長導(dǎo)線源瞬變電磁響應(yīng)中激電效應(yīng)的影響特征

李 論, 馮 凱, 涂 君, 李偉林, 楊 聰

(1.中國煤炭科工集團(tuán) 西安研究院有限公司,西安 710077; 2.成都理工大學(xué) 地球勘探與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610059; 3.中國地質(zhì)調(diào)查局 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510760)

0 引言

目前國內(nèi)、外學(xué)者先后在瞬變電磁的IP效應(yīng)開展了許多研究。Lee.T.[1]研究了均勻半空間極化球體的瞬變電磁響應(yīng)，并指出由于地下巖礦石的電阻率是和頻率有關(guān)的復(fù)電阻率，所以瞬變電磁衰減曲線隨時間的向后推移可能出現(xiàn)負(fù)響應(yīng)；Speis.B.R.[2]注意到野外采集的瞬變電磁信號中的“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，并認(rèn)為這一現(xiàn)象是激發(fā)極化效應(yīng)引起的；Raiche.A.P.[3]對比了重疊回線系統(tǒng)，三個不同的均勻半空間地電模型的瞬變衰減曲線受激電效應(yīng)的影響程度；Flis M.F.等[4]通過對地下極化體的充放電過程做了描述，進(jìn)而闡述了瞬變電磁中激電效應(yīng)影響的物理機(jī)制，認(rèn)為瞬變電磁響應(yīng)曲線中的反號現(xiàn)象是由激電效應(yīng)作用導(dǎo)致，對層狀極化大地和均勻半空間三維極化體應(yīng)用 Cole-Cole 模型進(jìn)行數(shù)值模擬，討論了激電效應(yīng)對瞬變電磁響應(yīng)的影響規(guī)律；Andreas Hordt等[5]通過有限差分對LOTEM進(jìn)行三維正演，模擬山形對響應(yīng)的影響，認(rèn)為山形是有可能產(chǎn)生負(fù)異常響應(yīng)的，但通常在早期產(chǎn)生；Hoheisel A等[6]通過 Cole-Cole模型模擬極化大地上激電效應(yīng)對長偏移距瞬變電磁(LOTEM)響應(yīng)的影響特征及規(guī)律；Kozhevnikov.N.O.等[7]對受激發(fā)極化效應(yīng)的TEM數(shù)據(jù)進(jìn)行了聯(lián)合反演。

在國內(nèi)，殷長春等[8]在瞬變電磁三維正演加入Cole-Cole模型，來研究有IP效應(yīng)引起的電磁負(fù)響應(yīng)的規(guī)律；余傳濤[9]分析了激電效應(yīng)對重回線系統(tǒng)瞬變電磁信號的影響規(guī)律，并嘗試通過SVD 法提取激電信息。

長導(dǎo)線源瞬變電磁由于其工作效率高、探測深度大，信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域中，然而目前針對受激電效應(yīng)影響的長導(dǎo)線源瞬變電磁響應(yīng)研究還較少。因此作者基于Cole-Cole模型，在長導(dǎo)線源瞬變電磁正演的基礎(chǔ)上對含激電效應(yīng)的響應(yīng)進(jìn)行研究，分析了激電效應(yīng)對長導(dǎo)線源瞬變電磁影響特征，對某石墨礦區(qū)物性和長導(dǎo)線源瞬變電磁實(shí)測數(shù)據(jù)分析，研究激電效應(yīng)對反演解釋可靠性的影響。

1 理論計(jì)算方法

在頻率域中,長導(dǎo)線源瞬變電磁產(chǎn)生的垂直磁場可以表示為電偶極子產(chǎn)生的垂直磁場沿長導(dǎo)線的積分[10]：

(1)

式中:(x,y,z)為接收點(diǎn)坐標(biāo)；rn為接收點(diǎn)到接收電極的距離；J1(λρ)為一階貝塞爾函數(shù)；rTE為TE模式下的反射系數(shù)：

(2)

(3)

用Cole-Cole復(fù)電阻率模型(式(4))替換頻率域中的實(shí)電阻率，利用漢克爾變換得到頻率域的垂直磁場響應(yīng)，再利用G-S變換完成頻率域到時間域的轉(zhuǎn)換，得到含有激電響應(yīng)的長導(dǎo)線源瞬變電磁場的時間域響應(yīng)。

(4)

式中：ρ(ω)表示隨頻率改變的復(fù)電阻率;ρ0為零頻率時的巖礦石電阻率；m為充電率；τ描寫激發(fā)極化過程遲緩性的時間常數(shù)；c為頻率相關(guān)系數(shù)。

圖1 長導(dǎo)線源瞬變電磁響應(yīng)中的符號反轉(zhuǎn)象Fig.1 Sign reversal in grounded-wire transient electromagnetic response

