一种瞬变电磁资料的时域处理方法与流程

本发明涉及电磁勘探资料处理技术领域，特别涉及一种瞬变电磁资料的时域处理方法。

背景技术：

瞬变电磁法也称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods，TEM)，其利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法，其广泛应用于油气勘探、矿产调查、煤矿安全、找水、地热勘探、工程地质和环境监测等领域。

通常情况下，通常在频率域中对瞬变电磁法勘探得到的瞬变电磁数据，例如感应电动势进行处理，举例来说，采用不同的时窗将感应电动势曲线转化成不同频率的等效视电阻率，并在频率域中进行反演以获得电阻率剖面图，从而获得所勘探地质体的电阻率(即导电能力)进行辨别。

发明人发现现有技术至少存在以下问题：

现有技术在频率域中处理瞬变电磁数据，其对不同埋藏深度的目标地质体的分辨率较低。

技术实现要素：

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供了一种瞬变电磁资料的时域处理方法。具体技术方案如下：

一种瞬变电磁资料的时域处理方法，包括：步骤a、采用瞬变电磁法获取瞬变电磁数据，并根据所述瞬变电磁数据获取感应电动势-时间曲线；

步骤b、采用加权平均法对所述感应电动势-时间曲线进行平滑处理，以消除噪音干扰；

步骤c、从平滑处理后的所述感应电动势-时间曲线中消除对应的背景感应电动势；

步骤d、根据消除背景感应电动势后的所述感应电动势-时间曲线，计算各个时刻对应感应电动势的张弛强度，从而获得张弛强度的时间函数，并根据时间-深度关系，将所述张弛强度的时间函数转化为张弛强度的深度函数；

步骤e、以勘探测试点的位置为横坐标，以待测地质体的埋藏深度为纵坐标，以所述张弛强度的深度函数为参数，采用绘图软件获得张弛强度的等值线剖面图；

所述张弛强度的计算公式为：

其中，D(t)为t时刻的张驰强度，Δt为时窗长度，为t时刻之前的时刻的感应电动势，为t时刻之后的时刻的感应电动势。

具体地，作为优选，所述步骤a中，从关断发射电流时刻开始，以预定的采样频率采集感应电动势数据，并根据所述感应电动势数据获取感应电动势-时间曲线。

具体地，作为优选，所述步骤b中，采用五点加权平均法对所述感应电动势-时间曲线进行平滑处理，计算点位于中心点，5个数据点的加权系数依此为0.1、0.15、0.5、0.15、0.1。

具体地，作为优选，所述步骤c中，采用最小二乘法，以函数f(t)＝ae^-bt+c拟合平滑处理后的所述感应电动势-时间曲线，获得拟合参数a、b、c，其中，e是自然底数，t是实际采集感应电动势数据的采样时间；

根据计算得到的拟合参数a、b、c，计算各个对应时刻的函数值f(t)来作为背景感应电动势，进而将计算得到的各个背景感应电动势从平滑处理后的感应电动势-时间曲线中对应消除。

具体地，作为优选，所述步骤e中，采用的绘图软件为Surfer软件。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明实施例提供的瞬变电磁资料的时域处理方法，通过在时间域中对瞬变电磁数据，即感应电动势进行处理，以获得张弛强度。根据对张弛强度的定义可知，张弛强度越大，说明感应电流越小，目标地质体的电阻率越大；而张弛强度越小，说明感应电流越大，目标地质体的电阻率越小。通过对所获得的 张弛强度的等值线剖面图进行解释，能直接获知不同深度处目标地质体的导电能力，进而容易地确定强导线能力的目标地质体。可见，本发明实施例提供的方法，不仅能有效提高对不同埋藏深度处的目标地质体的分辨率，且对目标地质体导电性的判断准确可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的目标地质体在中心回线观察方式下感应电动势随时间变化特性的示意图；

图2是本发明又一实施例提供的张弛强度的等值线剖面图。

附图标记分别表示：

1目标地质体的埋藏深度为100m；

2目标地质体的埋藏深度为500m；

3目标地质体的埋藏深度为800m。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种瞬变电磁资料的时域处理方法，包括以下步骤：

步骤101、采用瞬变电磁法对目标地质体进行勘探，获取瞬变电磁数据，并根据所述瞬变电磁数据作出感应电动势-时间曲线。

步骤102、采用加权平均法对该感应电动势-时间曲线进行平滑处理，以消除噪音干扰。

步骤103、从平滑处理后的感应电动势-时间曲线中消除背景感应电动势。

步骤104、根据消除背景感应电动势后的感应电动势-时间曲线，计算各个时刻所对应的感应电动势的张弛强度，以获得张弛强度的时间函数，并根据时间-深度关系，将该张弛强度的时间函数转化为张弛强度的深度函数。

步骤105、根据该张弛强度的深度函数，获取各个埋藏深度下的目标地质体的张弛强度，以勘探测试点的位置为横坐标，以目标地质体的埋藏深度为纵坐标，以各个埋藏深度下的目标地质体的张弛强度为参数，利用绘图软件获得张弛强度的等值线剖面图。

