電性源瞬變電磁法EX分量和HZ分量對比分析

崔江偉， 王施智， 古 瑤

(陜西省煤田物探測繪有限公司,西安 710005)

0 引言

瞬變電磁法按其裝置類型可分為回線源瞬變電磁法和電性源瞬變電磁法兩種，但回線源瞬變電磁法僅對低阻異常敏感，對高阻異常的探測能力較弱，且勘探深度有限。而電性源瞬變電磁法采用接地源發(fā)射，信號強(qiáng)度大，信噪比高，探測精度大。且其不僅可以觀測磁場垂直分量還可以觀測電場水平分量，所以能對低阻和高阻異常都有較好的反映。由于電性源瞬變電磁法中只有水平電場Ex和垂直磁場Hz的衰減與平面分布特征較為簡單，可在實(shí)際勘探中進(jìn)行推廣應(yīng)用[1-5]。

近年來，電性源瞬變電磁的垂直磁場分量得到了最為廣泛地研究和應(yīng)用。薛國強(qiáng)等[6]通過理論與實(shí)踐證明對于電性源瞬變電磁法，當(dāng)選取適當(dāng)?shù)陌l(fā)射波形后，隨著偏移距的縮短，電性源瞬變電磁場對地層的反映變得更為靈敏，且瞬變電磁法的探測深度主要由觀測時(shí)長決定，并由此提出電性源短偏移距瞬變電磁探測技術(shù)(SOTEM)，陳衛(wèi)營等[7]以接地長導(dǎo)線源一維正演為基礎(chǔ)分析對比了電性源瞬變電磁法垂直磁場分量對不同電阻率、不同厚度、不同埋深的薄層的探測能力；王顯祥等[8]對電性源瞬變電磁法的觀測參數(shù)選擇進(jìn)行了研究，通過對比赤道裝置與偶極裝置，得出赤道裝置可以對地下結(jié)構(gòu)取得較好的探測效果，偶極裝置可以取得較高噪比的數(shù)據(jù)的結(jié)論，并對垂直磁場分量做了充分的研究；唐新功等[9]研究了電性源在層狀介質(zhì)中三維薄板的瞬變響應(yīng)，主要論證了異常體位置的不同對垂直磁場分量電磁響應(yīng)的影響。

筆者開展電場水平分量和磁場垂直分量在信號強(qiáng)度、探測精度和探測范圍的對比分析。利用電性源瞬變電磁法電場水平分量和磁場垂直分量的計(jì)算公式，在均勻半空間情況下計(jì)算了兩分量各自的響應(yīng)信息，對其各自的信號強(qiáng)度進(jìn)行了分析；在相同埋深不同厚度、不同電阻率、不同偏移距、不同發(fā)射電流情況下的兩分量與均勻半空間情況下相對誤差進(jìn)行對比分析，進(jìn)而分析兩分量各自的探測精度和探測范圍。進(jìn)而根據(jù)電場水平分量和磁場垂直分量在信號強(qiáng)度、探測精度和探測范圍研究結(jié)果，為實(shí)際工作選取合適的觀測分量和觀測范圍提供了借鑒。

1 響應(yīng)計(jì)算

對于電性源瞬變電磁法，目前其主要采用的工作方式為地表發(fā)射地表接收模式。電磁場的計(jì)算是通過將偶極場表達(dá)式沿源導(dǎo)線進(jìn)行線積分得到的。在水平層狀介質(zhì)情況下，電性源瞬變電磁水平電磁分量和磁場垂直分量的表達(dá)式為[1-2,10-11]：

(1)

