中心回线瞬变电磁资料快速处理方法

杜振华， 王　艳， 杨　锐, 鲁　杏, 张治林

(1.陕西省地矿局　第二综合物探大队，西安　710016；

2.西安工业大学，西安　710021；3.安徽省勘查技术院，合肥　230031)



中心回线瞬变电磁资料快速处理方法

杜振华1， 王艳2， 杨锐1, 鲁杏3, 张治林1

(1.陕西省地矿局第二综合物探大队，西安710016；

2.西安工业大学，西安710021；3.安徽省勘查技术院，合肥230031)

摘要：这里对中心回线瞬变电磁资料数据的处理进行了探索。首先通过原始时间序列计算全区视电阻率，然后采用烟圈法对数据进行反演，得到视电阻率—深度断面图。为了验证处理结果的正确性，采取与GDP-32商业软件瞬变电磁模块的反演结果进行对比的方法，通过对比，验证了该快速解释方法是有效的。

关键词：中心回线瞬变电磁； 资料处理； 全区视电阻率； 烟圈反演

0引言

时间域电磁法的场源是用阶跃脉冲向发射线圈供以电流，然后用不接地回线或者接地线源，向地下发送一次脉冲地磁场，以激励探测目标感应产生二次电流，利用线圈或者接地电极观测二次电磁场。数据采集是在发射之后与下次发射之间的时间内进行采集，采集的数据只有二次场，无一次场，这个过程比较短暂，称为瞬变场[1-2]。中心回线瞬变电磁与目标耦合程度高，异常形态简单，影响小，信号分辨率高，是勘查金属矿中最常用的一种装置类型。目前对于瞬变资料生产单位通常是采用商业软件进行处理的，一些参数的设置比较繁琐，在野外条件下，时间紧迫需要一种快速评价数据质量的方法，为此作者结合目前中心回线瞬变电磁资料的处理方法进行了总结，提出了一种快速处理的方法。

1原始资料预处理

瞬变电磁法采集的信息是二次场，其信号比较弱，再加上干扰信息的存在，电压曲线会发生畸变，产生假异常。同时非涡流因素也可造成资料的异常变化，因此在对资料处理之前需进行预处理，一般包括强干扰信号的剔除、滤波处理及弱信号信息的增强处理这三个步骤。

2计算全区视电阻率

目前有许多学者提出了计算全区视电阻率的方法，白登海[3]提出的分段计算法；宋先旺[4]提出的样条函数法；苏朱刘[5]提出虚拟电阻率法；谢林涛等[6]提出的对分预估计法；李文尧[7]等提出的二分法计算全区视电阻率；王华军[8]利用磁场信息计算法等。综合考虑各种方法的优缺点，以及计算方法的难易程度、计算速度、计算结果的准确性综合考虑，选用二分法作为全区视电阻率的计算方法。

2.1中心回线装置核函数推导

P.Raab和F.Friehknecht推导出了中心回线装置的感应电压表达式为式(1)。

(1)

式中：L为发送回线边长；I为发送电流；q为接收线圈的有效面积。

(2)

(3)

Φ(z)为概率积分

(4)

(5)

u(t)为阶跃发送电流的电压响应函数，取u(t)=1。

对式(1)进行归一化得核函数。

(6)

2.2核函数特点

令

(7)

由式(2)及式(3)我们可以得到：

(8)

(9)

从公式(8)我们可以看出，为了求得某一测道对应的视电阻率值，需知道z值，为此我们来分析一下公式(7)的特性。利用matlab画出了f(z)在(0～∞)随z值的变化情况(z<0时没有实际意义)，如图1所示。通过分析，在(0～∞)之间存在极大值点对应的z=1.613 63，对应的f(z)值为 0.701 6。而且在(0～1.613 63)之间，f(z)为单调递增的；在(1.613 63～∞)之间为单调递减函数。当公式(6)中的左边的值若大于f(z)的极大值时，式(6)便无解；等于f(z)的极大值时有唯一解；小于f(z)极大值时有两个解。对于第三类情况，由f(z)的特性，我们可以采用二分法，在(0～1.613 63)与(1.613 63～∞)之间进行计算，求得两个z值。

2.3全区电阻率的二分法求解[6]

对于全区电阻率的计算实际上是求满足式(1)的z值，然后带入式(8)中来计算最后的全区电阻率。首先判断公式(6)的左边的值是否等于f(z)的极大值，这种情况很少，若有计算出z值，并带入式(8)计算视电阻率值，记为ρel；我们先在(0～1.613 63)之间求取z值，若有解然后带入式(8)中计算的到一个电阻率，记为ρe，若没解记为ρe=0；然后在(1.613 63～∞)区间计算z值若有解，计算电阻率值记为ρl，若没解记为ρl=0。由上面的讨论可知，需要判断哪个值才是我们需要的。我们取相邻三个测道的ρe与ρl(有ρel时，也需考虑)6个值进行比较，选取合理的值作为中间测道的电阻率值。对于在过渡区无解时，采用三次厄米特多项式进行插值，最后得到一条光滑的视电阻率曲线。

