時(shí)間域激電測(cè)深不同裝置數(shù)據(jù)去耦分析

李忠平，郝風(fēng)云，吳鴻飛，張瑞芳，朱昭明，賈全山，劉雙

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地球物理與空間信息學(xué)院,湖北 武漢 430074； 2.中國(guó)冶金地質(zhì)總局山東正元地質(zhì)勘查院,山東 濟(jì)南 250014；3.哈巴河金壩礦業(yè)有限公司,新疆 阿勒泰 836700； 4.阿勒泰正元國(guó)際礦業(yè)有限公司,新疆 阿勒泰 836700； 5.山東省核工業(yè)二七三地質(zhì)大隊(duì),山東 煙臺(tái) 264000)

0 引言

時(shí)間域激電測(cè)深是深部地質(zhì)找礦常用的一種物探方法，數(shù)據(jù)經(jīng)反演后其斷面圖可以直觀地反映地質(zhì)體的埋深、產(chǎn)狀及延伸狀況。通過(guò)研究礦化體引起的激電異常特征發(fā)現(xiàn)，在擬斷面等值線圖和反演斷面圖淺部出現(xiàn)的相對(duì)深部高的極化率疊加異常通常解釋為是由深、淺部礦化體共同引起，沒(méi)有考慮電磁耦合效應(yīng)的影響。電磁耦合效應(yīng)疊加在地質(zhì)體引起的激電異常上，使得識(shí)別礦致異常難度增加[1-3]，如在低阻覆蓋區(qū)和大極距測(cè)量時(shí)，時(shí)間域激電測(cè)深會(huì)受到電磁耦合影響；因此，在深部地質(zhì)勘探中，地下介質(zhì)的激電信息易被電磁感應(yīng)耦合所掩蓋[4-5]。電磁感應(yīng)耦合會(huì)影響頻率域和時(shí)間域激電法的勘探效果。在頻率域激電法去耦方面有眾多研究成果[6-9]；在時(shí)間域激電法去耦研究中，一些研究成果在應(yīng)用效果方面得到驗(yàn)證，但在電磁耦合效應(yīng)分布的范圍、深度及對(duì)比方面研究較少。實(shí)踐證明，由于電磁耦合強(qiáng)弱受任意四極裝置的影響較大[10-13]，因此對(duì)時(shí)間域激電測(cè)深實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行去耦處理是正反演的重要階段[14-15]。

電磁感應(yīng)耦合在直流激電法中是一種不容忽視的干擾現(xiàn)象。20世紀(jì)50年代以來(lái)，Dey等[16 ]論述了多層介質(zhì)條件下時(shí)間域偶極—偶極和三極裝置的電磁耦合；何繼善等[17-18]提出“斬波去耦”方法，達(dá)到區(qū)分和克服電磁耦合的目的；Peter K.Fullagar等[19 ]提出了一種快速、簡(jiǎn)便的抑制時(shí)間域激電數(shù)據(jù)電磁耦合效應(yīng)的方法，該方法的本質(zhì)是將電磁耦合表示為半空間衰變；李建華等[20]通過(guò)時(shí)間域激電全波形采樣提取多種激電參數(shù)，計(jì)算出相應(yīng)的幅值和相位、視頻散率，利用基波與奇次諧波的相位去除電磁耦合。他們?cè)跁r(shí)間域電磁耦合去除方法上分別采用了“斬波去耦”、數(shù)據(jù)擬合去耦和全波形數(shù)據(jù)離散傅里葉變換去耦，“斬波去耦”會(huì)改變正常雙頻波的波形，使雙頻波畸變，造成激電信息損失；數(shù)據(jù)擬合、全波形數(shù)據(jù)離散傅里葉變換原始擬斷面和去耦后擬斷面之間的差異并不明顯。

本文采用俄羅斯Kaminsky Alex開(kāi)發(fā)的靜態(tài)IP和cole-cole參數(shù)的全波形IP反演、延時(shí)反演去耦模塊，基于時(shí)間域全波形數(shù)據(jù)在一個(gè)周期內(nèi)具有2個(gè)完整的充放電過(guò)程，選擇電磁耦合去除工作頻率為供電周期T的倒數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)快速去耦，最大限度保留激電信息，獲得了較好的應(yīng)用效果。通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了不同供電極距、不同裝置以及混合裝置激電測(cè)深數(shù)據(jù)的電磁耦合去除效果，采用標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)分析了去耦前與去耦后的反演電阻率、極化率的波動(dòng)特性，結(jié)果表明靜態(tài)IP和全波形IP反演在壓制電磁耦合效應(yīng)方面具有優(yōu)勢(shì)。

