本發(fā)明具體涉及一種地-井電性源短偏移距瞬變電磁探測方法，屬于礦產(chǎn)資源地球物理勘探技術領域。

背景技術：

電性源短偏移距瞬變電磁法(SOTEM)是一種具有較大探測深度的人工源電磁法，目前其工作空間主要為地面。當?shù)乇泶嬖谳^厚低阻覆蓋層或電磁干擾較大時，地面發(fā)射、觀測的工作模式對深部目標體的探測效果通常較差。

瞬變電磁法(Transient electromagneticmethod，TEM)的工作空間可以是空中、地面和地下。一般來講，地下瞬變電磁法的探測精度較高、探測深度相對較大。這是由于接收點離地下目標體更近，由目標體引起的異常受其他地層的影響更小因而更加明顯；并且接收點位于地下，有效避免了地表存在的各種電磁干擾及低阻覆蓋層的影響，使信號質量更高、穿透深度更大。因此，地面發(fā)射、地下接收的地-井瞬變電磁法裝置在解決深部盲礦探測領域可發(fā)揮重要的作用。

目前的地-井瞬變電磁法主要以地面回線為發(fā)射源(磁性源)，在鉆孔內用探頭測量瞬變信號，然后通過分析、處理觀測到的瞬變信號提取目標體的電性和幾何信息。該裝置類型最早產(chǎn)生于上世紀七十年代，并在八十年代得到深入廣泛的研究和應用，尤其是在加拿大、澳大利亞和前蘇聯(lián)等國家，利用地-井瞬變電磁法進行深部找礦取得了豐碩的成果。同時，專門用于或者具備井中觀測的瞬變電磁儀也得到了快速發(fā)展，代表性的有加拿大CRONE公司研制的PEM瞬變電磁系統(tǒng)、加拿大GEONICS公司生產(chǎn)的PROTEM系列瞬變電磁儀以及澳大利亞CSIRO研制的SIROTEM系統(tǒng)。我國于上世紀八十年代開始地-井瞬變電磁法的研究和應用，其中地質科學院物化探研究所在此方面做了大量的工作。近些年隨著國外儀器設備的不斷涌入、理論研究的逐漸成熟以及在危機礦山接替資源的緊迫要求下，地-井瞬變電磁法越來越受到國內的重視，針對方法理論和應用效果的研究逐漸多了起來。但是整體來看，我國對于地-井瞬變電磁法的研究和應用程度及范圍仍非常有限。

在瞬變電磁法中，還有一種廣泛利用的發(fā)射源形式是長接地導線(電性源)。根據(jù)偏移距與探測深度之間的關系，可以將地面電性源瞬變電磁分為長偏移距模式(LOTEM)和短偏移距(SOTEM)模式。其中，SOTEM由于采用較小的偏移距觀測，具有探測精度高、施工高效等優(yōu)點，已在深部礦產(chǎn)勘探、水文地質調查等領域發(fā)揮了重要作用。相較于回線源，電性源在地下可激發(fā)水平向和垂直向的感應電流，這就導致了電性源瞬變電磁對低阻和高阻都具有較高的靈敏度。

目前，電性源瞬變電磁法不僅實現(xiàn)了地面工作形式，還形成了地面發(fā)射、空中接收的半航空瞬變電磁法，而且在海洋環(huán)境中也得到廣泛應用。然而，唯獨地下空間的研究和應用沒有涉及。

技術實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明目的是提出一種在地面發(fā)射、地下接收的新型電性源瞬變電磁工作方法。

本發(fā)明的方法包括以下步驟：

步驟一地面多輻射源布置；

步驟二井中瞬變信號接收；

步驟三實測信號分析處理；

采用一維OCCAM反演算法對井中信號進行處理，一維OCCAM反演算法具體為：

設模型向量和數(shù)據(jù)向量的個數(shù)分別為N和M，目標函數(shù)如公式一所示；

式中，m＝(m₁,m₂,...,m_N)代表模型參數(shù)向量，d＝(d₁,d₂,...,d_M)代表數(shù)據(jù)向量，W＝diag(1/δ₁,1/δ₂,...,1/δ_M)為誤差加權矩陣，1/δ_i為各個數(shù)據(jù)點的方差，F(xiàn)表示正演算子，表示目標擬合殘差，代表粗糙度矩陣；

