一种多通道瞬变电磁法三维探测的装置和方法
【专利摘要】本申请提出一种多通道瞬变电磁法三维探测的装置和方法，所述装置包括：发射电极对和分布式采集站；在距离所述发射电极对第一预设距离处设置所述分布式采集站；所述分布式采集站包括设置在多条测线上的多个接收电极对，每条测线上设置一个接收电极对或者多个接收电极对，所述方法包括：将分布式采集站获得的瞬变电磁观测数据等效转换为地面虚拟地震波场数据；通过转换获得的所述地面虚拟地震波场数据，获得地下任一点的虚拟地震数据；根据所述地下任一点的地震数据，确定地下目标体的与围岩的分界面。应用性强、数据采集精度高；能够获得精细解释剖面，直观地解释地下目标体与围岩的分界面。
【专利说明】
一种多通道瞬变电磁法三维探测的装置和方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及煤田水文地质与地球物理领域，具体涉及一种多通道瞬变电磁法三维 探测的装置和方法。
【背景技术】
[0002] MTEM(Multi_channel Transient Electromagnetic Method，多通道瞬变电磁法） 最初设想是通过提取同一地点不同时间获取的EM数据间的差异估计地下天然气储层的分 布情况。
[0003] 如图1所示，为多通道瞬变电磁法实验的装置野外布设示意图。图上"点"表示试验 中各发射极点的位置，"十字"表示观测点的位置。在试验中，系统沿测线进行阵列式多分量 发射，阵列式多场量、多分量观测。发射机发射占空比1 〇〇 %的双极性方波，发射极间距为 250米，进行发射。在观测点位置，使用接收机进行轴向式或者赤道向式观测电场及垂直磁 场，电场观测的电极间距为125米。
[0004] MTEM工作原理如图2所示。MTEM主要工作特点为:发射电极对与接收电极对位于同 一条测线上，采取一发多收的观测系统。这种装置模式与地震勘探数据观测方式比较相近， 数据处理方法也与地震勘探基本相似，即通过共偏移剖面图，来推测地下某一深度目标体 的地电信息。
[0005] 在对MTEM法进行实验的初期，接收装置记录电场水平分量、垂直分量，以及垂直磁 场随时间的导数等参数。随后的建模研究和数据处理结果表明，除了电场水平分量，其它分 量并没有反映出地下目标体的更多的信息。因此，后期采取了如图2所示的轴向式工作装 置。
[0006] MTEM法采用电偶极源进行信号发射，采用电偶极子阵列来记录大地电磁响应，发 射源位置和接收电偶极子之间的偏移距一般为2倍目标体深度至4倍目标体深度。整个系统 沿测线移动，直到完成整条测线的数据采集工作。各测点的大地电压响应的峰值与大地电 阻率值及收发距离存在如下的近似表达式：
[0008] 其中，AXs，AXr分别为源电极距和接收电极距，I为源电流，匕为源转换频率，r为 偏移距，P为电阻率。由上式可以看出，随着偏移距r的增加，接收得到的电压信号将急剧衰 减，在偏移距较大时难以获得质量较好的信号。此外，常规方法对于复杂地质构造、地形起 伏等情况下，不利于精细探测。
【发明内容】
[0009] 本发明提供一种多通道瞬变电磁法三维探测的装置和方法，利用地球物理方法， 完成精度高的3-D数据采集、获得精细解释剖面。
[0010] 为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：
[0011] -种多通道瞬变电磁法三维探测的装置，包括:发射电极对和分布式采集站；
[0012] 在距离所述发射电极对第一预设距离处设置所述分布式采集站；
[0013] 所述分布式采集站包括设置在多条测线上的多个接收电极对，每条测线上设置一 个接收电极对或者多个接收电极对。
[0014] 可选地，所述发射电极对的两个电极之间距离为第二预设距离。
[0015] 可选地，所述发射电极对的连线与所述分布式采集站的测线平行或者垂直。
[0016] 为解决上述技术问题，本发明还提供一种多通道瞬变电磁法三维探测的方法，包 括：
[0017] 将分布式采集站获得的瞬变电磁观测数据等效转换为地面虚拟地震波场数据；
[0018] 通过转换获得的所述地面虚拟地震波场数据，获得地下任一点的虚拟地震数据；
[0019] 根据所述地下任一点的地震数据，确定地下目标体的与围岩的分界面。
[0020] 可选地，将分布式采集站获得的瞬变电磁观测数据等效转换为地面虚拟地震波场 数据包括：
