一种层状介质瞬变电磁测深定性分析方法

摘要

本发明涉及一种层状介质瞬变电磁测深定性分析方法，包括下述的步骤：利用瞬变电磁法获得层状介质断面单个实测点的二次场衰减曲线；确定背景二次场曲线；将单个实测点的二次场衰减曲线数值对应比上背景二次场曲线数值，所得结果再取相反数，得到二次场反比值曲线；根据二次场反比值曲线随时间变化规律定性判断层状地电结构或相对于参考点的地电结构的变化。该方法能够就单个瞬变电磁测深点进行垂向电性结构的定性分析，同时能够实时对比测点相对背景参考点下方的垂向电性结构变化，以便现场实时发现异常测点并做出应对。

说明书

技术领域

本发明属于地球物理勘探领域，具体涉及一种通过瞬变电磁法来定性分析层状介 质地电结构的方法。

背景技术

瞬变电磁法是地球物理勘探领域一种很重要的方法，该方法常用装置是在发射导 线中通入电流，向地下发射一次场，然后瞬间关断发射电流，在关断间隙以天线观测地下介 质感应出的二次场。地下地电断面不同，将得到不同衰减形态的二次场。

地电断面是按电学性质，如电阻率、介电常数、磁导率或极化率划分出来的电性垂 向断面。在绝大多数情况下，电阻率是基本参数，层状介质是由两个或两个以上相互平行 的、电阻率不同的岩层所组成。对于相对高或低的电阻率厚层往往可以成为研究区域的标 准电性界面，可一定程度客观反映地区地质构造的基本特征，因此通过瞬变电磁方法研究 层状介质相邻厚层的电阻率变化具备重要意义。

由于实际观测记录的二次场是一条随着时间增加而逐渐减小的衰减曲线(图1)。 因此，通过单点二次场衰减曲线来定性判断地下垂向电性结构非常困难。目前，对原始数据 的定性分析方法是通过多点测深曲线构成的剖面图来分析：如图2所示，若剖面二次场曲线 出现高峰隆起，则定性判定对应点地下存在相对低阻体；反之，则判定对应点地下存在相对 高阻体。该方法适用于分析横向电性结构，不能根据单点测深曲线分析层状介质的垂向电 性结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以通过单点瞬变电磁测深曲线来定性分析层状介质 地电结构的方法，能够就单个瞬变电磁测深点进行垂向电性结构的定性分析，同时能够实 时对比测点相对背景参考点下方的垂向电性结构变化。

本发明的技术方案为：一种层状介质瞬变电磁测深定性分析方法，包括下述的步 骤：

利用瞬变电磁法获得层状介质断面单个实测点的二次场衰减曲线；

确定背景二次场曲线：若是定性分析层状地电结构，为符合均匀半空间衰减规律 的任意二次场曲线；若是定性分析某测点相对于背景围岩的地电结构的变化，则为参考点 的二次场曲线，该参考点能代表测区背景围岩地电结构；

将单个实测点的二次场衰减曲线数值对应比上背景二次场曲线数值，所得结果再 取相反数，得到二次场反比值曲线；

根据二次场反比值曲线随时间变化规律定性判断层状地电结构或相对于参考点 的地电结构的变化。

所述二次场反比值曲线随时间变化能反映层状介质由浅至深各层电阻率相对变 化。若二次场反比值曲线随时间增加，则表示地下相邻岩层电阻率随深度加深而变大，或相 对于参考点其地下有相对高阻层；反之，若二次场反比值曲线随时间减小，则表示地下相邻 岩层电阻率随深度加深而减小，或相对于参考点其地下有相对低阻层。

