一种含磁层状介质电磁响应的确定系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种含磁层状介质电磁响应的确定系统，该系统包括：电磁响应解析模块和电磁响应数值计算模块。该系统对于识别野外实测CSAMT数据中的磁异常效应，提高数据解释精度具有积极的理论和实际意义。
【专利说明】
一种含磁层状介质电磁响应的确定系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种含磁层状介质电磁响应的确定系统，进一步地涉及利用该系统提 取岩石物性信息的应用。
【背景技术】
[0002] 勘探电磁法是通过观测不同类型的电磁信号以获取地下目标体的电性信息以达 到探测的目的，传统的电磁法主要考虑了岩石多种物理特性中的一种，即导电性。目前广泛 应用的电磁场理论、勘探技术及数据解释手段也大部分是在该基础上形成的。然而，随着电 磁法应用领域的越来越广，人们对勘探精度要求的越来越高，仅仅基于岩石电阻率特性的 数据解释在许多情况下已不能满足特定的勘探需求。这就要求考虑多方面的岩石物理特 性，以更加全面地解释观测信号，提取更加丰富的含磁性岩石物性信息。
[0003] 磁导率作为岩石的另一种重要物性参数，在通常的理论研究和实际应用中一般不 予考虑不同岩石矿物的不同，而将其设定为与空气磁导率一样的常数。这样的处理方式对 于那些具有顺磁性或逆磁性的岩石矿物来说差别微乎其微;但是对于那些具有铁磁性或超 顺磁性的矿物，当外加磁场与之作用时，将会产生较强的附加磁场，并被接收装置记录，若 同样不考虑磁导率带来的这些变化，将会严重影响后期数据处理解释的精度(Ward and Hohamnn，1991)。事实上，相当一部分的岩矿石具有较高的相对磁导率，如磁铁矿和基性岩 发育区的矿层和岩层的相对磁导率往往大于1。
[0004] 对于岩矿石磁性对电磁法带来的影响，很早就引起了人们的注意，特别是磁性物 质对瞬变电磁响应的影响的研究较为深入。BuSelli(1982)研究了近地表超顺磁物质对瞬 变电磁测深数据的影响；Lee(1984a，b)研究了超顺磁性大地的瞬变电磁响应特性；牛之琏 (1985)引用Cole-Cole模型研究了瞬变磁张弛效应，指出瞬变磁张弛效应的衰减速度要比 导电体瞬变涡流效应慢的多，在晚期有可能测出瞬变磁张弛效应，磁张弛效应作为一种附 加效应，可能成为限制电磁法探测深度的地质噪声源，但是在有利的地质条件下也可以利 用磁张弛效应评价复杂磁异常;1(〇2116￥1111?^(2008,2009,2011)分别对均匀大地、两层大地 及多层大地的磁张弛效应对瞬变电磁数据的影响进行了研究;殷伟伟(2013)针对稀疏浸染 状铁矿的瞬变电磁响应特征进行了分析，并指出了针对此类铁矿石的瞬变电磁探测方法。 对于磁性介质对频域响应的影响，国内外的研究主要集中于频域航空电磁法中（Huang et al.，2002;高亮等，2009)。习建军（2010)和王卫平等（2013)都针对基于磁导率和电阻率的 频率域航空电磁法的正反演进行了研究。其他的研究还包括：闫述（1997)从全场区出发，研 究了频率域测深中磁性层对水平电场响应及视电阻率带来的影响，指出磁性层的存在不可 忽视，会对视电阻率曲线带来较大的影响。
[0005] 可控源音频大地电磁法(CSAMT)的波区理论相对比较成熟，近年来，CSAMT单分量 观测模式的发展，使得CSAMT的观测从单一的远区平面波区拓展至近区（Xue et al.， 2015)。为了获取更加精确的解释成果，解决更加复杂的地质勘探任务，特别是实现大深度 磁性铁矿的精细探测，非常有必要研究岩矿石磁性特征给CSAMT观测数据及数据解释带来 的影响。本发明首先推导出考虑磁性层的全场区水平电场频率域表达式以及对应的视电阻 率表达式，然后研究了不同相对磁导率情况下的视电阻率变化特点。对于识别野外实测 CSAMT数据中的磁异常效应，提高数据解释精度具有一定的理论和实际意义。
[0006] 综上可知，本领域需要一种数据解释精度高的含磁层状介质电磁响应的确定系 统。
