高导信息时长差率全波形记录方式的等效涡流环近似方法

高导信息时长差率全波形记录方式的等效涡流环近似方法

0高阻异常检测数据处理自该算法诞生以来，该时间间隔的航空磁强法已被广泛用于金属矿的勘探、地质调查、水文调查、环境监测等领域。世界上发达国家积极开展时间域航空电磁系统的研究,目前,国外有近10种航空瞬变电磁法系统,主要有2种记录方式:传统记录和全波形记录。传统记录方式是电流断开、延迟一段时间后再测量电磁数据,如Geotech公司的VTEM、GPX公司的HoisTEMⅡ、丹麦Aarhus大学的SkyTEM系统。传统记录方式具有分辨率高、勘探深度大等优点。但对于高导大地探测,电流断开期间的电磁响应几乎不衰减,导致仪器无法检测;而在高阻地区探测时,电流断开期间的电磁响应衰减非常快,数据在短时间内衰减进入噪声区,亦导致高阻异常无法检测。近10年来,随着宽带数字采集技术的发展,出现了全波形记录方式,即在电流发射时和在电流断开后均记录电磁数据,如Aeroquest公司的AeroTEM系列、Fugro公司的HeliGEOTEM系统等。这种记录方式具有解释简单、精度高、对良导体分辨率高等优点。1996年,A.P.Annan等采用频率域处理方法对半正弦激励HeliGEOTEM系统电流发射期间的数据进行处理解释,在加拿大西北区发现金伯利岩矿和硫化物。2000年,R.S.Smith研究了井中PROTEM系统采用梯形波发射时,利用电流关断时间和断开期间的数据进行综合解释,发现了横断面上的新矿体。2003年,S.J.Balch和J.E.Rudd等对三角波激励、AeroTEM的电流发射期间数据进行解释,在MontcalmDeposit沉积层中成功发现了高导镍矿。2009年,C.Yin对半正弦和梯形波激励、均匀半空模型的电流发射和电流断开的电磁响应特征进行分析,未对异常分辨率进行研究。国内,白登海等研究了地面关断时间对数据的影响,及线性关断时电流断开期间均匀半空间模型电磁场的计算;嵇艳鞠等将地面关断期间的数据进行一次场剔除,用于探测浅层的低阻异常,并讨论了导电围岩中导电球体的时间窗分辨率。2006年,吉林大学开始自主研制吊舱式时间域电磁系统。本文采用梯形波激励,结合三角波激励下电流发射数据的高分辨率特点,基于导电薄板模型,采用涡流等效近似方法,研究了梯形波激励电流关断期间和断开期间的电磁响应,分析了存在覆盖层时对地质异常探测的分辨率,为研制全波形记录电磁系统奠定基础,以及为野外数据处理提供依据。在航空电磁发射-接收线圈系统中,采用补偿线圈去除发射电流在梯形波关断期间产生的一次场;而对于发射线圈与补偿线圈几何位置的变化在所有时间道上产生的一次场,可以采用与发射电流进行反卷积算法去除,残余的一次场在电流断开期间是一常数,作为系统的直流分量去除。1过滤和发射电流的产生及时间常数长边为2b、短边为2a的薄板,电导为G。对于航空电磁系统,当发射电流波形为梯形波时(图1),其电流幅值为I,梯形波关断时间记为toff,发射电流在toff时间内从I迅速线性减小到零。一次场切断后,薄板位于均匀的一次磁场激励下,在薄板表面形成感应涡流环,等效涡流环的长、短边分别为1.4b和1.2a,并且位于板状体的中心部位。可以用一个等效电感为L和等效电阻为R的单匝电流环来近似等效涡流环晚期的感应电流变化规律,emf表示等效回路中产生的感应电动势,如图2所示。根据电磁感应定律,在RL等效回路中产生的感应电动势由I/toff确定。由于等效电路的涡流场(二次场)要阻碍激励场的消失,感应偶极矩M2n的方向总是沿着激励场的法向量H1n。