基于新发射波形的瞬变电磁与核磁共振一体化探测方法

文档序号:10569052阅读:973来源:国知局
基于新发射波形的瞬变电磁与核磁共振一体化探测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于新发射波形的瞬变电磁与核磁共振一体化探测方法,按如下步骤:S1:发射一种同时满足瞬变电磁和核磁共振激发条件的新波形,然后同时进行瞬变电磁和核磁共振的观测;S2:用瞬变电磁探测技术获取地下电性分布,在此基础上进行核磁共振反演,获得地下水的含水率分布;S3:按照设定的研究尺度,将研究空间离散化为网格单元,各网格内部物性均匀分布,得核磁共振初始振幅的计算公式。该方法通过给出了一种同时满足瞬变电磁与核磁共振二者激发条件的波形,实现了瞬变电磁与核磁共振的一体化探测。可以极大的提高观测效率,且节约成本。
【专利说明】
基于新发射波形的瞬变电磁与核磁共振一体化探测方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及瞬变电磁探测技术,特别是一种基于新发射波形的瞬变电磁与核磁共 振一体化探测方法。
【背景技术】
[0002] 近年来,瞬变电磁法发展十分迅猛,包括地面瞬变电磁法、航空瞬变电磁法、矿井 瞬变电磁法等。瞬变电磁法观测纯二次场,可在近区测量;工作装置灵活多样,包括重叠回 线、中心回线、分离回线、大回线源、井地等工作装置;其具有对低阻体反应灵敏、体积效应 小、纵横向分辨率高、施工方便效率高等优点。因而,该方法被广泛应用于金属矿勘探、煤矿 水文地质调查和工程勘查等领域。另外,瞬变电磁也可以应用于隧道掌子面的观测。隧道施 工中将可能面临诸多地质灾害,如突水突泥、岩爆、塌方、瓦斯突出等。其中突(涌)水、突 (涌)泥灾害是隧道施工中的主要地质灾害之一,在国内外隧道特大事故中,突(涌)水、突 (涌)泥灾害在死亡人数和发生次数上均居于前列,成为制约隧道等地下工程建设的瓶颈问 题,给隧道施工带来了严重的安全问题和经济损失,并极易诱发次生地质灾害和生态环境 问题。因此,隧道掌子面前方含水地质构造的超前探测已经成为亟待研究和解决的重要工 程科技难题。
[0003] 目前,核磁共振方法是一种可直接探测水体的地球物理方法,它利用人工激发的 电磁场使地下氢原子的宏观磁矩产生扳倒角,在断开电流之后,宏观磁矩在地磁场的作用 下产生旋进运动,其频率为氢核所特有。用铺设在地面的线圈接收宏观磁矩产生的进动信 号,就可以探测水体的存在。但核磁共振只能给出含水率的空间变化,对于赋存介质的电阻 率分布却很难有准确的描述,这是由于核磁共振发射的是单频电磁波,且接收的信号是水 体中的氢原子旋进衰减过程中释放的电磁波,而非电磁感应衰减过程释放的电磁信号,而 电性介质的分布情况会直接影响频率域电磁波的传播和分布。因而对电性介质分布的了解 程度,直接影响着核磁共振探测的解释精度。
[0004] 瞬变电磁和核磁共振探测有很多优点,并且应用于很多方面。但是如今瞬变电磁 和核磁共振都是分别进行观测的,如果想同时应用瞬变电磁和核磁共振的资料数据进行综 合解释,就要分别进行瞬变电磁和核磁共振的激发,然后分别采集瞬变电磁和核磁共振的 数据。

【发明内容】

[0005] 本发明的目的在于,提供一种基于新发射波形的瞬变电磁与核磁共振一体化探测 方法,可以极大的提高观测效率,且节约成本。
[0006] 为了实现上述任务,本发明通过以下技术方案得以实现:
[0007] -种基于新发射波形的瞬变电磁与核磁共振一体化探测方法,其特征在于,包括 如下步骤:
[0008] S1:发射一种同时满足瞬变电磁和核磁共振激发条件的新波形,然后同时进行瞬 变电磁和核磁共振的观测;
[0009] S2:用瞬变电磁探测技术获取地下电性分布,在此基础上进行核磁共振反演,获得 地下水的含水率分布;
[0010] S3:按照设定的研究尺度,将研究空间离散化为网格单元,各网格内部物性均匀分 布,得核磁共振初始振幅的计算公式:
