瞬變電磁法利用不完整數(shù)據進行一維反演的可行性分析

武軍杰，鄧曉紅，張 杰，王興春，楊 毅

（中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所，河北 廊坊 065000）

瞬變電磁法利用不完整數(shù)據進行一維反演的可行性分析

武軍杰，鄧曉紅，張 杰，王興春，楊 毅

（中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所，河北 廊坊 065000）

為充分利用已經采集獲得的并不完整的瞬變電磁衰減曲線，以一維三層理論模型以及實測數(shù)據為例進行了計算，計算結果說明，在不能獲得整條衰減曲線時，利用部份時段進行反演獲取一定的的地質信息，是一種可行的補救措施。試驗的前提是瞬變響應曲線是正常的符合衰減規(guī)律的曲線，而對于畸變的曲線是不適合的。

瞬變電磁；不完整數(shù)據；反演；可行性

0 前言

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method，TEM）是一種時間域電磁法，是以地下巖、礦石導電性差異為地球物理前提，根據電磁感應原理的觀測方式，來研究電磁場時間和空間分布規(guī)律，以尋找地下良性導電礦體或解決相關地質問題的一種地球物理勘查方法。瞬變電磁法場源的激勵方式有兩種，即不接地回線框磁性源和接地有限長導線電性源。磁性源瞬變電磁法的工作原理是，利用不接地回線供于脈沖電流，產生一次場，在該磁場的激勵下，導電地質體產生渦流。當脈沖電流從峰值躍變?yōu)榱銜r，一次場消失，而產生的渦流并不會立即消失，其消失過程是一個瞬變過程，這個過程的快慢與地質體電性參數(shù)有關。地質體導電性越好，感應渦流熱損耗越小，瞬變過程就越長。由于感應渦流在導電介質中的傳播是擴散方程，其逐步向地下深部擴散，其擴散范圍隨時間推移也逐步擴大，并在地下半空間產生二次電磁場，該二次場隨時間逐漸消失。因此對于不同地下電性結構，感應渦流產生的二次場消失過程也將有所不同，據此就有可能通過測量和分析感應渦流產生的瞬變響應，來確定地下導體的電性分布結構和空間形態(tài)［1～9］。

TEM方法特點是：

（1）把頻率域法的精確度問題轉換成靈敏度問題，加大功率靈敏度可以增大信噪比，加大勘探深度。

（2）在高阻圍巖地區(qū)不會產生地形起伏影響的假異常，在低阻圍巖區(qū)，由于是多道觀測，早期道的地形影響也較易分辨。

（3）可以采用同點裝置進行觀測，使與探測目標的耦合最緊，取得的異常相應強，形態(tài)簡單，分層能力強，有穿透低阻覆蓋的能力。

目前，TEM主要應用在礦產勘查，構造探測，水文與工程地質調查，環(huán)境調查與檢測，以及考古等物探工作的各個領域。近年來，在找水、市政工程、土壤鹽堿化和污染調查，以及淺層石油構造填圖都有良好的效果［2］。

在實際野外數(shù)據采集過程中，由于種種原因，TEM原始數(shù)據在早期或者晚期數(shù)據質量差，信噪比低，而其它時間道數(shù)據質量尚可，這些數(shù)據往往被舍棄掉，不能參與數(shù)據處理。因為只有完整的一條衰減曲線（從下降沿結束開始一直到晚期道響應接近噪聲水平），才能完全展示地下介質的二次場變化規(guī)律，進而充分表達該測點下方地電斷面。但是這些數(shù)據中仍然包含了地下介質部份信息，反映了地下介質某個地段的衰減規(guī)律。

為此，通過理論模型正、反演計算，來說明利用不完整衰減曲線進行處理的可行性及合理性。首先，建立理論模型，進行正演計算，將正演曲線在不同位置進行截斷，對截斷后的衰減曲線進行一維反演計算，與理論模型進行對比，判斷計算結果是否可靠。然后，在理論模型計算的基礎上，對實測數(shù)據進行處理，從而論證TEM方法充分利用不完整數(shù)據進行數(shù)據處理的可行性以及存在的問題。

1 理論模型計算結果及分析

建立一維三層H型理論模型（參數(shù)見表1），計算一維層狀理論模型瞬變響應，然后進行一維反演驗證其計算效果。

正演參數(shù)設置為：發(fā)射框200m×200m，發(fā)射電流1A，時間道0.054ms～15.96ms，下降沿500μs，接收面積1m2。

表1 一維三層理論模型參數(shù)表Tab.1 Parameters list of 1Dthree layer model

理論模型正、反演計算結果如圖1所示（見下頁）。在圖1中，右圖為正演計算結果，其中虛線為均勻半空間（500Ω·m）瞬變響應曲線，實線為理論模型瞬變響應曲線；左圖中虛線為理論模型，實線為理論模型正演數(shù)據的反演結果，反演利用了全部31道數(shù)據。從圖1中可以看出，一維反演結果與理論模型基本吻合，能夠反映出三層H型理論模型的電阻率特征。