对于薄板状体,由于感应电流固定沿着薄板板面流动,M2n的方向始终是垂直于板面,并且与激励场H1n方向一致,如图3所示。在薄板中产生的感应电流可以通过求解RL等效电路响应来获得。在电流发射期间内,回路中没有感应电流产生;在发射电流的关断期间内,感应电流由一次场磁通量变化率确定。关断期间导电薄板中形成的等效电流环的感应电流和感应电动势表达式分别为iS=ΜFDτDL⋅Ιtoff(1-e-t/τD)‚(1)VS(t)=-ΜFDΜDJLDΙtoffe-t/τD。(2)式中:I为发射电流;toff为关断时间;MFD为航空发射线圈与导体的互感系数;τD是导体的时间常数。电流断开期间导电薄板中形成的等效电流环的感应电流和感应电动势表达式分别为iΟ(t)=ΜFDτDL⋅Ιtoff(etoff/τD-1)e-(t-toff)/τD,(3)VΟ(t)=ΜFDΜDJLDΙtoff(etoff/τD-1)e-(t-toff)/τD。(4)式中:MDJ为导体与航空接收线圈RX的互感系数;LD为导体的等效电感。对于长边为2a、短边为2b、电导为G的导电薄板模型,其时间常数经验式为τD=μ0Gaf(a/b)/10。式中:μ0为空气磁导率,f(a/b)为薄板形状系数,可由查表得到,当a/b=1时,f(a/b)为1。对于均匀半空间模型,电导率为σ,发射线圈距地面为z,其时间常数经验式为τ=μ0σz2。对于长边为2a、电导为G的水平板模型,时间常数的经验式为τ0=1.8μ0Ga/π2。2距离圆圈位置l基于自主研制的时间域航空系统工作参数,发射线圈采用半径为7.5m的圆线圈,接收线圈直径为60cm的多匝空心线圈。为计算发射线圈、接收线圈与等效电流环的互感系数,需要计算任意位置方形电流环与圆形线圈的互感系数,如图4所示。根据互感计算定义,对于边长分别为2a、2b的矩形电流环,半径为r2的圆线圈,线圈相距高度为h,分别建立直角坐标系。任意位置时,两电流环的互感系数表达式为Μ=μ04π∮l1∮l2dl1⋅dl2R。(5)将电流环的积分元进行直角坐标系变换,整理有Μ=μ04π∮l2∮l1(dx1‚dy1‚dz1)⋅(dx2‚dy2‚dz2)R=μ04π∮l2∮l1dx1dx2+dy1dy2+dz1dz2R。(6)其中:x2=x′+r2cosφ2;y2=y′+r2sinφ2;z2=h;z1=0;R=[(x1-x2)2+(y1-y2)2+(z1-z2)2]1/2。任意位置的矩形电流环与圆线圈之间的互感系数可写为Μ=μ04π[∫a-adx1∫2π0×r2sinφ2dφ2√(x1-(Τx+r2cosφ2))2+(b-(Τy+r2sinφ2))2+(Τz-h)2-∫-bbdy1∫2π0r2cosφ2dφ2√(-a-(Τx+r2cosφ2))2+(y1-(Τyy′+r2sinφ2))2+(Τz-h)2-∫-aadx1∫2π0r2sinφ2dφ2√(x1-(Τx+r2cosφ2))2+(-b-(Τy+r2sinφ2))2+(Τz-h)2+∫b-bdy1∫2π0r2cosφ2dφ2√(a-(Τx+r2cosφ2))2+(y1-(Τy+r2sinφ2))2+(Τz-h)2]。(7)式中:Tx、Ty、Tz为接收线圈中心点位置坐标。式(7)中,互感系数可以采用高斯数值积分实现。3等效水平导电薄膜电导与样品制备基于上述涡流环等效方法,对梯形波激励下导电薄板模型的全波形电磁响应进行仿真,包括关断期间响应和断开期间响应。