1 時(shí)間域激電測(cè)深裝置與電磁耦合影響

時(shí)間域激電測(cè)深裝置包括常用的對(duì)稱(chēng)四極裝置、單極—偶極裝置、偶極—偶極裝置和非常規(guī)電極排列。圖1為均勻半空間上任意偶極子AB和MN展布示意，圖中l(wèi)1、l2分別為發(fā)射偶極子A、B的x軸坐標(biāo)，接收偶極子MN坐標(biāo)為M(a,y1)、N(b,y1)，供電偶極子Ids到MN上任意一點(diǎn)的距離為r。

圖1 均勻半空間上發(fā)射偶極子AB和接收偶極子MN示意Fig.1 Schematic diagram of transmitting dipole AB and receiving dipole MN on uniform half space

當(dāng)y1=0時(shí)為偶極子間共線排列，對(duì)稱(chēng)四極裝置、偶極—偶極裝置、非常規(guī)電極排列即為共線排列。對(duì)于單極—偶極裝置，當(dāng)無(wú)窮遠(yuǎn)極垂直測(cè)深剖面布設(shè)時(shí)，為不共線電極排列，此時(shí)電磁感應(yīng)耦合不是最大；當(dāng)所有4個(gè)電極(包括無(wú)窮遠(yuǎn)極)共線時(shí)，將出現(xiàn)最大耦合。同時(shí)在大地電導(dǎo)率和導(dǎo)磁率一定的情況下，供電時(shí)間越短、供電電流和偶極子長(zhǎng)度越大，電磁耦合影響越大[21]。

2 不同裝置實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)去耦后對(duì)比

在危機(jī)礦山深部及外圍找礦中，采用了不同極距、不同裝置的激電測(cè)深方法探索山東沂南金礦金場(chǎng)礦區(qū)、山東莒南夏家溝地區(qū)銅礦深部極化體的分布狀況。此次使用俄羅斯Kaminsky Alex的電阻率和激發(fā)極化法二維數(shù)據(jù)解釋程序電磁耦合去除模塊，選擇電磁耦合去除工作頻率為供電周期T的倒數(shù)，在上述2個(gè)礦區(qū)進(jìn)行了時(shí)間域激電測(cè)深去耦實(shí)驗(yàn)。時(shí)間域激電測(cè)深實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為：延時(shí)=200 ms，帶寬=20 ms，供電周期=32 s，電磁耦合去除工作頻率=0.031 25 Hz，裝置類(lèi)型、最大供電極距、電極排列方式見(jiàn)表1。

表1 裝置類(lèi)型、最大供電極距、電極排列方式

對(duì)來(lái)自2個(gè)測(cè)區(qū)的不同裝置激電測(cè)深實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了去耦處理。選擇工作頻率后，使用程序直接得到去除電磁耦合后的待反演數(shù)據(jù)，并繪制視電阻率和視極化率擬斷面圖。以金場(chǎng)礦區(qū)28號(hào)剖面對(duì)稱(chēng)四極裝置(ABmax=4 000 m)時(shí)間域激電測(cè)深擬斷面去耦結(jié)果(圖2)為例。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬斷面顯示視電阻率等值線多處扭曲畸變(圖2a)，去耦后視電阻率等值線相對(duì)圓滑(圖2b)，梯級(jí)帶變化明顯，電性層連續(xù)；實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬斷面顯示高極化率異常向深部延伸(圖2c)，去耦后顯示高極化率異常向深部延伸范圍縮小(圖2d)，深部極化率異常幅值減弱，原因是深部疊加的電磁耦合干擾被去除，所得數(shù)據(jù)真實(shí)反映了深部激電信息的變化。從去耦后視電阻率擬斷面(圖2b)上看，在AB/2=1 500 m，反演深度約600 m處存在一個(gè)相對(duì)低阻異常，ρs約為700 Ω·m，低阻體傾向東，傾角較緩，在極化率擬斷面(圖2d)對(duì)應(yīng)位置上存在一個(gè)高極化異常梯級(jí)帶(最高達(dá)8%)。該低阻、高極化異常梯級(jí)帶與實(shí)際不整合面及礦體位置基本一致，經(jīng)鉆探驗(yàn)證為2層金礦體，表明去耦效果較好。