為了說明利用部份數(shù)據來進行反演的效果，對理論模型的正演數(shù)據進行了不同時間道截斷，情況如下：

（1）利用1道～25道、1道～20道、1道～15道數(shù)據進行反演，結果如下頁圖1。

（2）利用6道～31道、11道～31道、16道～31道、21道～31道數(shù)據進行反演，結果見后面圖2。

（3）利用5道～25道、10道～20道數(shù)據進行反演，結果如后面圖3所示。

通過對比分析，從圖1～圖3中可以看出：

（1）利用前26道、前21道數(shù)據，并不影響計算的準確性，并且還能夠準確地反映出低阻層位置，只是深部的信息沒有反映出來。當晚期道截斷后16道，只利用1道～15道進行計算時，一維反演電阻率曲線發(fā)生畸變，并不可信。

（2）將早期道數(shù)據截斷后，利用6道～31道、11道～31道、16道～31道、21道～31道數(shù)據進行計算，一維反演結果與實際情況吻合。由于早期道、中期道截掉后，也損失掉了淺部信息，所以11道以后數(shù)據反演結果只反映了低阻層下部信息。

（3）利用6道～26道數(shù)據反演的電阻率曲線所反映的主要為低阻層信息，低阻層上部、下部的信息有所缺失。

由以上計算結果可以看出，對于三層H型地電斷面，適當?shù)亟財嗖糠菪盘栠M行數(shù)據處理，仍然可以反映出地下介質相應的信息。但是，截斷不當也會產生不可預計的后果，如本例中從后往前截斷超過15道時，計算結果出現(xiàn)蹦跳。另外值得注意的是，在本次計算中，從前往后截斷效果好于從后往前截斷，這是因為所用的一維反演程序的計算方法中，開始是從晚期時間道開始計算的，是從層狀初始模型的最底層往上推算的，因此從前往后截斷的效果較好。而從后向前截斷時，當截斷一定的道數(shù)，剩余道數(shù)較少時，會造成算法出現(xiàn)較大誤差，結果不可信。

通過以上對反演結果分析可知，在瞬變響應曲線上面存在一處“關鍵段”，該段瞬變響應曲線包含了目標體的主要信息，可以稱為該曲線的“特征段”。例如在本例中，如果三層介質中的低阻層是目標層的話，那么6～15時間道就為特征道，在其它時間道損失的情況下，還能通過該段曲線反演結果反映出目標低阻層。同樣地，如果目標層為低阻層下方的地層的話，那么，“特征段”就會改變，如果晚期道數(shù)據損失，就不能達到反映目標地層的目的。需要強調的是，一條完整的瞬變響應衰減曲線，是測點下方介質整體反映，其早期道是下方介質整體在早期時間道的反映，晚期道是下方介質在晚期時間道上的反映。所以，早期道并不僅僅包含淺部的信息，晚期道并不僅僅是深部的反映。但是，不同的地質體或者地層的主要信息，可以反映在其特征段內。通過特征段的反演可以獲得目標地質體或地層的主要信息。另外，在本算例中低阻層的頂界面埋深為300m，其特征段主要在早期、中期時間道。而如果低阻層的埋深較深的話，那么其特征段將會主要分布在中晚期道，此時晚期道就不能截掉了。

圖3 理論模型正演計算瞬變響應曲線及一維反演結果圖（截掉早期、晚期數(shù)據）Fig.3 TEM response curves of theory model and 1Dinversion curves（cut off both early and late time channel data）

2 實測數(shù)據計算

圖4（見下頁）為某礦區(qū)實測數(shù)據利用不同時間道進行一維反演計算的結果，作者在圖4中給出了實測原始瞬變曲線。

（1）圖4（a）為將瞬變響應曲線晚期道截斷不同道數(shù)，然后進行一維反演計算的對比圖。作者在圖4（a）中列出了分別使用1道～36道、1道～32道、1道～30道、1道～28道、1道～23道、1道～20道時間道數(shù)據進行一維反演計算的結果對比情況?？梢钥闯?，整條衰減曲線（1道～36道）反演的電阻率曲線為明顯的K型，所反映的深度約為150m～900m。1道～32道數(shù)據計算結果與1道～36道計算結果基本相同，曲線形態(tài)為K型，只是深度略有差別。當使用1道～30道數(shù)據計算時，曲線形態(tài)仍然為K型，但是曲線尾支明顯抬高。1道～28道、1道～23道數(shù)據計算結果K型曲線尾支不斷抬高，而當使用1道～20道數(shù)據計算時，其結果曲線只能反映電阻率隨深度增大，并不能反映下方低阻層。從圖4（a）中可以看出，晚期道數(shù)據包含了深部低阻層的主要信息，當不斷截掉晚期時間道后，使反演的低阻層的電阻率逐漸變高，最終不能反映低阻層的存在。所以，當晚期道數(shù)據質量不好，刪掉晚期道后，反演結果中淺部信息較為可靠，所反映的深部信息僅可作為參考，可信度并不高。

