時間域航空電磁法激電效應(yīng)對電磁擴(kuò)散的影響

殷長春， 繆佳佳， 劉云鶴， 邱長凱， 蔡晶

吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 長春 130026

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時間域航空電磁法激電效應(yīng)對電磁擴(kuò)散的影響

殷長春， 繆佳佳*， 劉云鶴， 邱長凱， 蔡晶

吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 長春 130026

由于激發(fā)極化效應(yīng)的影響，時間域航空電磁晚期道信號經(jīng)常會出現(xiàn)變號現(xiàn)象.基于電阻率的傳統(tǒng)反演方法無法對變號數(shù)據(jù)進(jìn)行正確反演，因此通常在數(shù)據(jù)處理中予以剔除.為深入了解極化介質(zhì)的電磁擴(kuò)散特征，認(rèn)識航空瞬變電磁負(fù)響應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，本文研究時間域航空電磁系統(tǒng)的電磁擴(kuò)散特征.我們以均勻極化、非極化半空間及層狀介質(zhì)模型為例，通過直接積分的方法求解頻率域電場響應(yīng)，并由歐姆定律得到電流響應(yīng)，再經(jīng)過漢克爾變換得到時間域電流響應(yīng).通過研究電流隨時間在地下極化介質(zhì)中的傳播特征研究電磁擴(kuò)散過程；通過對比不同激電參數(shù)對電磁擴(kuò)散的影響，研究極化介質(zhì)中感應(yīng)電流與極化電流的擴(kuò)散規(guī)律，從而合理地解釋極化介質(zhì)中負(fù)響應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理.基于本文研究和分析結(jié)果，可加深對時間域航空電磁法中激電效應(yīng)的認(rèn)識.

時間域航空電磁； 激電效應(yīng)； Cole-Cole模型； 電磁擴(kuò)散； 感應(yīng)電流； 極化電流

1 引言

航空電磁法(Airborne Electromagnetic簡稱AEM)是一種以飛行器為載體，對地下目標(biāo)體進(jìn)行勘探的地球物理方法.它憑借速度快、成本低、便捷高效等優(yōu)勢，特別適合地形復(fù)雜地區(qū)(如高山、沙漠、湖泊沼澤等)地球物理勘查.時間域航空電磁法作為AEM的一個重要分支，其工作原理是通過人工激發(fā)脈沖信號，觀測地下介質(zhì)中渦流在On-time和Off-time產(chǎn)生的電磁響應(yīng)，進(jìn)而了解地下介質(zhì)的電性分布.目前該方法主要應(yīng)用于地質(zhì)填圖、礦產(chǎn)勘查、環(huán)境工程和地下水等領(lǐng)域(殷長春等，2015).時間域航空電磁用于高阻極化區(qū)域勘探過程中經(jīng)常觀測到電磁負(fù)響應(yīng)，由于對該類數(shù)據(jù)的產(chǎn)生機(jī)理缺乏了解，嚴(yán)重地影響數(shù)據(jù)處理和解釋.