图1　中心回线装置感应电压核函数特征图Fig．1　Central loop device of induction voltage kernel feature graph

需要注意的地方，在得到全区视电阻率值之后采用烟圈法对数据进行反演，由于烟圈法快速反演中求取烟圈传播速度时采用差分公式，所以电阻率数据的急剧变化对计算结果有明显影响，为此在反演之前需要对全区视电阻率曲线进行圆滑处理。

3烟圈法快速反演

Nabighian依据“烟圈”理论在1979年推导出了瞬变电磁法的一维快速反演方法，该方法原理如下：烟圈的垂向深度dr和扩散半径Rr与时间t的关系为：

(10)

(11)

式(11)中a为发射线圈的半径。

烟圈的垂向传播速度为：

(12)

式(12)中：ρ为均匀半空间电阻率，单位Ω·m；t采用时间道，单位ms；μ0为空气磁导率。

对于层状大地，“烟圈”的传播速度为：

(13)

其中：tj、ti为相邻的两个延时道的取样时间；ρj、ρi为视电阻率。

由烟圈传播速度公式我们可以导出电阻率为：

(14)

将烟圈在地层传播公式(13)带入式(14)则可求得“近似”反演电阻率：

(15)

式(15)中tji为tj与ti的算术平均值或几何平均值。

对应的一维反演近似深度公式为：

(16)

4青海某地实测资料处理结果

采集仪器为美国ZONGE公司生产的GDP32-II型多功能电法仪。Tx=200 m，Rx=100 m，匝数为1，供电电流为20 A，延迟采样时间为0.048 66 ms～48.43 ms，采样道数为31道，发送频率为4 Hz，关断时间为0.1 ms。

为了验证上述快速处理方法的效果，用GDP32瞬变反演软件进行了处理，结果如图2所示。通过对比烟圈反演与一维平滑模拟反演的结果，可以看出二者的结果非常接近，对于局部信息的反演，一维平滑模拟反演优于烟圈反演的结果，在整体构造的反映上这两种反演方法都可以达到目的。同时也可以看出，烟圈反演的结果对低阻体的敏感程度高于一维平滑模拟反演的结果。

5结论

通过对比可以看出，上述所述的快速处理方法是有效的，中心回线瞬变电磁数据进行初步的处理，对数据的整体效果有一个宏观的认识，在结合相关地质资料的情况下，对数据的有效性有一个初步的认识，为后续的工作提供依据。

图2　GDP32瞬变反演处理效果图Fig．2　GDP32 transient inversion processing effect diagram(a)一维平滑模拟反演电阻电阻率等值线图;(b)烟圈法快速反演电阻率等值线图

参考文献：

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[3]白登海.时间域瞬变电磁法中心方式全程视电阻率的数值计算[J].地球物理学报,2003,46(5):697-704.

BAI D H. Time domain transient electromagnetic method center way full numerical calculation of apparent resistivity[J]. Chinese Journal of geophysics,2003,46(5):697-704.(In Chinese)

[4]宋先旺.瞬变电磁法全期视电阻率视深度求解方法与应用[J].矿产与地质,1997,58(11):129-135.

SONG X W. Transient electromagnetic method the whole period of apparent resistivity apparent depth method and application[J]. Mineral Resources And Geology,1997,58(11):129-135.(In Chinese)

[5]苏朱刘.中心回线方式瞬变电磁测深虚拟全区视电阻率和一维反演方法[J].石油物探,2002,41(2):216-221.

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[6]谢林涛.瞬变电磁视电阻率对分预估计数值计算方法[J].工程地球物理学报,2010,7(5) :129-135.

XIE L T. Tem apparent resistivity of points to estimate the numerical calculation method[J]. Journal of engineering geophysics,2010,7(5) :129-135.(In Chinese)

[7]李文尧.中心回线瞬变电磁法全期视电阻率的二分法求解[J].昆明理工大学学报,2013,38(2):27-33.

LI W Y. Central loop transient electromagnetic method the whole period of apparent resistivity dichotomy method[J]. Journal of Kunming university of science and technology,2013,38(2):27-33.(In Chinese)

[8]王华军.时间域瞬变电磁法全区视电阻率的平移算法[J].地球物理学报,2008,51(6) :1937-1941.

WANG H J. The all-time apparent resistivity time domain transient electromagnetic method of translation algorithm[J]. Chinese Journal of geophysics, 2008,51(6) :1937-1941.(In Chinese)

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

中图分类号：P 631.3

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.01.05

文章编号：1001-1749(2016)01-0037-04

作者简介：杜振华(1990-)，男，硕士,从事电磁法勘探工作，E-mail：819569306@qq.com。

基金项目:中国地质调查项目(1212011221044)

收稿日期：2014-12-10改回日期：2015-03-20