接地源瞬變電磁短偏移深部探測(cè)技術(shù)

薛國(guó)強(qiáng)，陳衛(wèi)營(yíng)，周楠楠，李 海

中國(guó)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029

1 引 言

隨著礦產(chǎn)資源日益減少，深部探礦已成為礦產(chǎn)勘查的一個(gè)主要方向.在現(xiàn)有儀器裝備基礎(chǔ)上，深入開(kāi)展新方法、新技術(shù)研究，是解決新一輪深部探礦戰(zhàn)略需求問(wèn)題的途徑之一.在各種深部電磁探礦方法中，長(zhǎng)偏移距瞬變電磁（Long Offset Transient Electromagnetic，LOTEM）方法一直發(fā)揮著重要作用［1－8］.這種方法的深部探礦能力主要來(lái)源于較長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)（1000ms以?xún)?nèi)），使場(chǎng)從地面到目標(biāo)體有足夠的“往返”時(shí)間和辨認(rèn)異常的分離時(shí)間；此外，1000～2000m或更長(zhǎng)的接地導(dǎo)線，可以獲得較高的信噪比和提供滿足接收機(jī)靈敏度的信號(hào)強(qiáng)度.與在水平層狀大地上僅激發(fā)水平電場(chǎng)、探測(cè)低阻層有利的回線源相比，接地導(dǎo)線源既有水平分量電場(chǎng)，還可在電性界面產(chǎn)生感應(yīng)電荷的垂直分量電場(chǎng)［9］，對(duì)不同電阻率的礦藏［10］有廣泛的適用性，而且較易在地形復(fù)雜地區(qū)敷設(shè).和可控源音頻大地電磁（Controlled Source Audio－frequency Magnetotelluric，CSAMT）法類(lèi)似，LOTEM 發(fā)收間距一般取等于4～6倍的探測(cè)深度，以便分離一次場(chǎng).但是可能跨越了幾個(gè)構(gòu)造單元的長(zhǎng)偏移存在記錄點(diǎn)問(wèn)題、體積效應(yīng)較大，增加了解釋結(jié)果的不確定性，故在1970和1980年代前蘇聯(lián)和美國(guó)都有關(guān)于短偏移距的研究與試驗(yàn)［11－15］，到2010年又有短偏移距的專(zhuān)利［16］出現(xiàn).尋求消除一次場(chǎng)、縮短發(fā)收距的研究也有發(fā)表.例如，有文獻(xiàn)［17］通過(guò)海底探礦的全空間解析分析認(rèn)為，垂直電偶極的鏡像可以消除一次場(chǎng)，水平電偶極源無(wú)此作用，不能反映地層電性.隨后，又有數(shù)值分析繼續(xù)進(jìn)行垂直電偶極短偏移距的海底探測(cè)研究［18］.實(shí)際上，在瞬變電磁勘探中，當(dāng)采用適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)波形后，可以使一次場(chǎng)和二次場(chǎng)在時(shí)間上分開(kāi)，因此，水平接地導(dǎo)線的近源響應(yīng)仍然具有深部探測(cè)能力［19］.為表示簡(jiǎn)便，我們將發(fā)收距離等于或小于探測(cè)深度的電性源瞬變電磁裝置命名為SOTEM（Short－offset Transient Electromagnetic）.