通常認(rèn)為時間域電磁數(shù)據(jù)的負(fù)響應(yīng)是由激發(fā)極化效應(yīng)產(chǎn)生的.激發(fā)極化效應(yīng)(Induced Polarization簡稱IP)主要包括電子導(dǎo)體和離子導(dǎo)體激發(fā)極化效應(yīng).電子導(dǎo)體的激電效應(yīng)是由于電子導(dǎo)體與溶液界面上的雙電層在外界電流的作用下發(fā)生電子和離子的定向移動，并在斷電后產(chǎn)生的放電現(xiàn)象；離子導(dǎo)體的激電效應(yīng)是由于巖石顆粒和周圍溶液分界面上存在的雙電層在外界電流作用下發(fā)生變形，并在外界電流斷電后產(chǎn)生離子放電.目前該方法已廣泛應(yīng)用于金屬礦產(chǎn)、油氣勘查及水文環(huán)境地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域(B?rner et al.，1996； Kemna et al.，2000；Slater and Lesmes，2002；H?rdt et al.，2007；Williams et al.，2009).與傳統(tǒng)的地面激發(fā)極化法相比，航空激電法(Airborne Induced Polarization簡稱AIP)作為一種新的勘探方法，將航空電磁法和激電法的優(yōu)勢結(jié)合起來，解決了傳統(tǒng)激電法中高阻覆蓋地區(qū)接地電阻過大和復(fù)雜地形等問題.Hohmann等(1970)提出在磁性源下探測激電異常的方法，并指出航空激電法的理論可行性.Pelton等(1978)等基于大量的巖礦石的測量結(jié)果，提出的一種用來描述巖礦石激電效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，即Cole-Cole模型；Spies(1980)在瞬變電磁實測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)符號反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，對此Spies給出幾種不同的解釋，并認(rèn)為其中最可能是由于IP效應(yīng)引起的.Weidelt(1982)證明了重疊回線裝置下，如果地下介質(zhì)的電導(dǎo)率是非頻散的，那么無論地下介質(zhì)電導(dǎo)率如何分布，瞬變電磁響應(yīng)都不會出現(xiàn)符號反轉(zhuǎn).對重疊(或中心)回線瞬變電磁響應(yīng)中的符號反轉(zhuǎn)現(xiàn)象引起了許多學(xué)者的討論.在排除幾何效應(yīng)、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率頻散等因素后，一致認(rèn)為這是由于電化學(xué)的極化機(jī)制引起的電導(dǎo)率頻散現(xiàn)象.另外，學(xué)者們對重疊(或中心)回線瞬變電磁法的激發(fā)極化機(jī)制也進(jìn)行深入的研究和討論(Smith and West，1988；Smith et al.，1988；Flis et al.，1989).其中，Smith等(1988)為了快速計算時間域極化介質(zhì)電磁響應(yīng)，提出一種近似褶積算法.然而，由于其在理論計算過程中忽略與極化電流相關(guān)的耦合項，得到的極化電流為近似極化電流，與感應(yīng)電流方向相反.

本文以時間域航空電磁法正演理論為基礎(chǔ)，通過引入Cole-Cole模型，并根據(jù)Smith等(1988)對極化電流的定義，正演得到頻率域響應(yīng)，經(jīng)過漢克爾變換得到時間域響應(yīng).為了計算實際極化電流密度，我們以極化介質(zhì)的復(fù)電阻率和高頻極限電阻率代替常規(guī)電阻率，分別經(jīng)過正演計算得到總電流密度和感應(yīng)電流密度，其差值即為極化電流密度.與前人研究不同的是，為了研究實際極化電流的擴(kuò)散特征，我們考慮了與極化電流相關(guān)的耦合項的影響.通過研究極化介質(zhì)中感應(yīng)電流和極化電流的分布特征，對航空瞬變電磁法中負(fù)響應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理給出合理解釋.本文研究有利于加深激電效應(yīng)對航空電磁信號影響特征的了解.

2 航空瞬變電磁激電效應(yīng)正演理論

2.1 Cole-Cole模型

Cole-Cole模型是Pelton等(1978)等人提出的用于描述巖石激電效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型.其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下

(1)

其中，ρ0為零頻電阻率，m為充電率，τ為時間常數(shù)，c為頻率相關(guān)系數(shù)，ω為角頻率，i為虛數(shù)單位.對(1)式兩邊取倒數(shù)，得到Cole-Cole模型的復(fù)電導(dǎo)率形式

σ(ω)=σ，

(2)

式中σ為高頻極限電導(dǎo)率，其倒數(shù)為ρ，其中，其他參數(shù)與(1)式相同.

2.2 正演理論

本文以垂直磁偶極子為發(fā)射源，將發(fā)射源設(shè)在直角坐標(biāo)系原點(diǎn)正上方h=30 m處，z軸垂直向下，x、y軸位于地表水平面.發(fā)射磁偶極矩大小為1 Am2，發(fā)射電流為負(fù)階躍波.劉云鶴(2011)給出含源全空間層狀介質(zhì)的電磁場表達(dá)式，其中垂直磁偶極子在任意位置(x，y，z)產(chǎn)生的電場水平分量為

(3)

(4)

(5)

式中J1/2為半整數(shù)階貝塞爾函數(shù)，可以通過Yin等(2008)給出的160點(diǎn)漢克爾濾波系數(shù)計算得到.

根據(jù)Smith等(1988)的理論有

Etot=Efund+Epol，

(6)

Jtot=Jfund+Jpol.

