铀成矿要素的多参数频域电磁异常响应确定方法和系统

摘要

本发明涉及一种铀成矿要素的多参数频域电磁异常响应确定方法和系统，属于电磁勘探数据处理技术领域。本发明通过对获取的地质剖面图采用网格剖分技术，实现了铀成矿要素内部及边界的精细模拟，同时利用确定得到的不同网格划分部分的复电阻率值，通过有限元高精度正演计算，能够精确获得铀成矿要素的精细正演响应，进而为野外电磁法勘探及数据处理提供合理、精确的理论指导。

说明书

技术领域

本发明涉及电磁勘探数据处理技术领域，特别是涉及一种铀成矿要素的多参数频域电磁异常响应确定方法和系统。

背景技术

传统的频域电磁正演模拟方法主要采用有限差分法，计算精度有限，而且在正演模拟时只考虑电阻率一个参数，这种方法在模拟地下结构特别是热液型铀矿中，不符合真实地质结构，精度、准确度都相对较差，其模拟结果会给野外电磁勘探处理及解释造成误解。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种铀成矿要素的多参数频域电磁异常响应确定方法和系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种铀成矿要素的多参数频域电磁异常响应确定方法，包括：

获取地质剖面图；

对所述地质剖面图进行网格剖分，并对剖分得到的网格进行编号得到网格剖分图；

以地表为界面将所述网格剖分图划分为空气网格部分和介质网格部分；

确定所述空气网格部分的复电阻率值和介质网格部分的复电阻率值；

基于介质网格部分的复电阻率值，采用有限元法进行频域电磁正演模拟得到所述网格剖分图中各网格节点在不同电磁波传播模式中的电场值和磁场值；

根据所述电场值和所述磁场值确定不同电磁波传播模式中各网格观测点的正演观测响应；所述正演观测响应包括：视电阻率和阻抗相位。

优选地，所述获取地质剖面图，之前还包括：

获取研究区的初始地质剖面图；

在所述初始地质剖面图中圈定所述研究区中待探测铀成矿地质要素的边界界限，得到地质剖面图；待探测铀成矿地质要素包括岩体类型、断裂位置和地层结构。

优选地，所述确定所述空气网格部分的复电阻率值和介质网格部分的复电阻率值，具体包括：

获取空气网格部分中各网格的电阻率；

根据所述电阻率确定所述空气网格部分的复电阻率值；

根据所述介质网格部分中各网格的深度、深度温度和深度压力确定介质网格部分的复电阻率值。

优选地，所述根据所述介质网格部分中各网格的深度、深度温度和深度压力确定介质网格部分的复电阻率值，具体包括：

获取所述介质网格部分中各网格的尺度；

根据所述尺度确定所述介质网格部分中各网格的深度；

根据所述深度确定所述介质网格部分中各网格的深度温度；

根据所述深度确定所述介质网格部分中各网格的深度压力；

根据所述介质网格部分中各网格的深度、深度温度和深度压力确定所述介质网格部分中各网格的电阻率值；

根据所述介质网格部分中各网格的电阻率值确定所述介质网格部分的复电阻率值。

优选地，所述基于介质网格部分的复电阻率值，采用有限元法进行频域电磁正演模拟得到所述网格剖分图中各网格节点在不同电磁波传播模式中的电场值和磁场值，具体包括：

对所述网格剖分图进行电性结构映射，结合第一边值问题得到二维频域电磁场在不同电磁波传播模式的表达式；所述第一边值问题为从电磁场理论出发，基于介质网格部分的复电阻率值推导得到的边值问题；

基于所述二维频域电磁场在不同电磁波传播模式的表达式，加载预设边界条件得到第二边值问题；

根据所述第二边值问题，采用有限元法进行频域电磁正演模拟得到所述网格剖分图中各网格节点在不同电磁波传播模式中的电场值和磁场值。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的铀成矿要素的多参数频域电磁异常响应确定方法，通过对获取的地质剖面图采用网格剖分技术，实现了铀成矿要素内部及边界的精细模拟，同时利用确定得到的不同网格划分部分的复电阻率值，通过有限元高精度正演计算，能够精确获得铀成矿要素的精细正演响应，进而为野外电磁法勘探及数据处理提供合理、精确的理论指导。