2 SOTEM的探測(cè)能力

2.1 SOTEM的探測(cè)可行性

在主動(dòng)源電磁勘探中，電磁場(chǎng)的激發(fā)有兩種方式，一種直接由電荷或電流激發(fā)，如穩(wěn)恒電流產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)；一種由電場(chǎng)和磁場(chǎng)間的交互感應(yīng)激發(fā)，如變化的磁場(chǎng)激發(fā)渦旋狀的電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)又激發(fā)渦旋狀的磁場(chǎng)，電磁波通過(guò)這種交互感應(yīng)運(yùn)動(dòng)和傳播.在時(shí)域電磁法勘探中，這兩種激發(fā)方式都是存在的.穩(wěn)定電荷和電流的場(chǎng)，在場(chǎng)源附近存在，場(chǎng)源消失則場(chǎng)消失，這種場(chǎng)稱(chēng)為源的自有場(chǎng).當(dāng)電荷和電流隨時(shí)間變化時(shí)，自有場(chǎng)也隨時(shí)間變化，同時(shí)由于電磁場(chǎng)間的交互感應(yīng)，還有一部分場(chǎng)離開(kāi)場(chǎng)源向外輻射，這部分場(chǎng)就稱(chēng)為輻射場(chǎng).在頻率域電磁勘探中，變頻測(cè)深能力就來(lái)源于輻射場(chǎng).如同樣是接地導(dǎo)線源的CSAMT，為了使具變頻測(cè)深能力的輻射場(chǎng)占主導(dǎo)地位，應(yīng)在遠(yuǎn)區(qū)觀測(cè).當(dāng)然，場(chǎng)的強(qiáng)度隨發(fā)收距離的增加衰減，考慮到信噪比和接收機(jī)靈敏度，一般將觀測(cè)點(diǎn)布置在離開(kāi)場(chǎng)源4～6倍探測(cè)深度的地方.隨著觀測(cè)點(diǎn)向場(chǎng)源靠近，輻射場(chǎng)的主導(dǎo)地位下降，自有場(chǎng)逐漸占優(yōu).以下是水平均勻大地CSAMT近場(chǎng)各分量公式［20］：

式中Idl為偶極矩，其中I是供電電流、dl是偶極長(zhǎng)度；r是發(fā)收距，θ是場(chǎng)點(diǎn)到源點(diǎn)的夾角；σ是大地電導(dǎo)率、μ0是非磁性大地的磁導(dǎo)率.可以看出，當(dāng)自有場(chǎng)占優(yōu)、輻射場(chǎng)忽略不計(jì)時(shí)，公式（3）—（6）的4個(gè)場(chǎng)量已經(jīng)與大地電導(dǎo)率無(wú)關(guān)，完全失去了探測(cè)能力；只有公式（1）、（2）中的兩個(gè)水平電場(chǎng)分量Ex、Ey還與大地電導(dǎo)率有關(guān)，但與頻率無(wú)關(guān)，只能做幾何測(cè)深，不能進(jìn)行頻率測(cè)深.要利用近區(qū)的輻射場(chǎng)進(jìn)行變頻測(cè)深，需要進(jìn)行自有場(chǎng)和輻射場(chǎng)、即一次場(chǎng)和二次場(chǎng)的分離，時(shí)域瞬變場(chǎng)提供了這種可能性.

時(shí)域電磁法中的激勵(lì)波形，有三角形連續(xù)波、梯形連續(xù)波（圖1a），還有單脈沖的矩形、半正弦、三角形（圖1b）等.

圖1 常用TEM激勵(lì)波形［21］（a）連續(xù)三角波和梯形波；（b）階躍、正弦、梯形單脈沖.Fig.1 Usual TEM excitation wave forms［21］（a）Triangle and trapezoid continuous wave form；（b）Step，sine and trapezoid single pulse.

連續(xù)波形在觀測(cè)期間始終有一次場(chǎng)存在，深部TEM，如LOTEM如果采用這種波形，則要求發(fā)收間距等于4～6倍的探測(cè)深度達(dá)到遠(yuǎn)場(chǎng)觀測(cè)，使輻射場(chǎng)占優(yōu)；如果采用單脈沖波形，脈沖關(guān)斷后觀測(cè)純二次場(chǎng)，由此將自有場(chǎng)和輻射場(chǎng)分離開(kāi)來(lái)，獲得短偏移距的深部探測(cè)能力.在對(duì)單脈沖頻譜考查后，還可以知道階躍脈沖的頻譜中，幅度與頻率成反比，低頻諧波占主導(dǎo)地位.故為獲得大的探測(cè)深度、分離自有場(chǎng)和輻射場(chǎng)，SOTEM的激勵(lì)電流需要采用階躍波形.

在實(shí)際應(yīng)用中，為了抑制觀測(cè)系統(tǒng)中的直流偏移和噪聲干擾，往往將圖1b的單脈沖激勵(lì)變換為周期性重復(fù)的雙極性脈沖系列，在正負(fù)脈沖關(guān)斷后觀測(cè)，仍然是純二次場(chǎng).