其中，张弛强度的计算公式为：

D(t)为t时刻的张驰强度，Δt为时窗长度，为t时刻之前的时刻的感应电动势，为t时刻之后的时刻的感应电动势。

本发明实施例提供的瞬变电磁资料的时域处理方法，通过在时间域中对瞬变电磁数据，即感应电动势进行处理，以获得张弛强度。根据对张弛强度的定义可知，张弛强度越大，说明感应电流越小，目标地质体的电阻率越大；而张弛强度越小，说明感应电流越大，目标地质体的电阻率越小。通过对所获得的张弛强度的等值线剖面图进行解释，能直接获知不同深度处目标地质体的导电能力，进而容易地确定强导线能力的目标地质体。可见，本发明实施例提供的方法，不仅能有效提高对不同埋藏深度处的目标地质体的分辨率，且对目标地质体导电性的判断准确可靠。

具体地，步骤101中，采用瞬变电磁法对目标地质体进行勘探，所获取的瞬变电磁数据即是不同时刻的感应电动势数据，从而根据此数据作出感应电动势-时间曲线。其中，在采集感应电动势的过程中，从关断发射电流时刻开始，以预定的采样频率，例如以2.5-3.5微秒，优选3.2微秒的时间间隔采集感应电动势数据，如此以获得更精确的感应电动势数据且避免造成采集时的劳动强度过大。

由于步骤101中实际测量得到的感应电动势数据不可避免地会受到噪音的影响，所以本发明实施例采用步骤102对其进行平滑处理。具体地，采用加权平均法，特别是五点加权平均法对该感应电动势-时间曲线进行平滑处理，其中，计算点位于中心点，5个数据点的加权系数依此为0.1、0.15、0.5、0.15、0.1。如此以消除噪音干扰，获得能准确反映目标地质体导电性能的感应电动势数据。在上述平滑处理过程中，对整条感应电动势-时间曲线位于首部的两个的数据点 和位于尾部的两个数据点不作处理，保持它们为原值。可以理解的是，本发明实施例所述的加权平均法为本领域技术人员所熟知的技术手段，本发明实施例在此不对其作具体的限定。

举例来说，本发明实施例可采用本领域常见的中心回线装置，观测一条测线，点距为3米，测点数为120个。观测系统包括三部分：发射系统、接受系统和同步系统。发射系统包括发电机、发射机和一个大发射线框(Transmitter Loop)，发射线框为15米×15米的正方形。发电机由2个12伏的电瓶供电，发射机(T4)产生一定强度的电流供给发射线框，从而在地下建立起一次磁场。接收系统由数据采集主机(V5)和感应线圈(Receiving Loop)组成。采集主机是加拿大凤凰地球物理公司的多功能的电法仪器V5，其功能是对信号进行放大、模数转换、采样和存储。选用的。感应线圈是一个面积为1平方米的多匝圆形线圈，其有效面积为100平方米，用于接受垂直磁场的感应电动势。同步系统用于发射系统与接受系统之间的同步，采集主机V5通过同步系统控制发射系统供电和断电的时间，保障接收信号的采样是在断电以后一定时间延迟时刻开始。通过同轴电缆进行同步。通过野外资料，即实际感应电动势数据的采集，可获得各个测试点的感应电动势曲线。设t_i时刻的感应电动势为U⁰_i，则计算该t_i时刻平滑处理后的感应电动势的公式如下所示：

U_i＝0.10U⁰_i-2+0.15U⁰_i-2+0.5U⁰_i+0.15U⁰_i+1+0.10U⁰_i+1

进一步地，为了获取更真实准确的感应电动势数据，本发明实施例通过步骤103从平滑处理后的感应电动势-时间曲线中消除对应的背景感应电动势。具体地，采用最小二乘法，以背景函数f(t)＝ae^-bt+c拟合平滑处理后的所述感应电动势-时间曲线，获得拟合参数a、b、c，其中，e是自然底数，t是实际采集感应电动势数据的采样时间。其中，设t_i时刻的感应电动势为U_i，i＝1、2、……、n，以相同时刻观测数据与背景函数偏差的平方和作为目标函数，令目标函数对待定的拟合参数a、b和c的偏微分分别为0可得3个方程，由这3个方程可解出拟合参数a、b和c。根据计算得到的拟合参数a、b、c，计算各个对应时刻的函数值f(t)来作为背景感应电动势(其中t是实际采集感应电动势数据的采样时间，即t的取值应于实际感应电动势的数据的采集时间为对应一致的)。进一步地，将计算得到的各个背景感应电动势从平滑处理后的感应电动势-时间曲线中对应消除，即可消除所勘探得到的感应电动势的背景值。

待消除背景感应电动势后，所得到的感应电动势-时间曲线尽可能真实准确地反映了目标地质体的性能。此时，为了提高对目标地质体，尤其是低阻目标地质体的分辨率，本发明实施例引入了“张弛强度”的概念，并通过步骤104根据消除背景感应电动势后的感应电动势-时间曲线，计算各个时刻所对应的感应电动势的张弛强度，从而获得张弛强度的时间函数，并根据时间-深度关系，将该张弛强度的时间函数转化为张弛强度的深度函数。