对应于上述提供的铀成矿要素的多参数频域电磁异常响应确定方法，本发明还提供了一种铀成矿要素的多参数频域电磁异常响应确定系统，该系统包括：

地质剖面图获取模块，用于获取地质剖面图；

网格剖分模块，用于对所述地质剖面图进行网格剖分，并对剖分得到的网格进行编号得到网格剖分图；

网格划分模块，用于以地表为界面将所述网格剖分图划分为空气网格部分和介质网格部分；

复电阻率确定模块，用于确定所述空气网格部分的复电阻率值和介质网格部分的复电阻率值；

电磁场确定模块，用于基于介质网格部分的复电阻率值，采用有限元法进行频域电磁正演模拟得到所述网格剖分图中各网格节点在不同电磁波传播模式中的电场值和磁场值；

正演观测响应确定模块，用于根据所述电场值和所述磁场值确定不同电磁波传播模式中各网格观测点的正演观测响应；所述正演观测响应包括：视电阻率和阻抗相位。

优选地，还包括：

初始地质剖面图获取模块，用于获取研究区的初始地质剖面图；

剖面图圈定模块，用于在所述初始地质剖面图中圈定所述研究区中待探测铀成矿地质要素的边界界限，得到地质剖面图；待探测铀成矿地质要素包括岩体类型、断裂位置和地层结构。

优选地，所述复电阻率确定模块包括：

电阻率获取单元，用于获取空气网格部分中各网格的电阻率；

第一复电阻率确定单元，用于根据所述电阻率确定所述空气网格部分的复电阻率值；

第二复电阻率确定单元，用于根据所述介质网格部分中各网格的深度、深度温度和深度压力确定介质网格部分的复电阻率值。

优选地，所述第二复电阻率确定单元包括：

网格尺度获取子单元，用于获取所述介质网格部分中各网格的尺度；

网格深度确定子单元，用于根据所述尺度确定所述介质网格部分中各网格的深度；

网格温度确定子单元，用于根据所述深度确定所述介质网格部分中各网格的深度温度；

网格压力确定子单元，用于根据所述深度确定所述介质网格部分中各网格的深度压力；

电阻率确定子单元，用于根据所述介质网格部分中各网格的深度、深度温度和深度压力确定所述介质网格部分中各网格的电阻率值；

复电阻率确定子单元，用于根据所述介质网格部分中各网格的电阻率值确定所述介质网格部分的复电阻率值。

优选地，所述电磁场确定模块包括：

表达式确定单元，用于对所述网格剖分图进行电性结构映射，结合第一边值问题得到二维频域电磁场在不同电磁波传播模式的表达式；所述第一边值问题为从电磁场理论出发，基于介质网格部分的复电阻率值推导得到的边值问题；

边值问题确定单元，用于基于所述二维频域电磁场在不同电磁波传播模式的表达式，加载预设边界条件得到第二边值问题；

电磁场确定单元，用于根据所述第二边值问题，采用有限元法进行频域电磁正演模拟得到所述网格剖分图中各网格节点在不同电磁波传播模式中的电场值和磁场值。

因本发明提供的铀成矿要素的多参数频域电磁异常响应确定系统实现的技术效果与上述提供的方法实现的技术效果相同，故在此不再进行赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的铀成矿要素的多参数频域电磁异常响应确定方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的某矿区热液型铀矿地质勘探剖面图；

图3为本发明实施例提供的网格剖分示意图；

图4为本发明实施例提供的TE模式下的频域电磁正演响应图；其中，图4中的(a)部分为TE模式下视电阻率的频域电磁正演响应图；图4中的(b)部分为TE模式下阻抗相位的频域电磁正演响应图；

图5为本发明实施例提供的TM模式下的频域电磁正演响应图；其中，图5中的(a)部分为TM模式下视电阻率的频域电磁正演响应图；图5中的(b)部分为TM模式下阻抗相位的频域电磁正演响应图；

图6为本发明实施例提供的二维电性结构和坐标系示意图；

图7为本发明提供的铀成矿要素的多参数频域电磁异常响应确定系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在实际野外地质条件下，地下的岩矿石均存在激电效应，单一的电阻率参数不能够满足岩石物理特性。同时随着深度的增加，压力和温度变化较大，岩石物理实验表明随着温度和压力的增大，电阻率特征也会发生变化，特别是对深部电磁勘探(大于500m)。因此在铀矿中的频域正演模拟中，要想获得地质要素(岩体、断裂、地层界面)准确且可靠的电磁异常响应，就必须在考虑岩石物理的激电效应特征的同时，考虑温度和压力等多参数的综合影响，而且在模拟方法中需要选取精度更高的方法进行正演，而多参数高精度的正演模拟地质要素的频域电磁异常响应可为电磁法对目标地质体勘探提供较好的模拟技术。

基于此，本发明的目的是提供一种铀成矿要素的多参数频域电磁异常响应确定方法和系统，以实现地下复杂条件下的铀成矿要素的多参数频域电磁异常响应确定的精确性，为野外电磁勘探提供合理、精确的理论指导。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的铀成矿要素的多参数频域电磁异常响应确定方法，包括：