所述二次场为同点装置下的晚期二次场。

所述层状介质是指由两个或两个以上相互平行的、电阻率不同的岩层所组成，各 层电阻率差异和厚度能被所采用瞬变电磁法分辨。

本发明方法的理论基础：

瞬变电磁中，同点装置是指发射和接收回线的中心点在同一个位置的装置，中心 回线装置、重叠回线装置、共圈回线装置都属于同点装置。在均匀半空间条件下，同点装置 晚期的瞬变二次场信号与时间满足以下关系

dB/dt∝t^-5/2

两边取对数得

${\log }_{10}(dB/dt)\propto (-\frac{5}{2}){\log }_{10}\left(t\right)$

即在双对数坐标中瞬变响应呈斜率为-5/2的下降线段(见图3)。

同点装置的晚期一般指(均采用国际单位制)的情况，其中L为发射回线的 边长，τ为瞬变电场扩散参数

τ＝2πδ_TD

δ_TD为t时刻地下最大瞬变电场的深度

${\delta }_{TD}=\sqrt{2\rho t/{\mu }_0}$

式中，ρ为均匀大地的电阻率，t为瞬变场扩散时间，μ₀为空气的磁导率。

根据公式得发射边长为1～100m时，不同大地电阻率与进入晚期的临界时间关系 (见图4)。可见，发射回线边长L越小越早进入晚期，大地电阻率越高越早进入晚期。特别的， 针对发射边长L＝1m的情况，当电阻率为10时，进入晚期临界时间约为0.3μs，一般情况下大 地电阻率大于10，观测第一道时间也远大于0.3μs，因此针对小回线瞬变电磁很容易满足晚 期条件。

当地下为层状地电结构时，这里的层状指由两个或两个以上相互平行的、电阻率 不同的岩层所组成，且相邻的岩层的厚度和电阻率差异要足够到能达到所采用的具体的瞬 变电磁法的分辨率，此时，由于低阻岩层引起二次场衰减相对减慢，高阻岩层引起其二次场 衰减相对加快，最终地面接收到的二次场曲线将偏离均匀半空间的二次场曲线，不同的地 电结构类型偏离特点不同。通过把均匀半空间的二次场当做背景二次场，再将实测二次场 比上背景二次场后的相反数得到二次场反比值，反比值曲线随时间变化规律将反映出地下 电阻率随深度变化规律，具体为若二次场反比值曲线随时间增加，则表示地下相邻岩层电 阻率随深度加深而变大；反之，若二次场反比值曲线随时间减小，则表示地下相邻岩层电阻 率随深度加深而减小。

在实际应用中，该方法可以用来定性分析测点相对于背景围岩的变化。具体为：把 能代表测区背景围岩地电结构的某实测点作为参考点，将参考点上测得的二次场当做背景 二次场，再将实测二次场比上背景二次场后的相反数得到二次场反比值，根据该反比值曲 线随时间变化趋势即可定性判断出实测点相对于参考点的地下的地电结构的变化。若二次 场反比值曲线随时间增加，则表示相对于参考点其地下有相对高阻层；反之，若二次场反比 值曲线随时间减小，则表示相对于参考点其地下有相对低阻层。

本发明方法便于根据单点测深曲线定性分析层状大地地电结构；也可在观测现场 实时发现各测点相对于参考点的地电结构的相对变化，以便现场实时发现异常测点并做出 应对。

本发明通过单点瞬变电磁测深曲线来定性分析层状介质的地电结构类型，或实测 点相对于参考点的地电结构变化，适用于同点装置的晚期测深曲线的分析。

附图说明

图1瞬变电磁单点衰减曲线；

图2现有瞬变电磁二次场剖面定性分析。

图3均匀半空间瞬变电磁测深响应曲线。

图4瞬变电磁场进入晚期的临界时间。

图5理论上反比值曲线定性分析层状地电结构。

图6实际应用反比值曲线定性分析层状地电结构。

图7实际应用反比值曲线定性判断地电结构相对变化。

图8实际应用反比值曲线定性分析层状地电结构。

其中，1为背景二次场曲线，这里为电阻率与基岩一致的均匀半空间的二次场曲 线，2为模型断面的二次场曲线，3为1和2的反比值曲线。

具体实施方式

本发明通过单点瞬变电磁测深曲线来定性分析层状介质的地电结构的方法，包括 下述的步骤(下述二次场为同点装置下的晚期二次场)：

首先根据探测目的选择背景二次场曲线：如果是为了判断地下地电结构的变化类 型，背景二次场曲线可以为特定收发装置下均匀大地的理论二次场曲线(双对数坐标中瞬 变响应呈斜率为-5/2的下降线段)；如果是为了实时发现各测点下方地电结构的相对变化， 背景二次场曲线可以为已知地电结构的参考点(把能代表测区背景围岩地电结构的某实测 点作为参考点)的二次场曲线。

