CN105572748A - 一种瞬变电磁探测时间窗口的确定方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种瞬变电磁探测时间窗口的确定方法和装置，涉及地球物理勘探领域，包括：获取测区内各地层电阻率和各地层的厚度信息；根据测区内各地层电阻率和厚度信息，计算测区地层综合电阻率；根据测区地层综合电阻率，计算瞬变电磁场传播到目标体所需的时间；根据瞬变电磁场传播到目标体所需的时间，确定探测时所需时间窗口范围。可以在实地调查和区域地质资料分析的基础上，确定瞬变电磁探测的时间窗口。

Description

一种瞬变电磁探测时间窗口的确定方法和装置

技术领域

本发明涉及地球物理勘探领域，具体涉及一种瞬变电磁探测时间窗口的确定方法和装置。

背景技术

我国的华北型煤田，大部分地表都被低阻的第四系沉积层覆盖，且沉积层厚度较大，一般在100m，有些地区可达400～600m。近年来，瞬变电磁法在煤田勘探、采空区探查等领域的应用越来越广泛。瞬变电磁法的显著优点之一是能够穿透高阻屏蔽层，对高阻屏蔽层下伏地层或构造有较好的分辨能力。但在有低阻层特别是地表为低阻覆盖层的地区施工时，由于可以在地面上观测到较强的信号，往往忽视了低阻层对瞬变电磁勘探的影响。

瞬变电磁探测深度由地层电阻率和观测时间共同决定，设均匀地层电阻率为，则某一时刻瞬变电磁场的扩散深度为：

${\mathrm{\δ}}_{TD}=\sqrt{\frac{t\mathrm{\ρ}}{2{\mathrm{\μ}}_0}}$

式中，δ_TD为扩散深度，t为延迟时间，ρ表示电阻率，μ₀表示地下介质的磁导率，瞬变电磁场的传播速度为：

$v={\mathrm{\δ}}_{TD}/t=\sqrt{\frac{t\mathrm{\ρ}}{2{\mathrm{\μ}}_0}}/t=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{2{\mathrm{t\μ}}_0}}$

由上式可知，地层电阻率ρ越小，瞬变电磁场在该层中的传播速度越慢。

利用数值模拟验证地层电阻率对瞬变电磁场传播速度的影响。对于瞬变电磁场响应特征的分析，大都采用将频率域的结果经过傅里叶变换转换到时间域的方式。虽然也可以直接在时间域用积分方程的形式进行分析，但该方法仅根据地面上的响应对瞬变电磁场进行物理解释，其探测深度、探测精度、分辨率等是不够的。而在时间域，有限差分的方法更为方便。

首先由无源的麦克斯韦方程导出似稳电场的的扩散方程：

${\▿}^{2}E(r,t)-{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\σ}\left(r\right)\frac{\∂E(r,t)}{\∂t}=0$

式中，E表示电场强度，σ(r)表示介质的电导率，r表示源点到场点的距离。

进一步简化为沿走向方向电场的标量扩散方程：

$\frac{{\∂}^{2}E}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}E}{\∂z^2}={\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\σ}\left(r\right)\frac{\∂E}{\∂t}$

在直角坐标系下，将求解空间剖分成矩形网格，构成五点差分格式，进一步推得离散差分方程：

$\begin{array}{c}\mathrm{\μ}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{i,j}{E}_{i,j}^n=\frac{1}{{\mathrm{\Δz}}_j{\mathrm{\Δz}}_{j+1}}\[\frac{2{\mathrm{\Δz}}_{j+1}}{{\mathrm{\Δz}}_j+{\mathrm{\Δz}}_{j+1}}{E}_{i,j-1}^n+\frac{2{\mathrm{\Δz}}_j}{{\mathrm{\Δz}}_j+{\mathrm{\Δz}}_{j+1}}{E}_{i,j+1}^n-2E_{i,j}^n\]+\\ \frac{1}{{\mathrm{\Δx}}_i{\mathrm{\Δx}}_{i+1}}\[\frac{2{\mathrm{\Δx}}_{i+1}}{{\mathrm{\Δx}}_i+{\mathrm{\Δx}}_{i+1}}{E}_{i-1,j}^n+\frac{2{\mathrm{\Δx}}_i}{{\mathrm{\Δx}}_i+{\mathrm{\Δx}}_{i+1}}{E}_{i+1,j}^n-2E_{i,j}^n\]\end{array}---\left(5\right)$