(1)
[0012]其中,N为剖分单元个数,I为第j个单元内所含水产生的初始振幅,如为第j个单元 的含水率;
[0013]在多个脉冲距激发下,上式(1)可以矩阵形式表示:
[0014] Kn = E(2)
[0015] 其中,: :为第i个脉冲距激发下,第j个单元内水量产生的初 L [奶 《縱" 始振幅;
[0016] 求解线性方程组(2)即可获得各单元含水率值。
[0017] 所述S1步骤中:
[0018] S11:所述的新波形为:梯形波上升沿(0~。段)与拉莫尔频率的余弦波(七~〖2段) 以及梯形波下降沿(t2~t3段)的组合;直流分量1〇为5~50A,余弦波振幅1^0.5~5A,持续 时间 A ti(即t2-ti)为 100~1000ms,关断时间 A t2(即t3-t2)为 10~500us。
[0019] S12、通过新波形,同此激发瞬变电磁和核磁共振响应,一次观测同时采集瞬变电 磁与核磁共振的数据。
[0020] 所述S2步骤中核磁共振反演的步骤为:
[0021] S21、在垂直于地磁场方向的外加磁场,使宏观磁矩和外加磁场的相互作用产生一 力矩,使得宏观磁矩不再平行于地磁场,而是与地磁场产生一个扳倒角;
[0022] S22、撤去外加磁场后,使宏观磁矩将与地磁场作用而使得宏观磁矩逐渐恢复到施 加磁场之前的状态,过程中,释放出等于拉莫尔频率的自由衰减信号;
[0023] S23、根据自由衰减信号的初始振幅推断地下含水体的分布和含水率。
[0024] 所述自动自由衰减信号的初始振幅公式为:
(3)
[0026]式中,Eo为自由衰减信号的初始振幅,为当地的拉莫尔频率,Mo为质子磁矩,I为 发射电流,y为质子磁旋比,n为r点处的含水率,q为发射脉冲距,为外加磁场垂直于地磁 场的分量。
[0027]所述自由衰减信号的初始振幅的计算方法为:利用有限元法求取外加磁场的分 布;采用直立六面体剖分、线性插值获得总体矩阵,然后求解左端包含电性分布信息、右端 包含源项信息的方程组即可求得磁场值分布;通过半空间场值来反算源项的方法形成右端 项,然后根据有限元法计算的磁场值即可获得模型的核磁共振响应。
[0028]所述S2步骤中,瞬变电磁方法中,信号接收装置是由多匝导线绕成的线圈或探头, 接收到的是二次磁场随时间的变化率,依据等效导电平面理论有:
(4)
[0030]其中,S为纵向电导,K为与发射接收有关的常数,I为发射电流大小,a为发射回线 半径,F为一个与时间和电导都有关的函数,F的表达式为:
(5)
[0032]其中,h为薄板深度,t为接收时刻;
[0033] 纵向电导S可依下式求取:
(6)
[0035]所述(6)式是关于纵向电导S的非线性方程,求解该方程即得纵向电导S。
[0036] 根据纵向电导的定义,有电阻率值PT (h) = dh/dS,对应深度为:
[0038]本发明的基于新发射波形的瞬变电磁与核磁共振一体化探测方法,通过给出的新 波形,实现瞬变电磁和核磁共振的一体化探测,提高了工作效率,节省了成本。
【附图说明】
[0039]图1是发射的新波形示意图。
【具体实施方式】
[0040] 为了使本发明的目的及优点更加清楚明白,以下结合附图和实施例对本发明进行 进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定 本发明。
[0041] 本具体实施给出的一种基于新发射波形的瞬变电磁与核磁共振一体化探测方法, 该方法首先给出一种新的能够同时满足瞬变电磁与核磁共振二者探测的激发条件的波形; 在此基础上,通过一次观测同时采集瞬变电磁与核磁共振的数据;分别对瞬变电磁和核磁 共振数据进行处理;最后根据瞬变电磁和核磁共振资料对探测结果综合分析进行综合解 释。
[0042]具体按如下步骤:
[0043] S1、发射一种同时满足瞬变电磁和核磁共振激发条件的新的波形,然后同时进行 瞬变电磁和核磁共振的观测.
