地面瞬變電磁數(shù)據(jù)的早期畸變與校正方法

王 益，王 鵬

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077; 2.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710054)

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地面瞬變電磁數(shù)據(jù)的早期畸變與校正方法

王 益1，2，王 鵬1

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077; 2.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710054)

地面瞬變電磁勘探實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，不同邊長(zhǎng)外框采集的數(shù)據(jù)在早期存在規(guī)律性畸變,推斷關(guān)斷時(shí)間和視電阻率轉(zhuǎn)換算法均有可能引起畸變,為此采用試驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)計(jì)算證實(shí)：實(shí)際關(guān)斷時(shí)間并不足以引發(fā)電磁數(shù)據(jù)畸變；而在常規(guī)情況下的早晚期時(shí)間節(jié)點(diǎn)均存在數(shù)據(jù)畸變，且畸變主要發(fā)生在節(jié)點(diǎn)前，畸變程度與回線大小正相關(guān)；采用晚期公式計(jì)算是導(dǎo)致畸變的主要原因。使用二分搜索法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行視電阻率轉(zhuǎn)換，可以有效的克服電磁數(shù)據(jù)的早期畸變，獲得與實(shí)際地層更吻合的視電阻率曲線。對(duì)不同外框試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算表明校正效果隨外框邊長(zhǎng)的增大而減弱。

瞬變電磁早期畸變；關(guān)斷時(shí)間；早晚期節(jié)點(diǎn)；全區(qū)視電阻率；二分搜索法

0 引言

時(shí)間域瞬變電磁法由于其探測(cè)深度大、高阻穿透能力強(qiáng)、受地形影響相對(duì)較小和施工效率高的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于金屬礦勘探[1]、油氣田勘探[2]和煤田水文地質(zhì)勘探[3～6]中。目前常用的裝置介于大定源和中心回線之間，即在地面敷設(shè)較大的正方形發(fā)射回線，在回線中心1/3邊長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，近似認(rèn)為該區(qū)域?yàn)榫鶆驁?chǎng)，電阻率轉(zhuǎn)換按中心回線裝置進(jìn)行計(jì)算。

地面瞬變電磁數(shù)據(jù)采集中一個(gè)重要的參數(shù)是發(fā)射回線的大小，一般根據(jù)最大探測(cè)深度予以確定，但鮮見(jiàn)關(guān)于不同大小回線信號(hào)的研究。瞬變電磁觀測(cè)信號(hào)分為早期和晚期，對(duì)早期信號(hào)響應(yīng)特征的研究相對(duì)較少，楊海燕等[7]對(duì)多匝回線的自感影響早期信號(hào)的特征進(jìn)行了研究，F(xiàn).Kamenetsky等[8]從計(jì)算線圈自感的影響上分析早期信號(hào)的響應(yīng)特性，李創(chuàng)社等[9]從儀器線路設(shè)計(jì)上研究早期信號(hào)的檢測(cè)方法。常規(guī)地面瞬變電磁信號(hào)的視電阻率轉(zhuǎn)換一般按晚期公式進(jìn)行計(jì)算，這導(dǎo)致得到的早期視電阻率曲線畸變，與實(shí)際值偏差較大。由于瞬變場(chǎng)的表達(dá)式是電阻率和時(shí)間的隱函數(shù)，不能通過(guò)解析式從觀測(cè)值得到巖層的視電阻率。在全區(qū)視電阻率計(jì)算方面，已有眾多學(xué)者做了大量研究。白登海等[10]給出了一種時(shí)間域瞬變電磁法視電阻率的數(shù)值計(jì)算方法, 該方法根據(jù)中心方式磁場(chǎng)垂直分量時(shí)間變化率的核函數(shù)的表現(xiàn)特征, 把整個(gè)瞬變過(guò)程分為早期階段、早期到晚期的轉(zhuǎn)折點(diǎn)和晚期階段。分別得到早期視電阻率和晚期視電阻率, 然后通過(guò)轉(zhuǎn)折點(diǎn)構(gòu)成一條完整的全程視電阻率曲線。楊生等[11]給出了中心回線裝置發(fā)射電流為斜階躍波形條件下全區(qū)視電阻率迭代反演計(jì)算方法。李建平等[12]把回線分解為水平電偶極子,然后給出利用電偶極子求取全區(qū)視電阻率的方法。王華軍等[13]依據(jù)均勻半空間瞬變響應(yīng)曲線隨地下電導(dǎo)率、發(fā)射回線邊長(zhǎng)與觀測(cè)時(shí)間具有平移伸縮特性, 提出了一種直接計(jì)算全區(qū)視電阻率的方法。付志紅等[14]研究了斜階躍場(chǎng)源瞬變電磁法的全程視電阻率數(shù)值計(jì)算。陳清禮基于[15]均勻半空間中心回線觀測(cè)方式瞬變電磁測(cè)深法的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨電阻率的增大而單調(diào)下降的特性，設(shè)計(jì)出計(jì)算全區(qū)視電阻率的一種快速且精確的算法，張成范等[16]通過(guò)對(duì)理論模型和實(shí)際數(shù)據(jù)的計(jì)算證明了該方法的有效性和正確性。

