激電效應(yīng)對瞬變電磁影響特征研究

徐凱軍,李桐林,劉 展

(1.中國石油大學(xué) 地球資源與信息學(xué)院,山東青島 266555;2.吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林 長春 130026)

激電效應(yīng)對瞬變電磁影響特征研究

徐凱軍1,李桐林2,劉 展1

(1.中國石油大學(xué) 地球資源與信息學(xué)院,山東青島 266555;2.吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林 長春 130026)

當(dāng)?shù)叵麓嬖跇O化體時,在瞬變電磁測量中可能會出現(xiàn)負(fù)電磁響應(yīng)。為了研究極化體所產(chǎn)生的激電效應(yīng)對瞬變電磁的響應(yīng)規(guī)律,以頻域電磁正演為基礎(chǔ),采用余弦變換,這里重點研究了在電偶源激發(fā)下,層狀可極化大地和半空間三維極化體電場分量瞬變響應(yīng)特征,總結(jié)了激電效應(yīng)對瞬變電磁響應(yīng)的影響規(guī)律。

瞬變電磁;余弦變換;激電效應(yīng)

0 前言

巖礦石表現(xiàn)出的復(fù)電阻率性質(zhì)早已被人們所認(rèn)識。在時間域電法中,巖礦石復(fù)電阻率性質(zhì)所產(chǎn)生的激電效應(yīng),已成為這些方法中的干擾。因此,研究激電效應(yīng)對瞬變電磁響應(yīng)的影響規(guī)律非常必要。M orrison等人[1]指出,激電效應(yīng)在重疊回線瞬變電磁測量中有可能表現(xiàn)為符號反轉(zhuǎn);Hohmann[2]對頻率域電磁測量系統(tǒng)的激電效應(yīng)影響特征進行了理論和應(yīng)用研究。接下來,還有很多學(xué)者對時間域瞬變電磁法中,激電效應(yīng)影響的物理機制進行了探討[3～13]。作者在本文以頻域電磁正演為基礎(chǔ),采用時頻轉(zhuǎn)換技術(shù),重點研究了電偶源激發(fā)下層狀可極化大地,以及和半空間三維極化體電場分量瞬變響應(yīng)特征和規(guī)律。

1 瞬變電磁場正演理論

時間域瞬變電磁法的正演,采取先求解相同裝置的頻率域電磁法的正演問題,然后通過余弦變換,將頻域結(jié)果轉(zhuǎn)換到時間域。

1.1 水平層狀介質(zhì)頻域正演

在電偶極子發(fā)射源條件下,水平層狀大地頻率測深的電場表達(dá)式為[14]:

式中 J0(λr)為零階貝塞爾函數(shù);J1(λr)為一階貝塞爾函數(shù)。式(1)含有零階和一階貝塞爾函數(shù)積分形式。這種積分形式的正演公式是一種漢克爾變換式,通過快速漢克爾變換可求得式(1)的電場數(shù)值解。

1.2 三維介質(zhì)的頻域正演

作者利用積分方程法,計算了均勻半空間中三維極化體的頻域電磁場響應(yīng)。均勻半空間中含有三維異常體時,其電場的積分方程表達(dá)式為[15]:

(2)可求得可得到空間內(nèi)任意一點電場值。

2 頻時轉(zhuǎn)換方法

作者在本文中采用了余弦變換,將頻域電場轉(zhuǎn)換為時間域電場。轉(zhuǎn)換公式可以寫為:

式(3)適用于所有頻率域電磁法正演結(jié)果到時間域瞬變電磁法的轉(zhuǎn)換,并且該方法很容易在計算機上實現(xiàn)。

3 層狀極化大地瞬變電場響應(yīng)

為了研究層狀可極化大地電場分量的瞬變響應(yīng)規(guī)律,作者計算了電偶源激發(fā)的中間層為極化層典型的三層地電斷面的電場水平分量之瞬變響應(yīng)。表1給出了各種不同地電斷面參數(shù),中間極化層復(fù)電阻率參數(shù)為m2=0.5、τ2=0.5 s、c2=0.5。在計算時針對大收發(fā)距(r=1 000)和小收發(fā)距(r=100),分別計算了電場水平分量的瞬變響應(yīng)。

表1 不同地電斷面類型所對應(yīng)的地電斷面參數(shù)表Tab.1 The param eter tab le of d ifferen t geo-electric cross section