其中，上表t＝nΔt时刻，是E_i，j周围四个网格电导率面积的加权平均值：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{i,j}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{i-1,j-1}{\mathrm{\Δz}}_j{\mathrm{\Δx}}_i+{\mathrm{\σ}}_{i-1,j}{\mathrm{\Δz}}_{j+1}{\mathrm{\Δx}}_i+{\mathrm{\σ}}_{i,j-1}{\mathrm{\Δz}}_j{\mathrm{\Δx}}_{i+1}+{\mathrm{\σ}}_{i,j}{\mathrm{\Δz}}_{j+1}{\mathrm{\Δx}}_{i+1}}{\[{\mathrm{\Δz}}_j+{\mathrm{\Δz}}_{j+1}\]\[{\mathrm{\Δx}}_i+{\mathrm{\Δx}}_{i+1}\]}$

现有技术通过给出边界条件，进而进行有限差分运算。在计算中，源作为初始条件引入，为了处理地表上的边界条件，还用到了快速Fourier变换和三次样条插值。

如图1所示，为了研究电磁场在不同介质中的传播时间，利用有限差分法进行瞬变电磁场传播速度模拟，本次数值模拟的均匀半空间模型电阻率为50Ω.m，竖直异常体宽30m、高120m、顶部埋深400m，电阻率为5Ω.m，如图1所示。图中+I和-I分别表示无限长电流发射线框的正源和负源。图1(a)是观测时间为3ms时的等值线，此时电磁场已扩散到了地下1200m以下。图1(b)是在图1(a)的均匀半空间上面置入厚200m、电阻率为20Ω.m的覆盖层后，观测时间仍为3ms的等值线，此时电磁场刚刚扩散到地下600m的深度。

对于相同的观测时间，当有低阻层覆盖时，瞬变电磁场的传播深度要比无低阻层覆盖时的传播深度小。因此，在瞬变电磁施工过程中，时间窗口的选择不仅要考虑目标体埋藏深度，还要考虑目标体上方覆盖层的电阻率。然而，常规瞬变电磁法施工时，往往忽略低阻覆盖层的影响，操作人员只是根据个人经验选择时间窗口，随意性较大。如果时间窗口过长，会产生冗余数据，影响数据解释的精度；时间窗口过短则会使探测深度不足，达不到预定探测目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何确定瞬变电磁探测的时间窗口，本发明提供一种瞬变电磁探测时间窗口的确定方法和装置，在瞬变电磁施工中考虑地层电阻率对场传播速度的影响，实现科学确定瞬变电磁探测的时间窗口。

为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种瞬变电磁探测时间窗口的确定方法，包括：

获取测区内各地层电阻率和各地层的厚度信息；

根据测区内各地层电阻率和厚度信息，计算测区地层综合电阻率；

根据测区地层综合电阻率，计算瞬变电磁场传播到目标体所需的时间；

根据瞬变电磁场传播到目标体所需的时间，确定探测时所需时间窗口范围。

优选地，获取测区内各地层电阻率和各地层的厚度信息包括：

根据测区的钻孔资料获取测区各地层电阻率和各地层的厚度信息。

优选地，计算瞬变电磁场传播到目标体所需的时间之前包括：

确定所述目标体埋藏深度。

优选地，计算测区地层综合电阻率包括：

将各地层电阻率与对应的各地层的厚度相乘；

将所述乘积除以所述各地层的厚度之和获得测区地层综合电阻率。

优选地，计算瞬变电磁场传播到目标体所需的时间包括：

分别计算瞬变电磁场传播到目标体上界面和下界面所需的时间。

优选地，利用如下公式分别计算瞬变电磁场传播到目标体上界面和下界面所需的时间：

其中，t₁为瞬变电磁场传播到目标体上界面所需的时间，t₂为瞬变电磁场传播到目标体下界面所需的时间，d₁为目标体上界面的埋藏深度，d₂为目标体下界面的埋藏深度，ρ_综表示测区地层综合电阻率，μ₀表示地下介质的磁导率。

