基于新發(fā)射波形的瞬變電磁與核磁共振一體化探測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于新發(fā)射波形的瞬變電磁與核磁共振一體化探測方法，按如下步驟：S1：發(fā)射一種同時滿足瞬變電磁和核磁共振激發(fā)條件的新波形，然后同時進(jìn)行瞬變電磁和核磁共振的觀測；S2：用瞬變電磁探測技術(shù)獲取地下電性分布，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行核磁共振反演，獲得地下水的含水率分布；S3：按照設(shè)定的研究尺度，將研究空間離散化為網(wǎng)格單元，各網(wǎng)格內(nèi)部物性均勻分布，得核磁共振初始振幅的計算公式。該方法通過給出了一種同時滿足瞬變電磁與核磁共振二者激發(fā)條件的波形，實現(xiàn)了瞬變電磁與核磁共振的一體化探測?？梢詷O大的提高觀測效率，且節(jié)約成本。
【專利說明】
基于新發(fā)射波形的瞬變電磁與核磁共振一體化探測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及瞬變電磁探測技術(shù)，特別是一種基于新發(fā)射波形的瞬變電磁與核磁共 振一體化探測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，瞬變電磁法發(fā)展十分迅猛，包括地面瞬變電磁法、航空瞬變電磁法、礦井 瞬變電磁法等。瞬變電磁法觀測純二次場，可在近區(qū)測量;工作裝置靈活多樣，包括重疊回 線、中心回線、分離回線、大回線源、井地等工作裝置;其具有對低阻體反應(yīng)靈敏、體積效應(yīng) 小、縱橫向分辨率高、施工方便效率高等優(yōu)點。因而，該方法被廣泛應(yīng)用于金屬礦勘探、煤礦 水文地質(zhì)調(diào)查和工程勘查等領(lǐng)域。另外，瞬變電磁也可以應(yīng)用于隧道掌子面的觀測。隧道施 工中將可能面臨諸多地質(zhì)災(zāi)害，如突水突泥、巖爆、塌方、瓦斯突出等。其中突（涌）水、突 (涌）泥災(zāi)害是隧道施工中的主要地質(zhì)災(zāi)害之一，在國內(nèi)外隧道特大事故中，突（涌）水、突 (涌）泥災(zāi)害在死亡人數(shù)和發(fā)生次數(shù)上均居于前列，成為制約隧道等地下工程建設(shè)的瓶頸問 題，給隧道施工帶來了嚴(yán)重的安全問題和經(jīng)濟(jì)損失，并極易誘發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害和生態(tài)環(huán)境 問題。因此，隧道掌子面前方含水地質(zhì)構(gòu)造的超前探測已經(jīng)成為亟待研究和解決的重要工 程科技難題。
[0003] 目前，核磁共振方法是一種可直接探測水體的地球物理方法，它利用人工激發(fā)的 電磁場使地下氫原子的宏觀磁矩產(chǎn)生扳倒角，在斷開電流之后，宏觀磁矩在地磁場的作用 下產(chǎn)生旋進(jìn)運動，其頻率為氫核所特有。用鋪設(shè)在地面的線圈接收宏觀磁矩產(chǎn)生的進(jìn)動信 號，就可以探測水體的存在。但核磁共振只能給出含水率的空間變化，對于賦存介質(zhì)的電阻 率分布卻很難有準(zhǔn)確的描述，這是由于核磁共振發(fā)射的是單頻電磁波，且接收的信號是水 體中的氫原子旋進(jìn)衰減過程中釋放的電磁波，而非電磁感應(yīng)衰減過程釋放的電磁信號，而 電性介質(zhì)的分布情況會直接影響頻率域電磁波的傳播和分布。因而對電性介質(zhì)分布的了解 程度，直接影響著核磁共振探測的解釋精度。
[0004] 瞬變電磁和核磁共振探測有很多優(yōu)點，并且應(yīng)用于很多方面。但是如今瞬變電磁 和核磁共振都是分別進(jìn)行觀測的，如果想同時應(yīng)用瞬變電磁和核磁共振的資料數(shù)據(jù)進(jìn)行綜 合解釋，就要分別進(jìn)行瞬變電磁和核磁共振的激發(fā)，然后分別采集瞬變電磁和核磁共振的 數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于，提供一種基于新發(fā)射波形的瞬變電磁與核磁共振一體化探測 方法，可以極大的提高觀測效率，且節(jié)約成本。
[0006] 為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)：
[0007] -種基于新發(fā)射波形的瞬變電磁與核磁共振一體化探測方法，其特征在于，包括 如下步驟：
[0008] S1:發(fā)射一種同時滿足瞬變電磁和核磁共振激發(fā)條件的新波形，然后同時進(jìn)行瞬 變電磁和核磁共振的觀測；
[0009] S2:用瞬變電磁探測技術(shù)獲取地下電性分布，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行核磁共振反演，獲得 地下水的含水率分布；
