三維CSAMT中的陰影和場(chǎng)源附加效應(yīng)

湯井田，葛偉男

（中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

0 前言

CSAMT （可控源音頻大地電磁）［1、2］測(cè)深是在大地電磁（MT）法和音頻大地電磁（AMT）法的基礎(chǔ)上，發(fā)展起來(lái)的一種人工源頻率域電磁測(cè)深方法。該方法具有分辨率高，勘探深度范圍大，以及地形影響小等優(yōu)點(diǎn)。但由于源的引入，當(dāng)異常體位于發(fā)射和接收點(diǎn)之間時(shí)，會(huì)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)造成影響，從而產(chǎn)生陰影和場(chǎng)源附加效應(yīng)，因此國(guó)內(nèi)、外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。在國(guó)外，Kuznetzov［3］首先注意到場(chǎng)源與測(cè)量地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)引起CSAMT響應(yīng)的畸變，并且將其稱為“陰影效應(yīng)”（shadow effect）。Zonge［4］較為系統(tǒng)地論述了CSAMT的場(chǎng)源效應(yīng)等問(wèn)題，這對(duì)CSAMT的研究者來(lái)說(shuō)，具有非常高的參考價(jià)值。Boschetto［5］利用積分方程法，研究了各向同性地層中有限大小三維體的CSAMT場(chǎng)源效應(yīng)的影響。Yan Shu［6］從均勻大地電磁場(chǎng)的解析表達(dá)式中將地層波與地面波分解，并利用地層波與地面波的比值，來(lái)定量地估計(jì)CSAMT所產(chǎn)生的陰影效應(yīng)與場(chǎng)源附加效應(yīng)。在國(guó)內(nèi)，閆述、陳明生等［7、8］闡述了陰影和場(chǎng)源附加效應(yīng)的問(wèn)題，并取得了一定的研究成果。陳桂波［9］利用積分方程法，對(duì)各向異性地層對(duì)CSAMT陰影效應(yīng)的影響做了初步分析。

作者在本文中，利用三維有限單元法來(lái)數(shù)值模擬均勻半空間中存在三維體時(shí)產(chǎn)生的陰影和場(chǎng)源附加效應(yīng)，并總結(jié)出其特征和影響規(guī)律。

1 場(chǎng)源陰影效應(yīng)及規(guī)律

地球物理值得關(guān)注的問(wèn)題，是大量發(fā)生在有源電磁測(cè)深中的陰影效應(yīng)和場(chǎng)源附加效應(yīng)問(wèn)題。所謂的陰影效應(yīng)，指的是在發(fā)射源和觀測(cè)點(diǎn)之間存在異常體時(shí)，對(duì)觀測(cè)值造成的影響，從而錯(cuò)誤地判斷地下地質(zhì)情況。產(chǎn)生陰影效應(yīng)需要三個(gè)條件：①在異常體賦存處有地層波的作用；②在接收點(diǎn)處有地層波的作用；③異常體的大小以及與圍巖的電阻率差異能足以引起觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生變化?；谶@三點(diǎn)考慮，作者在本文利用有限元法數(shù)值模擬了陰影效應(yīng)。

1.1 陰影效應(yīng)數(shù)值模擬

圖1（見(jiàn)下頁(yè)）是模型一地電結(jié)構(gòu)示意圖。在均勻半空間中，異常體A大小為600m×600m×200m，埋深100m，電性源長(zhǎng)度為1 000m，位于圖1中所示坐標(biāo)原點(diǎn)。異常體中心在地面的投影位于y軸上2 250m處，收發(fā)距r＝4 500m，測(cè)線平行于x軸，選取測(cè)點(diǎn)為x＝100m，y＝4 500m處，圍巖電阻率為ρ1＝100Ωm，A為高阻體（ρ2＝500Ωm）或低阻體（ρ2＝10Ωm）。