(7)

式中，Etot、Jtot分別為極化介質(zhì)中頻率域總電場和總電流密度，Efund、Jfund分別為極化介質(zhì)中頻率域基本電場和基本電流密度(不存在激電效應(yīng))，剩余部分即為頻率域極化電場Epol和頻率域極化電流密度Jpol.

根據(jù)歐姆定律，總電流密度和基本電流密度為

Jtot=σ(ω)Etot，

(8)

Jfund=σEfund.

(9)

由上式可知，總電流密度Jtot與σ(ω)相關(guān)，基本電流密度Jfund與σ相關(guān)，通常又稱作感應(yīng)電流密度.

綜合公式(2)、(6)、(7)、(8)、(9)可以得到極化電流密度Jpol的數(shù)學(xué)表達(dá)式

(10)

上式第二項表示與極化電流相關(guān)的耦合項(Smith et al.，1988).不同于Smith等(1988)給出的近似極化電流密度，本文極化電流正演計算中包含該耦合項的影響，為實際極化電流密度.上述不同電流頻率域結(jié)果經(jīng)反傅氏變換可得到時間域電流密度.

3 理論模型正演

3.1 精度驗證

為了驗證時間域電流密度正演響應(yīng)的準(zhǔn)確性，我們將本文計算結(jié)果與Raiche等(2007)的算法結(jié)果進(jìn)行對比.以兩種不同電阻率大小的均勻極化半空間模型為例，發(fā)射源為垂直磁偶極子，磁偶極矩為1 Am2，發(fā)射源高度30 m，測點(diǎn)為地下(50 m，0 m，50 m)處，分別計算該點(diǎn)總電流密度、感應(yīng)電流密度及極化電流密度隨時間變化的曲線，圖1展示了精度驗證結(jié)果(虛線表示負(fù)電流密度)，可以看出本文的計算結(jié)果與Raiche的算法結(jié)果吻合很好，不考慮電流密度在變號時刻附近的誤差，低阻極化模型(圖1a)的誤差均在3%以內(nèi)，高阻極化模型(圖1b)的誤差均在5%以內(nèi).

針對低阻極化模型，可以看到早期極化電流密度為正，晚期變?yōu)樨?fù)值.對于高阻極化體，由于其中電流擴(kuò)散速度快，正向極化電流很早衰減完，因此圖1b所示的時間范圍內(nèi)實際極化電流沒有發(fā)生變號.因為實際極化電流的變化規(guī)律不會隨著電阻率大小改變而改變，如能準(zhǔn)確計算更早時間道的極化電流密度值，對于高阻極化模型，我們?nèi)詴l(fā)現(xiàn)早期極化電流為正，晚期變?yōu)樨?fù)值.

3.2 耦合項的影響

為了分析(10)式中耦合項對極化電流密度的影響，我們針對圖1的兩種極化模型，在地下(50 m，0 m，50 m)處，分別計算近似極化電流密度(Smith et al.，1988)、耦合項及實際極化電流密度.圖2分別展示了低阻極化模型和高阻極化模型中耦合項的影響.對于低阻極化模型(圖2a)，耦合項在早期時間道為正值，其大小相對于近似極化電流密度較大，因此實際極化電流在早期為正值，之后變?yōu)樨?fù)值；對于高阻極化模型，如圖2b所示，其耦合項相對于近似極化電流較小(0.01 ms以后)，故極化電流為負(fù)值.從圖2可以看出，早期時間道耦合項的影響均較大，而晚期道耦合項的影響基本可以忽略.由于早期道耦合項是造成實際極化電流出現(xiàn)變號的關(guān)鍵，故本文實際極化電流正演模擬過程中均考慮耦合項的影響.

圖1 精度驗證. (a) 低阻極化模型，ρ0=20 Ωm，ρ=10 Ωm，m=0.5，τ=0.001 s，c=0.9； (b) 高阻極化模型，ρ0=500 Ωm，ρ=250 Ωm，m=0.5，τ=0.001 s，c=0.9.Fig.1 Accuracy verification for the polarizable model of (a) ρ0=20 Ωm，ρ=10 Ωm，m=0.5，τ=0.001 s，c=0.9； (b) ρ0=500 Ωm，ρ=250 Ωm，m=0.5，τ=0.001 s，c=0.9.