(2)

rTE和rTM分別由下二式給出。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

長導(dǎo)線源的場可以分為兩部分，①由長導(dǎo)線激發(fā)而來，②兩個(gè)供電點(diǎn)電極激發(fā)而來。對Ex沿長導(dǎo)線(x方向)積分：第一項(xiàng)的?/?x運(yùn)算不復(fù)存在，此項(xiàng)為接地電極產(chǎn)生的場，計(jì)算時(shí)只需計(jì)算正負(fù)兩個(gè)接地項(xiàng)；第二項(xiàng)為長導(dǎo)線部分激發(fā)的場，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，將沿長導(dǎo)線的積分變?yōu)槊恳恍《伍L度為Δx、位于(xn,0,0)處的子單元所產(chǎn)生場得累加。因此可得到計(jì)算表達(dá)式:

(9)

(10)

2 信號強(qiáng)度

研究電性源瞬變電磁場隨時(shí)間在地面的擴(kuò)散、分布規(guī)律對分析電磁場特性、選擇合適的電磁分量進(jìn)行觀測具有十分重要的意義。為了分析水平電場分量和垂直磁場分量的信號強(qiáng)度，選取如下的裝置參數(shù)：發(fā)射源長度1 000 m，發(fā)射電流10 A，選擇不同的偏移距進(jìn)行觀測，可得到其響應(yīng)曲線如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著偏移距的增大，EX分量在早期段迅速減小，而在晚期段基本趨于一致，說明全期探測范圍內(nèi)EX分量響應(yīng)極大值主要集中于發(fā)射源附近，離發(fā)射源越遠(yuǎn)(偏移距越大)信號強(qiáng)度就越低；HZ分量在早期段隨著偏移距的增大而減小，在晚期段隨著偏移距的增大而增大，說明全期探測范圍內(nèi)HZ分量響應(yīng)值在早期段離發(fā)射源越遠(yuǎn)值越小，在晚期段離發(fā)射源越遠(yuǎn)響應(yīng)值越大。

圖1 不同偏移距處EX分量和HZ分量響應(yīng)衰減曲線Fig.1 Response attenuation curve of EX and HZ at different offset(a)EX分量;(b)HZ分量

圖2 H型地電模型中間層厚度不同時(shí)EX分量和HZ分量相對誤差對比曲線Fig.2 Contrast curves of relative errors of EX and HZ components in the middle layer of the H model ground electric models(a)H2=12.5 m；(b)H2=25 m；(c)H2=50 m；(d)H2=12.5 m

3 探測精度

探測精度問題一直是各種地球物理方法應(yīng)用研究中所面臨的重要問題，而探討該問題的主要途徑是分析該探測方法對薄層的分辨能力。對于電性源瞬變電磁法來說，所謂對薄層的分辨能力是指該裝置在目標(biāo)層所產(chǎn)生的異常場超過背景場的水平，并且依據(jù)此種方法的理論可以從異常場提取地層信息的能力。因此可通過定義相對誤差的大小來分析對薄層分辨能力的高低，進(jìn)而達(dá)到評估探測精度的目的[7]。

(11)

為了對EX分量和HZ分量的探測精度進(jìn)行對比，選取在相同埋深不同厚度、不同電阻率、不同偏移距、不同發(fā)射電流情況下的兩分量響應(yīng)值與均勻半空間情況下響應(yīng)值相對誤差進(jìn)行對比分析，進(jìn)而分析兩分量各自的探測精度。

圖3 K型地電模型中間層厚度不同時(shí)EX分量和HZ分量相對誤差對比曲線Fig.3 Contrast curves of relative errors of EX and HZ components in the middle layer of the K model ground electric models(a)H2=50 m；(b)H2=100 m；(c)H2=150 m；(d)H2=200 m

圖4 發(fā)射電流和發(fā)射源長度不同時(shí)EX分量和HZ分量相對誤差對比曲線Fig.4 Contrast curves of relative errors of EX and HZ components in the different currents and source length(a)發(fā)射電流；(b)發(fā)射源長度