2.2 SOTEM的探測(cè)深度

在不考慮信噪比和接收機(jī)靈敏度的情況下，探測(cè)深度d僅由觀測(cè)時(shí)間t和地電結(jié)構(gòu)決定，和裝置類(lèi)型、發(fā)收距離等無(wú)關(guān)［22－23］：

對(duì)于水平分層大地模型，電偶極源形成的時(shí)域電磁場(chǎng)表達(dá)式可由全場(chǎng)頻域公式［20］、通過(guò)實(shí)部或虛部的正弦或余弦變換得到［24］.以垂直磁場(chǎng)hz為例：

式中J1（λr）為1階第一類(lèi)柱Beseel函數(shù)，其中λ是r方向的波矢量分量；其中k2i＝j(luò)ωσiμ0；Gk是地層因子，對(duì)于m層大地，有從第m 層向上的遞推公式：

圖2是根據(jù)式（8），（9）和（10）計(jì)算的兩層地層的不同偏移距磁場(chǎng)hz（t）曲線.

可見(jiàn)，在早期隨著發(fā)收距離r的增加，場(chǎng)強(qiáng)hz減?。煌砥趓增大hz也增大.不過(guò)，圖2中不同發(fā)收距r＝700、1000、2000、3000、4000m 的曲線，雖然在80ms后都有對(duì)下伏低阻層的反映，但是，不同偏移距離情況下的曲線反映低阻基底的延遲時(shí)間大小不同.例如700m的發(fā)收距可以更好地探測(cè)到1000m深度的低阻層.說(shuō)明可以用小于目標(biāo)深度的發(fā)收距實(shí)現(xiàn)測(cè)深，這在頻率域是無(wú)法做到的.而且短偏移距的曲線變化幅度大，使得曲線特征更為明顯，因此對(duì)地層有更高的分辨能力.

圖2 兩層大地不同偏移距hz（t）曲線Fig.2 Two－layered hz（t）curves with different offset

3 SOTEM數(shù)據(jù)解釋

視電阻率－深度剖面是電磁法勘探中的常規(guī)數(shù)據(jù)解釋手段，有多種算法.其中在特定期間，如早期或晚期的視電阻率算法較為簡(jiǎn)單.但是為了對(duì)全部時(shí)段的觀測(cè)數(shù)據(jù)都有較好的地層反映，有必要采用如下的全期視電阻率算法.

3.1 全期視電阻率計(jì)算

文獻(xiàn)［25］給出了電性源由垂直磁場(chǎng)hz（t）出發(fā)的視電阻率ρs公式：

式中，g［hz（t）］是隱函數(shù)，可用如下級(jí)數(shù)逼近.

其中系數(shù)bi由文獻(xiàn)［25］給出，αi由最小二乘法求取，即使目標(biāo)函數(shù)F取極小值.

式中

圖3分別是G和D型兩層大地全期和早、晚期視電阻率對(duì)比曲線.可以看出，全期視電阻率對(duì)地電結(jié)構(gòu)變化的反映優(yōu)于早期和晚期視電阻率的.

需要注意的是：通過(guò)線圈測(cè)得的磁場(chǎng)分量實(shí)際上是感生電動(dòng)勢(shì)，即?hz／?t.因此在利用全期視電阻率公式（10）之前，還應(yīng)該把實(shí)測(cè)感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)化成垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度hz（t）.

3.2 視深度

公式（7）是計(jì)算視深度的基礎(chǔ)，是電磁法探測(cè)深度經(jīng)典文獻(xiàn)［22］定義的TEM場(chǎng)的“擴(kuò)散深度”，是給定時(shí)間t內(nèi)階躍脈沖向地下單向傳播到達(dá)的深度.要探測(cè)地下某一深度的目標(biāo)體，還需要返回時(shí)間，此雙向傳播時(shí)間至少為2t，文獻(xiàn)［22］的解析分析和其后的直接時(shí)域數(shù)值分析［23］表明，當(dāng)攜帶地質(zhì)信息的場(chǎng)剛剛返回到地面時(shí)，以目前的TEM方法和儀器的觀測(cè)體制，還不能分辨出反射脈沖到達(dá)的時(shí)刻，還需要在分離時(shí)間之后延遲一段時(shí)間，達(dá)到可分辨時(shí)間，以分離異常；此外，大地的色散作用使低頻成分逐漸占優(yōu)的脈沖群速變慢.綜合這些因素，可再將2t時(shí)間加倍，取觀測(cè)時(shí)間為T(mén)＝4t，代入式（7），得視深度估算公式：

由（16）式得觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)估算公式：

式中用電阻率ρ替換了電導(dǎo)率σ.