圖2 極化電流耦合項的影響特征(模型同圖1) (a) 低阻極化模型； (b)高阻極化模型Fig.2 Influence of coupling term of polarizable current for model (a) and (b) of Fig.1

3.3 算例分析

為了研究時間域航空電磁激電效應(yīng)對電磁擴(kuò)散的影響，我們針對表1給出5種模型的激電參數(shù)計算地下電流分布.為提高計算效率，正演計算中采用OpenMP并行技術(shù).通過分析極化模型中感應(yīng)電流、極化電流及總電流的分布特征，闡述激發(fā)極化的充放電過程，并對航空瞬變電磁中負(fù)響應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理給出合理的解釋.此外，還對比分析不同充電率m、高頻極限電導(dǎo)率σ及層狀極化介質(zhì)對電磁擴(kuò)散特征的影響.

表1 均勻半空間模型參數(shù)

3.3.1 感應(yīng)電流與極化電流

為了分析極化介質(zhì)中感應(yīng)電流與極化電流的變化規(guī)律并解釋時間域航空電磁負(fù)響應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理，我們以模型1為例，計算極化介質(zhì)中感應(yīng)電流jfund、極化電流jpol及總電流jtot的時間域分布結(jié)果.圖3給出4個不同時刻(0.02 ms、0.1 ms、1.0 ms、2.0 ms)模型1中感應(yīng)電流、極化電流及總電流的XZ分布圖(y=0 m).圖 4a為模型1中不同位置極化電流jpol隨時間變化曲線，圖4b為模型1中測點(diǎn)為地下(100 m，0 m，100 m)處的jtot、jfund和jpol隨時間變化曲線.

(11)

對于均勻極化半空間，上式可改寫成

(12)

從上式可以看出，極化電流的散度包括感應(yīng)電場的散度和極化電場的散度.由于感應(yīng)電場為螺線管場，即

(13)

圖3 模型1中(a)感應(yīng)電流密度； (b)極化電流密度； (c)總電流密度的XZ分布圖(y=0 m). 圖中正負(fù)值只表示不同電流流動方向Fig.3 Distribution on the XZ-plane (y=0 m) for (a) induced current； (b) polarization current； (c) total current for Model 1. The positive and negative values indicate the directions of current flow

同時由于極化電場是由離子定向移動產(chǎn)生的有源場，故其散度不為零，因此極化電流的散度也不為零.在早期充電階段，感應(yīng)電場占主導(dǎo)地位，極化電流呈現(xiàn)“煙圈”擴(kuò)散特征；而在晚期放電階段，極化電場逐漸占主導(dǎo)地位，極化電流呈現(xiàn)非“煙圈”擴(kuò)散特征.圖3c給出總電流分布特征.由于總電流包含感應(yīng)電流和極化電流，在早期呈現(xiàn)與感應(yīng)電流相同的擴(kuò)散特征，而在晚期負(fù)向極化電流占主導(dǎo)地位，總電流呈現(xiàn)非螺線管場的極化電流擴(kuò)散特征.

根據(jù)上述感應(yīng)電流和極化電流的充放電過程，我們可以對極化介質(zhì)出現(xiàn)電流負(fù)響應(yīng)給出物理解釋.早期感應(yīng)電流對整個極化半空間進(jìn)行充電，極化電流與感應(yīng)電流流動方向相同(均為正方向)，并呈“煙圈”向下和向外擴(kuò)散.隨著時間推移，感應(yīng)電流逐漸衰減；當(dāng)感應(yīng)電流衰減至無法維持充電狀態(tài)時，極化體達(dá)到充電飽和，此時極化電流為零.之后開始放電過程，極化電流變?yōu)樨?fù)向，其強(qiáng)度先增加再減小，如果某一時刻極化電流值大于感應(yīng)電流值，那么極化介質(zhì)中總電流變?yōu)樨?fù)向，此時航空電磁系統(tǒng)有可能觀測到負(fù)電磁響應(yīng).

