阻率值及收發距離存在如下的近似表達式：
[0008] 其中，AXs，AXr分別為源電極距和接收電極距，I為源電流，匕為源轉換頻率，r為 偏移距，P為電阻率。由上式可以看出，隨著偏移距r的增加，接收得到的電壓信號將急劇衰 減，在偏移距較大時難以獲得質量較好的信號。此外，常規方法對于復雜地質構造、地形起 伏等情況下，不利于精細探測。

【發明內容】

[0009] 本發明提供一種多通道瞬變電磁法三維探測的裝置和方法，利用地球物理方法， 完成精度高的3-D數據采集、獲得精細解釋剖面。
[0010] 為了實現上述發明目的，本發明采取的技術方案如下：
[0011] -種多通道瞬變電磁法三維探測的裝置，包括:發射電極對和分布式采集站；
[0012] 在距離所述發射電極對第一預設距離處設置所述分布式采集站；
[0013] 所述分布式采集站包括設置在多條測線上的多個接收電極對，每條測線上設置一 個接收電極對或者多個接收電極對。
[0014] 可選地，所述發射電極對的兩個電極之間距離為第二預設距離。
[0015] 可選地，所述發射電極對的連線與所述分布式采集站的測線平行或者垂直。
[0016] 為解決上述技術問題，本發明還提供一種多通道瞬變電磁法三維探測的方法，包 括：
[0017] 將分布式采集站獲得的瞬變電磁觀測數據等效轉換為地面虛擬地震波場數據；
[0018] 通過轉換獲得的所述地面虛擬地震波場數據，獲得地下任一點的虛擬地震數據；
[0019] 根據所述地下任一點的地震數據，確定地下目標體的與圍巖的分界面。
[0020] 可選地，將分布式采集站獲得的瞬變電磁觀測數據等效轉換為地面虛擬地震波場 數據包括：
[0021] 按照如下公式將分布式采集站獲得的瞬變電磁觀測數據等效轉換為地面虛擬地 震波場數據：
[0023] 其中，E(x，y，z，t)為分布式采集站瞬變電磁觀測數據，U(X，y，z，T)為要轉換的虛 擬地震波場數據，t為分布式采集站瞬變電磁數據時間，t為虛擬地震波場數據時間。
[0024] 可選地，通過轉換獲得的所述地面虛擬地震波場數據，獲得地下任一點的地震數 據包括：
[0025] 根據獲得的所述地面虛擬地震波場數據，利用從地面向地下遞推的方法，獲得地 下任一點的虛擬地震數據。
[0026] 可選地，通過轉換獲得的所述地面虛擬地震波場數據，獲得地下任一點的虛擬地 震數據包括：
[0027] 按照如下公式獲得地下任一點的地震數據：
[0029] 其中，U(x，y，z，t)是t時刻地下任一點(x，y，z)處的虛擬地震波場數據值，t是觀測 時間，n為任一點(x，y，z)處的法向方向：
是地表任一點處的虛擬地震波場 數據值，Q〇是地表的測量區域：
^為地面某個觀測記錄點至地下某個點的距離。
[0030] 本發明和現有技術相比，具有如下有益效果：
[0031] 本發明的裝置和方法，將常規觀測系統改進成三維觀測系統，其應用性更強、數據 采集精度高;把常規視電阻率處理方法改進成虛擬地震波場解釋技術，獲得精細解釋剖面， 直觀地解釋地下目標體與圍巖的分界面。
【附圖說明】
[0032] 圖1是相關技術的測線布置示意圖；
[0033] 圖2是相關技術的電性源MTEM數據采集方式示意圖；
[0034] 圖3是本發明實施例的多通道瞬變電磁法三維探測的裝置的示意圖；
[0035] 圖4是本發明實施例的多通道瞬變電磁法三維探測的方法的流程圖；
[0036] 圖5是本發明實施例一的銅礦體模型示意圖；
[0037] 圖6是本發明實施例一的礦體模型深度偏移剖面圖。
【具體實施方式】