對于某個模型參數(shù)m^k，應用泰勒定理，局部近似式如公式二所示；

F(m^k+Δm)≈F(m^k)+J(m^k)Δm (公式二)

其中，J(m^k)為雅可比矩陣，

根據(jù)公式二，將最小化目標函數(shù)問題轉化為如公式三所示；

式中，m^k+1＝m^k+Δm，在每一個模型迭代步中，J(m^k)和為已知，公式三為正則化線性最小二乘問題，若系數(shù)矩陣為滿秩，則解如公式四所示；

在每一迭代步中，利用一維線性搜索法求得使解的擬合殘差χ²小于目標擬合殘差的最大拉格朗日因子μ，求解得到滿足的拉格朗日因子，得到最終模型。

進一步的，所述方法中步驟一具體為：

發(fā)射源布置于距觀測鉆孔500米范圍以內的區(qū)域，發(fā)射源長度長0.5km至2km，利用大功率發(fā)電機供以10—50A的矩形雙極性階躍電流，在鉆孔四周不同方位布設多個輔助發(fā)射源，依次觀測發(fā)射源及輔助發(fā)射源產(chǎn)生的響應。

進一步的，所述方法中步驟二具體為：

利用井中探頭，在鉆孔中由淺及深逐個位置進行信號接收，采用三分量探頭，接收x、y、z三個方向的感應電動勢。

為判斷目標體的電性特征和其大概位置，進一步的，所述方法中步驟二還包括：

將儀器記錄的衰減信號，按照鉆孔編號及深度位置歸類，并按不同時間道摘取數(shù)據(jù)，繪制井中響應剖面圖。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供一種地-井電性源短偏移距瞬變電磁探測方法，實現(xiàn)了電性源瞬變電磁法在地下空間中的應用。采用一維OCCAM反演技術對井中信號進行處理解釋。選取靜態(tài)響應作為反演目標函數(shù)，選擇最佳觀測時刻的靜態(tài)響應不僅可以減少反演的計算量還可以有效避免過早及過晚時刻電磁場擴散特性不同帶來的差異。在礦產(chǎn)資源地球物理勘探中有較好的效果。

附圖說明

圖1為實施例1中地井SOTEM工作示意圖；

圖2為實施例1中井中垂直感應電動勢響應剖面圖；

圖3為實施例2中井中實測不同深度處的感應電壓曲線圖；

圖4為實施例2中實測數(shù)據(jù)一維反演結果圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行說明：

實施例1

在本實施例中，地-井電性源短偏移距瞬變電磁探測方法主要步驟為：

步驟一：地面多輻射源布置

采用長接地導線源發(fā)射，可提供較大的發(fā)射磁矩和較慢的地下衰減信號，有利于大深度目標體的探測。為確保深部信號強度、減小體積效應，發(fā)射源一般布置于距觀測鉆孔500米范圍以內的區(qū)域，發(fā)射源長度一般長0.5—2km，利用大功率發(fā)電機供以10—50A的矩形雙極性階躍電流，如圖1所示，圖中1為鉆孔，2為探頭，3為礦體，4為發(fā)射波形。同時，為了得到地下目標體與發(fā)射源的最佳耦合，獲得更多的異常體信息，在鉆孔四周不同方位布設多個輔助發(fā)射源，依次觀測不同發(fā)射源產(chǎn)生的響應。

步驟二：井中瞬變信號接收：

利用井中專用探頭，在鉆孔中由淺及深逐個位置進行信號接收?？刹捎萌至刻筋^，接收x、y、z三個方向的感應電動勢。將儀器記錄的衰減信號，按照鉆孔編號及深度位置歸類，并按不同時間道摘取數(shù)據(jù)，繪制如圖2所示的井中響應剖面圖。圖2為均勻半空間模型內存在高阻目標體時，在不同井位觀測到的10ms時刻的垂直磁場感應電動勢曲線。通過分析響應剖面的變化趨勢，并結合發(fā)射源和鉆井的相對位置，便可以判斷目標體的電性特征和其大概位置。