通過(guò)正演模擬，可以得到視電阻率剖面如圖2所示。

圖2為卡尼亞視電阻率曲線，其中橫軸為收發(fā)距r與趨膚深度δ的比值，即為電距離，縱軸為視電阻率。從圖2中可以看出：三條曲線在近區(qū)和過(guò)渡區(qū)明顯分離，到了遠(yuǎn)區(qū)逐漸重合在一起。在近區(qū)和過(guò)渡區(qū)，當(dāng)存在低阻異常體時(shí)，陰影效應(yīng)的影響使接收點(diǎn)處視電阻率比預(yù)期的低；當(dāng)存在高阻異常體時(shí)，陰影效應(yīng)的影響使接收點(diǎn)處視電阻率比預(yù)期的高。

1.2 陰影效應(yīng)的影響范圍

為了進(jìn)一步研究場(chǎng)源陰影效應(yīng)的影響范圍，在模型一的基礎(chǔ)上，作者改變異常體與場(chǎng)源之間的距離為2 700m，同時(shí)增加六條測(cè)線，測(cè)線平行于x軸，收發(fā)距分別為4 200m、4 500m、4 800m、5 100m、5 400m、5 700m。測(cè)點(diǎn)均勻分布在y軸兩側(cè)，測(cè)點(diǎn)間距100m，最終形成1 800m×1 500m的測(cè)網(wǎng)，得到地電模型二（見(jiàn)圖3）。

當(dāng)存在低阻異常體時(shí)，可以得由六條測(cè)線組成的視電阻率斷面組圖（如下頁(yè)圖4所示）。從圖4我們可以看到，各剖面圖所反映的異常體埋深，比實(shí)際異常體的埋深大，且異常埋深隨著測(cè)線的遠(yuǎn)離逐漸加深。而實(shí)際上，其測(cè)線下方根本沒(méi)有異常體，這就是陰影效應(yīng)的作用，說(shuō)明測(cè)線離場(chǎng)源更近時(shí)，受陰影效應(yīng)的影響也更強(qiáng)烈，即使離物體很遠(yuǎn)，陰影效應(yīng)也會(huì)存在。

圖3 地電模型二結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of geo－electic structure of model 2

改變頻率值分別為f ＝32Hz、64Hz、128Hz，經(jīng)計(jì)算可以得到低阻體和高阻體不同頻率視電阻率平面對(duì)比圖（見(jiàn)下頁(yè)圖5所示）。從下頁(yè)圖5中可以得到，除了高阻體在f＝32Hz處沒(méi)有體現(xiàn)陰影效應(yīng)區(qū)域外，其它頻率均可看到有明顯的陰影效應(yīng)區(qū)域，且隨著頻率的增大，即深度的減小，陰影效應(yīng)的效應(yīng)要比高阻體的強(qiáng)得多，并且區(qū)域范圍比高阻體要大得多，另外陰影區(qū)域還可穿過(guò)異常體中心在平面圖上的投影。陰影效應(yīng)沿測(cè)線方向及與測(cè)線垂直的方向逐漸減弱，明顯看出沿測(cè)線方向的影響區(qū)域比垂直其方向要小，但它們的范圍仍比異常體本身大很多。通過(guò)圖5與圖4相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)陰影從源下斜，離源越遠(yuǎn)越散開(kāi)。

1.3 改變收發(fā)距時(shí)的陰影效應(yīng)

作者在模型二的基礎(chǔ)上，確定了異常體與測(cè)線的距離為2 700m保持不變，并分別建立了四個(gè)模型：模型三、模型四、模型五、模型六。其中收發(fā)距分別為4 200m、4 500m、4 800m、5 100m，從而得到不同模型的視電阻率剖面對(duì)比圖（如圖6所示）。從圖6中看出，無(wú)論是高阻體還是低阻體，曲線的過(guò)渡區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)基本重合，只有近區(qū)分離，并且隨著收發(fā)距的增大，近區(qū)數(shù)據(jù)抬升的越高。這也可以成為驗(yàn)證陰影效應(yīng)是否存在的方法，低阻體較有效。

1.4 改變異常體位置時(shí)的陰影效應(yīng)