必須指出，盡管地下為極化介質(zhì)，且晚期道存在負(fù)向總電流，但時間域航空電磁系統(tǒng)中仍有可能觀測不到負(fù)響應(yīng)數(shù)據(jù).這是因為航空電磁響應(yīng)與系統(tǒng)的Footprint有關(guān)(Yin et al.，2014)，當(dāng)晚期道Footprint影響區(qū)域中既包括正向電流又包括負(fù)向電流(圖3c)，如果負(fù)向電流的響應(yīng)遠(yuǎn)大于正向電流的響應(yīng)，則航空電磁系統(tǒng)觀測到負(fù)電磁響應(yīng)；反之，如果該區(qū)域負(fù)向電流的響應(yīng)小于正向電流的響應(yīng)，則航空電磁系統(tǒng)中觀測不到負(fù)響應(yīng)數(shù)據(jù).通常情況，高阻極化區(qū)由于感應(yīng)電流衰減快，更容易觀測到由激電效應(yīng)引起的電磁負(fù)響應(yīng).從圖 4b給出的模型1中測點(diǎn)(100 m，0 m，100 m)處的感應(yīng)電流、極化電流和總電流隨時間變化特征可以看出，大約在t=0.044 ms充電達(dá)到飽和，此時極化電流為零，之后該點(diǎn)極化電流變?yōu)樨?fù)方向，開始放電過程；當(dāng)極化電流大于感應(yīng)電流時，總電流變?yōu)樨?fù)方向.圖中顯示大約在t=0.4 ms時，該點(diǎn)總電流變?yōu)樨?fù)值.

圖5 模型1中(a)感應(yīng)電流密度； (b)極化電流密度；(c)總電流密度的三維分布. 圖中正負(fù)值只表示電流不同流動方向Fig.5 Three-dimensional distribution for (a) induced current； (b) polarization current； (c) total current for Model 1. The positive and negative values indicate the directions of current flow

圖4 (a)模型1在不同測點(diǎn)處極化電流隨時間變化特征； (b)測點(diǎn)(100 m，0 m，100 m)處感應(yīng)電流密度、極化電流密度和總電流密度隨時間變化特征Fig.4 (a) Polarization current versus time for Model 1 at different locations； (b) induced current，polarization current，and the total current at location (100 m，0 m，100 m) versus time

為進(jìn)一步加深對極化介質(zhì)中電磁擴(kuò)散過程的了解，圖5展示了模型1中感應(yīng)電流、極化電流及總電流的三維空間分布(以t=1.0 ms為例).圖中通過引入時間因子實現(xiàn)動態(tài)描述(動畫可從相關(guān)網(wǎng)頁下載).從電流動態(tài)分布圖中，我們可以更直觀地看到極化電流和感應(yīng)電流的不同擴(kuò)散特征及時間域航空電磁系統(tǒng)電流發(fā)生變號的過程.

3.3.2 充電率m對電磁擴(kuò)散的影響

本節(jié)為研究充電率m對電磁擴(kuò)散的影響，我們對比不同充電率模型的電流分布特征.圖6展示了模型1—3中總電流密度的XZ分布圖(y=0 m)，其中模型3為均勻非極化半空間模型.從圖中可以看出，不同充電率模型均存在電流隨時間擴(kuò)散的現(xiàn)象.其中，非極化半空間瞬變電流呈現(xiàn)“煙圈”效應(yīng)(圖6c)，而極化半空間由于存在激電效應(yīng)(圖6(a,b))，電流在擴(kuò)散過程中出現(xiàn)變號，隨時間向下和向外擴(kuò)散.此外，不同充電率模型中早期電流擴(kuò)散特征相似，這是因為早期極化模型中的感應(yīng)電流占主導(dǎo)地位，激電效應(yīng)不明顯. 隨著時間推移，極化電流開始占主導(dǎo)地位，激電效應(yīng)變的明顯，隨之極化介質(zhì)中開始出現(xiàn)負(fù)向電流.從圖6和圖7給出的不同充電率模型的電流衰減曲線可以看出，充電率越大，負(fù)響應(yīng)幅值越大且出現(xiàn)越早，影響范圍也越大.