我們計(jì)算瞬變電磁響應(yīng)的采樣頻率范圍為10-6Hz-106Hz,采樣點(diǎn)數(shù)為100個，在時間域中采樣時間范圍為0.000 01 s～1 s之間取100個采樣點(diǎn)。

2 激電效應(yīng)響應(yīng)影響特征

2.1 均勻半空間模型正演

可極化均勻半空間模型用來研究裝置參數(shù)(發(fā)射電流(I)、導(dǎo)線長度(L)、偏移距(offset)和地層參數(shù)(零頻電阻率(ρ0)、充電率(chargeability)、時間參數(shù)(τ)、頻率相關(guān)系數(shù)(c))對瞬變電磁響應(yīng)的影響。采取保持其他參數(shù)不變，改變一個參數(shù)的方法來研究其對響應(yīng)的影響。可極化均勻半空間模型(ρ0=1 000 Ω·m,offset=1 000 m,I=10 A,L=1 000 m,m=0.5,τ=1 s,c=0.25)響應(yīng)出現(xiàn)符號“符號反轉(zhuǎn)(SR)”的時間和最大負(fù)值(NR)如圖1所示。

通常情況，IP效應(yīng)的影響與出現(xiàn)“符號反轉(zhuǎn)(SR)”的最早時間和最大負(fù)值(NR)有關(guān)[11]，因此分別研究了裝置參數(shù)和地層參數(shù)對長導(dǎo)線源瞬變電磁響應(yīng)影響特征(圖2)。

從圖2中可見，增大發(fā)射電流最大負(fù)值增加但不改變“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象出現(xiàn)的時間；改變偏移距使得最大負(fù)值減小且更晚的出現(xiàn)“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。增大零頻電阻率的值，同時增大最大負(fù)值和更早地出現(xiàn)“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象；增大極化率，不僅增大最大負(fù)值而且更早地出現(xiàn)“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象；增大頻率相關(guān)系數(shù)和時間常數(shù)都使得更晚地出現(xiàn)“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)，并使得最大負(fù)值的值減小。綜合考慮各參數(shù)對最大負(fù)值的值和出現(xiàn)“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象最早時間的影響，發(fā)現(xiàn)零頻電阻率和極化率對二者的影響較大。

同樣采取統(tǒng)計(jì)最大負(fù)值和“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象出現(xiàn)時間 的方法，來研究同時改變偏移距(offset)和發(fā)射電流(I)以及地層參數(shù)中的零頻電阻率(ρ0)和充電率(chargeability)對長導(dǎo)線源瞬變電磁響應(yīng)影響特征(圖3)。

圖2 裝置參數(shù)和地層參數(shù)對瞬變電磁響應(yīng)的影響Fig.2 Influence of device parameters and formation parameters on transient electromagnetic response(a)改變發(fā)射電流;(b)改變偏移距;(c)改變零頻電阻率;(d)改變極化率;(e)改變頻率相關(guān)系數(shù);(f)改變時間常數(shù)

圖3(a)表明保持偏移距不變，激電效應(yīng)產(chǎn)生的最大負(fù)值隨電流增大而增大，而對于同一電流，最大負(fù)值隨偏移距增大而減?。环治觥胺柗崔D(zhuǎn)”出現(xiàn)的時間發(fā)現(xiàn)，保持偏移距不變，“符號反轉(zhuǎn)”出現(xiàn)的時間不會改變，但對于同一發(fā)射電流，“符號反轉(zhuǎn)”出現(xiàn)的時間隨偏移距增大而延遲。

圖3(b)表明當(dāng)極化率小于0.5、電阻率較小時在早期不會產(chǎn)生“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。保持零頻電阻率不變，最大負(fù)值隨極化率增大而增大，而且對于同一極化率，最大負(fù)值基本呈現(xiàn)隨電阻增大而增大的趨；當(dāng)極化率小于0.5時，保持零頻電阻率不變，“符號反轉(zhuǎn)”出現(xiàn)的時間隨極化率增大而提前，但對于同一極化率，當(dāng)極化率小于0.5時，“符號反轉(zhuǎn)”出現(xiàn)的時間隨零頻電阻率增大而提前，當(dāng)極化率大于0.5時，符號反轉(zhuǎn)”出現(xiàn)的時間隨零頻電阻率增大先延遲后提前。

圖3 同時改變兩個參數(shù)對長導(dǎo)線源瞬變電磁響應(yīng)影響特征Fig.3 Simultaneously changing the influence of two parameters on transient electromagnetic response(a)同時改變偏移和發(fā)射電流;(b)同時改變零頻電阻率和充電率

圖4 中間層為極化層和不極化層對瞬變響應(yīng)影響Fig.4 The effect of polarized layer and non-polarized layer on transient electromagnetic response in intermediate layer(a)中間層為極化層;(b)間層為不極化層響應(yīng)