山東莒南夏家溝地區(qū)銅礦7號(hào)剖面單極—偶極裝置隔離系數(shù)n=19，MN=50 m。去耦后視電阻率、視極化率異常形態(tài)總體變化不大(圖3)。因此，單極—偶極裝置電磁耦合干擾相對(duì)較小。

圖2 沂南金礦金場(chǎng)礦區(qū)28號(hào)剖面對(duì)稱(chēng)四極裝置(ABmax=4 000 m)時(shí)間域激電測(cè)深實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)去耦后結(jié)果Fig.2 Results after decoupling of measured data of time domain IP sounding of symmetrical quadrupole device (ABmax=4 000 m) in section 28 of Jinchang mining area of Yinan Gold Mine

圖3 夏家溝地區(qū)銅礦7號(hào)剖面單極—偶極裝置時(shí)間域激電測(cè)深實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)去耦前后結(jié)果Fig.3 Results after decoupling of measured data of time domain IP sounding of monopole dipole device in Section 7 of copper mine in Xiajiagou area

3 不同裝置數(shù)據(jù)去耦后反演結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差

對(duì)不同裝置激電測(cè)深實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了去耦前反演與去耦后反演對(duì)比。統(tǒng)一去耦前反演和去耦后反演的參數(shù)設(shè)置，分析了反演斷面由淺至深電阻率、極化率標(biāo)準(zhǔn)偏差的波動(dòng)特點(diǎn)。當(dāng)反演參數(shù)設(shè)置相同時(shí)，去耦前后的反演結(jié)果之間標(biāo)準(zhǔn)偏差的大小明顯反映了電磁耦合強(qiáng)弱變化特征。

3.1 最大AB距為1 200 m的時(shí)間域激電測(cè)深去耦

選擇金場(chǎng)礦區(qū)28號(hào)剖面對(duì)稱(chēng)四極裝置時(shí)間域激電測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。各參數(shù)如下：ABmax=1 200 m，ABmin=12 m，等比系數(shù)=0.1，去耦頻率=0.031 25 Hz。由圖4a可知，電磁耦合的影響使得測(cè)深斷面中淺部反演電阻率、極化率標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)較大，說(shuō)明耦合干擾較大。反演電阻率標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)最小值為0.01%，最大值為16.16%，平均值為3.89%，反演極化率標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)最小值為0，最大值為141.4%，平均值為 3.29%。電磁耦合明顯發(fā)生在28號(hào)剖面標(biāo)高在70～200 m之間。28號(hào)剖面807.46號(hào)點(diǎn)，其標(biāo)高在50～200 m之間反演電阻率、極化率標(biāo)準(zhǔn)差有波動(dòng)，深部同時(shí)存在電磁耦合干擾。由分析可知，測(cè)深反演斷面中淺部電磁耦合影響較大。

3.2 最大AB=1 800 m的時(shí)間域激電測(cè)深去耦

金場(chǎng)礦區(qū)28號(hào)剖面對(duì)稱(chēng)四極裝置時(shí)間域激電測(cè)深數(shù)據(jù),ABmax=1 800 m，ABmin=45 m，等比系數(shù)=0.25，去耦頻率=0.031 25 Hz。由圖4b可知，電磁耦合發(fā)生在標(biāo)高100～200 m之間，其中678.75號(hào)點(diǎn)在標(biāo)高120～200 m之間的反演電阻率、極化率標(biāo)準(zhǔn)差有明顯波動(dòng)，說(shuō)明中淺部存在耦合干擾。反演電阻率標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)最小值為0.19%，最大值為18.49%，平均值為4.53%，反演極化率標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)最小值為0，最大值為141.5%，平均值為3.72%。沿測(cè)深反演斷面電磁耦合影響中等。

圖4 28號(hào)剖面對(duì)稱(chēng)四極激電測(cè)深不同AB去耦前后的反演結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比Fig.4 Comparison of standard deviation of inversion results before and after different AB decoupling in symmetrical quadrupole IP sounding of section 28