圖6 不同充電率模型中總電流密度的XZ分布圖(y=0 m). 圖中正負(fù)值只表示不同電流流動方向Fig.6 Total current at the XZ plane(y=0 m)for different models. The positive and negative values indicate the directions of current flow

圖7 極化模型中測點(diǎn)(100 m，0 m，100 m)處總電流密度隨時間變化特征Fig.7 Total current at location (100 m，0 m，100 m) versus time for different m

3.3.3σ對電磁擴(kuò)散的影響

為了研究極化介質(zhì)中σ對電磁擴(kuò)散的影響.圖8展示了模型1、4和5中總電流密度的XZ分布圖(y=0 m).從圖中可以看出，對于均勻極化半空間模型，σ越小(高阻極化介質(zhì))，電流擴(kuò)散速度越快，負(fù)向電流出現(xiàn)越早，相同時刻負(fù)向電流影響范圍越大.圖9給出不同σ模型在同一測點(diǎn)處的總電流密度jtot隨時間變化結(jié)果.從圖中可以看出，σ越小，電流出現(xiàn)變號時間越早，負(fù)向電流影響范圍越大，這也說明了高阻極化區(qū)激電效應(yīng)更明顯.

圖8 模型1、4和5總電流密度的XZ分布圖(y=0 m). 圖中正負(fù)值只表示不同電流流動方向Fig.8 Total current at the XZ plane (y=0 m) for Model 1，4 and 5. The positive and negative values indicate the directions of current flow

圖9 極化模型中測點(diǎn)(200 m，0 m，100 m)處電流密度隨時間變化特征Fig.9 Total current at location (200 m，0 m，100 m) versus time for different σ

圖10 層狀模型示意圖Fig.10 A layered earth model

3.3.4 層狀極化介質(zhì)對電磁擴(kuò)散的影響

為考慮層狀介質(zhì)電性分界面對電磁擴(kuò)散的影響，我們以兩層介質(zhì)模型為例，表層為極化層，基底為非極化半空間.圖10給出層狀介質(zhì)模型參數(shù).圖11給出4個不同時刻層狀介質(zhì)中感應(yīng)電流、極化電流及總電流的XZ分布圖(y=0 m).從圖11可以看出，相對于均勻半空間模型，由于層狀介質(zhì)存在電性分界面，其電流密度在電性分界面兩側(cè)呈現(xiàn)不連續(xù)性.從圖11a可以看出，感應(yīng)電流從表層穿透分界面保持正方向流動；從圖11b可以看出，極化電流只產(chǎn)生于表層極化介質(zhì)中，非極化基底不產(chǎn)生極化電流.隨著時間推移，表層介質(zhì)中的極化電流向下傳播，穿透電性分界面并在非極化半空間中擴(kuò)散.圖11b也非常明顯地展示了層狀介質(zhì)中極化電流的充放電過程.考慮到總電流為感應(yīng)電流和極化電流的綜合效應(yīng)，圖11c表明隨時間總電流僅在表層極化層中發(fā)生變號現(xiàn)象，在非極化基底中感應(yīng)電流始終占主導(dǎo)地位，總電流沒有發(fā)生變號.

4 結(jié)論

本文以時間域航空電磁激電效應(yīng)理論和算法為基礎(chǔ)，通過分析均勻半空間模型中感應(yīng)電流和極化電流的分布特征，闡述激發(fā)極化的充放電過程，對航空瞬變電磁中負(fù)響應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理給出解釋.通過對比分析不同激電參數(shù)對時間域航空電磁法電磁擴(kuò)散的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 極化介質(zhì)中既存在感應(yīng)電流，又存在極化電流.早期感應(yīng)電流影響較大，激電效應(yīng)不明顯，而晚期極化電流占主導(dǎo)地位，激電效應(yīng)變的明顯.

圖11 層狀介質(zhì)中(a)感應(yīng)電流密度；(b)極化電流密度；(c)總電流密度的XZ分布圖(y=0 m)，圖中正負(fù)值只表示不同電流流動方向Fig.11 Distribution on the XZ-plane (y=0 m) for (a) induced current；(b) polarization current； (c) total current for the layered earth in Fig.10，The positive and negative values indicate the directions of current flow

(2) 早期充電過程中極化電流呈現(xiàn)類似于感應(yīng)電流的“煙圈”擴(kuò)散特征，而晚期的極化電流受離子/電子放電影響為有源場，不呈現(xiàn)“煙圈”擴(kuò)散特征.

(3) 極化介質(zhì)的充電率越大，電流出現(xiàn)變號時間越早，負(fù)向總電流幅值也越大，影響范圍越大.

(4) 極化介質(zhì)的電導(dǎo)率σ越小，電流出現(xiàn)變號時間越早，負(fù)向電流幅值及激電效應(yīng)影響越大.

