中心回線瞬變電磁資料快速處理方法

杜振華， 王　艷， 楊　銳, 魯　杏, 張治林

(1.陜西省地礦局　第二綜合物探大隊，西安　710016；

2.西安工業(yè)大學，西安　710021；3.安徽省勘查技術院，合肥　230031)

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中心回線瞬變電磁資料快速處理方法

杜振華1， 王艷2， 楊銳1, 魯杏3, 張治林1

(1.陜西省地礦局第二綜合物探大隊，西安710016；

2.西安工業(yè)大學，西安710021；3.安徽省勘查技術院，合肥230031)

摘要：這里對中心回線瞬變電磁資料數(shù)據(jù)的處理進行了探索。首先通過原始時間序列計算全區(qū)視電阻率，然后采用煙圈法對數(shù)據(jù)進行反演，得到視電阻率—深度斷面圖。為了驗證處理結果的正確性，采取與GDP-32商業(yè)軟件瞬變電磁模塊的反演結果進行對比的方法，通過對比，驗證了該快速解釋方法是有效的。

關鍵詞：中心回線瞬變電磁； 資料處理； 全區(qū)視電阻率； 煙圈反演

0引言

時間域電磁法的場源是用階躍脈沖向發(fā)射線圈供以電流，然后用不接地回線或者接地線源，向地下發(fā)送一次脈沖地磁場，以激勵探測目標感應產生二次電流，利用線圈或者接地電極觀測二次電磁場。數(shù)據(jù)采集是在發(fā)射之后與下次發(fā)射之間的時間內進行采集，采集的數(shù)據(jù)只有二次場，無一次場，這個過程比較短暫，稱為瞬變場[1-2]。中心回線瞬變電磁與目標耦合程度高，異常形態(tài)簡單，影響小，信號分辨率高，是勘查金屬礦中最常用的一種裝置類型。目前對于瞬變資料生產單位通常是采用商業(yè)軟件進行處理的，一些參數(shù)的設置比較繁瑣，在野外條件下，時間緊迫需要一種快速評價數(shù)據(jù)質量的方法，為此作者結合目前中心回線瞬變電磁資料的處理方法進行了總結，提出了一種快速處理的方法。

1原始資料預處理

瞬變電磁法采集的信息是二次場，其信號比較弱，再加上干擾信息的存在，電壓曲線會發(fā)生畸變，產生假異常。同時非渦流因素也可造成資料的異常變化，因此在對資料處理之前需進行預處理，一般包括強干擾信號的剔除、濾波處理及弱信號信息的增強處理這三個步驟。

2計算全區(qū)視電阻率

目前有許多學者提出了計算全區(qū)視電阻率的方法，白登海[3]提出的分段計算法；宋先旺[4]提出的樣條函數(shù)法；蘇朱劉[5]提出虛擬電阻率法；謝林濤等[6]提出的對分預估計法；李文堯[7]等提出的二分法計算全區(qū)視電阻率；王華軍[8]利用磁場信息計算法等。綜合考慮各種方法的優(yōu)缺點，以及計算方法的難易程度、計算速度、計算結果的準確性綜合考慮，選用二分法作為全區(qū)視電阻率的計算方法。

2.1中心回線裝置核函數(shù)推導

P.Raab和F.Friehknecht推導出了中心回線裝置的感應電壓表達式為式(1)。

(1)

式中：L為發(fā)送回線邊長；I為發(fā)送電流；q為接收線圈的有效面積。

(2)

(3)

Φ(z)為概率積分

(4)

(5)

u(t)為階躍發(fā)送電流的電壓響應函數(shù)，取u(t)=1。

對式(1)進行歸一化得核函數(shù)。

(6)

2.2核函數(shù)特點

令

(7)

由式(2)及式(3)我們可以得到：

(8)

(9)

從公式(8)我們可以看出，為了求得某一測道對應的視電阻率值，需知道z值，為此我們來分析一下公式(7)的特性。利用matlab畫出了f(z)在(0～∞)隨z值的變化情況(z<0時沒有實際意義)，如圖1所示。通過分析，在(0～∞)之間存在極大值點對應的z=1.613 63，對應的f(z)值為 0.701 6。而且在(0～1.613 63)之間，f(z)為單調遞增的；在(1.613 63～∞)之間為單調遞減函數(shù)。當公式(6)中的左邊的值若大于f(z)的極大值時，式(6)便無解；等于f(z)的極大值時有唯一解；小于f(z)極大值時有兩個解。對于第三類情況，由f(z)的特性，我們可以采用二分法，在(0～1.613 63)與(1.613 63～∞)之間進行計算，求得兩個z值。

2.3全區(qū)電阻率的二分法求解[6]