[0038] 為使本發明的發明目的、技術方案和有益效果更加清楚明了，下面結合附圖對本 發明的實施例進行說明，需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例和實施例中 的特征可以相互任意組合。
[0039]如圖3所示，本發明實施例提供一種多通道瞬變電磁法三維探測的裝置，包括:發 射電極對和分布式米集站；
[0040] 在距離所述發射電極對第一預設距離處設置所述分布式采集站；
[0041] 所述分布式采集站包括設置在多條測線上的多個接收電極對，每條測線上設置一 個接收電極對或者多個接收電極對。
[0042]所述發射電極對的兩個電極之間距離為第二預設距離。
[0043]所述發射電極對的連線與所述分布式采集站的測線平行或者垂直。
[0044]在實施過程中，向相距離10002000米的地面A，B兩個位置打入發射電極，并用 導線連接A，B兩點，形成發射端，或者在AB的垂直方向面布發射端。向地下發射10-50A電 流，500-1000V電壓，發送信號的編碼位數1-4095(2 12-1)，發送信號的基準頻率〈10kHz;發送 信號的動態范圍為160dB。
[0045] 在距離發射端一定的位置的多條測線上同時布設接收裝置，最多可同時測量1000 道，同時進行接收信號，采樣率64kHz，發射與接收的時間同步精度5沾。一次發射分布式采 集站同時接收，可以得到立體化的地質信息，更加有利于精細勘探。這種方案可實現從地表 淺部(500m)向地下深部(2000m)更精細探測、從二維(2D)斷面向三維(3D)立體勘查的提升。
[0046] 常規視電阻率剖面解釋的方法中大地可以看作是一個線性時不變系統，把由接地 電極發射的源信號看作系統輸入，把所接收的信號看作系統輸出信號，根據線性時不變系 統特性，輸出信號可表示為：
[0047] ak(Xs，Xr，t) = S(Xs，Xr，t)*g(Xs，Xr，t)+n(Xr，t)
[0048]式中：Xs，Xr分別代表發射電極對和接收電極對的中心位置，ak( Xs，Xr，t )表不輸出 信號；S(Xs，Xr，t)表示與發射信號、收發距離等有關的系統響應;g(Xs， Xr，t)表示來自地質 目標體的大地脈沖響應;t表示時間延時，n (xr，t)表示噪聲。
[0049]為了較好地記錄與地質體有關的大地脈沖響應，在數據采集和處理時，采用了以 下的3個關鍵性技術：（1)在測量感應電壓時，同時測量發送電流，以便得到測量系統響應； (2)通過對觀測信號與系統響應的反卷積，獲得大地脈沖響應；（3)通過多次迭加，增加信噪 比。
[0050]根據大地脈沖響應，計算視電阻率值：
[0052]式中：tpeak表示大地脈沖響應的峰值時刻;r表示收發距離;y表示介質的磁導率。 [0053] 對大地脈沖響應進一步處理，可以得到3種不同形式的剖面。（1)脈沖響應共偏移 距離剖面，大地脈沖響應的峰值與峰值時刻與地下介質的電阻率相關，將同一偏移距下的 大地脈沖響應整理成共偏移距剖面，可以反映地下同一深度的地電信息。（2)共中心點視電 阻率剖面，根據公式(3)定義的視電阻率，得到共中心點的視電阻率----偏移距剖面。該剖 面反映不同測點電阻率隨深度的變化關系。（3)共中心點集1D反演剖面，通過對不同偏移距 下脈沖響應曲線的反演擬合后，獲得共中心點的視電阻率深度二維剖面。。
[0054] 本發明實施例利用多道瞬變電磁法采集方式，本發明對于金屬銅礦的解釋方法與 地震勘探比較相似，借鑒地震勘探的數據處理技術。電流在地層中的傳播方式與地震波在 相同地層中的傳播方式不同，首先把觀測信號等效轉換成虛擬地震信號，然后再進行解釋。
[0055] 如圖4所示，本發明實施例提供一種多通道瞬變電磁法三維探測的方法，包括：