优选地，根据瞬变电磁场传播到目标体所需的时间，确定探测时所需时间窗口范围包括：

探测时所需时间窗口范围大于等于区间(t₁，t₂)。

优选地，根据瞬变电磁场传播到目标体所需的时间，确定探测时所需时间窗口范围包括：

探测时所需时间窗口的最小时刻小于或者等于t₁，探测时所需时间窗口的最大时刻大于或者等于t₂。

为解决上述技术问题，本发明提供一种瞬变电磁探测时间窗口的确定装置，包括：

收集模块，用于获取测区内各地层电阻率和各地层的厚度信息；

电阻率模块，用于根据测区内各地层电阻率和厚度信息，计算测区地层综合电阻率；

时间模块，用于根据测区地层综合电阻率，计算瞬变电磁场传播到目标体所需的时间；

窗口模块，用于根据瞬变电磁场传播到目标体所需的时间，确定探测时所需时间窗口范围。

优选地，所述收集模块获取测区内各地层电阻率和各地层的厚度信息包括：

根据测区的钻孔资料获取测区各地层电阻率和各地层的厚度信息。

优选地，所述装置还包括：深度模块，用于确定所述目标体埋藏深度。

优选地，所述电阻率模块计算测区地层综合电阻率包括：

将各地层电阻率与对应的各地层的厚度相乘；

将所述乘积除以所述各地层的厚度之和获得测区地层综合电阻率。

优选地，所述时间模块计算瞬变电磁场传播到目标体所需的时间包括：

分别计算瞬变电磁场传播到目标体上界面和下界面所需的时间。

优选地，所述时间模块利用如下公式分别计算瞬变电磁场传播到目标体上界面和下界面所需的时间：

其中，t₁为瞬变电磁场传播到目标体上界面所需的时间，t₂为瞬变电磁场传播到目标体下界面所需的时间，d₁为目标体上界面的埋藏深度，d₂为目标体下界面的埋藏深度，ρ_综表示测区地层综合电阻率，μ₀表示地下介质的磁导率。

优选地，所述窗口模块根据瞬变电磁场传播到目标体所需的时间，确定探测时所需时间窗口范围包括：

探测时所需时间窗口范围大于等于区间(t₁，d₂)。

优选地，所述窗口模块根据瞬变电磁场传播到目标体所需的时间，确定探测时所需时间窗口范围包括：

探测时所需时间窗口的最小时刻小于或者等于t₁，探测时所需时间窗口的最大时刻大于或者等于t₂。

本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明的方法和装置，考虑地层电阻率对场传播速度的影响，在实地调查和区域地质资料分析的基础上，确定瞬变电磁探测的时间窗口，实际工作时，根据确定的合适的时间窗口进行探测，可到达最佳探测目的。

附图说明

图1是现有技术模拟瞬变电磁场的等值线图；

图2是本发明实施例的一种瞬变电磁探测时间窗口的确定方法的流程图；

图3是本发明实施例的一种瞬变电磁探测时间窗口的确定装置的结构示意图；

图4是本发明实施例1的地层分层信息示意图；

图5是本发明实施例2的瞬变电磁探测结果示意图。

具体实施方式

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。

如图2所示，本发明实施例提供一种瞬变电磁探测时间窗口的确定方法，包括：

获取测区内各地层电阻率和各地层的厚度信息；

根据测区内各地层电阻率和厚度信息，计算测区地层综合电阻率；

根据测区地层综合电阻率，计算瞬变电磁场传播到目标体所需的时间；

根据瞬变电磁场传播到目标体所需的时间，确定探测时所需时间窗口范围。

其中，获取测区内各地层电阻率和各地层的厚度信息包括：

根据测区的钻孔资料获取测区各地层电阻率和各地层的厚度信息。

其中，计算瞬变电磁场传播到目标体所需的时间之前包括：

确定所述目标体埋藏深度。

其中，计算测区地层综合电阻率包括：

将各地层电阻率与对应的各地层的厚度相乘；

将所述乘积除以所述各地层的厚度之和获得测区地层综合电阻率。

其中，计算瞬变电磁场传播到目标体所需的时间包括：

分别计算瞬变电磁场传播到目标体上界面和下界面所需的时间。

其中，利用如下公式分别计算瞬变电磁场传播到目标体上界面和下界面所需的时间：

其中，t₁为瞬变电磁场传播到目标体上界面所需的时间，t₂为瞬变电磁场传播到目标体下界面所需的时间，d₁为目标体上界面的埋藏深度，d₂为目标体下界面的埋藏深度，ρ_综表示测区地层综合电阻率，μ₀表示地下介质的磁导率。