圖5 IP 效應(yīng)與極化層埋深關(guān)系Fig.5 The relationship between IP effect and depth of polarizable layer(a)H型模型;(b)K型模型

圖6 IP效應(yīng)與極化層厚度的關(guān)系Fig.6 The relationship between IP effect and thick of polarizable layer(a)H型模型;(b)K型模型

因此對于研究均勻半空間模型瞬變電磁響應(yīng)特征過程中發(fā)現(xiàn)，增大發(fā)射電流以及合適的偏移距，以此保證有較大的極化電流對于出現(xiàn)“符號反轉(zhuǎn)(SR)”現(xiàn)象有利,以及較高的零頻電阻率使得感應(yīng)電流衰減較快，而極化電流衰減較慢，從而較早時間就會出現(xiàn)“符號反轉(zhuǎn)(SR)”現(xiàn)象。

2.2 三層模型正演

保持其他參數(shù)不變(offset=1 000 m,I=10 A,L=1 000 m,τ=1 s,c=0.25)，對于三層模型(H型模型(ρ1=1 000 Ω·m、ρ2=10 Ω·m、ρ3=1 000 Ω·m)，(h1=100 m、h2=100 m))(K型模型(ρ1=10 Ω·m、ρ2=1 000 Ω·m、ρ3=100 Ω·m)，(h1=100 m、h2=100 m))，分別研究了當(dāng)中間層為極化層(m2=0.5,m1=m3=0)和中間層為不極化層(m2=0,m1=m3=0.5)時對瞬變電磁響應(yīng)的影響。

圖4(a)表明，當(dāng)H型模型中間層為極化層時，對瞬變電磁響應(yīng)影響最大；對于 (圖4(b)) 中間層為不極化層對瞬變電磁響應(yīng)影響較小，因此表明在極化層中含有不極化夾層的情況下，區(qū)別極化異常是不利的。

而且可以看出晚期激電效應(yīng)的影響更大，這是因?yàn)樵谕砥?，此時極化電流和渦流電流方向相反，激發(fā)極化效應(yīng)占主導(dǎo)地位，出現(xiàn)負(fù)瞬變電磁響應(yīng)，因此激電響應(yīng)的影響程度更大。

3 IP效應(yīng)與極化層特征關(guān)系

3.1 IP 效應(yīng)與極化層埋深關(guān)系

其他參數(shù)與三層模型參數(shù)相同，當(dāng)三層模型(H型模型和K型模型)中間層為極化層時，極化層的埋深為(h1=5 m，50 m,100 m,500 m,1 000 m;h2=100 m)造成的相對誤差(圖5)。

對于H模型和K模型，極化層埋深為5 m時對瞬變電磁響應(yīng)的影響最大，而且兩者隨著埋深增加對瞬變電磁響應(yīng)影響都有降低的趨勢。但K模型有無極化層造成響應(yīng)的相對誤差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于H模型。

3.2 IP效應(yīng)與極化層厚度的關(guān)系

圖7 IP效應(yīng)與極化層電阻率關(guān)系Fig.7 The relationship between IP effect and resistivity of polarizable layer

圖8 IP效應(yīng)與極化層充電率的關(guān)系Fig.8 The relationship between IP effect and chargeability of polarizable layer

當(dāng)三層模型(H型模型和K型模型中間層為極化層時，改變極化層厚度(h1=100 m;h2=5 m，50 m,100 m,500 m,1 000 m)造成瞬變電磁響應(yīng)相對誤差如圖6所示。

圖6表明，H型模型中間極化層厚度為50 m的情況，對瞬變電磁影響最大，厚度為100 m時的影響次之；而K型模型改變極化層厚度對瞬變電磁響應(yīng)影響很小。因此極化層在一定厚度的情況下對瞬變電磁響應(yīng)影響較大。

3.3 IP效應(yīng)與極化層電阻率關(guān)系

對于三層模型(ρ1=1 000 Ω·m,ρ2=100 Ω·m,ρ3=1 000 Ω·m)，當(dāng)ρ2=1 Ω·m、100 Ω·m、1 000 Ω·m、10 000 Ω·m時，其他參數(shù)保持不變，造成瞬變電磁響應(yīng)相對誤差見圖7。

從圖7可見，當(dāng)中間極化層電阻率為10 Ω·m和100 Ω·m，對瞬變電磁響應(yīng)影響較大。進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)中間極化層為低阻層，圍巖為高阻層且極化層電阻率在一定范圍內(nèi)，IP效應(yīng)對瞬變電磁響應(yīng)影響最大。