圖2為相同埋深和不同薄層厚度情況下H型地電模型響應(yīng)值與均勻半空間情況下產(chǎn)生的響應(yīng)值的相對誤差對比圖。其中發(fā)射源參數(shù)固定不變，發(fā)射導(dǎo)線長度為1 km，電流為10 A，偏移距為500 m。設(shè)三層地電模型的電阻率分別為ρ1=100 Ω·m，ρ2=10 Ω·m，ρ3=100 Ω·m；埋深h1=500 m。從圖中2可以看出，HZ分量在薄層厚度僅有12.5 m時(shí)已經(jīng)有很好的分辨能力了；EX分量只有在薄層厚度大于25 m時(shí)才開始有一定的分辨能力，且分辨能力較HZ分量低。說明在偏移距為500 m處HZ分量對低阻層的分辨能力比EX分量要好。

圖3為相同埋深、相同薄層電阻率、不相同薄層厚度情況下的K型地電模型響應(yīng)值與均勻半空間情況下產(chǎn)生的響應(yīng)值的相對誤差對比圖。其中薄層電阻ρ2=1 000 Ω·m，其他參數(shù)與H型地電模型一致。從圖3中可以看出，EX分量在薄層厚度為25 m時(shí)已經(jīng)有一定的分辨能力了；HZ分量在薄層厚度為150 m時(shí)才有一定的分辨能力，且分辨能力較EX分量低。說明在偏移距為500 m處EX分量對高阻層的分辨能力比HZ分量要好。與其他電磁法一樣，無論EX分量還是HZ分量對高阻薄層的分辨能力都沒有對低阻薄層的分辨能力那么強(qiáng)。圖4為裝置參數(shù)不同時(shí)H型地電模型響應(yīng)值與均勻半空間情況下產(chǎn)生的響應(yīng)值的相對誤差對比圖。地電參數(shù)為ρ1=100 Ω·m，ρ2=10 Ω·m，ρ3=100 Ω·m；h1厚度為500 m，h2厚度為50 m。通過對比發(fā)現(xiàn)，不同發(fā)射源長度或不同發(fā)送電流情況下得到的相對誤差差別較小，說明在保證信號強(qiáng)度的前提下裝置參數(shù)的改變對分辨能力沒有影響。

圖5 H型地電模型不同偏移距情況下EX分量和HZ分量相對誤差對比曲線Fig.5 Contrast curves of relative errors of EX and HZ components in the different offsets of the H model ground electric models(a) offset=500 m；(b) offset =1 000 m；(c) offset =2 000 m；(d) offset =4 000 m

圖6 EX分量和HZ分量探測情況對比圖Fig.6 Contrast diagram of detection range of EX and HZ components(a)探測精度隨偏移距的變化曲線；(b)相同探測能力時(shí)偏移距與勘探深度關(guān)系曲線

4 探測范圍

圖5為不同偏移距H型地電模型響應(yīng)值與均勻半空間情況下產(chǎn)生的響應(yīng)值的相對誤差對比圖。其中發(fā)射源參數(shù)固定不變，發(fā)射導(dǎo)線長度1 km，電流為10 A；地電參數(shù)為ρ1=100 Ω·m，ρ2=10 Ω·m，ρ3=100 Ω·m；h1厚度為500 m，h2厚度為50 m。從圖5中可以看出，隨著偏移距的增大EX分量對薄層的分辨能力增強(qiáng)，HZ分量對薄層的分辨能力減弱。為了更清楚的顯示EX分量和HZ分量對薄層分辨能力的強(qiáng)弱，將其相對誤差最大值做成隨偏移距變化的曲線(圖6(a))。從圖6(a)中可以看出隨著偏移距的增大，電場水平分量的探測精度升高，垂直磁場分量探測精度降低。在偏移距約等于4倍的薄層埋深時(shí)二者的探測精度相等，為此通過不斷改變薄層埋深和薄層厚度，可以得出不同的勘探深度下水平電場分量和磁場垂直分量分辨能力相同時(shí)的偏移距大小，如表1所示。