计算参数:中心回线装置,发射和接收线圈距地面高30m,发射电流250A,线圈半径7.5m,5匝,接收线圈半径0.23m,280匝,关断时间为1.2ms,采用200m×200m的电流环等效水平导电薄板,薄板纵向电导G为2～10000S。电导与实际矿体之间的对应关系可以参照表1。图5、图6均在电流关断期间为等间隔取样,间隔为20μs,在电流断开期间为对数间隔取样,对数间隔为1.26倍。通过对电流断开期间和关断期间的电磁响应仿真,可以得到以下结论:1)在电流断开期间,导电薄板的电导大于300S以上时,电磁响应衰减变慢,幅值很小;当电导大于1000S时,电磁响应小于5nV/m2;当电磁响应幅值小于5nV/m2时,仪器无法检测;低电导时电磁响应衰减非常快,数据在短时间内衰减进入噪声区,尤其深部的高阻异常无法检测。2)在电流关断期间,电导大于300S以上时,电磁响应不再衰减,曲线形态与一次感应电动势形态相似;当电导大于1000S时,电磁响应是不为零的常值,幅值较大,仪器可以检测。4接收系统的仿真在实际测量中,一般存在导电覆盖层,而且对探测分辨影响严重。导电覆盖层存在时,薄板在接收线圈中产生电磁响应,一部分为导电覆盖层自身产生的电磁响应,另一部分为导电覆盖层相当于低通滤波器系统作用下薄板产生的电磁响应。导电覆盖层存在时,产生的综合响应为V(t)=V(t)*Τ(t)+Ο(t)。(8)式中:*表示卷积;O(t)为导电覆盖层响应;T(t)为导电覆盖层的低通滤波器系统函数。根据低通滤波器的频率特性,系统函数写为Τ0(t)=1τ0e-tτ0u(t)。(9)式中,τ0为覆盖层的时间常数。当采用发射-接收线圈中心装置测量时,覆盖层的电磁波传播是固定的,经过2次穿过覆盖层和薄板再传播到接收机,所以总的覆盖层响应为Τ(t)=Τ0(t)*Τ0(t)=tτ20e-tτ0u(t)。(10)在电流关断期间,综合响应为VS(t)=Aτ20[e-t/τD-e-t/τ0(1/τ0-1/τD)2+te-t/τ0(1/τD-1/τ0)]+ΟS(t)。(11)其中:A=-ΜFDΜDJLDΙtoff;导电盖层的响应为ΟS=-ΜFΟΜΟJLΟΙtoffe-t/τ0。在电流断开期间,综合响应为VΟ(t)=Bτ20[e-(t-toff)/τD-e-(t-toff)/τ0(1/τ0-1/τD)2+te-(t-toff)/τ0(1/τD-1/τ0)]+ΟΟ(t)。(12)其中:B=ΜFDΜDJLDΙtoff(etoff/τD-1);导电盖层的响应为ΟΟ(t)=ΜFΟΜΟJLΟΙtoff(etoff/τ0-1)e-(t-toff)/τ0。采用中心回线装置,发射-接收参数与图5参数相同,用100m×100m的电流环等效水平导电薄板,电导为100S,导电薄板距发射和接收线圈距地面高60m,水平覆盖层的电导为0.5S,距导电薄板30m,关断时间为1.2ms。覆盖层对导电薄板在电流断开和关断期间的总响应如图7和图8所示,电磁响应列线图如图9和图10所示。电流关断期间取样间隔为50μs,电流断开期间取样间隔为1.26倍对数间隔。通过对电流断开和关断期间存在覆盖层时综合电磁响应进行仿真,可以得出结论:1)无论在电流关断期间还是在电流断开期间,由于覆盖层的存在,早期的综合响应以覆盖层所产生的电磁响应为主要成分,晚期响应以导电薄板响应为主。2)在电流关断期间,由于覆盖层的存在,降低了早期异常和高阻异常的分辨率;在电流断开期间,列线图变得复杂,可检测异常的电导范围变小。3)如果接收系统的最小分辨率为5nV/m2,在电流关断期间测量,存在覆盖层时检测电导为0.1～1000S,而在电流断开期间检测电导范围为1～400S;在全波形