根据瞬变电磁场传播到目标体所需的时间，确定探测时所需时间窗口范围包括：

探测时所需时间窗口范围大于等于区间(t₁，t₂)。

根据瞬变电磁场传播到目标体所需的时间，确定探测时所需时间窗口范围包括：

探测时所需时间窗口的最小时刻小于或者等于t₁，探测时所需时间窗口的最大时刻大于或者等于t₂。

如图3所示，本发明实施例提供一种瞬变电磁探测时间窗口的确定装置，包括：

收集模块，用于获取测区内各地层电阻率和各地层的厚度信息；

电阻率模块，用于根据测区内各地层电阻率和厚度信息，计算测区地层综合电阻率；

时间模块，用于根据测区地层综合电阻率，计算瞬变电磁场传播到目标体所需的时间；

窗口模块，用于根据瞬变电磁场传播到目标体所需的时间，确定探测时所需时间窗口范围。

所述收集模块获取测区内各地层电阻率和各地层的厚度信息包括：

根据测区的钻孔资料获取测区各地层电阻率和各地层的厚度信息。

所述装置还包括：深度模块，用于确定所述目标体埋藏深度。

所述电阻率模块计算测区地层综合电阻率包括：

将各地层电阻率与对应的各地层的厚度相乘；

将所述乘积除以所述各地层的厚度之和获得测区地层综合电阻率。

所述时间模块计算瞬变电磁场传播到目标体所需的时间包括：

分别计算瞬变电磁场传播到目标体上界面和下界面所需的时间。

所述时间模块利用如下公式分别计算瞬变电磁场传播到目标体上界面和下界面所需的时间：

其中，t₁为瞬变电磁场传播到目标体上界面所需的时间，t₂为瞬变电磁场传播到目标体下界面所需的时间，d₁为目标体上界面的埋藏深度，d₂为目标体下界面的埋藏深度，ρ_综表示测区地层综合电阻率，μ₀表示地下介质的磁导率。

所述窗口模块根据瞬变电磁场传播到目标体所需的时间，确定探测时所需时间窗口范围包括：

探测时所需时间窗口范围大于等于区间(t₁，d₂)。

所述窗口模块根据瞬变电磁场传播到目标体所需的时间，确定探测时所需时间窗口范围包括：

探测时所需时间窗口的最小时刻小于或者等于t₁，探测时所需时间窗口的最大时刻大于或者等于t₂。

实施例1

进行瞬变电磁探测前，对测区地质资料进行收集分析，获得测区地层大致分布情况。须获得的信息包括：(1)测区地层分层数及每层的厚度；(2)每层地层的电阻率信息；(3)目标体埋藏深度。

如图4所示，测区地层共分n层，。每层厚度分别为h₁，h₂，...，h_n，电阻率分别为ρ₁，ρ₂，...，ρ_n。

按照下式计算测区地层综合电阻率：

获得目标体上界面埋藏深度为d₁，下界面埋藏深度为d₂。以综合电阻率ρ_综为参考，可得瞬变电磁场传播到目标体上界面与下界面所需时间分别为，

瞬变电磁场的扩散深度与延迟时间成正比，因此，若要使测量数据能够完全反映目标体信息，则所采用的时间窗口范围应大于等于区间(t₁，t₂)。也就是说，对于选取的时间窗口，应有