【发明内容】
[0007] 本发明人针对现有技术的上述缺陷，经过大量研究和实地试验，提供了以下技术 方案。
[0008] 在本发明的一方面，提供了一种含磁层状介质电磁响应的确定系统，该系统包括： 电磁响应解析模块和电磁响应数值计算模块。
[0009] 优选地，其中电磁响应解析模块的建立方法如下：
[0010] 建立水平分层大地模型下的直角坐标系；在地下目标体各层介质的分界面上，即 第i层与第i + 1层的分界面上引入边界条件：电场强度的切向分量总是连续的，当分界面上 无自由面电流时磁场强度的切向分量也是连续的；然后引入矢量位A，根据麦克斯韦方程， 求得由矢量位A表示的电场和磁场方程以及矢量位A满足的边界条件方程;求解矢量位各分 量满足的齐次亥姆赫兹方程，得到矢量位的解;最后通过边界条件以及矢量位A表示的电场 和磁场方程，确定各个场强分量的具体表达式。
[0011] 水平分层大地表面上电场强度水平分量为：
[0013] 其中，_为真空磁导率，I为发射电流，a为发射线圈半径，i表示纯虚数，《为角频 率，k为波数;Jo(A r)、J2(Ar)分别为零阶和二阶贝塞尔函数，A为积分变量，r是接收点到发射 源的距离
，GT和R为地层因子， 義是第i层的相对磁导率；9是谐变线电流元与到xOy平面上任一点P(x，y)的矢径所形 成的夹角。
[0014] 优选地，其中在电磁响应数值计算模块中，首先把含有Jn(Ar)的汉克尔型积分写 成汉克尔积分的褶积形式;根据抽样定理将汉克尔积分写成离散褶积形式;利用傅里叶变 换法得到汉克尔变换的滤波系数，从而实现电磁测深的正演计算。
[0015] 在本发明的另一方面，提供了所述系统的应用，用于对观测信号进行解释，提取更 加丰富的地下磁性岩石物性信息。
[0016] 关于本发明的上述系统，具体地，可以设空气的磁导率为分层大地各层的磁导 率分别为m、y2、-_y n。在距地面高度为h的(o,o，h)点放置一个谐变水平电偶极子iaz(参见 图1 )，f表示单位矢量。
[0017]在各层介质的分界面上，例如第层i与第i + 1层分界面上引入边界条件：电场强度 的切向分量总是连续的；当分界面上无自由面电流时磁场强度的切向分量也是连续的，即
[0019]引入矢量位A求解E和H(可参考张秋光，1983发布的文章）
[0021] 式中，w为角频率，A为矢量位，E代表电场矢量，H代表磁场矢量，下标代表不同方 向的分量，k为波数，k2= ?2ye+i?y〇,其中，y、〇、e分别表示每一层的磁导率、电导率和介电 常数。
[0022] 根据(1)式，矢量位A的边界条件方程可写为：
[0024]考虑到边界条件以及4,、4:、4^均满足齐次亥姆赫兹方程，由此可确定矢 量位的解为
[0026]
，Jo为〇阶第一类Bessel函数，A为积分变量，物理意义是 r方向 的波矢量，r是接收点到发射源的距离，
[0027]可以利用（3)可求出上面⑷式中的4n个待定系数，再根据公式⑵及Ay = 0可导出
[0029]由此确定x方向电场分量的具体表达式。当h = 0时水平分层大地表面上电场强度 Ex分量为：
[0031]
# = B>W)V，GT和为地 层因子，A是第i层的相对磁导率；0是谐变线电流元办与到xOy平面上任一点P(x，y)的矢 径所形成的夹角（可参见图2)。
[0032] 得到水平电场Ex后，就可以求取Ex定义的视电阻率：
(7)
[0034] 关于含磁性岩层的视电阻率响应曲线的确定，按如下进行：
[0035] 图3~图5分别为根据(7)式计算的G型、D型和H型模型不同层位具有不同相对磁导 率情况下的视电阻率曲线。曲线的纵坐标
曲线上的数值表示磁导率异常地层的相对磁导率，各模型的参数如图中所示，取源中轴线 的点作为观测点，r表示观测点到源中心的距离。
[0036]从以上各图可以看出，当最下面一层岩层为磁性层时，不论是二层曲线还是三层 曲线，对应视电阻率曲线的影响都没有第一层或中间层具有磁性时那么明显了，即随着基 底磁导率的增大，视电阻率的增大幅度较小，而且随着频率的降低逐渐与^ =1(基底无磁 性)时视电阻率曲线尾部渐近线相重合。