[0010] S3:按照設(shè)定的研究尺度，將研究空間離散化為網(wǎng)格單元，各網(wǎng)格內(nèi)部物性均勻分 布，得核磁共振初始振幅的計算公式：
(1)
[0012]其中，N為剖分單元個數(shù)，I為第j個單元內(nèi)所含水產(chǎn)生的初始振幅，如為第j個單元 的含水率；
[0013]在多個脈沖距激發(fā)下，上式（1)可以矩陣形式表示：
[0014] Kn = E(2)
[0015] 其中，: ：為第i個脈沖距激發(fā)下，第j個單元內(nèi)水量產(chǎn)生的初 L [奶 《縱" 始振幅；
[0016] 求解線性方程組(2)即可獲得各單元含水率值。
[0017] 所述S1步驟中：
[0018] S11:所述的新波形為:梯形波上升沿(0~。段)與拉莫爾頻率的余弦波(七~〖2段） 以及梯形波下降沿(t2~t3段）的組合;直流分量1〇為5~50A，余弦波振幅1^0.5~5A，持續(xù) 時間 A ti(即t2-ti)為 100~1000ms，關(guān)斷時間 A t2(即t3-t2)為 10~500us。
[0019] S12、通過新波形，同此激發(fā)瞬變電磁和核磁共振響應(yīng)，一次觀測同時采集瞬變電 磁與核磁共振的數(shù)據(jù)。
[0020] 所述S2步驟中核磁共振反演的步驟為：
[0021] S21、在垂直于地磁場方向的外加磁場，使宏觀磁矩和外加磁場的相互作用產(chǎn)生一 力矩，使得宏觀磁矩不再平行于地磁場，而是與地磁場產(chǎn)生一個扳倒角；
[0022] S22、撤去外加磁場后，使宏觀磁矩將與地磁場作用而使得宏觀磁矩逐漸恢復(fù)到施 加磁場之前的狀態(tài)，過程中，釋放出等于拉莫爾頻率的自由衰減信號；
[0023] S23、根據(jù)自由衰減信號的初始振幅推斷地下含水體的分布和含水率。
[0024] 所述自動自由衰減信號的初始振幅公式為：
(3)
[0026]式中，Eo為自由衰減信號的初始振幅，為當(dāng)?shù)氐睦獱栴l率，Mo為質(zhì)子磁矩，I為 發(fā)射電流，y為質(zhì)子磁旋比，n為r點處的含水率，q為發(fā)射脈沖距，為外加磁場垂直于地磁 場的分量。
[0027]所述自由衰減信號的初始振幅的計算方法為：利用有限元法求取外加磁場的分 布;采用直立六面體剖分、線性插值獲得總體矩陣，然后求解左端包含電性分布信息、右端 包含源項信息的方程組即可求得磁場值分布;通過半空間場值來反算源項的方法形成右端 項，然后根據(jù)有限元法計算的磁場值即可獲得模型的核磁共振響應(yīng)。
[0028]所述S2步驟中，瞬變電磁方法中，信號接收裝置是由多匝導(dǎo)線繞成的線圈或探頭， 接收到的是二次磁場隨時間的變化率，依據(jù)等效導(dǎo)電平面理論有：
(4)
[0030]其中，S為縱向電導(dǎo)，K為與發(fā)射接收有關(guān)的常數(shù)，I為發(fā)射電流大小，a為發(fā)射回線 半徑，F(xiàn)為一個與時間和電導(dǎo)都有關(guān)的函數(shù)，F(xiàn)的表達(dá)式為：
(5)
[0032]其中，h為薄板深度，t為接收時刻；
[0033] 縱向電導(dǎo)S可依下式求取：
(6)
[0035]所述(6)式是關(guān)于縱向電導(dǎo)S的非線性方程，求解該方程即得縱向電導(dǎo)S。
[0036] 根據(jù)縱向電導(dǎo)的定義，有電阻率值PT (h) = dh/dS，對應(yīng)深度為：
[0038]本發(fā)明的基于新發(fā)射波形的瞬變電磁與核磁共振一體化探測方法，通過給出的新 波形，實現(xiàn)瞬變電磁和核磁共振的一體化探測，提高了工作效率，節(jié)省了成本。
【附圖說明】
[0039]圖1是發(fā)射的新波形示意圖。
【具體實施方式】
[0040] 為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行 進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定 本發(fā)明。
[0041] 本具體實施給出的一種基于新發(fā)射波形的瞬變電磁與核磁共振一體化探測方法， 該方法首先給出一種新的能夠同時滿足瞬變電磁與核磁共振二者探測的激發(fā)條件的波形； 在此基礎(chǔ)上，通過一次觀測同時采集瞬變電磁與核磁共振的數(shù)據(jù);分別對瞬變電磁和核磁 共振數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；最后根據(jù)瞬變電磁和核磁共振資料對探測結(jié)果綜合分析進(jìn)行綜合解 釋。
[0042]具體按如下步驟：
[0043] S1、發(fā)射一種同時滿足瞬變電磁和核磁共振激發(fā)條件的新的波形，然后同時進(jìn)行 瞬變電磁和核磁共振的觀測.