[0021] 按照如下公式将分布式采集站获得的瞬变电磁观测数据等效转换为地面虚拟地 震波场数据：
[0023] 其中，E(x，y，z，t)为分布式采集站瞬变电磁观测数据，U(X，y，z，T)为要转换的虚 拟地震波场数据，t为分布式采集站瞬变电磁数据时间，t为虚拟地震波场数据时间。
[0024] 可选地，通过转换获得的所述地面虚拟地震波场数据，获得地下任一点的地震数 据包括：
[0025] 根据获得的所述地面虚拟地震波场数据，利用从地面向地下递推的方法，获得地 下任一点的虚拟地震数据。
[0026] 可选地，通过转换获得的所述地面虚拟地震波场数据，获得地下任一点的虚拟地 震数据包括：
[0027] 按照如下公式获得地下任一点的地震数据：
[0029] 其中，U(x，y，z，t)是t时刻地下任一点(x，y，z)处的虚拟地震波场数据值，t是观测 时间，n为任一点(x，y，z)处的法向方向：
是地表任一点处的虚拟地震波场 数据值，Q〇是地表的测量区域：
^为地面某个观测记录点至地下某个点的距离。
[0030] 本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：
[0031] 本发明的装置和方法，将常规观测系统改进成三维观测系统，其应用性更强、数据 采集精度高;把常规视电阻率处理方法改进成虚拟地震波场解释技术，获得精细解释剖面， 直观地解释地下目标体与围岩的分界面。
【附图说明】
[0032] 图1是相关技术的测线布置示意图；
[0033] 图2是相关技术的电性源MTEM数据采集方式示意图；
[0034] 图3是本发明实施例的多通道瞬变电磁法三维探测的装置的示意图；
[0035] 图4是本发明实施例的多通道瞬变电磁法三维探测的方法的流程图；
[0036] 图5是本发明实施例一的铜矿体模型示意图；
[0037] 图6是本发明实施例一的矿体模型深度偏移剖面图。
【具体实施方式】
[0038] 为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本 发明的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中 的特征可以相互任意组合。
[0039]如图3所示，本发明实施例提供一种多通道瞬变电磁法三维探测的装置，包括:发 射电极对和分布式米集站；
[0040] 在距离所述发射电极对第一预设距离处设置所述分布式采集站；
[0041] 所述分布式采集站包括设置在多条测线上的多个接收电极对，每条测线上设置一 个接收电极对或者多个接收电极对。
[0042]所述发射电极对的两个电极之间距离为第二预设距离。
[0043]所述发射电极对的连线与所述分布式采集站的测线平行或者垂直。
[0044]在实施过程中，向相距离10002000米的地面A，B两个位置打入发射电极，并用 导线连接A，B两点，形成发射端，或者在AB的垂直方向面布发射端。向地下发射10-50A电 流，500-1000V电压，发送信号的编码位数1-4095(2 12-1)，发送信号的基准频率〈10kHz;发送 信号的动态范围为160dB。
[0045] 在距离发射端一定的位置的多条测线上同时布设接收装置，最多可同时测量1000 道，同时进行接收信号，采样率64kHz，发射与接收的时间同步精度5沾。一次发射分布式采 集站同时接收，可以得到立体化的地质信息，更加有利于精细勘探。这种方案可实现从地表 浅部(500m)向地下深部(2000m)更精细探测、从二维(2D)断面向三维(3D)立体勘查的提升。
[0046] 常规视电阻率剖面解释的方法中大地可以看作是一个线性时不变系统，把由接地 电极发射的源信号看作系统输入，把所接收的信号看作系统输出信号，根据线性时不变系 统特性，输出信号可表示为：
[0047] ak(Xs，Xr，t) = S(Xs，Xr，t)*g(Xs，Xr，t)+n(Xr，t)
[0048]式中：Xs，Xr分别代表发射电极对和接收电极对的中心位置，ak( Xs，Xr，t )表不输出 信号；S(Xs，Xr，t)表示与发射信号、收发距离等有关的系统响应;g(Xs， Xr，t)表示来自地质 目标体的大地脉冲响应;t表示时间延时，n (xr，t)表示噪声。
[0049]为了较好地记录与地质体有关的大地脉冲响应，在数据采集和处理时，采用了以 下的3个关键性技术：（1)在测量感应电压时，同时测量发送电流，以便得到测量系统响应； (2)通过对观测信号与系统响应的反卷积，获得大地脉冲响应；（3)通过多次迭加，增加信噪 比。