[0037]关于含磁性岩层的视电阻率响应特征的确定，按如下进行：
[0038] 磁性层的视电阻率曲线响应特征基本上在上面的二层G、D，三层H型曲线上表示了 出来。当某一层的相对磁导率增大时，对应的视电阻率值也随之增大。
[0039] 1)磁性层位于顶层时：
[0040] 当第一层岩层为磁性层时，对应的视电阻率曲线的首部反映最为明显。其增大的 幅度为第一层岩层真电阻率的倍。具体分析如下：
[0041] 电场强度Ex的公式(6)在远区场情况下，可简化为
[0043]而不考虑磁性层时的远区场公式为
[0045] (8)式与(9)式相比可知，因此视电阻率值是原来的气倍。
[0046] 2)当中间层为磁性层时，视电阻率曲线的变化也很明显。对于三层曲线，当相对磁 导率达到一定程度，如大于4时，曲线形态都变得与K型曲线类似。
[0047] 3)磁性层位于底层时：
[0048]当底部岩层为磁性层时，对应的视电阻率曲线的反映不明显。具体分析如下：
[0049] 如果低频时已进入频率测深近区场(k3r<<l)，则公式(6)变为
[0051]其中，Fn为直流测深中已知的函数。在三层情况下，其表达式为
[0053] 采用非线性数字滤波方法计算上式中的汉克尔变换(Ward and Hohmann，1991)。 此时的近区场已变得与同装置的直流电偶极子的场一样，电场强度已与磁导率无关。故最 后一层岩层为磁性层时，其视电阻率曲线也总要与非磁性层的曲线尾部渐近线相重合。
[0054] 可见，为了探测埋深较深的磁性岩层，应该使相应的视电阻率曲线段保持在远区 或中区，以达到能探测磁性基底的效果。但是，在事先不知岩层参数的情况下，单纯从曲线 上仍然不易发现磁性层的存在，除了依赖地质信息和物性信息外，还可以通过对比的方法， 掌握磁性层响应特性。
【附图说明】
[0055] 图1是水平磁性分层介质示意图；
[0056]图2是9角示意图；
[0057] 图3显示了G型断面视电阻率曲线，其中图3(a)第一层磁导率不同，图3(b)第二层 磁导率不同；
[0058] 图4显示了D型断面视电阻率曲线，其中图4(a)第一层磁导率不同，图4(b)第二层 磁导率不同；
[0059] 图5显示了H型断面视电阻率曲线，其中图5(a)第一层磁导率不同，图5(b)第二层 磁导率不同，图5(c)第三层磁导率不同；
[0060] 图6显示了铁磁性矿层对H型曲线的影响特征（曲线上的数值表示第二层的值）。 具体实施方案
[0061] 下面结合以下实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于 此。
[0062] 实施例1
[0063] 采用本发明的上述系统，以磁铁矿为例进行说明。设铁磁性矿层位于模型的中间 层，电阻率为0.001 Q .m，厚度为80m，上覆地层电阻率为IQ .m，厚度为10m，基底电阻率为2 Q . m。图6给出了中间磁层相对磁导率不同情况下的正演视电阻率曲线。从图中可以看出， 由于磁铁矿是具有极低电阻率的矿层，当h = 2时极小值的位置已有很大的移动，达到8时 则使曲线形态明显改变了。此时如果将磁性层作为探测目标时从上面对含磁性岩层分层大 地频率测深视电阻率计算结果所绘曲线看出，磁性岩层的存在有着明显的视电阻率响应。 可以此特征为解释依据，将会获得好的磁铁矿探测效果。
[0064] 由该实施例可以看出，仅从公式所含的 _
「明显看出，以和〇有着同等地位， 不考虑其他方面，对视电阻率应有相近的贡献。因此，在有磁性岩层存在的地区，应考虑磁 性层对频率测深视电阻率的影响。本发明开展磁性介质的电磁响应研究，推导出磁性层情 况下的电磁响应表达式。
[0065] 通过对磁性层响应分析可知:磁性层埋藏深度越小，磁化特性表现越明显，磁性层 埋藏深度越大，磁化特性表现越不明显;磁性层的电阻率越大，磁化特性表现越不明显，磁 性层的电阻率越小，磁化特性表现越明显；远场情况下，磁化特性表现比较明显，近场情况 下，磁化特性基本没有表现。