[0044] S2、用瞬變電磁探測技術(shù)獲取地下電性分布，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行核磁共振反演；
[0045] S1步驟中的新波形如圖1所示，新波形是梯形波的上升沿+拉莫爾頻率的余弦波 梯形波的下降沿組合形狀。
[0046]其中0~ti段為梯形波的上升沿，ti~t2段為拉莫爾頻率的余弦波，t2~t 3段為梯形 波的下降沿;直流分量1〇為5~50A，余弦波振幅1^0.5~5A，持續(xù)時間A t(即trt)為100 ~1000ms，關(guān)斷時間 A t2(即t3-t2)為 10~500us。
[0047] 通過新波形，同此激發(fā)瞬變電磁和核磁共振響應(yīng)，一次觀測同時采集瞬變電磁與 核磁共振的數(shù)據(jù)。
[0048] 所述S2步驟中核磁共振反演的步驟為：
[0049] S21、在垂直于地磁場方向的外加磁場，使宏觀磁矩和外加磁場的相互作用產(chǎn)生一 力矩，使得宏觀磁矩不再平行于地磁場，而是與地磁場產(chǎn)生一個扳倒角；
[0050] S22、撤去外加磁場后，使宏觀磁矩將與地磁場作用而使得宏觀磁矩逐漸恢復(fù)到施 加磁場之前的狀態(tài)，過程中，釋放出等于拉莫爾頻率的自由衰減信號；
[0051 ] S23、根據(jù)自由衰減信號的初始振幅進(jìn)行核磁共振的反演。
[0052]所述自動自由衰減信號的初始振幅公式為：
(3)
[0054]式中，Eo為自由衰減信號的初始振幅，為當(dāng)?shù)氐睦獱栴l率，Mo為質(zhì)子磁矩，I為 發(fā)射電流，y為質(zhì)子磁旋比，n為r點處的含水率，q為發(fā)射脈沖距，為外加磁場垂直于地磁 場的分量。
[0055] 所述自由衰減信號的初始振幅的計算方法為：利用有限元法求取外加磁場的分 布;采用直立六面體剖分、線性插值獲得總體矩陣，然后求解左端包含電性分布信息、右端 包含源項信息的方程組即可求得磁場值分布;通過半空間場值來反算源項的方法形成右端 項，然后根據(jù)有限元法計算的磁場值即可獲得模型的核磁共振響應(yīng)。
[0056] 所述S2步驟中，瞬變電磁方法中，信號接收裝置是由多匝導(dǎo)線繞成的線圈或探頭， 接收到的是二次磁場隨時間的變化率，依據(jù)等效導(dǎo)電平面理論有：
(4)
[0058]其中，S為縱向電導(dǎo)，K為與發(fā)射接收有關(guān)的常數(shù)，I為發(fā)射電流大小，a為發(fā)射回線 半徑，F(xiàn)為一個與時間和電導(dǎo)都有關(guān)的函數(shù)；
[0059] F的表達(dá)式為：
[0061 ]式中，h為薄板深度，t為接收時刻；
[0062] 縱向電導(dǎo)S可依下式求?。?(6)
[0064] 所述(6)式是關(guān)于縱向電導(dǎo)S的非線性方程，求解該方程即得縱向電導(dǎo)S;
[0065] 根據(jù)縱向電導(dǎo)的定義，有電阻率值pT (h) = dh/dS，對應(yīng)深度為：
[0067]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種基于新發(fā)射波形的瞬變電磁與核磁共振一體化探測方法，其特征在于，按如下 步驟： S1:發(fā)射一種同時滿足瞬變電磁和核磁共振激發(fā)條件的新波形，然后同時進(jìn)行瞬變電 磁和核磁共振的觀測； S2:用瞬變電磁探測技術(shù)獲取地下電性分布，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行核磁共振反演，獲得地下 水的含水率分布； S3:按照設(shè)定的研究尺度，將研究空間離散化為網(wǎng)格單元，各網(wǎng)格內(nèi)部物性均勻分布， 得核磁共振初始振幅的計算公式：其中，N為剖分單元個數(shù)，Kj為第j個單元內(nèi)所含水產(chǎn)生的初始振幅，nj為第j個單元的含 水率； 在多個脈沖距激發(fā)下，上式(1)可以矩陣形式表示： Kn = E (2)'Κ"為第i個脈沖距激發(fā)下，第j個單元內(nèi)水量產(chǎn)生的初始振 幅； 求解線性方程組(2)即可獲得各單元含水率值。