[0056] S101、將分布式采集站獲得的瞬變電磁觀測數據等效轉換為地面虛擬地震波場數 據；
[0057] S102、通過轉換獲得的所述地面虛擬地震波場數據，獲得地下任一點的虛擬地震 數據；
[0058] S103、根據所述地下任一點的地震數據確定地下目標體與圍巖的分界面。
[0059] S101 包括：
[0060]按照如下公式將分布式采集站獲得的瞬變電磁觀測數據等效轉換為地面虛擬地 震波場數據：
[0062] 其中，E(x，y，z，t)為分布式采集站瞬變電磁觀測數據，U(X，y，z，T)為要轉換的虛 擬地震波場數據，t為分布式采集站瞬變電磁數據時間，t為虛擬地震波場數據時間。
[0063] S102 包括：
[0064] 根據獲得的所述地面虛擬地震波場數據，采用從地面向地下遞推的方法，從地面 向地下反向外推，獲得地下任一點的虛擬地震數據。
[0065] 由于瞬變電磁勘探中的場在地下以擴散形式傳播，這種擴散形式傳播的電磁場在 目標體與圍巖的分界面上不具有反射與折射的性質，因而對目標體與圍巖的分界面反映不 敏感;而地震勘探中的場在地下以波動形式傳播，這種形式傳播的場具有反射和折射的性 質，對目標體與圍巖的分界面反映敏感。
[0066]如果要借鑒地震勘探中成熟的資料處理解釋技術，須通過數學積分變換，將滿足 擴散方程的時域瞬變電磁場數據等效轉換為滿足波動方程的虛擬波場數據，然后借助于地 震中發展起來的一些比較成熟的成像方法技術，比較直觀地求解被探目標體的分界面。虛 擬地震波場數據的物理意義是:與地下目標體真實的電性特征數據相對應的等效彈性特征 數據。
[0067]具體地，按照如下公式獲得地下任一點的虛擬地震數據：
[0069] 其中，U(x，y，z，t)是t時刻地下任一點(x，y，z)處的虛擬地震波場數據值，t是觀測 時間，n為任一點(x，y，z)處的法向方向
1是地表任一點處的虛擬地震波場 數據值，Q〇是地表的測量區域，
為地面某個觀測記錄點至地下某個點的距離。
[0070] 根據上面這個公式，可以把地面上任意點的虛擬地震波數據 <
，經 過積分計算，積分區域Q〇是地面瞬變電磁觀測區域，得到地下任意點位置處的虛擬地震數 據U(x，y，z，t)，根據積分所得的地下任意點的虛擬地震數據，可以更好地判斷地下目標體 與圍巖的電性分界面。
[0071] 實施例
[0072] 在某測區進行瞬變電磁工作時，其礦體埋藏深度為1000m左右，賦存于石炭系黃龍 組-船山組層位中，呈似層狀產出，其產狀和形態與圍巖一致。礦體在平面上展布較寬，而在 深度上變化較小。礦體主要由含銅矽卡巖、含銅黃鐵礦、含銅蛇紋巖、含銅磁黃鐵礦等構成。 礦體底盤直接圍巖為石炭系下統高麗山組巖石和石英閃長巖，以角巖化粉砂巖為主。礦體 直接頂盤巖石為黃龍組大理巖，上部為棲霞組大理巖等巖石。礦體構造簡單，研究程度較 高。礦體與圍巖之間具有較好的電性特征差異，礦體本身具有良好的導電性，而圍巖主要表 現為高阻特征，適合電磁法探測。前期經過多次勘探，獲得礦體模型（圖5)。
[0073]圍巖按照電性可分為三層，第一層電阻率為1000Q ? m，第二層電阻率為500Q ? m，基底電阻率為5000 Q *111。第一層礦體電阻率值為100 Q ?!!!，沿第一層和第二層圍巖之間 的界面賦存，貫穿了整個研究區域;第二層礦體沿第二層和基底之間的界面賦存，主要分布 于300m-1100m范圍內。兩層礦體厚度均約為50m -100m，沿其走向方向的延伸約為600m- 800m。礦體具有一定的起伏，第一層礦體的垂向分布范圍約為300m--1000m之間，第二層礦 體分布于800m-1000m之間。