[0066] 具体地，通过本发明的系统，可以准确地获知如下信息：（1)当磁性层位于地表时， 当表层相对磁导率yr>l. 2,磁性层对电磁测深曲线具体明显的影响；（2)当岩层为中间层 时，只要yr>l. 2,对H型、A型曲线中段会有影响。对H型曲线，主要表现在使极小值处的曲线 抬高、变宽，以致使曲线形态发生变化；（3)当磁性层处于最后一层时，不论岩层的磁导率是 多少，对各类二、三层曲线来讲，不会影响曲线的形态，只是使渐近线前第一个极值点的位 置右移，极值点至渐近线之间的线段变得较为陡峭。此时磁性层的影响已趋于减弱了，特别 对于h<2的基性岩、超基性岩已无明显影响。此时如将磁性岩层作为探测目标，则是徒劳 的。
[0067] 在实际情况中，制约岩矿石磁导率的因素很多，对于不同的地质环境，铁磁岩矿石 的磁导率在其平均值的附近有一个较大的变化范围。本发明计算时所采用的岩石物性参数 值具有一般适应性，计算结果不影响对磁性介质响应特性的分析。另外，利用磁性层对频率 测深视电阻率曲线的响应，可探测近于水平的磁性岩层赋存;基性岩、超基性岩在地中的分 布有许多是成水平层状的，或者是可以看成是水平层状的。铁质石英岩也可以在一个比较 广的区域成层状分布。因此由水平层状介质计算出来的磁性层响应特征曲线能很好地反映 这类磁性岩石的分布。对于陡产状及不规则产状的磁铁矿床，尽管他们的相对磁导率非常 大，y r = 2.2~25,但不能套用水平情况下得出的结论，只是有助于定性方面的分析。
[0068] 本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够 制造和使用本发明。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可以包括本领域技 术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元 素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素， 则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。在不会造成不一致的程度下，通过参考 将本文中参考的所有引用之处并入本文中。
【主权项】
1. 一种含磁层状介质电磁响应的确定系统，该系统包括：电磁响应解析模块和电磁响 应数值计算模块。2. 根据权利要求1所述的系统，其中电磁响应解析模块的建立方法如下： 建立水平分层大地模型下的直角坐标系；在地下目标体各层介质的分界面上，即第i层 与第i+1层的分界面上引入边界条件：电场强度的切向分量总是连续的，当分界面上无自由 面电流时磁场强度的切向分量也是连续的；然后引入矢量位A，根据麦克斯韦方程，求得由 矢量位A表示的电场和磁场方程以及矢量位A满足的边界条件方程;求解矢量位各分量满足 的齐次亥姆赫兹方程，得到矢量位的解;最后通过边界条件以及矢量位A表示的电场和磁场 方程，确定各个场强分量的具体表达式。 水平分层大地表面上电场强度水平分量为：其中，为真空磁导率，I为发射电流，a为发射线圈半径，i表示纯虚数，《为角频率，k为 波数;J〇(Ar)、J2(Ar)分别为零阶和二阶贝塞尔函数，A为积分变量，r是接收点到发射源的距 离；= 6>2巧.舛-卜，Gt和G;为地层因子，巧:是第i 层的相对磁导率;9是谐变线电流元与到xOy平面上任一点P(x，y)的矢径所形成的夹角。3. 根据权利要求1或2所述的系统，其中在电磁响应数值计算模块中，首先把含有Jn(Ar) 的汉克尔型积分写成汉克尔积分的褶积形式;根据抽样定理将汉克尔积分写成离散褶积形 式;利用傅里叶变换法得到汉克尔变换的滤波系数，从而实现电磁测深的正演计算。4. 权利要求2或3所述系统的应用，用于对观测信号进行解释，提取更加丰富的地下含 磁性岩石物性信息。
【文档编号】G01V3/08GK106054257SQ201610312401
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】薛国强, 闫述, 周楠楠, 侯东洋
【申请人】中国科学院地质与地球物理研究所