模型七、模型八、模型九、模型十的參數(shù)與模型一相同，不同的是異常體距電性源Tx的距離分別為300m、1 500m、2 100m、2 700m。通過(guò)這四個(gè)模型，可模擬得到視電阻率曲線對(duì)比圖（見(jiàn)下頁(yè)圖7）。

（1）當(dāng)存在低阻異常時(shí)，隨著異常體逐漸遠(yuǎn)離場(chǎng)源而靠近測(cè)點(diǎn)時(shí)，相對(duì)最大異常越來(lái)越強(qiáng)，過(guò)渡帶低谷向高頻段移動(dòng)，并且過(guò)渡區(qū)變長(zhǎng)，陰影效應(yīng)不斷增強(qiáng)。

（2）當(dāng)存在高阻異常時(shí)，異常體距源300m、1 500m、2 100m的曲線基本重合，只有2 700m的曲線向上抬高了。說(shuō)明陰影效應(yīng)雖有增強(qiáng)，但是相對(duì)較弱。

通過(guò)圖7（見(jiàn)下頁(yè)）中兩圖對(duì)比，說(shuō)明低阻體陰影效應(yīng)比高阻體強(qiáng)，并且其影響范圍比高阻體大得多。這說(shuō)明在實(shí)際工作中，陰影效應(yīng)的強(qiáng)弱與場(chǎng)源位置的選取有很大的關(guān)系。

1.5 改變異常體埋深時(shí)的陰影效應(yīng)

在模型一的基礎(chǔ)上，改變異常體的埋深分別為100m、300m、500m，對(duì)應(yīng)三個(gè)不同的模型十一、模型十二、模型十三，從而得到視電阻率對(duì)比圖8（見(jiàn)下頁(yè)）。在圖8中，當(dāng)存在低阻異常體時(shí)，隨著異常體埋深的增大，陰影效應(yīng)越來(lái)越弱，過(guò)渡帶的范圍越來(lái)越小，并且過(guò)渡帶低谷向電距離減小的方向移動(dòng)。對(duì)于高阻體而言，異常體埋深的增大，陰影效應(yīng)并沒(méi)有明顯的變化。

為了進(jìn)一步研究異常體埋深所產(chǎn)生的陰影效應(yīng)的影響，作者選了二個(gè)頻率分別為f＝32Hz、f＝64Hz，以低阻異常體為研究對(duì)象，對(duì)比了不同頻率視電阻率平面圖。從后面的圖9中可以明顯地看到，無(wú)論是在哪個(gè)頻點(diǎn)上，隨著異常體的埋深，陰影效應(yīng)的影響范圍會(huì)不斷地減小，并且減弱。由此可以判斷，當(dāng)異常體埋深達(dá)一定的深度，陰影效應(yīng)將不會(huì)存在。

圖6 不同模型視電阻率剖面圖對(duì)比Fig.6 Comparison of apparent resistivity curves of different models

2 場(chǎng)源附加效應(yīng)

Zonge等首次提出了在場(chǎng)源下的地質(zhì)情況可能影響CSAMT測(cè)深數(shù)據(jù)。例如，過(guò)渡帶有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在比預(yù)期更高的頻率，有時(shí)過(guò)渡帶低谷的特點(diǎn)出乎意料之外。我們把這種現(xiàn)象和有關(guān)的效應(yīng)稱為發(fā)射復(fù)印效應(yīng)或場(chǎng)源復(fù)印效應(yīng)，或稱場(chǎng)源附加效應(yīng)。通過(guò)三維有限元分析可以清楚地看到，源下存在異常體時(shí)的場(chǎng)源附加效應(yīng)，也能看到地下異常體的深度改變以及收發(fā)距改變時(shí)的地質(zhì)規(guī)律。