步驟3：實測信號分析處理：

對實測數(shù)據(jù)進行處理解釋，是本專利的重點內容。根據(jù)圖2所示井中響應剖面可實現(xiàn)對異常的定性解釋，而要實現(xiàn)定量解釋則需開展反演處理。本專利中，采用一維OCCAM反演技術對井中信號進行處理解釋。

OCCAM算法，也稱最光滑模型反演法，通過偏差原理尋找滿足目標擬合殘差的最光滑模型。由于該算法具有不依賴初始模型、收斂穩(wěn)定性較好、不會出現(xiàn)過度解釋等優(yōu)點，OCCAM算法已被廣泛應用于各種電磁法數(shù)據(jù)的反演中。尤其是針對主要以三維地質體為探測目標的地-井裝置，OCCAM算法相較于其他反演算法具有較好的穩(wěn)定性。

對于地-井TEM反演目標函數(shù)的選取，可以是固定深度、多時間道的響應衰減曲線，也可以是單時間道、不同深度處的井中響應剖面，即對應的動態(tài)和靜態(tài)響應。本專利選取靜態(tài)響應作為反演目標函數(shù)，這是因為選擇最佳觀測時刻的靜態(tài)響應不僅可以減少反演的計算量還可以有效避免過早及過晚時刻電磁場擴散特性不同帶來的差異。假設模型向量和數(shù)據(jù)向量的個數(shù)分別為N和M，目標函數(shù)為：

式中，m＝(m₁,m₂,...,m_N)代表模型參數(shù)向量，d＝(d₁,d₂,...,d_M)代表數(shù)據(jù)向量，W＝diag(1/δ₁,1/δ₂,...,1/δ_M)為誤差加權矩陣，1/δ_i為各個數(shù)據(jù)點的方差，F(xiàn)表示正演算子，表示目標擬合殘差，代表粗糙度矩陣。

OCCAM反演算法通過迭代應用局部線性化思想，對于某個模型參數(shù)m^k，應用泰勒定理，有如下局部近似式：

F(m^k+Δm)≈F(m^k)+J(m^k)Δm (2)

其中，J(m^k)為雅可比矩陣。

根據(jù)(2)式，將最小化目標函數(shù)問題轉化為如下問題：

式中，m^k+1＝m^k+Δm，由于在每一個模型迭代步中，J(m^k)和為已知，因此式(3)為正則化線性最小二乘問題。若系數(shù)矩陣為滿秩，則解為

在每一迭代步中，利用一維線性搜索法求得使解的擬合殘差χ²小于目標擬合殘差的最大拉格朗日因子μ，然后求解得到滿足的拉格朗日因子，從而得到最終模型。

實施例2

本實施例中，以國內某銅多金屬礦地-井瞬變電磁實際觀測數(shù)據(jù)為例，說明本發(fā)明專利的處理方法和效果。

1、數(shù)據(jù)采集

首先根據(jù)測區(qū)地質情況，選擇合適位置布置發(fā)射源。發(fā)射源長度為800m，距離鉆孔450m。采用加拿大產(chǎn)V8電法工作站進行工作，發(fā)射電流16A，發(fā)射基頻5Hz。在鉆孔內以20m的間距，由淺及深逐點觀測井中垂直感應電壓，最大接收深度為600m。圖3為11.28ms時刻，井中實測不同深度處的感應電壓曲線。

2、一維OCCAM反演

采用模塊3中的一維OCCAM反演技術對實測數(shù)據(jù)進行一維反演，所得結果如圖4所示。

由圖4可知，在測線深度在140m和450m處存在兩個較明顯的低阻異常區(qū)域。根據(jù)鉆孔揭示，這兩處正對應著兩層礦化程度較高的含礦巖石。該探測結果說明本發(fā)明專利在實際生產(chǎn)中有較好的效果。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。