對于全區(qū)電阻率的計算實際上是求滿足式(1)的z值，然后帶入式(8)中來計算最后的全區(qū)電阻率。首先判斷公式(6)的左邊的值是否等于f(z)的極大值，這種情況很少，若有計算出z值，并帶入式(8)計算視電阻率值，記為ρel；我們先在(0～1.613 63)之間求取z值，若有解然后帶入式(8)中計算的到一個電阻率，記為ρe，若沒解記為ρe=0；然后在(1.613 63～∞)區(qū)間計算z值若有解，計算電阻率值記為ρl，若沒解記為ρl=0。由上面的討論可知，需要判斷哪個值才是我們需要的。我們取相鄰三個測道的ρe與ρl(有ρel時，也需考慮)6個值進行比較，選取合理的值作為中間測道的電阻率值。對于在過渡區(qū)無解時，采用三次厄米特多項式進行插值，最后得到一條光滑的視電阻率曲線。

圖1　中心回線裝置感應電壓核函數(shù)特征圖Fig．1　Central loop device of induction voltage kernel feature graph

需要注意的地方，在得到全區(qū)視電阻率值之后采用煙圈法對數(shù)據(jù)進行反演，由于煙圈法快速反演中求取煙圈傳播速度時采用差分公式，所以電阻率數(shù)據(jù)的急劇變化對計算結果有明顯影響，為此在反演之前需要對全區(qū)視電阻率曲線進行圓滑處理。

3煙圈法快速反演

Nabighian依據(jù)“煙圈”理論在1979年推導出了瞬變電磁法的一維快速反演方法，該方法原理如下：煙圈的垂向深度dr和擴散半徑Rr與時間t的關系為：

(10)

(11)

式(11)中a為發(fā)射線圈的半徑。

煙圈的垂向傳播速度為：

(12)

式(12)中：ρ為均勻半空間電阻率，單位Ω·m；t采用時間道，單位ms；μ0為空氣磁導率。

對于層狀大地，“煙圈”的傳播速度為：

(13)

其中：tj、ti為相鄰的兩個延時道的取樣時間；ρj、ρi為視電阻率。

由煙圈傳播速度公式我們可以導出電阻率為：

(14)

將煙圈在地層傳播公式(13)帶入式(14)則可求得“近似”反演電阻率：

(15)

式(15)中tji為tj與ti的算術平均值或幾何平均值。

對應的一維反演近似深度公式為：

(16)

4青海某地實測資料處理結果

采集儀器為美國ZONGE公司生產的GDP32-II型多功能電法儀。Tx=200 m，Rx=100 m，匝數(shù)為1，供電電流為20 A，延遲采樣時間為0.048 66 ms～48.43 ms，采樣道數(shù)為31道，發(fā)送頻率為4 Hz，關斷時間為0.1 ms。

為了驗證上述快速處理方法的效果，用GDP32瞬變反演軟件進行了處理，結果如圖2所示。通過對比煙圈反演與一維平滑模擬反演的結果，可以看出二者的結果非常接近，對于局部信息的反演，一維平滑模擬反演優(yōu)于煙圈反演的結果，在整體構造的反映上這兩種反演方法都可以達到目的。同時也可以看出，煙圈反演的結果對低阻體的敏感程度高于一維平滑模擬反演的結果。

5結論

通過對比可以看出，上述所述的快速處理方法是有效的，中心回線瞬變電磁數(shù)據(jù)進行初步的處理，對數(shù)據(jù)的整體效果有一個宏觀的認識，在結合相關地質資料的情況下，對數(shù)據(jù)的有效性有一個初步的認識，為后續(xù)的工作提供依據(jù)。

圖2　GDP32瞬變反演處理效果圖Fig．2　GDP32 transient inversion processing effect diagram(a)一維平滑模擬反演電阻電阻率等值線圖;(b)煙圈法快速反演電阻率等值線圖

參考文獻：

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[3]白登海.時間域瞬變電磁法中心方式全程視電阻率的數(shù)值計算[J].地球物理學報,2003,46(5):697-704.

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Rapid data processing method of central loop transient electromagnetic

DU Zhen-hua1， WANG Yan2， YANG Rui1, LU Xin3, ZHANG Zhi-lin1

(1. Geophysical Team NO.2, Shaanxi Bureau of Mineral Resources, Xi’an710016, China;2. Xi’an Technological University, Xi’an710021, China; 3. Geophysical Exploration Technologies institute of Anhui Province, Hefei230031, China)

Abstract:The central loop transient electromagnetic data processing is studied in this paper. Firstly, the region apparent resistivity through original time series data is calculated. The region apparent resistivity data is then inverted by smoke ring method. In order to estimate the correctness of the results, the inversion results by smoke ring method is compared with the inversion results by GDP-32 transient electromagnetic modules. our study indicates that the rapid data processing method is valid.

Key words:central loop transient electromagnetic; data processing; region resistivity; smoke ring inversion

中圖分類號：P 631.3

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.01.05

文章編號：1001-1749(2016)01-0037-04

作者簡介：杜振華(1990-)，男，碩士,從事電磁法勘探工作，E-mail：819569306@qq.com。

基金項目:中國地質調查項目(1212011221044)

收稿日期：2014-12-10改回日期：2015-03-20