徐凱軍,李桐林,劉 展

(1.中國(guó)石油大學(xué) 地球資源與信息學(xué)院,山東青島 266555;2.吉林大學(xué) 地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130026)

激電效應(yīng)對(duì)瞬變電磁影響特征研究

徐凱軍1,李桐林2,劉 展1

(1.中國(guó)石油大學(xué) 地球資源與信息學(xué)院,山東青島 266555;2.吉林大學(xué) 地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130026)

當(dāng)?shù)叵麓嬖跇O化體時(shí),在瞬變電磁測(cè)量中可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)電磁響應(yīng)。為了研究極化體所產(chǎn)生的激電效應(yīng)對(duì)瞬變電磁的響應(yīng)規(guī)律,以頻域電磁正演為基礎(chǔ),采用余弦變換,這里重點(diǎn)研究了在電偶源激發(fā)下,層狀可極化大地和半空間三維極化體電場(chǎng)分量瞬變響應(yīng)特征,總結(jié)了激電效應(yīng)對(duì)瞬變電磁響應(yīng)的影響規(guī)律。

瞬變電磁;余弦變換;激電效應(yīng)

0 前言

巖礦石表現(xiàn)出的復(fù)電阻率性質(zhì)早已被人們所認(rèn)識(shí)。在時(shí)間域電法中,巖礦石復(fù)電阻率性質(zhì)所產(chǎn)生的激電效應(yīng),已成為這些方法中的干擾。因此,研究激電效應(yīng)對(duì)瞬變電磁響應(yīng)的影響規(guī)律非常必要。M orrison等人[1]指出,激電效應(yīng)在重疊回線瞬變電磁測(cè)量中有可能表現(xiàn)為符號(hào)反轉(zhuǎn);Hohmann[2]對(duì)頻率域電磁測(cè)量系統(tǒng)的激電效應(yīng)影響特征進(jìn)行了理論和應(yīng)用研究。接下來(lái),還有很多學(xué)者對(duì)時(shí)間域瞬變電磁法中,激電效應(yīng)影響的物理機(jī)制進(jìn)行了探討[3～13]。作者在本文以頻域電磁正演為基礎(chǔ),采用時(shí)頻轉(zhuǎn)換技術(shù),重點(diǎn)研究了電偶源激發(fā)下層狀可極化大地,以及和半空間三維極化體電場(chǎng)分量瞬變響應(yīng)特征和規(guī)律。

1 瞬變電磁場(chǎng)正演理論

時(shí)間域瞬變電磁法的正演,采取先求解相同裝置的頻率域電磁法的正演問題,然后通過(guò)余弦變換,將頻域結(jié)果轉(zhuǎn)換到時(shí)間域。

1.1 水平層狀介質(zhì)頻域正演

在電偶極子發(fā)射源條件下,水平層狀大地頻率測(cè)深的電場(chǎng)表達(dá)式為[14]:

式中 J0(λr)為零階貝塞爾函數(shù);J1(λr)為一階貝塞爾函數(shù)。式(1)含有零階和一階貝塞爾函數(shù)積分形式。這種積分形式的正演公式是一種漢克爾變換式,通過(guò)快速漢克爾變換可求得式(1)的電場(chǎng)數(shù)值解。

1.2 三維介質(zhì)的頻域正演

作者利用積分方程法,計(jì)算了均勻半空間中三維極化體的頻域電磁場(chǎng)響應(yīng)。均勻半空間中含有三維異常體時(shí),其電場(chǎng)的積分方程表達(dá)式為[15]:

(2)可求得可得到空間內(nèi)任意一點(diǎn)電場(chǎng)值。

2 頻時(shí)轉(zhuǎn)換方法

作者在本文中采用了余弦變換,將頻域電場(chǎng)轉(zhuǎn)換為時(shí)間域電場(chǎng)。轉(zhuǎn)換公式可以寫為:

式(3)適用于所有頻率域電磁法正演結(jié)果到時(shí)間域瞬變電磁法的轉(zhuǎn)換,并且該方法很容易在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。

3 層狀極化大地瞬變電場(chǎng)響應(yīng)

為了研究層狀可極化大地電場(chǎng)分量的瞬變響應(yīng)規(guī)律,作者計(jì)算了電偶源激發(fā)的中間層為極化層典型的三層地電斷面的電場(chǎng)水平分量之瞬變響應(yīng)。表1給出了各種不同地電斷面參數(shù),中間極化層復(fù)電阻率參數(shù)為m2=0.5、τ2=0.5 s、c2=0.5。在計(jì)算時(shí)針對(duì)大收發(fā)距(r=1 000)和小收發(fā)距(r=100),分別計(jì)算了電場(chǎng)水平分量的瞬變響應(yīng)。

表1 不同地電斷面類型所對(duì)應(yīng)的地電斷面參數(shù)表Tab.1 The param eter tab le of d ifferen t geo-electric cross section

