地—井瞬变电磁三维响应特征分析与异常体快速定位方法研究
Analysis of 3D ground-borehole TEM response characteristics and rapid positioning method for anomalous bodies
通讯作者: 张军(1995-),男,主要从事隧道工程设计与研究、超前地质预报工作。Email:1035058515@qq.com
责任编辑: 沈效群
收稿日期: 2021-09-27 修回日期: 2021-12-12
基金资助: |
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Received: 2021-09-27 Revised: 2021-12-12
作者简介 About authors
赵友超(1997-),男,主要从事地—井瞬变电磁正反演与应用研究工作。Email:
通过对含异常体的三维地电模型进行系统正演和分析,提出了一种地—井瞬变电磁异常体快速定位方法。在对含异常体的三维地电模型进行正演响应规律分析时发现:纯异常场的X、Y分量曲线零点以及Z分量曲线的极值点与异常体深度对应较好;当异常体的规模、电阻率、埋深发生改变时,X、Y分量曲线形态基本不变;当异常体方位发生变化时,X、Y分量曲线形态发生变化。在此基础上,提出地—井瞬变电磁异常体快速定位方法:首先,依据X、Y曲线的零点确定异常体所在深度;其次,依据X、Y分量曲线形态确定异常体所在象限(90°范围);最后,依据X+Y或者X-Y分量的曲线形态将异常体定位于井周45°范围内。数值试验显示本方法对不同方位异常体模型的定位结果均与设计模型吻合。采用陕北某矿区地—井瞬变电磁实测数据作进一步验证,本文方法推断的结果与实际吻合较好。
关键词:
Through systematic forward modeling and analysis of a 3D geoelectric model containing anomalous bodies, this study proposed a rapid positioning method of anomalous bodies based on the ground-borehole transient electromagnetic (TEM) method. The analysis of the forward modeling response laws of the 3D geoelectric model containing anomalous bodies shows that the zero points of the X and Y component curves and the extreme points of the Z component curve of a pure anomaly field correspond well to the depths of the anomalous bodies; the morphologies of the X and Y component curves are basically unchanged when the sizes, resistivity, and burial depths of the anomalous bodies change but change when the orientations of anomalous bodies change. On this basis, this study proposed the following method to rapidly position anomalous bodies using the ground-borehole TEM method. First, determine the depths of anomalous bodies according to the zero points of the X and Y curves. Next, determine the quadrants (within 90°) of anomalous bodies according to the morphologies of the X and Y component curves. Finally, position anomalous bodies within 45° of boreholes according to the morphologies of the X+Y or X-Y component curves. Numerical experiments show that the positioning results of models of anomalous bodies with different orientations are consistent with those of the model designed in this study. As further verified using the ground-borehole TEM measured data of a mining area in northern Shaanxi, the inference that there is a water-filled goaf to the northwest of the borehole obtained using the method proposed in this study well agrees with the actual situation.
Keywords:
本文引用格式
赵友超, 张军, 范涛, 姚伟华, 杨洋, 孙怀凤.
ZHAO You-Chao, ZHANG Jun, FAN Tao, YAO Wei-Hua, YANG Yang, SUN Huai-Feng.
0 引言