(5) 在極化區(qū)，實際航空電磁勘探中能否觀測到電磁負(fù)響應(yīng)取決于測區(qū)電阻率、激電參數(shù)、電磁系統(tǒng)的Footprint和觀測時間等因素.高阻極化區(qū)更容易觀測到電磁負(fù)響應(yīng)，而低阻極化區(qū)有可能觀測不到電磁負(fù)響應(yīng).

通過本文極化介質(zhì)中電磁擴(kuò)散過程的研究和激發(fā)極化產(chǎn)生負(fù)電磁響應(yīng)機(jī)理的探討，希望加深對航空電磁系統(tǒng)激電效應(yīng)的理解，促進(jìn)極化區(qū)航空電磁數(shù)據(jù)的合理解釋.

致謝 作者向吉林大學(xué)電磁“千人計劃”研究團(tuán)隊成員在文章的準(zhǔn)備過程中提供的幫助表示感謝.特別對審稿人和編輯對本文提出的修改建議表示感謝.

B?rner F D, Schopper J R, Weller A. 1996. Evaluation of transport and storage properties in the soil and groundwater zone from induced polarization measurements.GeophysicalProspecting, 44(4): 583-601.

Chave A D. 1983. Numerical integration of related Hankel transforms by quadrature and continued fraction expansion.Geophysics, 48(12): 1671-1686. Flis M F, Newman G A, Hohmann G W. 1989. Induced-polarization effects in time-domain electromagnetic measurements.Geophysics, 54(4): 514-523. Hohmann G W, Kintzinger P R, Van Voorhis G D, et al. 1970. Evaluation of the measurement of induced electrical polarization with an inductive system.Geophysics, 35(5): 901-915. H?rdt A, Blaschek R, Kemna A, et al. 2007. Hydraulic conductivity estimation from induced polarisation data at the field scale—the Krauthausen case history.JournalofAppliedGeophysics, 62(1): 33-46. Kemna A, Binley A, Ramirez A, et al. 2000. Complex resistivity tomography for environmental applications.ChemicalEngineeringJournal, 77(1-2): 11-18. Liu Y H. 2011. Research on 3-D controlled source electromagnetic method inversion using nonlinear conjugate gradients (in Chinese)[Ph. D. thesis]. Changchun: Jilin University.

Pelton W H, Ward S H, Hallof P G, et al. 1978. Mineral discrimination and removal of inductive coupling with multifrequency IP.Geophysics, 43(3), 588-609.Raiche A，Sugeng F，Wilson G.2007. Practical 3D EM inversion? The P223F software suite.ASEGExtendedAbstracts，2007(1)：1-5.

Slater L, Lesmes D P. 2002. Electrical-hydraulic relationships observed for unconsolidated sediments.WaterResourcesResearch, 38(10): 31-1-31-13. Smith R S, Walker P W, Polzer B D, et al. 1988. The time-domain electromagnetic response of polarizable bodies: An approximate convolution algorithm.GeophysicalProspecting, 36(7): 772-785. Smith R S, West G F. 1988. Inductive interaction between polarizable conductors: An explanation of a negative coincident-loop transient electromagnetic response.Geophysics, 53(5): 677-690.

Spies B R. 1980. A field occurrence of sign reversals with the transient electromagnetic method.GeophysicalProspecting, 28(4): 620-632. Weidelt P. 1982. Response characteristics of coincident loop transient electromagnetic systems.Geophysics, 47(9): 1325-1330.

Williams K H, Kemna A, Wilkins M J, et al. 2009. Geophysical monitoring of coupled microbial and geochemical processes during stimulated subsurface bioremediation.EnvironmentalScience&Technology, 43(17): 6717-6723.

Yin C, Smith R S, Hodges G, et al. 2008. Modeling results of on-and off-time B and dB/dt for time-domain airborne EM systems. ∥70th Annual EAGE Conference and Exhibition. Extended Abstract, 1-4.

Yin C C, Huang W, Ben F. 2013. The full-time electromagnetic

modeling for time-domain airborne electromagnetic systems.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 56(9): 3153-3162, doi: 10.6038/cjg20130928.

Yin C C, Huang X, Liu Y H, et al. 2014. Footprint for frequency-domain airborne electromagnetic systems.Geophysics, 79(6): E243-E254.

Yin C C, Zhang B, Liu Y H, et al. 2015. Review on airborne EM technology and developments.ChineseJ.Geophy. (in Chinese), 58(8): 2637-2653, doi: 10.6038/cjg20150804.

