一种基于地下粗糙介质模型的电磁广义趋肤深度计算方法

摘要

本发明涉及一种基于地下粗糙介质模型的电磁广义趋肤深度计算方法，目的在于提高电磁探测深度的解译精度。本发明主要针对地下粗糙介质的电导率模型，推导了地下均匀粗糙介质的广义趋肤深度公式。先根据测区地质资料提取地下不同岩石层的空间均匀粗糙度参数，然后对实测数据进行场值归一化、噪声滤波等处理，将处理后电磁数据进行视电导率参数计算；再利用不同岩石层粗糙度参数值，计算粗糙介质电阻率和广义趋肤深度，最后进行粗糙介质的视电导率‑广义趋肤深度成像。本发明的广义趋肤深度与经典均匀半空间介质趋肤深度的计算方法相比，更符合实际地下粗糙介质的传播扩散规律，从而提高了视电导率‑探测深度的解译精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地球物理勘探领域的探测深度计算方法，尤其适用于符合实际地质粗糙介质情况下的电磁勘探方法。

背景技术

在电法勘探中，视电导率与探测深度是最重要的两个参数，尤其探测深度还是衡量一种方法的探测能力主要标准之一。通过对电法勘探的极限(最大和最小)探测深度计算，可以得知这种方法的探测能力。对于实际电法勘探中，为了解释实测数据，需要计算视电导率与探测深度数值，并表示成视电导率-深度断面的形式，因此，需要计算在实测不同频率或不同时刻情况下的探测深度。

目前已经应用到实际电法勘探探测深度计算的方法，应用最为广泛的是Nabighian and Macnae(1989)提出的趋肤深度计算公式估算探测深度。Szalai,S.(2011)应用有效探测深度计算方法对多电极系统进行二维模型的探测深度计算，但是仅是理论模型研究，没有应用于实际例子。

US 8547103公开了一种估计地层参数的装置和方法，特别是涉及在多深度调查中估计电阻率特性的钻孔记录方法和装置。该装置可包括两个或多个发射机，用于向大地形成电流。该装置可以包括一个或多个接收器，响应于来自一个或多个频率的来自地层的电信号，以提供来自一个或多个调查深度的数据。但以上探测深度计算方法是基于均匀介质理论下的计算公式，而实际地球介质在其沉积或成岩等过程中受到差异压实和变质作用等影响，使得地层具有复杂的非均质特性,即实际地质结构都是粗糙介质，导致计算的探测深度比实际深度偏深，因此严重影响后期数据解释结果的准确性，所以对实际地质粗糙介质的广义电导率的探测深度计算方法研究具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有探测深度计算方法的不足，根据实际地质粗糙介质的广义电导率，以及趋肤深度的定义方式，提供一种基于地下粗糙介质模型的电磁广义趋肤深度计算方法。

本发明的主要思想是：在趋肤深度定义方式的基础上，根据粗糙介质广义电导率的定义，推导出适用于符合地下粗糙介质电导率的电磁广义趋肤深度公式，根据不同岩石层粗糙度参数，计算出探测深度。

本发明是这样实现的，一种基于地下粗糙介质模型的电磁广义趋肤深度计算方法包括：

(1)针对地下粗糙介质建立粗糙介质电导率模型，根据测区地质资料提取地下不同岩石层的空间均匀粗糙度参数；

进一步地，先获取探测区地质资料，获知探测区域的不同岩石层组成情况，根据岩石节理表面纹理等已知信息以及分形理论获取分形维数D，由于空间均匀粗糙度参数λ＝2-D，得到不同岩石层粗糙度参数。

(2)对电磁实测数据进行处理，包括场值归一化、噪声滤波等预处理；

(3)将预处理后的电磁数据进行视电导率参数计算，再利用不同岩石层粗糙度参数值，计算粗糙介质电导率；

进一步地，对电磁数据预处理结果进行视电导率计算，根据粗糙介质广义电导率公式σ_λ＝σ₀(iω)^λ，其中σ₀为直流电导率，ω为角频率，ω＝2πf，其中f为频率，计算出粗糙介质视电导率值。

(4)根据均匀半空间模型的趋肤深度推导思想，推导了地下粗糙介质的广义趋肤深度公式；

进一步地，根据趋肤深度的定义方式，带入粗糙介质广义电导率公式，波数为k²＝iωμσ₀(iω)^λ，μ为磁导率，令k＝α+iβ，i^λ＝a+ib，其中α，β，a，b为实数，得出集肤深度d等于场量振幅衰减到其表面值的e^-1是所经过的距离由此e^-αd＝e^-1，得粗糙介质的广义趋肤深度公式

(5)利用提取的不同岩石层粗糙度参数，带入推导的广义趋肤深度公式中，计算出电磁数据的广义趋肤深度，并绘制粗糙介质的视电导率-广义趋肤深度成像。

Ⅰ、应用matlab编程，输入参数λ，μ，f和σ₀到程序中，其中λ为粗糙度参数，根据ω＝2πf获得角频率数值，根据i^λ＝a+ib，其中获得实数a，实数b的数值；