在地—井瞬变电磁正演方面,中外不少学者都进行过深入研究[13⇓⇓⇓-17],而在这一领域,地下异常体定位仍是亟待解决的问题。Dyck等[18]采用物理模型试验的方法并结合数值模拟研究了采用地—井瞬变电磁三分量数据对地下目标体进行定位的可行性,提出同时观测三分量数据有助于解决多解性问题,但并没有给出针对异常体定位的确切方法;J.R.Bishop等[19]将地—井瞬变电磁法用于地下磁黄铁矿探查,并取得了良好的应用效果;孟庆鑫等[20]采用时域有限差分研究了均匀半空间以及低阻覆盖层下均匀半空间中的低阻板状异常的响应规律;徐正玉等[21]采用时域有限差分方法研究了均匀半空间模型和垂直断层面模型的地—井瞬变电磁响应规律。目前,对于地—井瞬变电磁异常体定位的正演研究大多处于定性分析阶段,无法明确定位异常体所处范围。
在上述研究的基础上,针对地—井瞬变电磁正演问题的定性分析做了进一步完善。采用时域有限差分方法建立三维模型进行正演计算,研究地—井瞬变电磁响应特征,并在此基础上提出了一种针对井旁异常体的快速定位方法。本研究在孙怀凤等开发的TEM3DFDTD程序基础上完成。
1 地—井瞬变电磁三维正演与规律分析
图1
表1 三维模型正演参数
Table 1
模型1 | 模型2 | 模型3 | 模型4 | |
---|---|---|---|---|
埋深/m | 50 | 50 | 50/100/150 | 50 |
ρ异常体/(Ω·m) | 10/50/100 | 10 | 10 | 10 |
水平方位角/(°) | 45 | 45 | 45 | 45/135/225/315 |
尺寸/m | 2 | 2/4/6 | 2 | 2 |
ρ围岩/(Ω·m) | 1 000 | 1 000 | 1 000 | 1 000 |
异常体与钻孔 水平间距/m | 10 | 10 | 10 | 10 |
图2
图2
不同电阻率异常体模型的响应曲线
Fig.2
Response curves of different target resistivity models
图3
图4
图5
综合分析以上研究结果,发现如下规律:纯异常场X、Y分量曲线呈“S”型或者反“S”型,Z分量曲线呈“V”型,X、Y分量曲线的零点以及Z分量的极值点对应异常体所在的深度;由于距离钻孔太近以及网格尺寸太小等因素可能会造成响应曲线在异常体所在深度出现多个极值点;当异常体方位角发生改变时,X、Y分量曲线形态会发生变化,其他参数改变时,X、Y分量曲线形态保持不变。
2 异常体定位方法
在地—井瞬变电磁三维正演计算部分,发现只有当异常体方位发生改变时,X、Y分量曲线的形态才会发生改变。基于数值模拟部分得出的结论,不断改变异常体所在方位,进行大量正演计算,绘制其纯异常响应曲线并进行总结发现如下规律:
1) 当异常体位于第一象限时,X、Y分量曲线形态均为反“S”型;当异常体位于第二象限时,X分量呈“S”型而Y分量呈反“S”型;当异常体位于第三象限时,X、Y分量均为“S”型;当异常体位于第四象限时,X分量呈反“S”型而Y分量呈“S”型。
图6
表2 X、Y分量幅值对比
Table 2
区域 | 幅值 | 区域 | 幅值 |
---|---|---|---|
1 | |dBx/dt|>|dBy/dt| | 5 | |dBx/dt|>|dBy/dt| |
2 | |dBx/dt|<|dBy/dt| | 6 | |dBx/dt|<|dBy/dt| |
3 | |dBx/dt|<|dBy/dt| | 7 | |dBx/dt|<|dBy/dt| |
4 | |dBx/dt|>|dBy/dt| | 8 | |dBx/dt|>|dBy/dt| |
当异常体位于第一、第三象限时,X、Y分量曲线型态一致,可采用X-Y分量来进一步判断异常体所在区域;当异常体位于第二和第四象限时,X、Y分量曲线型态相反,可采用X-(-Y)即X+Y分量来进一步判断异常体所在区域。对上述研究进行归纳总结,提出一种地—井瞬变电磁异常体定位方法,依据该方法可确定异常体所在的深度并将其定位于井周45°范围。该方法对异常体的定位分两步进行:首先依据X、Y分量曲线的零点确定异常体深度;随后,依据X、Y分量曲线形态可以确定异常体所在象限,依据X-Y或者X+Y分量曲线形态可以进一步确定异常体所在的区域,如表3所示。
表3 目标体区域定位
Table 3
纯异常曲线形态 | 象限 | X-Y/X+Y曲线形态 | 区域 | ||
---|---|---|---|---|---|
X:反“S”型,Y:反“S”型 | 第一 | X-Y:反“S”型 | 1 | ||
X:反“S”型,Y:反“S”型 | 第一 | X-Y:“S”型 | 2 | ||
X:“S”型,Y:反“S”型 | 第二 | X+Y:反“S”型 | 3 | ||
X:“S”型,Y:反“S”型 | 第二 | X+Y:“S”型 | 4 | ||
X:“S”型,Y:“S”型 | 第三 | X-Y:“S”型 | 5 | ||
X:“S”型,Y:“S”型 | 第三 | X-Y:反“S”型 | 6 | ||
X:反“S”型,Y:“S”型 | 第四 | X+Y:“S”型 | 7 | ||
X:反“S”型,Y:“S”型 | 第四 | X+Y:反“S”型 | 8 |
3 数值算例验证
为了验证提出的地—井瞬变电磁异常体快速定位方法的准确性,选择同一个异常体,设置背景电阻率为1 000 Ω·m,异常体电阻率为10 Ω·m,其所在深度为50 m。改变异常体与X轴正向夹角,依次为30°、60°、120°、150°、210°、240°、300°以及330°,使得目标体分别位于划分好的8个区域并进行正演计算,如图7所示。
图7
图8
图8
图9
4 实测数据验证
图10
图11
图12
图13
5 结论
针对地—井瞬变电磁数据解释以及井旁异常体定位问题,基于时域有限差分方法建立三维模型进行大量正演计算,总结地—井瞬变电磁模型三分量响应规律,在此基础上提出一种井旁异常体快速定位方法。该方法主要依据三分量响应曲线形态以及组合曲线(X-Y或X+Y)形态来确定异常体所在深度并将异常体圈定于井周45°范围,对实际井旁矿体的探测具有指导作用。
地—井瞬变电磁响应特征规律较为复杂,本文提出的方法虽然能够快速圈定井旁异常体,但仍存在一定的局限性且有一定的进步空间。文中仅考虑了含单个异常体的均匀半空间模型的三分量响应规律,而对于背景围岩非均匀以及井旁存在多个异常体等问题仍需进一步深入研究;此外,本文提出的定位方法仅可确定异常体中心深度并将其圈定于井周45°范围,还没有实现异常体的精确定位。下一步工作是进行地—井瞬变电磁反演研究,到达精确定位井旁异常体的需求。
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