[0044] S2、用瞬变电磁探测技术获取地下电性分布,在此基础上进行核磁共振反演;
[0045] S1步骤中的新波形如图1所示,新波形是梯形波的上升沿+拉莫尔频率的余弦波 梯形波的下降沿组合形状。
[0046]其中0~ti段为梯形波的上升沿,ti~t2段为拉莫尔频率的余弦波,t2~t 3段为梯形 波的下降沿;直流分量1〇为5~50A,余弦波振幅1^0.5~5A,持续时间A t(即trt)为100 ~1000ms,关断时间 A t2(即t3-t2)为 10~500us。
[0047] 通过新波形,同此激发瞬变电磁和核磁共振响应,一次观测同时采集瞬变电磁与 核磁共振的数据。
[0048] 所述S2步骤中核磁共振反演的步骤为:
[0049] S21、在垂直于地磁场方向的外加磁场,使宏观磁矩和外加磁场的相互作用产生一 力矩,使得宏观磁矩不再平行于地磁场,而是与地磁场产生一个扳倒角;
[0050] S22、撤去外加磁场后,使宏观磁矩将与地磁场作用而使得宏观磁矩逐渐恢复到施 加磁场之前的状态,过程中,释放出等于拉莫尔频率的自由衰减信号;
[0051 ] S23、根据自由衰减信号的初始振幅进行核磁共振的反演。
[0052]所述自动自由衰减信号的初始振幅公式为:
(3)
[0054]式中,Eo为自由衰减信号的初始振幅,为当地的拉莫尔频率,Mo为质子磁矩,I为 发射电流,y为质子磁旋比,n为r点处的含水率,q为发射脉冲距,为外加磁场垂直于地磁 场的分量。
[0055] 所述自由衰减信号的初始振幅的计算方法为:利用有限元法求取外加磁场的分 布;采用直立六面体剖分、线性插值获得总体矩阵,然后求解左端包含电性分布信息、右端 包含源项信息的方程组即可求得磁场值分布;通过半空间场值来反算源项的方法形成右端 项,然后根据有限元法计算的磁场值即可获得模型的核磁共振响应。
[0056] 所述S2步骤中,瞬变电磁方法中,信号接收装置是由多匝导线绕成的线圈或探头, 接收到的是二次磁场随时间的变化率,依据等效导电平面理论有:
(4)
[0058]其中,S为纵向电导,K为与发射接收有关的常数,I为发射电流大小,a为发射回线 半径,F为一个与时间和电导都有关的函数;
[0059] F的表达式为:
[0061 ]式中,h为薄板深度,t为接收时刻;
[0062] 纵向电导S可依下式求取: (6)
[0064] 所述(6)式是关于纵向电导S的非线性方程,求解该方程即得纵向电导S;
[0065] 根据纵向电导的定义,有电阻率值pT (h) = dh/dS,对应深度为:
[0067]以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人 员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于新发射波形的瞬变电磁与核磁共振一体化探测方法,其特征在于,按如下 步骤: S1:发射一种同时满足瞬变电磁和核磁共振激发条件的新波形,然后同时进行瞬变电 磁和核磁共振的观测; S2:用瞬变电磁探测技术获取地下电性分布,在此基础上进行核磁共振反演,获得地下 水的含水率分布; S3:按照设定的研究尺度,将研究空间离散化为网格单元,各网格内部物性均匀分布, 得核磁共振初始振幅的计算公式:其中,N为剖分单元个数,Kj为第j个单元内所含水产生的初始振幅,nj为第j个单元的含 水率; 在多个脉冲距激发下,上式(1)可以矩阵形式表示: Kn = E (2)'Κ"为第i个脉冲距激发下,第j个单元内水量产生的初始振 幅; 求解线性方程组(2)即可获得各单元含水率值。2. 如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述S1步骤中: S11:所述的新波形为:梯形波上升沿(0~。段)与拉莫尔频率的余弦波(七~〖2段)以及 梯形波下降沿(t2~t3段)的组合;直流分量1〇为5~50A,余弦波振幅^*0.5~5A,持续时间 Δ ti(即t2-ti)为 100~1000ms,关断时间 Δ t2(即t3-t2)为 10~500us。 S12:通过新波形,同时激发瞬变电磁和核磁共振响应,一次观测同时采集瞬变电磁与 核磁共振的数据。3. 根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述S2步骤中核磁共振反演的步骤为: 521、 在垂直于地磁场方向的外加磁场,使宏观磁矩和外加磁场的相互作用而产生一个 力矩,使得宏观磁矩不再平行于地磁场,而是与地磁场产生一个扳倒角; 522、 撤去外加磁场后,使宏观磁矩将与地磁场作用而使得宏观磁矩逐渐恢复到施加磁 场之前的状态,过程中,释放出等于拉莫尔频率的自由衰减信号; 523、 根据自由衰减信号的初始振幅推断地下含水体的分布和含水率。4. 如权利要求3所述的方法,其特征在于,所述自动自由衰减信号的初始振幅公式为:式中,Εο为自由衰减信号的初始振幅,ω 〇为当地的拉莫尔频率,Mo为质子磁矩,I为发射 电流,γ为质子磁旋比,η为r点处的含水率,q为发射脉冲距,为外加磁场垂直于地磁场的 分量。5. 如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述自由衰减信号的初始振幅的计算方法 为:利用有限元法求取外加磁场的分布;采用直立六面体剖分、线性插值获得总体矩阵,然 后求解左端包含电性分布信息、右端包含源项信息的方程组即可求得磁场值分布;通过半 空间场值来反算源项的方法形成右端项,然后根据有限元法计算的磁场值即可获得模型的 核磁共振响应。6. 如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述S2步骤中,瞬变电磁方法中,信号接收装 置是由多匝导线绕成的线圈或探头,接收到的是二次磁场随时间的变化率,依据等效导电 平面理论有:其中,S为纵向电导,K为与发射接收有关的常数,I为发射电流大小,a为发射回线半径, F为一个与时间和电导都有关的函数,F的表达式为:其中,h为薄板深度,t为接收时刻; 纵向电导S可依下式求取:式(6)是关于纵向电导S的非线性方程,求解该方程即得纵向电导S; 根据纵向电导的定义,有电阻率值Ρτ (h) = dh/dS,对应深度为:
【文档编号】G01V3/08GK105929456SQ201610250686
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】李貅, 戚志鹏, 刘文韬, 刘金鹏
【申请人】长安大学
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