[0050]根据大地脉冲响应，计算视电阻率值：
[0052]式中：tpeak表示大地脉冲响应的峰值时刻;r表示收发距离;y表示介质的磁导率。 [0053] 对大地脉冲响应进一步处理，可以得到3种不同形式的剖面。（1)脉冲响应共偏移 距离剖面，大地脉冲响应的峰值与峰值时刻与地下介质的电阻率相关，将同一偏移距下的 大地脉冲响应整理成共偏移距剖面，可以反映地下同一深度的地电信息。（2)共中心点视电 阻率剖面，根据公式(3)定义的视电阻率，得到共中心点的视电阻率----偏移距剖面。该剖 面反映不同测点电阻率随深度的变化关系。（3)共中心点集1D反演剖面，通过对不同偏移距 下脉冲响应曲线的反演拟合后，获得共中心点的视电阻率深度二维剖面。。
[0054] 本发明实施例利用多道瞬变电磁法采集方式，本发明对于金属铜矿的解释方法与 地震勘探比较相似，借鉴地震勘探的数据处理技术。电流在地层中的传播方式与地震波在 相同地层中的传播方式不同，首先把观测信号等效转换成虚拟地震信号，然后再进行解释。
[0055] 如图4所示，本发明实施例提供一种多通道瞬变电磁法三维探测的方法，包括：
[0056] S101、将分布式采集站获得的瞬变电磁观测数据等效转换为地面虚拟地震波场数 据；
[0057] S102、通过转换获得的所述地面虚拟地震波场数据，获得地下任一点的虚拟地震 数据；
[0058] S103、根据所述地下任一点的地震数据确定地下目标体与围岩的分界面。
[0059] S101 包括：
[0060]按照如下公式将分布式采集站获得的瞬变电磁观测数据等效转换为地面虚拟地 震波场数据：
[0062] 其中，E(x，y，z，t)为分布式采集站瞬变电磁观测数据，U(X，y，z，T)为要转换的虚 拟地震波场数据，t为分布式采集站瞬变电磁数据时间，t为虚拟地震波场数据时间。
[0063] S102 包括：
[0064] 根据获得的所述地面虚拟地震波场数据，采用从地面向地下递推的方法，从地面 向地下反向外推，获得地下任一点的虚拟地震数据。
[0065] 由于瞬变电磁勘探中的场在地下以扩散形式传播，这种扩散形式传播的电磁场在 目标体与围岩的分界面上不具有反射与折射的性质，因而对目标体与围岩的分界面反映不 敏感;而地震勘探中的场在地下以波动形式传播，这种形式传播的场具有反射和折射的性 质，对目标体与围岩的分界面反映敏感。
[0066]如果要借鉴地震勘探中成熟的资料处理解释技术，须通过数学积分变换，将满足 扩散方程的时域瞬变电磁场数据等效转换为满足波动方程的虚拟波场数据，然后借助于地 震中发展起来的一些比较成熟的成像方法技术，比较直观地求解被探目标体的分界面。虚 拟地震波场数据的物理意义是:与地下目标体真实的电性特征数据相对应的等效弹性特征 数据。
[0067]具体地，按照如下公式获得地下任一点的虚拟地震数据：
[0069] 其中，U(x，y，z，t)是t时刻地下任一点(x，y，z)处的虚拟地震波场数据值，t是观测 时间，n为任一点(x，y，z)处的法向方向
1是地表任一点处的虚拟地震波场 数据值，Q〇是地表的测量区域，
为地面某个观测记录点至地下某个点的距离。
[0070] 根据上面这个公式，可以把地面上任意点的虚拟地震波数据 <
，经 过积分计算，积分区域Q〇是地面瞬变电磁观测区域，得到地下任意点位置处的虚拟地震数 据U(x，y，z，t)，根据积分所得的地下任意点的虚拟地震数据，可以更好地判断地下目标体 与围岩的电性分界面。
[0071] 实施例
[0072] 在某测区进行瞬变电磁工作时，其矿体埋藏深度为1000m左右，赋存于石炭系黄龙 组-船山组层位中，呈似层状产出，其产状和形态与围岩一致。矿体在平面上展布较宽，而在 深度上变化较小。矿体主要由含铜矽卡岩、含铜黄铁矿、含铜蛇纹岩、含铜磁黄铁矿等构成。 矿体底盘直接围岩为石炭系下统高丽山组岩石和石英闪长岩，以角岩化粉砂岩为主。矿体 直接顶盘岩石为黄龙组大理岩，上部为栖霞组大理岩等岩石。矿体构造简单，研究程度较 高。矿体与围岩之间具有较好的电性特征差异，矿体本身具有良好的导电性，而围岩主要表 现为高阻特征，适合电磁法探测。前期经过多次勘探，获得矿体模型（图5)。
