一种定源瞬变电磁非中心点观测数据全时转换方法

1.本发明属于地球物理探测领域，具体涉及一种定源瞬变电磁非中心点观测数据全时转换方法。


背景技术：

2.定源瞬变电磁法是一种时间域电磁法，其因效率高、抗干扰能力强、探测深度大等优点，被广泛应用于探测采空区、水文地质、资源调查等领域。近年来，该方法也逐渐应用于城市、交通、水利等浅部地层探测领域。
3.定源回线装置进行数据采集时，其观测数据覆盖范围一般为1/3回线面积，即在发射回线中心区域1/3范围内进行观测。然而由于该方法布线难度较大，为了一次布设采集更多数据，得到更高的工作效率，必须提高观测数据的覆盖比。此外，该方法观测数据大部分分布于非中心区域，而非中心数据无全时高精度解析解。
4.针对瞬变电磁全时视电阻率计算问题，目前已有许多学者进行了大量研究，提出了多项式逼近、连分式求根、逆样条插值、数值选代等方法，但是涉及定源瞬变电磁非中心数据全时视电阻率计算研究较少，以往一般采用中心方式的晚期近似处理方法，这种解释方法虽然简单，但早中期数据被舍弃，具有一定的浅部探测盲区，并且随着偏移距的增大，视电阻率计算误差也逐渐增大。2011年研究人员将非中心点各分量表示成与中心点垂直分量类似的多项式形式，采用待定系数法，完成了非中心点视电阻率定义，但是对于早期道，校正后的视电阻率值与真实值之间误差相对较大；2012年研究人员采用电偶极子积分法计算任意场点的电磁响应，并采用迭代法提取任意点全时视电阻率值，这种方法求解非中心位置视电阻率较为准确，但计算速度较慢；2015年研究人员利用贝塞尔函数展开法计算大回线源非中心点垂直分量与水平分量的电磁响应，通过分析非中心点处的多分量电磁响应特征，得出了一种基于磁感应强度的大回线源全域视电阻率计算方法：在中心点及框内偏移距较小处，直接利用插值方法算出视电阻率的唯一解，对于偏移距较大的非中心点，采用无约束点的最小曲率差分选代法求解，计算过程较为复杂。
5.综上可知，目前已提出的定源瞬变电磁非中心数据全时视电阻率计算方法大都存在计算过程复杂、速度慢、早期计算结果误差大等缺点。针对上述问题，现设计一种定源瞬变电磁非中心点观测数据全时转换方法。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种定源瞬变电磁非中心点观测数据全时转换方法，大幅提高定源回线装置观测区间大小，获得高覆盖比观测数据，提高其野外工作效率，并实现观测区浅层地电结构高精度成像。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
8.一种定源瞬变电磁非中心点观测数据全时转换方法，具体包括如下步骤：
9.s1、收集研究区钻孔电阻率测井曲线；
10.s2、构建层状地质与地电模型；
11.s3、模型数值计算获得观测点感应电动势；
12.s4、提取非中心点转换系数；
13.s5、转换实测非中心点数据。
14.进一步的，具体转换系数获取方法如下：
15.①
、依据定源瞬变电磁数据采集方式，设置模型线框大小；
16.②
、依据定源瞬变电磁数据采集方式，设置模型测点点距；
17.③
、依据定源瞬变电磁数据采集方式，设置模型观测和关断时间；
18.④
、采用时域有限差分方法对各观测点进行正演计算；
19.⑤
、提取包括中心点在内的各观测点全时感应电动势数据，并与中心点感应电动势数据按公式进行比值处理，其结果作为转换系数，式中ki(t)为转换系数，vi(t)为模型非中心点感应电动势值，v0(t)为模型中心点感应电动势值，i为点号。
20.进一步的，转换系数代入实测瞬变电磁数据中进行非中心点感应电动势转换，转换公式为式中ki(t)为转换系数，vi′
(t)为实测非中心点感应电动势值，v
′0(t)为实测非中心点转换后感应电动势值，i为点号。
21.本发明的有益效果：
22.1、本发明提出的定源瞬变电磁非中心点观测数据全时转换方法，可大幅度提高定源回线装置内部观测面积，获得高覆盖比观测数据，提高其野外工作效率；
23.2、本发明提出的定源瞬变电磁非中心点观测数据全时转换方法，可将非中心点感应电动势转换为中心点感应电动势，为非中心点感应电动势直接求解全时视电阻率提供了途径；
24.3、本发明提出的定源瞬变电磁非中心点观测数据全时转换方法，可明显改善定源瞬变电磁观测数据的质量，对早时间段观测数据质量的提升尤为突出，为实现浅层地电结构的高精度成像建立了基础。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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。
26.图1是本发明实施例的整体流程示意图；
27.图2是本发明实施例的数值模拟正演流程示意图；
28.图3是本发明实施例的测点选取位置示意图；
29.图4是本发明实施例的均匀地电模型a通过正演计算获取的感应电动势曲线图；
30.图5是本发明实施例的层状地电模型b通过正演计算获取的感应电动势曲线图；
31.图6是本发明实施例的含异常体模型c中1号点感应电动势曲线转换图；
32.图7是本发明实施例的含异常体模型c中2号点感应电动势曲线转换图；
33.图8是本发明实施例的含异常体模型c中3号点感应电动势曲线转换图；
34.图9是本发明实施例的含异常体模型c中4号点感应电动势曲线转换图；
35.图10是本发明实施例的含异常体模型c中5号点感应电动势曲线转换图；
36.图11是本发明实施例的含异常体模型c中6号点感应电动势曲线转换图；
37.图12是本发明实施例的含异常体模型d中1号点感应电动势曲线转换图；
38.图13是本发明实施例的含异常体模型d中2号点感应电动势曲线转换图；
