阅读说明：本技术 一种多相导电媒质的极化等效环装置和设计方法 (Polarization equivalent ring device of multiphase conductive medium and design method ) 是由 嵇艳鞠 邱仕林 马彬原 吴琼 于一兵 孟祥东 林君 于 2021-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种多相导电媒质的极化等效环装置和设计方法,极化等效环装置由RC电路和线圈并联构成,其中RC电路包括1条感应支路和多条极化支路。极化支路条数与导电媒质相数相等。感应支路包括1个感应电阻,每条极化支路包括1个极化电阻和1个极化电容。基于GEMTIP模型计算待等效媒质的围岩电导率和每一相媒质的电导率、极化率和时间常数。根据围岩电导率确定感应电阻阻值；根据每一相媒质的电导率、极化率和时间常数计算对应极化支路的电阻电容值。线圈采用细导线绕制。本发明的目的在于通过极化等效环装置模拟多相导电媒质的感应-极化特性,反映地下媒质在磁场激励下的感应-极化效应的规律。(The invention relates to a polarization equivalent ring device of a multiphase conductive medium and a design method thereof, wherein the polarization equivalent ring device is formed by connecting an RC circuit and a coil in parallel, wherein the RC circuit comprises 1 induction branch and a plurality of polarization branches. The number of the polarization branches is equal to the number of the conductive media. The induction branch comprises 1 induction resistor, and each polarization branch comprises 1 polarization resistor and 1 polarization capacitor. And calculating the conductivity of the surrounding rock of the medium to be equivalent and the conductivity, the polarizability and the time constant of each phase medium based on the GEMTIP model. Determining the resistance value of the induction resistor according to the conductivity of the surrounding rock; and calculating the resistance capacitance value of the corresponding polarization branch according to the conductivity, the polarizability and the time constant of each phase medium. The coil is wound by adopting a thin conducting wire. The invention aims to simulate the induction-polarization characteristics of a multiphase conductive medium through a polarization equivalent ring device and reflect the law of induction-polarization effect of an underground medium under magnetic field excitation.)

一种多相导电媒质的极化等效环装置和设计方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探领域，具体地来讲为一种多相导电媒质的极化等效环装置和设计方法。

背景技术

在地球物理勘探领域中，探测深部金属矿是未来的主要发展趋势。当采用电磁探测方法时，外界交变的电磁场使地下多金属矿体中产生了感应效应和极化效应。其中相对于电阻率信息，多金属矿对极化效应更为敏感。

CN102096113A公开了一种时间域地空电磁探测系统及标定方法，采用闭合异常环感应信号记录装置实现对探测系统的测试和标定。但是该方法采用的异常环结构简单，等效为一个电阻和电感的串联，只能记录感应电流和感应电压并模拟感应效应。而实际有价值的目标体(如金属矿等)对极化效应也很敏感，单纯的研究感应效应已经无法满足对地球物理探测的需求，也忽略了多相极化媒质的复杂特性。

CN112666618A公开了一种用于多相介质的几何-物性多特征参数提取方法，基于地下多相介质的广义等效极化(GEMTIP)模型，根据量子粒子群优化算法对极化参数实现提取。该方法将广义等效极化模型应用于极化效应的反演中，但由于仪器设备和环境干扰等因素，实际工作中的数值模拟结果很难与实测数据一一对应。

目前针对感应效应和极化效应的研究，主要包括正反演数值计算和野外工程探测，而如何将两者建立关系是亟待解决的。因此，需要提出新的装置和方法实现多相导电媒质的感应-极化特性的模拟，来反映地下媒质在磁场激励下的感应-极化效应的规律，将数值模拟和实验验证结合起来。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足和问题，建立了多相导电媒质的极化等效电路，提供一种多相导电媒质的极化等效环装置和设计方法。

本发明是这样实现的，

一种多相导电媒质的极化等效环装置，该装置包括：

一种多相导电媒质的极化等效环装置，该装置由RC电路和线圈并联构成，其中RC电路包括1条感应支路和多条极化支路，所述感应支路与极化支路并联，多条极化支路并联，极化支路条数与导电媒质相数相等且一一对应；感应支路包括1个电阻，每条极化支路由1个电阻和1个电容串联构成，RC电路的电阻、电容采用精密电阻和精密电容，线圈采用细导线绕制，线圈的电阻阻值小于感应支路的电阻至少10倍；线圈的作用为接收外界时变磁场的激励并产生感应电动势，在感应支路和极化支路中产生电流，其中线圈的阻值可以忽略；当极化等效环装置被施加时变电磁场时，感应支路的电流反应了多相导电媒质的感应特性，每条极化支路的电流反应了对应导电媒质的极化特性，所有极化支路的电流之和反应了多相导电媒质的极化特性。

一种多相导电媒质的极化等效环装置的设计方法，该方法包括：

1)查阅地质资料，确定待等效的多相导电媒质的相数和尺寸，并基于多相导电媒质的广义等效极化模型(GEMTIP)计算围岩电导率σ₀和每一相导电媒质的电导率σ_l、极化率η_l和时间常数τ_l；

2)忽略线圈阻值，基于多相导电媒质的尺寸计算线圈电感L；

3)令极化等效环装置的极化支路条数与多相导电媒质的相数相等，根据围岩电导率σ₀计算极化等效环装置的感应支路的电阻R₀，根据每一相导电媒质的电导率σ_l、极化率η_l和时间常数τ_l，并计算对应的极化支路中电阻R_l和电容C_l；