[0073]围岩按照电性可分为三层，第一层电阻率为1000Q ? m，第二层电阻率为500Q ? m，基底电阻率为5000 Q *111。第一层矿体电阻率值为100 Q ?!!!，沿第一层和第二层围岩之间 的界面赋存，贯穿了整个研究区域;第二层矿体沿第二层和基底之间的界面赋存，主要分布 于300m-1100m范围内。两层矿体厚度均约为50m -100m，沿其走向方向的延伸约为600m- 800m。矿体具有一定的起伏，第一层矿体的垂向分布范围约为300m--1000m之间，第二层矿 体分布于800m-1000m之间。
[0074]依据所述测区铜矿矿体，进行了模型设计和多道瞬变电磁数据正演计算，然后按 本发明实施例提出的方法进行地震波场数据转换和处理。图6为经过地震处理之后的深度 偏移剖面，据图进行分析可以得出：（1)处理剖面基本上反映出了电性界面和两层矿体的起 伏形态。根据虚拟地震波场的反射规律和反射波同相轴的相位特征可以推断，第一条和第 二条同相轴分别对应着第一层矿体的顶面、底面和第一个围岩层面，第三条同相轴对应着 第二层矿体的顶面；（2)所使用的模型平均电阻率值较大，由于高阻介质对高频成分的滤波 作用相对较弱，在深度较大时，波场的高频成分仍比较丰富，具有较高的分辨率，对于较深 的第二层矿体顶面仍有明显的反映；（3)由于第二层矿体的横向延续范围较小，对应其顶面 的同相轴在剖面两侧的振幅有所减小。
[0075]虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方 案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不 脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变 化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。
【主权项】
1. 一种多通道瞬变电磁法三维探测的装置，其特征在于，包括:发射电极对和分布式采 集站； 在距离所述发射电极对第一预设距离处设置所述分布式采集站； 所述分布式采集站包括设置在多条测线上的多个接收电极对，每条测线上设置一个接 收电极对或者多个接收电极对。2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于:所述发射电极对的两个电极之间距离为第二 预设距离。3. 如权利要求1所述的装置，其特征在于:所述发射电极对的连线与所述分布式采集站 的测线平行或者垂直。4. 一种多通道瞬变电磁法三维探测的方法，其特征在于，包括： 将分布式采集站获得的瞬变电磁观测数据等效转换为地面虚拟地震波场数据； 通过转换获得的所述地面虚拟地震波场数据，获得地下任一点的虚拟地震数据； 根据所述地下任一点的地震数据，确定地下目标体的与围岩的分界面。5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于:将分布式采集站获得的瞬变电磁观测数据等 效转换为地面虚拟地震波场数据包括： 按照如下公式将分布式采集站获得的瞬变电磁观测数据等效转换为地面虚拟地震波 场数据：其中，E(x，y，z，t)为分布式采集站瞬变电磁观测数据，U(x，y，z，T)为要转换的虚拟地 震波场数据，t为分布式采集站瞬变电磁数据时间，τ为虚拟地震波场数据时间。6. 如权利要求4所述的方法，其特征在于：通过转换获得的所述地面虚拟地震波场数 据，获得地下任一点的地震数据包括： 根据获得的所述地面虚拟地震波场数据，利用从地面向地下递推的方法，获得地下任 一点的虚拟地震数据。7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于：通过转换获得的所述地面虚拟地震波场数 据，获得地下任一点的虚拟地震数据包括： 按照如下公式获得地下任一点的地震数据：其中，U(x，y，z，t)是t时刻地下任一点（x，y，z)处的虚拟地震波场数据值，t是观测时 间，η为任一点(x，y，z)处的法向方向是地表任一点处的虚拟地震波场数 据值，Qo是地表的测量区域，r为地面某个观测记录点至地下某个点的距离。
【文档编号】G01V3/38GK105929455SQ201610243145
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】底青云, 李貅, 薛国强, 侯东洋
【申请人】中国科学院地质与地球物理研究所