3.3 最大AB距為4 000 m的時(shí)間域激電測(cè)深去耦

金場(chǎng)礦區(qū)28號(hào)剖面對(duì)稱(chēng)四極裝置時(shí)間域激電測(cè)深數(shù)據(jù),ABmax=4 000 m，ABmin=100 m，等比系數(shù)=0.2，去耦頻率=0.031 25 Hz。由圖4c可知，電磁耦合發(fā)生在標(biāo)高-500～200 m之間。剖面1099.47號(hào)點(diǎn)在標(biāo)高-500～200 m之間處反演電阻率標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)明顯，標(biāo)高-100～200 m處極化率標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)明顯，說(shuō)明耦合干擾較大。反演電阻率標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)最小值為0，最大值為29.75%，平均值為4.11%，反演極化率標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)最小值為0，最大值為141.5%，平均值為4.52%。沿測(cè)深反演斷面電磁耦合影響較大。

3.4 非常規(guī)電極排列時(shí)間域激電測(cè)深去耦

同樣選擇金場(chǎng)礦區(qū)28號(hào)剖面的非常規(guī)電極排列時(shí)間域激電測(cè)深數(shù)據(jù),ABmax=4 000 m，采用三極+四極+偶極裝置，去耦頻率=0.031 25 Hz。由圖5可知，電磁耦合發(fā)生在標(biāo)高-800～200 m處，其中,1079.47號(hào)點(diǎn)在標(biāo)高-800 ～200 m之間的反演電阻率、極化率標(biāo)準(zhǔn)差有明顯波動(dòng)，說(shuō)明耦合干擾較大。反演電阻率標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)最小值為0.03%，最大值為28.42%，平均值為5.49%，反演極化率標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)最小值為0，最大值為141.5%，平均值為17.79%。沿測(cè)深反演斷面電磁耦合影響最大。

3.5 單極—偶極時(shí)間域激電測(cè)深去耦

選擇山東莒南夏家溝地區(qū)銅礦7號(hào)剖面的單極—偶極時(shí)間域激電測(cè)深數(shù)據(jù)，隔離系數(shù)n=19，MN=50 m，去耦頻率=0.031 25 Hz。由圖6可知，電磁耦合發(fā)生在標(biāo)高70～150 m之間，其中-20號(hào)點(diǎn)在標(biāo)高70～150 m處的反演電阻率、極化率標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)較小，說(shuō)明耦合干擾較弱。反演電阻率標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)最小值為0.04%，最大值為9.59%，平均值為3.43%，反演極化率標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)最小值為0，最大值為13.99%，平均值為0.87%。沿測(cè)深反演斷面電磁耦合影響較小。

圖5 28號(hào)剖面及其1079.47測(cè)點(diǎn)非常規(guī)電極排列激電測(cè)深去耦前后反演結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比Fig.5 Comparison of standard deviations of inversion results before and after decoupling of unconventional electrode IP soundings on section 28 and point 1079.47

圖6 7號(hào)剖面及其-20測(cè)點(diǎn)單極—偶極激電測(cè)深去耦前后反演結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比Fig.6 Comparison of the standard deviation of the inversion results before and after the decouplingof the monopole-dipole IP sounding on section 7 and point -20

表2 去耦前反演與去耦后反演結(jié)果對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

經(jīng)以上實(shí)例驗(yàn)證，得到去耦前反演與去耦后反演對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)山東沂南金礦金場(chǎng)礦區(qū)28號(hào)剖面、山東莒南夏家溝地區(qū)銅礦7號(hào)剖面不同裝置、不同極距的時(shí)間域激電測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行去耦對(duì)比，得到如下結(jié)論：

1)對(duì)稱(chēng)四極裝置和非常規(guī)電極排列，隨電極距的增大電磁耦合效應(yīng)增強(qiáng)。電磁耦合的影響深度大部分在時(shí)間域激電測(cè)深反演斷面150 m以淺，小部分在700～1 000 m。

2)共線對(duì)稱(chēng)四極裝置和非常規(guī)電極排列，尤其是非常規(guī)電極排列采用三極+四極+偶極混合共線裝置，其電磁耦合明顯強(qiáng)于對(duì)稱(chēng)四極裝置和單極—偶極裝置。單極—偶極裝置時(shí)間域激電測(cè)深方法由于采用無(wú)窮遠(yuǎn)極垂直剖面布設(shè)，為非共線裝置，減小了電磁耦合強(qiáng)度。