[0074]依據所述測區銅礦礦體，進行了模型設計和多道瞬變電磁數據正演計算，然后按 本發明實施例提出的方法進行地震波場數據轉換和處理。圖6為經過地震處理之后的深度 偏移剖面，據圖進行分析可以得出：（1)處理剖面基本上反映出了電性界面和兩層礦體的起 伏形態。根據虛擬地震波場的反射規律和反射波同相軸的相位特征可以推斷，第一條和第 二條同相軸分別對應著第一層礦體的頂面、底面和第一個圍巖層面，第三條同相軸對應著 第二層礦體的頂面；（2)所使用的模型平均電阻率值較大，由于高阻介質對高頻成分的濾波 作用相對較弱，在深度較大時，波場的高頻成分仍比較豐富，具有較高的分辨率，對于較深 的第二層礦體頂面仍有明顯的反映；（3)由于第二層礦體的橫向延續范圍較小，對應其頂面 的同相軸在剖面兩側的振幅有所減小。
[0075]雖然本發明所揭示的實施方式如上，但其內容只是為了便于理解本發明的技術方 案而采用的實施方式，并非用于限定本發明。任何本發明所屬技術領域內的技術人員，在不 脫離本發明所揭示的核心技術方案的前提下，可以在實施的形式和細節上做任何修改與變 化，但本發明所限定的保護范圍，仍須以所附的權利要求書限定的范圍為準。
【主權項】
1. 一種多通道瞬變電磁法三維探測的裝置，其特征在于，包括:發射電極對和分布式采 集站； 在距離所述發射電極對第一預設距離處設置所述分布式采集站； 所述分布式采集站包括設置在多條測線上的多個接收電極對，每條測線上設置一個接 收電極對或者多個接收電極對。2. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述發射電極對的兩個電極之間距離為第二 預設距離。3. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述發射電極對的連線與所述分布式采集站 的測線平行或者垂直。4. 一種多通道瞬變電磁法三維探測的方法，其特征在于，包括： 將分布式采集站獲得的瞬變電磁觀測數據等效轉換為地面虛擬地震波場數據； 通過轉換獲得的所述地面虛擬地震波場數據，獲得地下任一點的虛擬地震數據； 根據所述地下任一點的地震數據，確定地下目標體的與圍巖的分界面。5. 如權利要求4所述的方法，其特征在于:將分布式采集站獲得的瞬變電磁觀測數據等 效轉換為地面虛擬地震波場數據包括： 按照如下公式將分布式采集站獲得的瞬變電磁觀測數據等效轉換為地面虛擬地震波 場數據：其中，E(x，y，z，t)為分布式采集站瞬變電磁觀測數據，U(x，y，z，T)為要轉換的虛擬地 震波場數據，t為分布式采集站瞬變電磁數據時間，τ為虛擬地震波場數據時間。6. 如權利要求4所述的方法，其特征在于：通過轉換獲得的所述地面虛擬地震波場數 據，獲得地下任一點的地震數據包括： 根據獲得的所述地面虛擬地震波場數據，利用從地面向地下遞推的方法，獲得地下任 一點的虛擬地震數據。7. 如權利要求6所述的方法，其特征在于：通過轉換獲得的所述地面虛擬地震波場數 據，獲得地下任一點的虛擬地震數據包括： 按照如下公式獲得地下任一點的地震數據：其中，U(x，y，z，t)是t時刻地下任一點（x，y，z)處的虛擬地震波場數據值，t是觀測時 間，η為任一點(x，y，z)處的法向方向是地表任一點處的虛擬地震波場數 據值，Qo是地表的測量區域，r為地面某個觀測記錄點至地下某個點的距離。
【文檔編號】G01V3/38GK105929455SQ201610243145
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月18日
【發明人】底青云, 李貅, 薛國強, 侯東洋
【申請人】中國科學院地質與地球物理研究所