4 探測(cè)實(shí)例

時(shí)域SOTEM在河南某鹽礦地下溶腔探測(cè)中進(jìn)行了試驗(yàn)性施工，證明了SOTEM的探測(cè)能力，取得了良好的地質(zhì)效果.

4.1 工作參數(shù)

測(cè)區(qū)位于河南省中部葉縣，地質(zhì)構(gòu)造屬于舞陽(yáng)盆地，鹽礦層數(shù)56層，鹽層厚度累計(jì)430m.在地下1300～1400m層位發(fā)育有水溶壓裂開(kāi)采造成的溶腔，探測(cè)的目的是查明地下溶腔的分布范圍.由于含鹽地層溶水開(kāi)采后形成的鹵水極易導(dǎo)電，應(yīng)呈低阻反應(yīng)，觀測(cè)垂直磁場(chǎng)hz比較有利.使用V8電法工作站和SB－7K型磁探頭（有效接收面積40000m2）進(jìn)行測(cè)試.

如前所述，瞬變電磁法探測(cè)深度主要由地層電阻率和觀測(cè)時(shí)間決定.表1列出了測(cè)區(qū)的地層電性.

圖3 兩層大地早期、晚期、全期視電阻率對(duì)比Fig.3 Two－layered curves of early－time，late－time and whole time（a）G－type；（b）D－type.

表1 河南某鹽礦地層電性Table 1 Geo－electric earth of some salt－ore in Henan province

雖然正演曲線（圖2）和轉(zhuǎn)換后的視電阻率曲線（圖3）可以表示可分辨目的層的大致觀測(cè)時(shí)長(zhǎng).但是，實(shí)際地層層數(shù)遠(yuǎn)比表1列出的多.三層以上的場(chǎng)曲線由于假極值效應(yīng)［20］，將使層位不易分辨.況且，正演的時(shí)長(zhǎng)也是需要事前確定的.為此，可用公式（11）估算觀測(cè)時(shí)長(zhǎng).眾所周知，在瞬變電磁法中，發(fā)射裝置通電或斷電瞬間激發(fā)的電磁波，首先在空氣中以光速c很快傳播到地表各處，然后有一部分電磁能量垂直傳入地下.故可將表1地層厚度和電阻率代入以下公式，得出與地層層理垂直的綜合電阻率ρn［26］，有

式中m為地層層數(shù).再將ρn≈65Ωm代入公式（17）可知需要的觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度t約為125ms（以光速傳播到接收點(diǎn)需要的時(shí)間遠(yuǎn)小于在地中的垂直傳播時(shí)間，忽略不計(jì)）.當(dāng)然，還有直接從場(chǎng)源傳播到地中的電磁能量.由于大地的電抗作用，與以光速建立的第一種場(chǎng)相比，第二種場(chǎng)的建立比較遲緩［26］.因此，觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)的估算以第一種場(chǎng)為準(zhǔn).查V8儀器的觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)（表2）可知，要探測(cè)賦存深度1300～1400m的溶腔，應(yīng)取重復(fù)頻率為1Hz的時(shí)間檔.

表2 V8儀器SOTEM觀測(cè)時(shí)間表Table 2 SOTEM survey time table of V8system

在發(fā)收距的確定方面，如前所述，如果激勵(lì)波形是理想階躍函數(shù)，脈沖關(guān)斷后觀測(cè)的即為二次場(chǎng)，甚至零偏移距都具有探測(cè)能力.但實(shí)際儀器電路本身的響應(yīng)、發(fā)射導(dǎo)線、大地造成的關(guān)斷效應(yīng)，使得關(guān)斷后的一段時(shí)間內(nèi)還有一次場(chǎng)存在.為分離關(guān)斷效應(yīng)造成的一次場(chǎng)，導(dǎo)線源和觀測(cè)點(diǎn)之間應(yīng)當(dāng)有適當(dāng)?shù)木嚯x.還由于導(dǎo)電大地中的輻射場(chǎng)按指數(shù)衰減，源附近的場(chǎng)變化較為劇烈，較小的坐標(biāo)測(cè)量誤差，將通過(guò)視電阻率公式引起較大的解釋誤差［27－28］，因此，源和接收點(diǎn)之間需要有一段距離.本次探測(cè)采用的收發(fā)距r＝700～1000m.而且，為達(dá)到一定的信噪比，要求有合理的接地導(dǎo)線源長(zhǎng)度AB和供電電流I.當(dāng)發(fā)收距r＝1000m，重復(fù)頻率f＝1Hz，AB＝1000m、I＝20A 時(shí)，進(jìn)行觀測(cè)，圖4為實(shí)測(cè)二次感應(yīng)電壓衰減曲線，可見(jiàn)采用上述工作參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)可取得較高質(zhì)量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù).