步骤100：获取地质剖面图。所获取的地质剖面图是在获取研究区的初始地质剖面图之后，在初始地质剖面图中圈定研究区中待探测铀成矿地质要素(例如，岩体类型、断裂位置和地层结构)的边界界限得到的。其中，圈定的铀成矿地质要素可以是一个，也可以是多个，其边界界限不能交叉于地质体中。

步骤101：对地质剖面图进行网格剖分，并对剖分得到的网格进行编号得到网格剖分图。在进行网格剖分过程中，本实施例所采用的剖分原则分为目标区域剖分和边界区域剖分两种。

其中，目标区域剖分要求精细，在剖分过程中，根据各岩体、地层、断裂等地质要素的界线对地质剖面图按横向、纵向长度及范围进行网格剖分，网格横向和纵向尺度一般为L

边界区域剖分得到的网格较为稀疏，主要是为了减少边界对后期频域电磁正演计算的影响，这一网格剖分由内向外按比例系数逐渐增大，计算公式如下：

L

步骤102：以地表为界面将网格剖分图划分为空气网格部分和介质网格部分。

步骤103：确定空气网格部分的复电阻率值和介质网格部分的复电阻率值。由于介质的不同，空气网格部分的复电阻率值和介质网格部分的复电阻率值的计算方法也不相同。

空气网格部分主要用来模拟空气，空气为绝缘体，这里默认空气中各个网格电阻率为ρ空气＝1×10

ρ(iw)

其中，n为空气网格部分的第n个网格，i为复单位，i∈(0，-1)，ω为角频率(后期正演中给定具体值)。

介质网格部分的复电阻率值的计算过程则包括：

1)计算介质网格部分中各个网格以中心点深度为准，距离地表网格的垂直深度H

其中，x为介质网格部分中第n个网格距离地表网格的个数。L为各网格的尺度，对所有网格求和即可求出。H

2)根据介质网格部分中每个网格的深度H

t

公式(2)中：t

根据公式(2)可求出地下各网格单元(即各深度处)的温度值。

3)根据介质网格部分中每个网格的深度H

p

其中，P

4)由上面得到的各网格深度值H

log[ρ

其中上式公式中的各岩性的λ和θ参数可在高温高压实验室测量得到，ρ0为地表或钻孔采集岩石样品在常温常压下测量的电阻率值。

5)根据4)获得的介质网格部分各网格的电阻率值ρ

其中，ρ

步骤104：基于介质网格部分的复电阻率值，采用有限元法进行频域电磁正演模拟得到网格剖分图中各网格节点在不同电磁波传播模式中的电场值和磁场值。该步骤具体包括：

步骤1040：对网格剖分图进行电性结构映射，结合第一边值问题得到二维频域电磁场在不同电磁波传播模式的表达式。第一边值问题为从电磁场理论出发，基于介质网格部分的复电阻率值推导得到的边值问题。

例如，从电磁场基本理论Maxwell出发，推导出满足电磁满足的边值问题(即第一边值问题)为：

公式(6)中，E为电场值(即电场强度)，H为磁场值(即磁场强度)，σ

根据公式(6)可获得二维频域电磁场的两种模式下的偏微分方程，如公式(7)所示：

公式(7)的两个模式可统一表示成公式(8)：

对TE模式：u＝E

对TM模式：u＝H

其中，E

步骤1041：基于二维频域电磁场在不同电磁波传播模式的表达式，加载预设边界条件得到第二边值问题。即

通过加载边界条件，二维频域电磁场的边值问题(第二边值问题)为：

其中，边界划分如图6所示。

步骤1042：根据第二边值问题，采用有限元法进行频域电磁正演模拟得到网格剖分图中各网格节点在不同电磁波传播模式中的电场值和磁场值。具体的：

根据第二边值问题即公式(9)，采用节点有限元进行求解，获得公式(7)中两种模式下的每个网格节点上的电场E

根据公式(9)，其变分问题等价于：

其中，

其中：

K为三维正演的总体系数矩阵，

δF(u)＝δu

求解(13)可以获得各个节点上的u，对TE模式，u为剖分区域各单元节点上的E

步骤105：根据电场值和磁场值确定不同电磁波传播模式中各网格观测点的正演观测响应。正演观测响应包括：视电阻率和阻抗相位。

其中，TE模式下正演响应(视电阻率ρ

根据上述步骤104有限元法求解得到的各节点电场E

TM模式下正演响应(视电阻率ρ

根据上述步骤104有限元法求解得到的各节点电场H

其中，ω＝2×π×f，f为频率，给定一个频率即可计算一组视电阻率和阻抗相位。H

下面以确定热液型铀成矿要素的多参数频域电磁异常响应为例，对本发明明上述提供的铀成矿要素的多参数频域电磁异常响应确定方法的具体实施过程进行说明。在实际应用过程中，该方法还可以应用于其他类型的铀成矿。