2.1 場(chǎng)源附加效應(yīng)的數(shù)值模擬

在模型一的基礎(chǔ)上建立模型十四，與模型一不同的是異常體在場(chǎng)源的正下方，異常體中心在地面的投影位置正好是場(chǎng)源的中心。通過(guò)模擬得到后后面圖10，從圖10可以看出，場(chǎng)源附加效應(yīng)與陰影效應(yīng)相似，但較其弱，同樣得到結(jié)論：三條曲線在近區(qū)和過(guò)渡區(qū)處明顯分離，到了遠(yuǎn)區(qū)處逐漸重合在一起。在近區(qū)和過(guò)渡區(qū)，當(dāng)存在低阻異常體時(shí)，陰影效應(yīng)使接收點(diǎn)處視電阻率比預(yù)期的低；當(dāng)存在高阻異常體時(shí)，陰影效應(yīng)的影響使接收點(diǎn)處視電阻率比預(yù)期的高。

2.2 改變異常體埋深時(shí)的場(chǎng)源附加效應(yīng)

在模型十四的基礎(chǔ)上，改變異常體的埋深分別為100m、300m、500m，對(duì)應(yīng)三個(gè)不同的模型十五、模型十六、模型十七，得到對(duì)比圖11（見(jiàn)后面），從圖11中可以看出，無(wú)論存在低阻異常體還是高阻異常體，隨著異常體埋深的增加，場(chǎng)源附加效應(yīng)沒(méi)有明顯的改變。

2.3 不同收發(fā)距時(shí)的場(chǎng)源附加效應(yīng)

作者在模型十四的基礎(chǔ)上，改變收發(fā)距為r＝4 200m、4 500m、4 800m、5 100m，得到了對(duì)比圖12（見(jiàn)后面）。從圖12中可以看到，無(wú)論是存在低阻體還是高阻體，曲線基本重合，只有在部份近區(qū)曲線分離，但并不明顯。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)低阻和高阻不同模型數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

（1）在有效探測(cè)深度范圍內(nèi)，源與測(cè)線之間或源下方存在的異常體，如被投影到接收點(diǎn)，就會(huì)出現(xiàn)場(chǎng)源陰影和場(chǎng)源附加效應(yīng)，這使得測(cè)線下方?jīng)]有異常體的情況下，表現(xiàn)出低阻或高阻異常，導(dǎo)致對(duì)地質(zhì)體構(gòu)造的誤判，場(chǎng)源陰影效應(yīng)較強(qiáng)。

圖9 異常體不同埋深時(shí)的陰影區(qū)域?qū)Ρ葓DFig.9 Comparison of shadow effects with different depths

（2）對(duì)低阻體而言，隨著異常體埋深增加，陰影效應(yīng)越來(lái)越弱，過(guò)渡帶的范圍越來(lái)越小。并且為過(guò)渡帶低谷向電距離減小的方向移動(dòng)，高阻體表現(xiàn)不明顯。

（3）異常體陰影效應(yīng)從源下斜，離源越遠(yuǎn)越散開(kāi)，其影響區(qū)域比異常體本身大得多。并且當(dāng)陰影區(qū)域穿過(guò)異常體的中心時(shí)，從中心向兩邊陰影效應(yīng)逐漸減弱，其中平行于源的方向陰影效應(yīng)的影響范圍要比垂直于源的方向小很多。

（4）當(dāng)收發(fā)距r在一定的情況下，對(duì)低阻體而言，隨著異常體遠(yuǎn)離源的位置，陰影效應(yīng)越來(lái)越強(qiáng)，其過(guò)渡帶低谷向高頻方向移動(dòng)。在實(shí)際的測(cè)量中，陰影效應(yīng)的強(qiáng)弱與場(chǎng)源位置的選取有很大的關(guān)系。

（5）在異常體與測(cè)線位置相對(duì)不變的情況下，改變收發(fā)距r時(shí)，低阻體視電阻率曲線在過(guò)渡帶及遠(yuǎn)區(qū)基本重合，曲線近區(qū)段分離，并且隨著收發(fā)距的增大，曲線近區(qū)段抬升得越高，高阻體表現(xiàn)越不明顯。

（6）隨著異常體的埋深及收發(fā)距的改變，場(chǎng)源附加效應(yīng)基本不受影響。

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