Ⅱ、根据步骤4推导的粗糙介质广义趋肤深度公式计算该直流电导率σ₀的探测深度；

Ⅲ、根据步骤3和步骤Ⅱ计算的数值结果，绘制粗糙介质的视电导率-广义趋肤深度成像。

有益效果：本发明与现有技术相比，能够计算实际地质粗糙介质广义电导率的趋肤深度，与粗糙介质扩散理论一致，更符合实际的深度位置，提高了视电导率-深度断面图的准确性。本方法为我国开展电磁探测寻找矿产资源提供新的技术保障，有利于瞬变电磁勘探方法的实用化。

附图说明

图1是基于地下粗糙介质模型的电磁广义趋肤深度计算方法流程图；

图2是电磁实测数据预处理流程图；

图3是本发明一个实施例的不同粗糙度的通以不同频率交变电流时的半空间探测深度效果图；

图4是本发明一个实施例的粗糙度为0.1时半空间的传统深度与广义深度对比图，其中a是传统深度计算结果的视电导率-趋肤深度成像，b是广义深度计算结果的视电导率-广义趋肤深度成像；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。本发明的核心构思之一在于，发明提供了广义电导率的探测深度计算方法，能够对电磁探测数据进行准确解释，从而获得地质目标体的准确位置信息。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

结合图1所示，一种基于地下粗糙介质模型的电磁广义趋肤深度计算方法，包括：

(1)针对地下粗糙介质建立粗糙介质电导率模型，根据测区地质资料提取地下不同岩石层的空间均匀粗糙度参数；

如图1所示的步骤1中，先获取探测区地质资料，获知探测区域的不同岩石层组成情况，根据岩石表面纹理等已知信息以及分形理论，应用盒子计数法获得岩石的分形维数D。用边长为1的方盒覆盖岩石表面纹理的轮廓曲线，将改方盒分割成含有2ⁿ个小方盒，小方盒边长为2^-n，用这个网格集覆盖轮廓曲线，统计含有轮廓片段的小方格数量M(n),曲线的分形维数为由于空间均匀粗糙度参数λ＝2-D，得到粗糙度参数。

(2)对电磁实测数据进行处理，包括场值归一化、噪声滤波等预处理；

预处理首先对野外记录的原始数据进行数据转换及归一化，使原始数据变为有意义的电磁响应量。由于电磁勘探系统在实际测量过程中，有很多因素是的数据产生噪声，包括外界工业干扰、无线发射塔等人文干扰，天电干扰、云雾等自然原因，也有系统自身因素等。为了提高数据质量，要对噪声特点分析，并对实测数据进行噪声滤波。

进一步，如图2所示的实测数据预处理流程图。先对数据进行数据转换及归一化，再用移动平均滤波器进行噪声滤波，去除噪声干扰。还需进行数据质量统计，检查原始数据是否合乎质量要求。经过预处理和质量统计合格的数据，可以继续下一步处理。

(3)将预处理后的电磁数据进行视电导率参数计算，再利用不同岩石层粗糙度参数值，计算粗糙介质电导率；

进一步地，对电磁数据预处理结果进行视电导率计算，根据粗糙介质广义电导率公式σ_λ＝σ₀(iω)^λ，其中σ₀为直流电导率，ω为角频率，ω＝2πf，其中f为频率，计算出粗糙介质视电导率值。

(4)根据均匀半空间模型的趋肤深度推导思想，推导了地下粗糙介质的广义趋肤深度公式；

进一步地，根据趋肤深度的定义方式，已知波数k²＝iωμσ，其中σ为电导率，μ为磁导率，i代表虚数，其中i²＝-1。令k＝α+iβ，其中α，β为实数。由公式(1)可以得出集肤深度d等于场量振幅衰减到其表面值的e^-1是所经过的距离由此e^-αd＝e^-1，得

带入粗糙介质广义电导率σ_λ＝σ₀(iω)^λ，其中σ_λ为广义电导率，σ₀为直流电导率，λ为空间均匀粗糙度参数。波数为k²＝iωμσ₀(iω)^λ，令k＝α+iβ，i^λ＝a+ib，其中α，β，a，b为实数，得出进而推导得粗糙介质的广义趋肤深度公式

(5)利用提取的不同岩石层粗糙度参数，带入推导的广义趋肤深度公式中，计算出电磁数据的广义趋肤深度，并绘制粗糙介质的视电导率-广义趋肤深度成像。

如图1的步骤5中包含以下步骤：

Ⅰ、应用matlab编程，输入参数λ，μ，f和σ₀到程序中，其中λ为粗糙度参数，根据ω＝2πf获得角频率数值，根据i^λ＝a+ib，其中获得实数a，实数b的数值；

Ⅱ、根据步骤4推导的粗糙介质广义趋肤深度公式计算该直流电导率σ₀的探测深度；

Ⅲ、根据步骤3和步骤Ⅱ计算的数值结果，绘制粗糙介质的视电导率-广义趋肤深度成像。

图3为采用图1所示的本发明一个实施例的不同粗糙度的通以不同频率交变电流时的半空间探测深度计算结果，图4为采用图1所示的本发明一个实施例的粗糙度为0.1的半空间的传统深度与广义深度对比图，其中a是传统深度计算结果的视电导率-趋肤深度成像，b是广义深度计算结果的视电导率-广义趋肤深度成像，结果表明本发明能够计算广义电导率的趋肤深度，与粗糙介质扩散理论一致，更符合实际的深度位置，提高了视电导率-深度断面图的准确性，为电磁勘探方法野外高精度解译提供了新的思路和方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。