4)将由感应支路和极化支路并联构成的RC电路与线圈并联，即为标定后的极化等效环，并计算极化等效环的导纳G和多相导电媒质的整体极化率η；

5)对极化等效环装置施加时变电磁场，通过采集RC电路的每个支路电流，分析待等效的多相导电媒质的感应极化特性。

进一步地，步骤1)中的围岩电导率σ₀和每一相导电媒质的电导率σ_l、极化率η_l和时间常数τ_l，通过如下公式计算：

其中，根据GEMTIP模型共有N相导电媒质，ρ₀为待等效媒质的直流电导率；每相导电媒质的参数分别包括：ρ_l为第l相导电媒质的电阻率张量，f_l为第l相导电媒质的体积分数，α_l为第l相导电媒质的表面极化系数，a_l为第l相导电媒质的半径。

进一步地，步骤2)中的多相导电媒质的尺寸与线圈电感L的关系如下：

其中，设多相导电媒质为正方形薄板形状，D为多相导电媒质的边长，r为多相导电媒质的厚度，μ₀为真空磁导率。

进一步地，步骤3)中的感应支路的电阻R₀和每一极化支路中电阻R_l和电容C_l的计算方法如下：

其中，β为大地的几何参数，数值大小通常为1～10；设极化支路条数为N条，则R_l为第l条极化支路的电阻，C_l为第l条极化支路的电容。

进一步地，步骤4)中的极化等效环的导纳G和地下介质的整体极化率η分别通过下式计算：

其中，i为虚数，ω为角频率，R₀为感应支路的电阻，C_l为第l条极化支路的电容。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明的提出多相导电媒质的等效电路模型，通过电路形式分析多相导电媒质的感应特性和极化特性，通过线圈接收外界磁场的激励并验证和模拟地下媒质在磁场激励下的感应-极化效应的规律，将数值模拟和实验验证结合起来。

附图说明

图1是多相导电媒质的极化等效环装置的设计流程图；

图2是多相导电媒质的极化等效环装置的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明根据基于多相导电媒质的广义等效极化(GEMTIP)模型，设计了极化等效环装置，将待等效媒质的物性参数与极化等效环装置中的电阻电容建立了等效关系，计算了极化等效环装置的导纳和多相导电媒质的整体极化率，通过采集装置在外界时变电磁场激励下的各支路电流，分析多相导电媒质的感应-极化特性，并与多相导电媒质的正演结果作比较，验证装置的准确性，流程图如图1所示。

本发明是这样实现的，一种多相导电媒质的极化等效环装置，如图2所示，该装置包括：

由RC电路和线圈并联构成，其中RC电路包括1条感应支路和多条极化支路，极化支路条数与导电媒质相数相等且一一对应；感应支路包括1个感应电阻，每条极化支路由1个极化电阻和1个极化电容串联构成，RC电路的电阻、电容采用精密电阻和精密电容，线圈采用细导线绕制，线圈的电阻阻值小于感应支路的电阻至少10倍，可以忽略线圈的电阻；线圈的作用为接收外界时变磁场的激励并产生感应电动势，在感应支路和极化支路中产生电流，其中线圈的阻值可以忽略；当极化等效环装置被施加时变电磁场时，感应支路的电流反应了多相导电媒质的感应特性，每条极化支路的电流反应了对应导电媒质的极化特性，所有极化支路的电流之和反应了多相导电媒质的极化特性。

一种多相导电媒质的极化等效环装置的设计方法，该方法包括：

1)查阅地质资料，确定待等效的多相导电媒质的相数和尺寸，并基于多相导电媒质的广义等效极化(GEMTIP)模型计算围岩电导率σ₀和每一相导电媒质的电导率σ_l、极化率η_l和时间常数τ_l，公式如下：

其中，根据GEMTIP模型共有N相导电媒质，ρ₀为待等效媒质的直流电导率；每相导电媒质的参数分别包括：ρ_l为第l相导电媒质的电阻率张量，f_l为第l相导电媒质的体积分数，α_l为第l相导电媒质的表面极化系数，a_l为第l相导电媒质的半径。

2)忽略线圈阻值，设多相导电媒质为正方形薄板形状，D为多相导电媒质的边长，r为多相导电媒质的厚度，μ₀为真空磁导率，基于多相导电媒质的尺寸计算线圈电感L：

3)令极化等效环装置的极化支路条数与多相导电媒质的相数相等，根据围岩电导率σ₀计算极化等效环装置的感应支路的电阻R₀，根据每一相导电媒质的电导率σ_l、极化率η_l和时间常数τ_l，并计算对应的极化支路中电阻R_l和电容C_l，计算方法如下：

其中，β为大地的几何参数，数值大小通常为1～10；设极化支路条数为N条，则R_l为第l条极化支路的电阻，C_l为第l条极化支路的电容。

4)将由感应支路和极化支路并联构成的RC电路与线圈并联，即为标定后的极化等效环，并计算极化等效环的导纳G和多相导电媒质的整体极化率η：

其中，i为虚数，ω为角频率。

5)对极化等效环装置施加时变电磁场，通过采集RC电路的每个支路电流，分析待等效的多相导电媒质的感应极化特性。