t_min≤t₁，t_max≥t₂

式中t_min为时间窗口的最小时刻，t_max为时间窗口最大时刻。

同时，考虑到一般情况下综合电阻率与各地层实际电阻率并不相等，为保证探测深度足够，时间窗口范围应大于区间(t₁，t₂)，即：

t_min＜t₁，t_max＞t₂

瞬变电磁探可以自定义时间窗口，实际工作时，根据本发明实施例提供的方法和装置确定的原则定义合适的时间窗口进行探测，可到达最佳探测目的。

实施例2

根据该矿区以往的地质、测井资料，推断该测区地层分层情况大致如表1所示：

表1测区地层信息表

注：由于目标体深度大致为180～250m，因此表中只给出了270m以内的六层地层信息。

计算测区地层综合电阻率，

计算瞬变电磁场传播到目标体上下分界面时的时间

$t_1=\frac{2\×4\mathrm{\π}\×{10}^{-7}\×{180}^2}{52}=1.57ms,$

$t_2=\frac{2\×4\mathrm{\π}\×{10}^{-7}\×{250}^2}{52}=3.02ms$

确定时间窗口，由于所采数据应当尽可能的反映浅部信息，因此t_min的选择要尽可能的接近关断时间。结合使用仪器性能，定义时间窗口为0.5～3.5ms。实际应用中时间窗口还与使用仪器的种类，使用仪器的真正时间窗口有关，综合确定选择正确的发射频率，正确的发射时间范围。

对采集的数据进行视电阻率求取，并将视电阻率计算结果通过Surfer成图，结果如图5所示，可以看出，探测结果清晰的给出了异常体的存在位置，上下界面亦能够清晰分辨。

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。

Claims (10)

1.一种瞬变电磁探测时间窗口的确定方法，其特征在于，包括：

获取测区内各地层电阻率和各地层的厚度信息；

根据测区内各地层电阻率和厚度信息，计算测区地层综合电阻率；

根据测区地层综合电阻率，计算瞬变电磁场传播到目标体所需的时间；

根据瞬变电磁场传播到目标体所需的时间，确定探测时所需时间窗口范围。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：获取测区内各地层电阻率和各地层的厚度信息包括：

根据测区的钻孔资料获取测区各地层电阻率和各地层的厚度信息。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，计算测区地层综合电阻率包括：

将各地层电阻率与对应的各地层的厚度相乘；

将所述乘积除以所述各地层的厚度之和获得测区地层综合电阻率。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：利用如下公式分别计算瞬变电磁场传播到目标体上界面和下界面所需的时间：

其中，t₁为瞬变电磁场传播到目标体上界面所需的时间，t₂为瞬变电磁场传播到目标体下界面所需的时间，d₁为目标体上界面的埋藏深度，d₂为目标体下界面的埋藏深度，ρ_综表示测区地层综合电阻率，μ₀表示地下介质的磁导率。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：根据瞬变电磁场传播到目标体所需的时间，确定探测时所需时间窗口范围包括：

探测时所需时间窗口范围大于等于区间(t₁，t₂)。

6.一种瞬变电磁探测时间窗口的确定装置，其特征在于，包括：

收集模块，用于获取测区内各地层电阻率和各地层的厚度信息；

电阻率模块，用于根据测区内各地层电阻率和厚度信息，计算测区地层综合电阻率；

时间模块，用于根据测区地层综合电阻率，计算瞬变电磁场传播到目标体所需的时间；

窗口模块，用于根据瞬变电磁场传播到目标体所需的时间，确定探测时所需时间窗口范围。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述收集模块获取测区内各地层电阻率和各地层的厚度信息包括：

根据测区的钻孔资料获取测区各地层电阻率和各地层的厚度信息。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电阻率模块计算测区地层综合电阻率包括：

将各地层电阻率与对应的各地层的厚度相乘；

将所述乘积除以所述各地层的厚度之和获得测区地层综合电阻率。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于：所述时间模块利用如下公式分别计算瞬变电磁场传播到目标体上界面和下界面所需的时间：

其中，t₁为瞬变电磁场传播到目标体上界面所需的时间，t₂为瞬变电磁场传播到目标体下界面所需的时间，d₁为目标体上界面的埋藏深度，d₂为目标体下界面的埋藏深度，ρ_综表示测区地层综合电阻率，μ₀表示地下介质的磁导率。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于：所述窗口模块根据瞬变电磁场传播到目标体所需的时间，确定探测时所需时间窗口范围包括：

探测时所需时间窗口范围大于等于区间(t₁，t₂)。