地面瞬變電磁實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用不同邊長(zhǎng)的外框進(jìn)行相同測(cè)點(diǎn)的測(cè)量時(shí)，相應(yīng)的衰減值曲線存在有規(guī)律性的畸變。對(duì)邊長(zhǎng)越大的外框，轉(zhuǎn)換的早期視電阻率值越高，但晚期均趨于一致。針對(duì)這種現(xiàn)象，在陜北某地進(jìn)行針對(duì)性試驗(yàn)，以驗(yàn)證這種現(xiàn)象。從關(guān)斷時(shí)間、早晚期節(jié)點(diǎn)與全區(qū)算法方面，對(duì)畸變現(xiàn)象進(jìn)行了研究與校正。

1 早期畸變現(xiàn)象

大量實(shí)測(cè)結(jié)果表明，回線邊長(zhǎng)對(duì)視電阻率的影響較大。對(duì)同一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行瞬變電磁測(cè)深，其它參數(shù)不變，只改變回線大小，采集的衰減值曲線在早期相交，而視電阻率曲線在早期分叉。針對(duì)此現(xiàn)象，在陜北某煤田進(jìn)行試驗(yàn)，圖1為120、240、360m回線在相同測(cè)點(diǎn)觀測(cè)的感應(yīng)曲線和換算的視電阻率曲線，采取雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)。

圖1 不同大小回線觀測(cè)結(jié)果Figure 1 Observed results from different sized loops

從圖1可以看出，改變發(fā)射回線邊長(zhǎng)后，采集的感應(yīng)曲線和換算的視電阻率曲線均存在明顯不同。對(duì)感應(yīng)曲線，表現(xiàn)為早期時(shí)間內(nèi)大回線的感應(yīng)值相對(duì)低，小回線的感應(yīng)值相對(duì)高，即感應(yīng)值與回線大小負(fù)相關(guān)；晚期時(shí)間差距明顯縮小。對(duì)視電阻率曲線，晚期時(shí)間各曲線基本重合，而早期時(shí)間分叉加大，表現(xiàn)為回線越長(zhǎng)則電阻率值越高。由瞬變電磁方法的特點(diǎn)可知，時(shí)間-視電阻率曲線反映地層深度上的導(dǎo)電性變化，而相同測(cè)點(diǎn)下地層導(dǎo)電性是唯一的，因此上面不同大框得到的結(jié)果并不統(tǒng)一這個(gè)特點(diǎn)與實(shí)際不符。

2 關(guān)斷時(shí)間的影響

關(guān)斷時(shí)間是影響早期信號(hào)的一個(gè)重要因素。由于完全斷掉大框電流需要一定的時(shí)間，因此很容易地聯(lián)想到是否因?yàn)橥饪蛟酱笤诫y關(guān)斷，使其二次場(chǎng)受到影響而產(chǎn)生畸變。試驗(yàn)設(shè)備為V8工作站，關(guān)斷時(shí)間的估算公式：

L=0.005×S1.127×N2

TΓ=I×L

式中L——電感，mH；S——發(fā)射框邊長(zhǎng)，m；N——發(fā)射框匝數(shù)；T?！P(guān)斷時(shí)間，μs；l——發(fā)射電流，A。

試驗(yàn)中120、240、360m大框?qū)?yīng)的電流分別是16A、13.7A、12.9A，按照上面公式計(jì)算關(guān)斷時(shí)間分別為17.6μs、33.0μs、49.0μs。試驗(yàn)數(shù)據(jù)第一道時(shí)間為79.0μs，大于計(jì)算的關(guān)斷時(shí)間，在忽略接收系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程對(duì)響應(yīng)影響的條件下，可認(rèn)為原始數(shù)據(jù)并沒(méi)有受到關(guān)斷時(shí)間的影響。