3.4 IP效應(yīng)與極化層充電率的關(guān)系

對于三層模型(ρ1=ρ2=ρ3=1 000 Ω·m,h1=h2=100 m)，當(dāng)m2=0.1、0.3、0.5、0.7、0.9時，對瞬變電磁響應(yīng)影響特征,如圖8所示。

圖8表明，隨著極化層的極化率增大，對瞬變電磁響應(yīng)的影響也逐漸增大。這是由于隨著極化率的增大，極化電流也隨之增強(qiáng)。

4 IP效應(yīng)對實(shí)測數(shù)據(jù)的影響

某石墨礦區(qū)區(qū)域出露地層主要為前震旦系元古界會理群鹽邊組總厚為6 710 m，巖性可分三段。第一段為變質(zhì)的基性火山巖夾板狀硅質(zhì)板巖，厚為1 460 m。巖性為綠片巖相的變質(zhì)玄武巖、鈉長綠泥片巖、綠簾陽起石片巖等。局部有相變，如在惠民一帶變質(zhì)中酸性火山巖增多，為變質(zhì)流紋安山巖及變質(zhì)流紋斑巖夾透鏡狀薔薇輝石巖及鐵質(zhì)碧玉巖；第二段為炭質(zhì)絹云板巖、絹云板巖、千枚巖夾炭質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖等，厚為3 980 m，田坪石墨礦即位于該段地層中；第三段為絹云板巖、白云質(zhì)灰?guī)r等，厚為1 270 m。鹽邊組地層變質(zhì)程度為綠片巖相。礦區(qū)地層主要為前震旦系的變質(zhì)巖地層，另有零星第四系。工作范圍內(nèi)除高家村大巖體基性巖外，幾乎全為前震旦系變質(zhì)巖地層，屬會理群鹽邊組第二段，主要巖性為綠泥絹云板巖、碳質(zhì)板巖夾凝灰粉砂質(zhì)板巖、鈣質(zhì)粉砂質(zhì)板巖、含凝灰質(zhì)硅質(zhì)板巖、絹云母千枚巖，云母石英片巖等組成。對測區(qū)采集的標(biāo)本進(jìn)行物性測試，獲得巖(礦)石的物性參數(shù)(表1)。

從表1可以看出，石墨礦表現(xiàn)為低阻高極化特征，這為使用長導(dǎo)線源瞬變電磁勘探奠定了物性基礎(chǔ)，同時高極化特性也對長導(dǎo)線源瞬變電磁響應(yīng)產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。利用該測區(qū)測線18原始數(shù)據(jù)所做擬斷面圖與視電阻率擬斷面圖(圖8)。

從測線18可以看出，長導(dǎo)線源瞬變電磁實(shí)測數(shù)據(jù)的晚期出現(xiàn)了大量的負(fù)值，這些負(fù)值使得反演結(jié)果出現(xiàn)假的低阻異常，使得反演結(jié)果的可靠性降低。而且石墨礦的極化率測試結(jié)果最大值為34%，比在筆者研究IP效應(yīng)對瞬變電磁響應(yīng)影響所使用的極化率值小，但造成了嚴(yán)重的影響，這表明造成IP效應(yīng)出現(xiàn)的因素是復(fù)雜的，需要一定條件(如石墨礦礦體處于特殊的空間位置之中)。

雖然激電效應(yīng)對數(shù)據(jù)影響嚴(yán)重，但是由地下介質(zhì)產(chǎn)生的，在一定程度上能夠反映地下介質(zhì)信息，因此提取激電信息是有意義的。下一步工作為嘗試提取激電信息并利用它來反映地下介質(zhì)信息。

表1 巖(礦)石物性參數(shù)

圖9 測線18原始數(shù)據(jù)擬斷面圖與視電阻率擬斷面圖Fig.9 Line18 raw data pseudo-section and apparent resistivity pseudo-section(a)原始數(shù)據(jù)擬斷面圖;(b)視電阻率擬斷面圖

5 總結(jié)

通過研究，得到以下結(jié)論：

1)在均勻半空間的情況下研究激電參數(shù)對瞬變電磁響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)零頻電阻率和極化率的影響最大。

2)用相對誤差表示激電效應(yīng)的影響程度，對層狀模型研究得出結(jié)論：當(dāng)圍巖為高阻極化層在一定埋深深度和厚度的情況下，激電效應(yīng)的影響程度較大；而且對于極化層中間含不極化層的模型分析發(fā)現(xiàn)此情況對區(qū)別IP效應(yīng)不利。從相對誤差的變化和值的大小來分析，可以看出，IP效應(yīng)在瞬變電磁響應(yīng)晚期影響較大。

3)對于實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在解釋受激電效應(yīng)影響的長導(dǎo)線源瞬變電磁資料時，會出現(xiàn)假低阻異常，這嚴(yán)重影響了解釋的可靠性。