（2）見下頁，圖4（b）為將瞬變響應曲線早期道截斷不同道數(shù)進行一維反演計算的對比圖。作者在圖4（b）中列出了分別使用1道～36道、8道～36道、13道～36道、16道～36道、21道～36道時間道數(shù)據進行一維反演計算的結果對比情況。從下頁圖4（b）中可以看出，在早期道截斷不同的道數(shù)后的反演結果與完整曲線計算結果是吻合的，只是所反映的淺部的信息缺失了。即使截斷到21道～36道時，其反演結果所反映的信息仍然是準確的，并沒有發(fā)生畸變。

（3）見下頁，圖4（c）為將瞬變響應曲線早期、晚期道同時截斷不同道數(shù)進行一維反演計算的對比圖。作者在圖4（c）中列出了分別使用1道～36道、6道～3 1道、1 1道～2 6道、1 6道～2 6道、6道～20道時間道數(shù)據進行一維反演計算的結果對比情況。從圖4（c）中可以看出，在早期晚期同時截斷不同時間道后，反演結果差別較大，曲線首支基本重合，而尾支差別較大。分析其原因，主要是因為晚期道截斷造成的。損失掉晚期道數(shù)據，包含的深部主要信息也缺失，從而形成了截斷時間道數(shù)據越多，其反演的電阻率曲線反映的電阻率越高的特征。

圖4 某礦區(qū)實測數(shù)據不同時間道一維反演結果對比圖Fig.4 Comparison of plot of field curves in some mining area and 1Dinversion curves using different time channels data

3 結語

通過理論模型以及實測曲線的一維反演計算可以說明，在特殊情況下，利用不完整數(shù)據可以獲得不同程度的地下信息，但也存在一定的限制條件，使用不當會產生不可靠的信息。所以，在野外實測數(shù)據時必須嚴格遵守操作規(guī)范，合理選擇參數(shù)，盡最大可能地獲取完整的衰減曲線。以下為通過對理論數(shù)據和實測數(shù)據計算結果進行分析后總結出的初步認識：

（1）對于TEM方法，只有利用完整的衰減曲線進行反演計算，才能充分反映地下電性結構展布。在對完整數(shù)據進行截斷后，無論是早期還是晚期數(shù)據，都會損失部份信息，甚至造成假象。但是在不能可靠獲得整條完整衰減曲線時，利用部份時段進行反演，獲取一定的地質信息，是干擾區(qū)勘查的一種可行的補救措施。

（2）對于TEM方法，地下目標地層或者目標地質體信息分布于整條衰減曲線，但是其主要信息會集中分布在某一段曲線（特征段）中，不同性質的目標體對應不同的“特征段”。一般來說，淺部地質體的“特征段”主要分布在早期道數(shù)據中；深部地質體的“特征段”主要分布于晚期道數(shù)據中，但特殊情況除外，如淺部存在較大規(guī)模低阻體，整條衰減曲線主要反映淺部信息。因此，在截掉部份曲線后，其所對應的地下信息便不能全面反映出來。在實測數(shù)據中，深部低阻體信息主要反映在晚期道數(shù)據中。在晚期道數(shù)據不斷損失的過程中，其所對應的地下低阻體信息，也在反演的電阻率曲線上體現(xiàn)得越來越少，并且當該“特征段”完全損失掉后，將造成深部為高阻的假象。

（3）通過對TEM數(shù)據在早期截斷和晚期截斷對比結果可以看出，晚期截斷不當會造成假象；而在早期道截掉后，反演結果不會失真，只是對應淺部信息損失掉了。

（4）以上討論只是建立在TEM原始曲線是正常衰減曲線的基礎上，如果原始曲線已經發(fā)生了畸變，衰減規(guī)律不正常，其計算結果就不可靠。如再截掉部份數(shù)據后計算，其結果就更加不可靠。

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P 631.3＋25

A

10.3969／j.issn.1001－1749.2012.05.10

1001—1749（2012）05—0559—07

國家危機礦山接替資源勘查專項（200699066）；公益性行業(yè)專項（200911017）

2011－12－27 改回日期：2012－06－01

武軍杰（1979－），男，河北欒城人，碩士，主要研究方向為電磁法勘探研究。