3 早晚期節(jié)點(diǎn)

薛國(guó)強(qiáng)[17]在對(duì)瞬變電磁視電阻率數(shù)據(jù)向平面波場(chǎng)測(cè)深視電阻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)，發(fā)現(xiàn)由于瞬變電磁使用晚期計(jì)算公式及裝置問(wèn)題, 使測(cè)深曲線早期數(shù)據(jù)發(fā)生畸變。在建立一個(gè)兩層介質(zhì)模型，使用不同大小的框進(jìn)行正演計(jì)算，按晚期公式轉(zhuǎn)換的視電阻率曲線所表現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相同。該項(xiàng)研究對(duì)這種現(xiàn)象的解釋是：不同裝置的早晚期時(shí)間界限不同，小框的早期時(shí)間相對(duì)較短，更早地進(jìn)入晚期時(shí)間；大框的早期時(shí)間較長(zhǎng)，進(jìn)入晚期時(shí)間相對(duì)較晚。地表電阻率的相對(duì)高低也同樣影響進(jìn)入晚期時(shí)間的界限。對(duì)均勻半空間的正演結(jié)果表明，當(dāng)接收時(shí)間段滿足下式時(shí)，按晚期公式計(jì)算的視電阻率值與真值的偏差小于10%。

式中 t——晚期開(kāi)始時(shí)間，ms； S——大框邊長(zhǎng)，m； ρ——地表電阻率，Ω·m。

針對(duì)目前常用的120、240、360、480、600、720、840、960m大框邊長(zhǎng)，分別計(jì)算出晚期開(kāi)始時(shí)間t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8(表1)。

試驗(yàn)區(qū)地表電阻率約為100Ω·m，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行晚期節(jié)點(diǎn)的計(jì)算，可得到120、240、360m大框在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)入晚期的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，分別為0.1856、0.7425、1.6705ms。為驗(yàn)證晚期電阻率與真值的誤差，分別將240m和360m晚期視電阻率曲線與120m曲線取比值，見(jiàn)圖2。圖中已將晚期節(jié)點(diǎn)標(biāo)注在對(duì)應(yīng)的曲線上，120m大框最早進(jìn)入晚期，其次是240m外框和360m外框。由于120m外框最早進(jìn)入晚期時(shí)間，節(jié)點(diǎn)后的曲線可近似視為真值。240m外框與360m外框在節(jié)點(diǎn)處的視電阻率比值均小于10%，說(shuō)明實(shí)際數(shù)據(jù)表現(xiàn)的特征與理論計(jì)算一致。

以上分析表明，用晚期公式計(jì)算的瞬變電磁視電阻率曲線，在晚期節(jié)點(diǎn)之前畸變，使之與真值存在明顯偏差。這種偏差在理論和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)上均表現(xiàn)與大框邊長(zhǎng)正相關(guān)的規(guī)律，且大框越長(zhǎng)，畸變時(shí)間越長(zhǎng)。

表1 晚期時(shí)間節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

圖2 不同大框視電阻率比值曲線與晚期節(jié)點(diǎn)Figure 2 Apparent resistivity ratio curves and late phase nodes from different sized loops

4 全區(qū)視電阻率計(jì)算實(shí)例

根據(jù)鉆孔資料，試驗(yàn)區(qū)淺部為風(fēng)積沙，中部為新近系紅土，深部為延安組含煤地層(主要成分為中、粗砂巖)和三疊系永坪組粉、細(xì)砂巖。將鉆孔測(cè)井曲線數(shù)字化，可得試驗(yàn)區(qū)巖層隨深度的電阻率變化，見(jiàn)圖3(a)。圖3(a)為側(cè)向電阻率測(cè)井曲線及其4階擬合結(jié)果，該圖顯示由淺至深巖層電阻率逐漸升高，隨后出現(xiàn)下降趨勢(shì)，整體表現(xiàn)為“低-高-低”的地電斷面。