热液型铀成矿要素的多参数频域电磁异常响应的确定过程为：

步骤一：收集热液型铀矿研究区的任意地质剖面图(如图2所示)，圈定该研究区需要探测铀成矿地质要素(一般指岩体、断裂或地层等)的边界界限(图2中的地表实线)。图2中的岩体为杨庄岩体(岩性为花岗斑岩)，两侧为两条断裂构造，整体剖面北侧为上泥盆统塔尔巴哈台组灰(D

步骤二、对步骤一圈定地质要素的地质剖面图进行网格剖分，根据剖面比例尺确定剖分尺度及范围，并对所有网格自上而下进行编号(1,2,3,…n)，结果如图3所示，具体剖分原则分为目标区域剖分和边界区域剖分两种：

(1)目标区域剖分精细，根据各岩体、地层、断裂等各地质要素的界线对其横向、纵向长度及范围进行网格剖分，网格横向和纵向尺度一般为10m，若步骤一中圈定的地质界线起伏较大(与水平面夹角大于60°)则在该区域横纵尺寸进行自动进行加倍(即L

(2)边界区域网格剖分稀疏，主要减少边界对后期频域电磁正演计算的影响，其网格剖分由内向外按比例系数逐渐增大。

步骤三、网格剖分后，将整个研究区所有网格以地面界面(如图3所示)分为地上空气网格部分和地下介质网格部分，计算各部分网格的复电阻率值分别为步骤四和步骤五。

步骤四、计算地上空气网格部分中各个网格的复电阻率值，具体计算如下：

地上空气网格部分主要用来模拟空气，空气为绝缘体，这里默认空气中各个网格电阻率为ρ空气＝1×1015Ω·m，以较大的电阻率值代替空气绝缘体，由于在空气无岩性介质，其极化率、频率相关系数、时间常数均为0，并且在空气一定的高度范围内的温度和压力基本变化不大，均为常数，因此空气所有网格的复电阻率为：

ρ(iw)

步骤五、计算步骤三中地下介质网格部分中各个网格的复电阻率值，具体分以下四步计算：

1、采用公式(1)计算地下各个网格(以中心点深度为准)距离地表网格的垂直深度

2、根据地下每个网格的深度Hn与温度t的关系，采用公式(2)计算地下每个网格的深度温度。其中，计算时热液型铀矿中的低温梯度为3℃/m。

3、根据地下每个网格的深度H

4、由上面得到的各网格的深度值、深度温度值、深度压力值，利用公式(4)可求出地下剖分区域中各个网格在当前深度、温度和压力下的电阻率值。

5、根据公式(4)获得的地下剖分区域各网格的电阻率值，以及物性实验室测量的不同岩性的电阻率参数、极化率参数、频率相关系数参数、时间常数参数(极化率、频率相关系数和时间常数随温度、压力基本不变)，根据公式(5)可计算出地下介质的复电阻率值。其中，地表岩石样品测量结果如表1所示：

表1地表常温常压岩石物性测量结果表

步骤六、通过步骤四和步骤五计算出了空气和地下不同岩性的复电阻率值，各复电阻率值已包含了地下温度、压力、电阻率、极化率、频率相关系数和时间常数的综合影响，该复电阻率计算精确，可以反映实际野外地质条件的物性状态。对整个剖分网格空间采用有限元法对其进行频域电磁正演模拟，计算当前不同岩性复电阻率值ρ