從圖1中可以看出,當(dāng)采用小收發(fā)距時,無論在何種地電斷面上,所得瞬變曲線形態(tài)都相同,甚至數(shù)值也相近。其變化趨勢都是電場的瞬變響應(yīng)在早期快速衰減,然后由正值變?yōu)樨?fù)值,最后緩慢衰減到零。當(dāng)用大收發(fā)距時,瞬變曲線形態(tài)比較復(fù)雜,對于地電斷面類型為H型和Q型的地電斷面,也就是第二層的電阻率相比第一層為低阻的地電斷面,其電場水平分量的瞬變曲線形態(tài)基本一致,瞬變響應(yīng)早期為正值,然后由正值變?yōu)樨?fù)值,其幅值較大,但經(jīng)歷時間短,很快又由負(fù)值變?yōu)檎?并快速衰減。對于地電斷面類型為K型和A型的地電斷面,也就是第二層的電阻率相比第一層為高阻的地電斷面,其電場水平分量瞬變曲線和小收發(fā)距時的瞬變曲線形態(tài)類似,只是瞬變響應(yīng)強度比小收發(fā)距時低一個數(shù)量級以上。

圖1 不同地電斷面瞬變響應(yīng)(虛線為負(fù)值)Fig.1 The transient response of different geo-electric cross section(the dashed rep resentnegative)

4 均勻半空間中三維極化體的瞬變電場響應(yīng)

為了研究半空間中埋藏三維極化體時的瞬變電磁響應(yīng)的影響規(guī)律,作者計算了不同參數(shù)時的均勻半空間三維極化體正上方的時間域瞬變電磁響應(yīng)。模型分布如圖2所示,異常體是長、寬、高都為100m的正方形,發(fā)收距為800m,極化體埋深h為100m。

圖3給出了三維極化體取不同極化參數(shù)時,極化體正上方瞬變電磁響應(yīng)。電性參數(shù)如各圖中所示,其中ρ1表示圍巖電阻率,ρ0表示極化體零頻電阻率,m表示極化體極化率,τ表示極化體的時間常數(shù),c表示極化體的頻率相關(guān)系數(shù)。由圖3可見,極化體極化率、時間常數(shù)、頻率相關(guān)系數(shù)越大,負(fù)電磁響應(yīng)出現(xiàn)的越早,而且幅值也越大。但時間常數(shù)對瞬變電磁響應(yīng)曲線影響相當(dāng)較小。另外低阻極化體比高阻極化體的負(fù)電磁響應(yīng)出現(xiàn)的早且幅值大。

圖2 均勻半空間中三維極化體模型Fig.2 Themodelof 3D po larized body in homogeneous half-space

圖4(見下頁)是取不同圍巖電阻率時,極化體正上方的瞬變電磁響應(yīng)。由圖4可以看出,在極化體電性參數(shù)相同的條件下,圍巖的電阻率越高,瞬變響應(yīng)中負(fù)電磁響應(yīng)出現(xiàn)的越早,幅值越大。高阻圍巖中即使極化體極化率較低,但其瞬變電場響應(yīng)中負(fù)電磁響應(yīng)出現(xiàn)卻早且幅值大。由此可見,圍巖電阻率越高,極化體產(chǎn)生的激電效應(yīng)越強。

圖3 不同極化參數(shù)時極化體正上方的瞬變響應(yīng)(虛線為負(fù)值)Fig.3 The transient response of differentpo larization param eters(the dashed rep resentnegative)

圖4 不同圍巖電阻率時極化體正上方瞬變響應(yīng)(虛線為負(fù)值)Fig.4 The transien t response of d ifferen t ad jacen t bed resistivity(the dashed rep resen t negative)

5 結(jié)論

通過對可極化層狀大地和均勻半空間中三維極化體的瞬變電磁響應(yīng)分析可知,當(dāng)?shù)叵麓嬖谝欢ㄒ?guī)模的極化體時,將會對瞬變電磁響應(yīng)產(chǎn)生很大的影響,使得瞬變電磁響應(yīng)晚期變號出現(xiàn)負(fù)值。對于地電斷面類型為H型和Q型的層狀介質(zhì),由于極化層的存在,還出現(xiàn)了二次變號現(xiàn)象。激電效應(yīng)大小與極化體的極化率、時間常數(shù)、頻率相關(guān)系數(shù)成正比,而且還受零頻電阻率,圍巖電阻率及收發(fā)距等參數(shù)的影響。另外從時間來看,早期瞬變響應(yīng)以電磁效應(yīng)為主,由于電磁效應(yīng)隨時間衰減,激電效應(yīng)在晚期占優(yōu),影響較大。

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P 631.3+25

A

1001—1749(2010)06—0613—04

國家油氣重大專項(2008ZX05020-006)

2010-05-31 改回日期:2010-09-17

徐凱軍(1979-),男,安徽固鎮(zhèn)人,博士,講師,主要從事地球物理正反演研究。