附中文參考文獻(xiàn)

劉云鶴. 2011. 三維可控源電磁法非線性共軛梯度反演研究[博士論文]. 長春: 吉林大學(xué).

殷長春, 黃威, 賁放. 2013. 時間域航空電磁系統(tǒng)瞬變?nèi)珪r響應(yīng)正演模擬. 地球物理學(xué)報, 56(9): 3153-3162, doi: 10.6038/cjg20130928.

殷長春, 張博, 劉云鶴等. 2015. 航空電磁勘查技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望. 地球物理學(xué)報, 58(8): 2637-2653, doi: 10.6038/cjg20150804.

(本文編輯 劉少華)

The effect of induced polarization on time-domain airborne EM diffusion

YIN Chang-Chun， MIAO Jia-Jia*， LIU Yun-He， QIU Chang-Kai， CAI Jing

CollegeofGeo-explorationScienceandTechnology，JilinUniversity，Changchun130026，China

Airborne transient electromagnetic (ATEM) data frequently shows sign reversal in the late-time channels duo to IP effect. Traditional inversion algorithms based on real resistivity cannot deliver reasonable results for such kind of data. They are usually deleted in the data processing. For in-depth understanding the characteristics of EM diffusion in a polarizable medium and acquainting the mechanism of negative responses caused by the polarizable medium, we study the IP effect on EM diffusion for an airborne EM system.We take as examples a polarizable and non-polarizable homogeneous half-space and a layered earth model. For the time-domain airborne EM system, we use direct integration to calculate the frequency-domain electric field and then obtain the frequency-domain current by using the Ohm′s law. After that, we convert the frequency-domain responses to time-domain via a Hankel′s transform. By introducing the time factor in the current responses, we can describe the dynamic process of EM diffusion in the underground. In the dynamic presentations (not shown in the paper but downloadable from proper website), we display the induced current, polarization current and total current diffusion in a polarizable medium as 3D animated contours.From the dynamic presentations of EM diffusion in a polarizable medium, we find that the induced current diffuses in the underground, forming the “smoking ring”. However, the polarization current has sign reversal during the diffusion process. At the early time, the polarization current is heavily connected with the induced current and flows in the same direction as the induced current, the underground medium is charged until the time when the induced current can no longer maintain the charging, the polarization current begins to reverse its sign (flow direction). The sign reversal of polarization current can result in negative EM signal in airborne EM systems. We further study the influence of chargeability and the conductivity at infinite frequency on the EM diffusion and find that the greater the chargeability, the earlier the sign reverses and the larger the influence range is. For the same chargeability, the smaller the conductivity, the earlier the sign reverses and the larger the influence range is. In a polarizable and resistive region, one can easily measure the negative EM signal.From the research of this paper, we can draw the conclusion that depending on the resistivity and IP parameters of the earth, the induced polarization can heavily influence the EM diffusion process, resulting in the possible sign reversal in AEM survey signal. Special attention needs to be paid in resistive areas with high polarizations.

Time-domain airborne EM； Induced polarization； Cole-Cole model； EM diffusion； Induced current； Polarization current

10.6038/cjg20161230.

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目(41530320)、面上項目(41274121)和青年基金項目(41404093)、中科院國家重大科研裝備研制項目(ZDYZ2012-1-03)聯(lián)合資助.

殷長春，男，1965年生，教授，國家“千人計劃”特聘專家，主要從事電磁勘探理論，特別是航空和海洋電磁方面的研究.

E-mail：yinchangchun@jlu.edu.cn

10.6038/cjg20161230

P631

2016-04-30, 2016-10-10收修定稿

殷長春， 繆佳佳， 劉云鶴等. 2016. 時間域航空電磁法激電效應(yīng)對電磁擴(kuò)散的影響. 地球物理學(xué)報，59(12):4710-4719,

Yin C C， Miao J J， Liu Y H, et al. 2016. The effect of induced polarization on time-domain airborne EM diffusion.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(12):4710-4719,doi:10.6038/cjg20161230.

*通訊作者 繆佳佳，男，1992年生，碩士，主要從事航空電磁、激電效應(yīng)的正反演理論和方法技術(shù)研究. E-mail：miaojiajia92@126.com