1、从电磁场基本理论Maxwell出发，推导出第一边值问题，如公式(6)所示。

由于对热液型铀矿的二维剖面进行模拟，因此，根据公式(6)可获得二维频域电磁场的两种模式下的偏微分方程，如公式(7)所示。

然后将公式(7)的两个模式可统一表示成公式(8)。

基于此，通过加载边界条件，第二边值问题如公式(9)所示。

2、根据第二边值问题，采用节点有限元进行求解，获得公式(7)中两种模式下的每个网格节点上的电场E

步骤七、根据步骤六中的有限元法求解出各单元节点上的不同频率下TM模式下的磁场Hz和TE模式下的电场E

1、TE模式下正演响应视电阻率ρ

根据步骤七有限元法求解的各节点电场E

2、TM模式正演响应视电阻率ρ

根据步骤七有限元法求解的各节点电场H

步骤八、根据步骤七中获得的不同频率下的地表节点视电阻率ρ

图4和图5为热液型铀矿多参数(电阻率、极化率、频率相关系数、时间常数)以及考虑实际地下温度和压力等参数的频域电磁正演响应(视电阻率及阻抗相位)结果图，根据图中的多参数正演模拟结果，可以得到热液型铀矿的主要成矿要素杨庄岩体(花岗斑岩)和断裂破碎带的TE模式和TM模式精细正演异常响应，其中杨庄岩体(花岗斑岩)的正演视电阻率表现为中高阻特征，阻抗相位表现为中低相位特征，TE模式和TM模式表现特征相同，整体岩体边界与模型边界基本相同。综合考虑了电阻率、极化率、频率相关系数、时间常数以及温度和压力等6个参数，能更接近实际野外条件下的地质结构，较传统的正演模拟只考虑单一的电阻率参数，更加准确，更加精细，更符合实际野外地质结构。

可见，本发明提供的多参数高精度的正演模拟地质要素的频域电磁异常响应确定方法可为电磁法对目标地质体勘探提供较好的模拟技术。

此外，对应于上述提供的铀成矿要素的多参数频域电磁异常响应确定方法，本发明还提供了一种铀成矿要素的多参数频域电磁异常响应确定系统，如图7所示，该系统包括：地质剖面图获取模块1、网格剖分模块2、网格划分模块3、复电阻率确定模块4、电磁场确定模块5和正演观测响应确定模块6。

其中，地质剖面图获取模块1用于获取地质剖面图。

网格剖分模块2用于对地质剖面图进行网格剖分，并对剖分得到的网格进行编号得到网格剖分图。

网格划分模块3用于以地表为界面将网格剖分图划分为空气网格部分和介质网格部分。

复电阻率确定模块4用于确定空气网格部分的复电阻率值和介质网格部分的复电阻率值。

电磁场确定模块5用于基于介质网格部分的复电阻率值，采用有限元法进行频域电磁正演模拟得到网格剖分图中各网格节点在不同电磁波传播模式中的电场值和磁场值。

正演观测响应确定模块6用于根据电场值和磁场值确定不同电磁波传播模式中各网格观测点的正演观测响应。正演观测响应包括：视电阻率和阻抗相位。

作为本发明的一实施例，上述提供的铀成矿要素的多参数频域电磁异常响应确定系统，还优选包括：初始地质剖面图获取模块和剖面图圈定模块。

其中，初始地质剖面图获取模块用于获取研究区的初始地质剖面图。

剖面图圈定模块用于在初始地质剖面图中圈定研究区中待探测铀成矿地质要素的边界界限，得到地质剖面图。待探测铀成矿地质要素包括岩体类型、断裂位置和地层结构。

作为本发明的另一实施例，上述复电阻率确定模块4还可以包括：电阻率获取单元、第一复电阻率确定单元和第二复电阻率确定单元。

其中，电阻率获取单元用于获取空气网格部分中各网格的电阻率。

第一复电阻率确定单元用于根据电阻率确定空气网格部分的复电阻率值。

第二复电阻率确定单元用于根据介质网格部分中各网格的深度、深度温度和深度压力确定介质网格部分的复电阻率值。

作为本发明的再一实施例，上述第二复电阻率确定单元包括：

网格尺度获取子单元用于获取介质网格部分中各网格的尺度。

网格深度确定子单元用于根据尺度确定介质网格部分中各网格的深度。

网格温度确定子单元用于根据深度确定介质网格部分中各网格的深度温度。

网格压力确定子单元用于根据深度确定介质网格部分中各网格的深度压力。

电阻率确定子单元用于根据介质网格部分中各网格的深度、深度温度和深度压力确定介质网格部分中各网格的电阻率值。

复电阻率确定子单元用于根据介质网格部分中各网格的电阻率值确定介质网格部分的复电阻率值。

作为本发明的又一实施例，上述采用的电磁场确定模块5可以包括：表达式确定单元、边值问题确定单元和电磁场确定单元。

其中，表达式确定单元用于对网格剖分图进行电性结构映射，结合第一边值问题得到二维频域电磁场在不同电磁波传播模式的表达式。第一边值问题为从电磁场理论出发，基于介质网格部分的复电阻率值推导得到的边值问题。

边值问题确定单元用于基于二维频域电磁场在不同电磁波传播模式的表达式，加载预设边界条件得到第二边值问题。

电磁场确定单元用于根据第二边值问题，采用有限元法进行频域电磁正演模拟得到网格剖分图中各网格节点在不同电磁波传播模式中的电场值和磁场值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。