39.图14是本发明实施例的含异常体模型d中3号点感应电动势曲线转换图；
40.图15是本发明实施例的含异常体模型d中4号点感应电动势曲线转换图；
41.图16是本发明实施例的含异常体模型d中5号点感应电动势曲线转换图；
42.图17是本发明实施例的含异常体模型d中6号点感应电动势曲线转换图。
具体实施方式
43.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
44.如图1所示，本发明的整体流程包括如下步骤：
45.s1、收集研究区钻孔电阻率测井曲线；
46.s2、构建层状地质与地电模型；
47.s3、模型数值计算获得观测点感应电动势；
48.s4、提取非中心点转换系数；
49.s5、转换实测非中心点数据。
50.具体实施例如下：
51.本发明以某矿定源瞬变电磁现场试验探测为实施例，该地区采煤地面塌陷导致生态环境问题频繁发生，需对其主采煤层上覆岩土层的含水层分布及其赋水性进行精准探测，如图2所示，具体实现方式如下：
52.(1)、在正演软件中依据研究区钻孔电阻率测井曲线构建层状地电模型b，各地层由上而下视电阻率分别为60ω
·
m、25ω
·
m、60ω
·
m、180ω
·
m、200ω
·
m、800ω
·
m、300ω
·
m，厚度分别为20m、70m、60m、3m、20m、7m、90m，空间范围为600m
×
600m
×
300m；
53.(2)、依据定源瞬变电磁数据采集方式，设置模型线框大小为250m
×
250m；
54.(3)、依据定源瞬变电磁数据采集方式，设置模型测点点距为20m；
55.(4)、依据定源瞬变电磁数据采集方式，设置模型观测时间为0.00000586s～0.00930413s；
56.(5)、因瞬变场的对称性，模型仅选取6个非中心观测点(p1、p2、p3、p4、p5、p6)和1个中心观测点(p0)进行正演计算，如图3所示；
57.(6)、为对比层状地电模型与均匀地电模型的转换效果，以研究区第二层位地质与地电特征为参考，构建均匀地电模型a，设视电阻率为25ω
·
m，空间范围为600m
×
600m
×
300m，并选取与层状地电模型b相同的观测点进行正演计算；
58.均匀地电模型a与层状地电模型b感应电动势曲线如图4、图5所示，可见，均匀和层状地层条件下非中心观测点早中期瞬变场响应存在误差，若用原始瞬变电磁数据直接进行
计算反演，会导致探测结果误差较大，难以准确反映非中心点下方浅部异常体信息；
59.(7)、提取均匀地电模型a与层状地电模型b中6个非中心观测点(p1、p2、p3、p4、p5、p6)的转换系数，式中ki(t)为转换系数，vi(t)为模型非中心点感应电动势值，v0(t)为模型中心点感应电动势值，i为点号；
60.(8)、针对实际现场探测中浅部地层存在富水异常情况构建两种待转换模型(含异常体模型c和含异常体模型d)，并选取与层状地电模型b相同的观测点进行正演计算，具体模型参数如下：
61.(8—1)、含异常体模型c在层状地电模型b的基础上于发射回线中心正下方第二层位设空间大小为60m
×
30m
×
70m的局部富水区，富水区视电阻率为0.625ω
·
m；
62.(8—2)、含异常体模型d模拟了实际探测中偏移距较大的非中心点下方存在异常体情况，其在含异常体模型c的基础上于发射回线左下方第二层位增设一个空间大小为60m
×
40m
×
70m的局部富水区，富水区视电阻率为0.625ω
·
m；
63.(9)、将转换系数分别代入两种待转换模型中，转换公式为式中ki(t)为转换系数，vi′
(t)为转换模型非中心点感应电动势值，v
′0(t)为转换模型非中心点转换后感应电动势值，i为点号，对转换模型非中心点感应电动势进行转换；
64.(10)、通过移动回线测得两种待转换模型非中心点作中心点时实际感应电动势，并与转换模型非中心点转换后感应电动势进行对比，根据相对误差(式中，λ为相对误差)大小来判断模型转换效果，两种转换模型转换结果对比如图6—图17所示。
65.分别对比分析图6—图11和图12—图17中均匀地电模型a与层状地电模型b对两种含异常体待转换模型的转换效果，综上可知：
66.两种转换模型对非中心点瞬变场响应曲线均有一定转换效果，在早期，由层状地电模型b转换后的v
′
0b
(t)曲线较均匀地电模型a转换后的v
′
0a
(t)曲线与v(t)曲线吻合度更高。从曲线来看，同一测点在早期同一时刻，层状地电模型b的转换误差λb小于均匀地电模型a的转换误差λa；两种转换模型对偏移距小的非中心点转换结果相似，对偏移距较大的非中心点转换结果差异明显；层状地电模型b转换最大误差值显著低于均匀地电模型a转换最大误差值。由结果可见，总体上层状地电模型b对早期非中心点瞬变场响应的转换效果优于均匀地电模型a。
67.实施案例效果表明，本发明方法有效转换了定源瞬变电磁法非中心点早期瞬变电磁场响应，此外，通过对比两种转换模型的转换效果，可以得出层状地电模型的转换效果明显优于均匀地电模型。因此，在采用定源瞬变电磁法探测相对平滑的地层时，通过建立研究区层状地电模型对实测数据进行转换，可大幅度提高定源回线装置内部观测面积，获得高覆盖比观测数据，提高其野外工作效率，同时改善了早时间段观测数据的质量，进而实现浅层地电结构的高精度成像。
68.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指
结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
69.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。