圖4 實(shí)測(cè)感生電動(dòng)勢(shì)V（t）曲線Fig.4 EMF curve of field collected data

4.2 探測(cè)效果

圖5是鹽礦溶腔探測(cè)中的一條剖面（點(diǎn)距40m）.在視電阻率剖面 （圖5a）中，地下100m內(nèi)的高阻層、地下100～700m之間的低阻層、地下700～1100m的更低阻層、和地下1100～1500m的高阻層，分別與第四系的沙礫粘土互層、第三系的砂巖泥巖互層、泥巖層和含鹽的膏質(zhì)泥巖頁(yè)巖互層對(duì)應(yīng)，短偏移SOTEM觀測(cè)剖面很好地反映了地層電性變化，圖5b是推斷地質(zhì)剖面.進(jìn)一步地，可以發(fā)現(xiàn)在深度1200～1400m范圍內(nèi)，視電阻率的橫向及縱向分布不均勻，在整體的高阻背景下呈現(xiàn)幾處120Ωm的低阻等值線封閉區(qū)，根據(jù)鹽礦賦存深度，推斷為溶腔的反應(yīng).由此圈定了80—120號(hào)點(diǎn)、280—400號(hào)點(diǎn)、600—640號(hào)點(diǎn)的三處溶腔.隨后在360號(hào)點(diǎn)布設(shè)的鉆孔，在地下1210m處見(jiàn)鹽溶腔，證實(shí)了SOTEM的探測(cè)效果.

圖5 鹽礦溶腔SOTEM實(shí)測(cè)成果圖（a）視電阻率－深度剖面；（b）地質(zhì)推斷剖面.Fig.5 Result of field data typical section（a）Apparent resistivity section；（b）Interpreted geological section.

5 結(jié)論與展望

當(dāng)采用階躍脈沖作為激發(fā)源，有足夠的觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)，在滿足信噪比和接收機(jī)靈敏度的情況下，短偏移SOTEM不僅具有長(zhǎng)偏移LOTEM的深部探測(cè)能力，而且層狀大地表面上接地電性源的場(chǎng)，隨著偏移距由長(zhǎng)到短，曲線特征從平緩模糊變得陡峭明顯，說(shuō)明SOTEM對(duì)地層有更好的分辨能力.當(dāng)測(cè)區(qū)的構(gòu)造不能用一維水平層狀大地近似時(shí)，較小的偏移距體積效應(yīng)小，記錄點(diǎn)問(wèn)題較易處理，解釋結(jié)果的確定性更強(qiáng)，有更廣泛的應(yīng)用適應(yīng)性.在1400m深度的鹽礦溶腔探測(cè)中，用小于埋藏深度的1000m短偏移距測(cè)出的溶腔被鉆孔驗(yàn)證.表明了SOTEM的勘探效果.在深部探測(cè)中，為獲得高質(zhì)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用的長(zhǎng)接地導(dǎo)線源，不能再用電偶極子近似.短偏移的場(chǎng)點(diǎn)與源點(diǎn)更為接近，需要有比沿線做電偶極子積分更精確的理論公式，如以時(shí)變點(diǎn)電荷為微元的理論公式，作為進(jìn)一步的研究基礎(chǔ).此外，接地導(dǎo)線源SOTEM對(duì)高阻體的探測(cè)能力，其它電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量在不同環(huán)境、不同地質(zhì)任務(wù)中的應(yīng)用等，都將是今后要繼續(xù)深入研究的.可以預(yù)計(jì)，SOTEM將為提高深部探測(cè)的分辨率、發(fā)展新的觀測(cè)和解釋技術(shù)起到積極的作用.

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