采用陳清禮的二分搜索法[15]對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行

全區(qū)視電阻率計(jì)算。圖3(b)(c)(d)分別為120、240、360m外框的晚期曲線和全區(qū)曲線。觀察該圖可以發(fā)現(xiàn)，120m外框數(shù)據(jù)在早期整體呈現(xiàn)最小電阻率；240m外框的早期曲線大幅下降，接近于最低阻；360m外框數(shù)據(jù)在早期也大幅下降，但整體仍為高阻，與實(shí)際值具有一定的偏差?？傮w而言，經(jīng)過(guò)全區(qū)計(jì)算后，結(jié)果曲線在早期時(shí)間均有一定程度的下降，與真實(shí)值更趨于吻合。

需要注意的是，盡管使用二分搜索法得到的全區(qū)視電阻率曲線與實(shí)際更加吻合，但對(duì)不同的外框，得到的全區(qū)曲線并不一致，這說(shuō)明該算法并不能完全解決全區(qū)視電阻率的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。全區(qū)計(jì)算對(duì)早期電阻率計(jì)算不能完全恢復(fù)的原因在于，各全區(qū)計(jì)算方法均采用數(shù)值算法，公式推導(dǎo)中為便于計(jì)算，忽略一些影響因素(如過(guò)渡過(guò)程)，使得計(jì)算結(jié)果與真實(shí)值存在一定偏差，且不同算法的偏差并不相同。此處采用效果更好的二分搜索法，已對(duì)真實(shí)電阻率進(jìn)行最大程度恢復(fù)。

圖3 測(cè)井曲線與不同大框電阻率曲線Figure 3 Logging traces and resistivity curves of different sized loops

5 結(jié)論

在發(fā)現(xiàn)不同邊長(zhǎng)外框得到的視電阻率曲線存在畸變后，展開(kāi)針對(duì)性試驗(yàn)，在對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、試算的基礎(chǔ)上，對(duì)畸變?cè)?、特征及校正方法進(jìn)行總結(jié)，得出以下主要結(jié)論：

1)隨著大框邊長(zhǎng)的加大，早期信號(hào)變?nèi)?。按晚期公式?jì)算的電阻率曲線在早期明顯畸變，表現(xiàn)為外框越大，早期電阻率值越高。

2)對(duì)關(guān)斷時(shí)間的計(jì)算結(jié)果表明，各邊長(zhǎng)大框的關(guān)斷時(shí)間均小于第一道采樣時(shí)間。在忽略過(guò)渡過(guò)程影響的條件下，這種畸變現(xiàn)象與關(guān)斷時(shí)間無(wú)關(guān)。

3)產(chǎn)生畸變現(xiàn)象的原因是在不適用的早期段使用晚期公式，早晚期時(shí)間節(jié)點(diǎn)與大框邊長(zhǎng)和地表電阻率有關(guān)?？蛟酱?、地表電阻率越低，早晚期節(jié)點(diǎn)越靠后。

4)使用全區(qū)算法能改善早期畸變現(xiàn)象。計(jì)算實(shí)例表明，二分搜索法轉(zhuǎn)換的全區(qū)曲線與實(shí)際結(jié)果更吻合，但修正效果隨框的加大而減弱。

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Surface TEM Data Early Phase Distortion and Calibration Method

Wang Yi1, 2, Wang Peng1

(1. Xi’an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp, Xi’an, Shaanxi 710077;2. School of Environmental Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an, Shaanxi 710054)

During the surface TEM prospecting practices, the early phase distortion can be found in data acquired from different sized loops have existed early phase regular distortions. It is inferred that the turn-off time and apparent resistivity conversion algorithm all can cause distortion, therefore, test procedure has been used to verify. Through computation has justified that the practical turn-off time is not enough to trigger electromagnetic data distortion. While under normal circumstances, early and late phase time nodes have data distortions, and mostly happened before the nodes; distortion degree is positively correlated with loop size; using late phase formula computation is the main reason to cause distortion. Through dichotomizing search carried out tested data apparent resistivity conversion, can effectively overcome early phase electromagnetic data distortion, obtained apparent resistivity curves are more accorded with actual strata. The computation of different sized loops tested data has shown that the calibrated effect is attenuating along with the increasing of loop size.

TEM data early phase distortion; turn-off time; early and late phase time nodes; region-dependent apparent resistivity; dichotomizing search

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.06.15

1674-1803(2017)06-0074-05

王益(1982—)，男，四川人，工程師，在讀碩士研究生，長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與土木工程學(xué)院地質(zhì)工程專業(yè)，從事煤田電法實(shí)踐與研究工作。

2017-04-01

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

責(zé)任編輯：孫常長(zhǎng)