本发明实施例将对“张弛强度”进行如下解释说明：

1)瞬变电磁感应

以中心回线瞬变电磁测深为例进行说明。在发生线框中发射矩形方波电流，在供电期间由于电流的存在会在产生一次磁场。当关断电流后，一次磁场会变化，由于磁场的变化，会引起地下的低电阻率目标地质体产生感应电流，感应电流又会引起二次磁场。接受线圈可测量得到二次磁场产生的感应电动势。

2)瞬变电磁过程

在介质中当外加电磁场从一种稳定状态变化到另一种稳定状态时,由于介质的极化、磁化和激电效应，感应效应产生的二次场也将从一种状态变化到另一种稳定状态。从外加电磁场自一种稳定状态开始变化到感应二次场在另一种稳定外场状态下趋于稳定为止的整个过程，称为瞬变电磁过程。

3)弛豫时间

瞬变电磁过程所耗费的时间就是弛豫时间。例如，在电阻率为100Ω·m的均匀半空间中，三维目标地质体是边长为50m的立方体，电阻率为10Ω·m，当该目标地质体的埋藏深度分别为100、500、和800m时，在中心回线观察方式下，其感应电动势随时间变化的曲线如图1所示。由图1可知，当目标地质体由浅层到深层逐步变化时，弛豫时间由长变短。

4)瞬变电磁过程的特征

发明人通过对瞬变电磁过程的试验和模拟，认识到瞬变电磁过程具有如下3个特征：

1、电阻率越大的三维目标地质体，弛豫时间越短，感应电动势衰减越快。电阻率越小的三维目标地质体，弛豫时间越大，感应电动势衰减越慢。

2、感应电动势曲线的不同时段主要反映出不同深度的介质导电性。

3、三维目标地质体的埋藏深度越大，弛豫时间越短，感应电动势衰减越 快。埋藏深度越小，弛豫时间越大，感应电动势衰减越慢。

在上述基础上，本发明实施例通过如下即使公式给出张驰强度的定义，即张驰强度是给定的时间内感应电动势衰减幅度。

设T₀时刻的感应电动势为U₀，T₁时刻的感应电动势为U₁，则在时窗[T₀，T₁]的中点：T＝(T₀+T₁)/2时刻的张驰强度D＝U₀-U₁。其物理含义是：张驰强度越大说明感应电流越小，目标地质体的电阻率越大；张驰强度越小说明感应电流越大，目标地质体的电阻率越小。这是因为二次感应电流阻止衰减变化，弛豫时间越长，反映出目标地质体的导电能力越强，揭示岩石电阻率越小。

对于一个勘探测试点，沿时间轴把电动势曲线分割成n等分，一般而言，分辨率越高则要求n越大。设T_i时刻的感应电动势为U_i，T_i+1时刻的为U_i+1，则在T＝(T_i+T_i+1)/2时刻的张驰强度为D＝U_i-U_i+1，这样就可以获得张驰强度的时间函数D(T)。之后依据时间-深度关系把张驰强度的时间函数转换为张驰强度的深度函数D(H)。

其中，上述时间-深度关系具体指的是对目标地质体的感应电动势进行采集的时间与目标地质体的埋藏深度之间的关系，其可通过如下计算公式进行转化：H＝cT，其中，H指的是目标地质体的埋藏深度，T指的是对目标地质体的感应电动势进行采集的时间，c为标定系数，其通过一个已知埋藏深度的目标地质体进行确定，例如已知一个地层界面的深度为1000米，其对应的感应电动势采集时间是100微秒，那么c就是10m/μs。如此，就可以获得同一个测试点于不同深度处的张弛强度，即获得张驰强度的深度函数D(H)。

此后，本发明实施例将通过步骤105，以勘探测试点的位置X为横坐标，以目标地质体的埋藏深度H为纵坐标，以通过张弛强度的深度函数计算得到的各埋藏深度处的张弛强度D(X，H)参数，采用绘图软件，例如Surfer软件获得张弛强度的等值线剖面图。

从所得的张弛强度的等值线剖面图上可以看出，驰强度越大的位置处感应电流小，反映出该位置处目标地质体的电阻率越大。张驰强度越小的位置处感应电流越大，反映出该位置处目标地质体的导电能力越强，电阻率越小。如附图2所示(其中左纵坐标表示目标地质体的位于地下的埋藏深度)，根据以上描述，可以在张弛强度的等值线剖面图上识别出34米深处有一个约2米大小的溶洞。经过实际钻孔验证，在33.00-35.1之间的确存在一个溶洞，与从张弛强度的 等值线剖面图上识别得到的结果完全一致。而在同一剖面的高密度电法剖面上没有任何显示，表明本发明实施例提供的方法能够有效提高对目标地质体进行电磁勘探的分辨率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。