然后将测点的实测二次场曲线2数值对应比上背景二次场曲线1数值，所得结果再 取相反数，得到二次场反比值曲线3；

最后根据反比值曲线3随时间变化规律特征来定性判断测点地下纵向地电结构类 型或相对于参考点地电结构的相对变化。

若二次场反比值曲线随时间增加，则表示地下相邻岩层电阻率随深度加深而变 大，或相对于参考点其地下有相对高阻层；反之，若二次场反比值曲线随时间减小，则表示 地下相邻岩层电阻率随深度加深而减小，或相对于参考点其地下有相对低阻层。

下面以具体实施例进行详细的说明。

实施例1：理论上五层电阻率断面的二次场响应曲线及相对于理论均匀半空间场 的反比值曲线(图5)。五层电阻率断面相对关系为ρ₁>ρ₂<ρ₃>ρ₄<ρ₅。采用电磁法计算软件EMMA (version1.1.4.65)计算。计算参数：水平发射线圈边长1m，发射双极性阶跃方波，发射频 率25Hz，发射电流1A，关断时间2.5μs，在发射线圈中心点由垂直磁偶极接收dB/dt。

背景曲线1为电阻率与基岩一致的均匀半空间的二次场曲线(也可以为双对数坐 标中瞬变响应呈斜率为-5/2的任意下降线段)，2为模型断面的二次场曲线，3为1和2的反比 值曲线。可以看出：反比值曲线3随时间增加先减小后增大再减小再增大，相应地反映了地 下电阻率由浅至深变化为高-低-高-低-高变化。

实施例2：实际测点的二次场响应曲线及相对于理论背景场的反比值曲线(图6)。 实测中为中心回线装置，发射线圈直径1.2m，10匝，电流10A，发射双极性方波，关断时间75μ s。测点为图2所示测线中2#号测点(横坐标值为2处)，测点所在地表为高阻石板，石板下方 为低阻土层。背景曲线1为双对数坐标中瞬变响应呈斜率为-5/2的下降线段，2为图2中2#号 测点的实测二次场曲线，3为1和2的反比值曲线。可以看出：反比值曲线3随时间增加先减小 后增大，反映了装置可探测深度范围内地下电阻率由浅至深变化为由高变低，与实际一致。

实施例3：实际测点的二次场响应曲线及相对于实际参考点的反比值曲线(图7)。 实测中为中心回线装置，发射线圈直径1.2m，10匝，电流10A，发射双极性方波，关断时间75μ s。测点为图2测线中测点，其中参考点为2#测点(横坐标值为2处)，其所在地表为高阻石板， 石板下方为低阻土层；研究的实测点为8#测点(横坐标值为8处)，其所在地表为高阻石板， 石板下方为沟渠，因为含水其电阻率比土低。背景曲线1为参考点的二次场曲线，实测曲线2 为研究的实测点的二次场曲线，3为1和2的反比值曲线。可以看出：反比值曲线3大体上随时 间增加先减小后增大，表明相对于2#号参考点，8#号研究点下方出现了更低的电阻层。观测 现场实时即可发现这一异常，而不需看剖面曲线后才发现这一异常。

实施例4：实际测点的二次场响应曲线及相对于理论背景场的反比值曲线(图8)。 实测中为中心回线装置，发射线圈边长200m×200m，1匝，电流18A，发射双极性方波，关断时 间130μs。实测点所在地表为低阻覆盖层，覆盖层下方为潜水位之上的相对高阻岩层，再往 深部到相对低阻的含水砂岩层。背景曲线1为双对数坐标中瞬变响应呈斜率为-5/2的下降 线段，2为实测点的实测二次场曲线，3为1和2的反比值曲线。可以看出：反比值曲线3大体上 随时间增加先增大后减小，表明在装置可探测深度探测范围内，实测点下方由浅层至深电 阻率先由低变高再变低，与实际情况一致。