表1 不同的勘探深度下水平電場分量和磁場垂直分量分辨能力相同時(shí)的偏移距大小對比表

圖7 L3視電阻率斷面圖Fig.7 Apparent resistivity section of L3 line(a)HZ分量；(b)EX分量

由表1可得：

offset?4.134H

(12)

式中:H為勘探目的層深度;offset為偏移距。

由式(12)可得，當(dāng)偏移距大于目的層深度的4.134倍時(shí)，EX分量對薄層的分辨能力大于HZ分量; 當(dāng)偏移距小于目的層深度的4.134倍時(shí)，EX分量對薄層的分辨能力小于HZ分量;當(dāng)偏移距約等于目的層深度的4.134倍時(shí)，EX分量對薄層的分辨能力與HZ分量相當(dāng)。

5 實(shí)例分析

為了對理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，在山西某煤礦區(qū)進(jìn)行了電性源瞬變電磁勘查試驗(yàn)工作，該區(qū)域地層由上而下有第四系，三疊系下統(tǒng)劉家溝組，二疊系上統(tǒng)石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組，石炭系太原組、本溪組。采用V8多功能電法儀和SB-7k型探頭(有效接收面積4×105m2)進(jìn)行測試；選取發(fā)射線長度為1.2 km、發(fā)射電流為17 A、偏移距為1 km、點(diǎn)距為20 m、發(fā)射方向平行于測線方向、發(fā)射波形為TD50，發(fā)射頻率為2.5 Hz。分別測量了水平電場分量和垂直磁場分量。處理資料選自該區(qū)3號測線的測量結(jié)果，共13個(gè)測點(diǎn)，分別計(jì)算水平電場分量和垂直磁場分量的視電阻率，進(jìn)行繪制成電阻率斷面(圖7)。

從圖7中可以看出，電場水平分量和磁場垂直分量所構(gòu)成的視電阻率斷面在淺部幾乎沒有差別，雖然所計(jì)算的電阻率值上有細(xì)微差別，但是整體地電結(jié)構(gòu)比較吻合，且都能很好地反映出地層所在深度，斷層F1的位置也對應(yīng)較好。而在900 m以深位置處，電場水平分量所刻畫出的斷面圖中沒能反映出F2斷層。這是由于此時(shí)選擇的偏移距為1 km，而勘探深度為1 km左右，根據(jù)公式(12)可知,此時(shí)的電場水平分量的探測精度小于磁場垂直分量。后經(jīng)鉆孔zk-1驗(yàn)證，所揭露的地電結(jié)構(gòu)與HZ所顯示的地電結(jié)構(gòu)基本吻合。

6 結(jié)論

1)全期探測范圍內(nèi)EX分量響應(yīng)極大值集中于發(fā)射源附近，離發(fā)射源越遠(yuǎn)(偏移距越大)信號強(qiáng)度就越低；HZ分量響應(yīng)值在早期段離發(fā)射源越遠(yuǎn)值越小，在晚期段離發(fā)射源越遠(yuǎn)響應(yīng)值越大；且EX分量的探測精度隨偏移距的增大而增大，HZ分量探測精度隨偏移距的增大而減小。

2)EX分量對高阻層的分辨能力比HZ分量要好，但是無論是EX分量還是HZ分量對高阻薄層的分辨能力都沒有對低阻薄層的分辨能力那么強(qiáng)。

3)當(dāng)偏移距大于目的層深度的4.134倍時(shí)，EX分量對薄層的分辨能力大于HZ分量; 當(dāng)偏移距小于目的層深度的4.134倍時(shí)，EX分量對薄層的分辨能力小于HZ分量;當(dāng)偏移距約等于目的層深度的4.134倍時(shí)，EX分量對薄層的分辨能力與HZ分量相當(dāng)。

4)在實(shí)際應(yīng)用中，盡可能的測量多個(gè)電磁場分量，進(jìn)而可以綜合分析，相互印證，提高解釋成果的可靠性。