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1步驟中： S11:所述的新波形為:梯形波上升沿(0~。段)與拉莫爾頻率的余弦波(七~〖2段）以及 梯形波下降沿(t2~t3段)的組合;直流分量1〇為5~50A，余弦波振幅^*0.5~5A，持續(xù)時間 Δ ti(即t2-ti)為 100~1000ms，關(guān)斷時間 Δ t2(即t3-t2)為 10~500us。 S12:通過新波形，同時激發(fā)瞬變電磁和核磁共振響應(yīng)，一次觀測同時采集瞬變電磁與 核磁共振的數(shù)據(jù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2步驟中核磁共振反演的步驟為： 521、 在垂直于地磁場方向的外加磁場，使宏觀磁矩和外加磁場的相互作用而產(chǎn)生一個 力矩，使得宏觀磁矩不再平行于地磁場，而是與地磁場產(chǎn)生一個扳倒角； 522、 撤去外加磁場后，使宏觀磁矩將與地磁場作用而使得宏觀磁矩逐漸恢復(fù)到施加磁 場之前的狀態(tài)，過程中，釋放出等于拉莫爾頻率的自由衰減信號； 523、 根據(jù)自由衰減信號的初始振幅推斷地下含水體的分布和含水率。4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述自動自由衰減信號的初始振幅公式為：式中，Εο為自由衰減信號的初始振幅，ω 〇為當(dāng)?shù)氐睦獱栴l率，Mo為質(zhì)子磁矩，I為發(fā)射 電流，γ為質(zhì)子磁旋比，η為r點處的含水率，q為發(fā)射脈沖距，為外加磁場垂直于地磁場的 分量。5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述自由衰減信號的初始振幅的計算方法 為:利用有限元法求取外加磁場的分布;采用直立六面體剖分、線性插值獲得總體矩陣，然 后求解左端包含電性分布信息、右端包含源項信息的方程組即可求得磁場值分布;通過半 空間場值來反算源項的方法形成右端項，然后根據(jù)有限元法計算的磁場值即可獲得模型的 核磁共振響應(yīng)。6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2步驟中，瞬變電磁方法中，信號接收裝 置是由多匝導(dǎo)線繞成的線圈或探頭，接收到的是二次磁場隨時間的變化率，依據(jù)等效導(dǎo)電 平面理論有：其中，S為縱向電導(dǎo)，K為與發(fā)射接收有關(guān)的常數(shù)，I為發(fā)射電流大小，a為發(fā)射回線半徑， F為一個與時間和電導(dǎo)都有關(guān)的函數(shù)，F(xiàn)的表達(dá)式為：其中，h為薄板深度，t為接收時刻； 縱向電導(dǎo)S可依下式求?。菏?6)是關(guān)于縱向電導(dǎo)S的非線性方程，求解該方程即得縱向電導(dǎo)S; 根據(jù)縱向電導(dǎo)的定義，有電阻率值Ρτ (h) = dh/dS，對應(yīng)深度為：
【文檔編號】G01V3/08GK105929456SQ201610250686
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月21日
【發(fā)明人】李貅, 戚志鵬, 劉文韜, 劉金鵬
【申請人】長安大學(xué)