從圖1中可以看出,當(dāng)采用小收發(fā)距時(shí),無(wú)論在何種地電斷面上,所得瞬變曲線形態(tài)都相同,甚至數(shù)值也相近。其變化趨勢(shì)都是電場(chǎng)的瞬變響應(yīng)在早期快速衰減,然后由正值變?yōu)樨?fù)值,最后緩慢衰減到零。當(dāng)用大收發(fā)距時(shí),瞬變曲線形態(tài)比較復(fù)雜,對(duì)于地電斷面類型為H型和Q型的地電斷面,也就是第二層的電阻率相比第一層為低阻的地電斷面,其電場(chǎng)水平分量的瞬變曲線形態(tài)基本一致,瞬變響應(yīng)早期為正值,然后由正值變?yōu)樨?fù)值,其幅值較大,但經(jīng)歷時(shí)間短,很快又由負(fù)值變?yōu)檎?并快速衰減。對(duì)于地電斷面類型為K型和A型的地電斷面,也就是第二層的電阻率相比第一層為高阻的地電斷面,其電場(chǎng)水平分量瞬變曲線和小收發(fā)距時(shí)的瞬變曲線形態(tài)類似,只是瞬變響應(yīng)強(qiáng)度比小收發(fā)距時(shí)低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

圖1 不同地電斷面瞬變響應(yīng)(虛線為負(fù)值)Fig.1 The transient response of different geo-electric cross section(the dashed rep resentnegative)

4 均勻半空間中三維極化體的瞬變電場(chǎng)響應(yīng)

為了研究半空間中埋藏三維極化體時(shí)的瞬變電磁響應(yīng)的影響規(guī)律,作者計(jì)算了不同參數(shù)時(shí)的均勻半空間三維極化體正上方的時(shí)間域瞬變電磁響應(yīng)。模型分布如圖2所示,異常體是長(zhǎng)、寬、高都為100m的正方形,發(fā)收距為800m,極化體埋深h為100m。

圖3給出了三維極化體取不同極化參數(shù)時(shí),極化體正上方瞬變電磁響應(yīng)。電性參數(shù)如各圖中所示,其中ρ1表示圍巖電阻率,ρ0表示極化體零頻電阻率,m表示極化體極化率,τ表示極化體的時(shí)間常數(shù),c表示極化體的頻率相關(guān)系數(shù)。由圖3可見,極化體極化率、時(shí)間常數(shù)、頻率相關(guān)系數(shù)越大,負(fù)電磁響應(yīng)出現(xiàn)的越早,而且幅值也越大。但時(shí)間常數(shù)對(duì)瞬變電磁響應(yīng)曲線影響相當(dāng)較小。另外低阻極化體比高阻極化體的負(fù)電磁響應(yīng)出現(xiàn)的早且幅值大。

圖2 均勻半空間中三維極化體模型Fig.2 Themodelof 3D po larized body in homogeneous half-space

圖4(見下頁(yè))是取不同圍巖電阻率時(shí),極化體正上方的瞬變電磁響應(yīng)。由圖4可以看出,在極化體電性參數(shù)相同的條件下,圍巖的電阻率越高,瞬變響應(yīng)中負(fù)電磁響應(yīng)出現(xiàn)的越早,幅值越大。高阻圍巖中即使極化體極化率較低,但其瞬變電場(chǎng)響應(yīng)中負(fù)電磁響應(yīng)出現(xiàn)卻早且幅值大。由此可見,圍巖電阻率越高,極化體產(chǎn)生的激電效應(yīng)越強(qiáng)。

圖3 不同極化參數(shù)時(shí)極化體正上方的瞬變響應(yīng)(虛線為負(fù)值)Fig.3 The transient response of differentpo larization param eters(the dashed rep resentnegative)

圖4 不同圍巖電阻率時(shí)極化體正上方瞬變響應(yīng)(虛線為負(fù)值)Fig.4 The transien t response of d ifferen t ad jacen t bed resistivity(the dashed rep resen t negative)

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)可極化層狀大地和均勻半空間中三維極化體的瞬變電磁響應(yīng)分析可知,當(dāng)?shù)叵麓嬖谝欢ㄒ?guī)模的極化體時(shí),將會(huì)對(duì)瞬變電磁響應(yīng)產(chǎn)生很大的影響,使得瞬變電磁響應(yīng)晚期變號(hào)出現(xiàn)負(fù)值。對(duì)于地電斷面類型為H型和Q型的層狀介質(zhì),由于極化層的存在,還出現(xiàn)了二次變號(hào)現(xiàn)象。激電效應(yīng)大小與極化體的極化率、時(shí)間常數(shù)、頻率相關(guān)系數(shù)成正比,而且還受零頻電阻率,圍巖電阻率及收發(fā)距等參數(shù)的影響。另外從時(shí)間來(lái)看,早期瞬變響應(yīng)以電磁效應(yīng)為主,由于電磁效應(yīng)隨時(shí)間衰減,激電效應(yīng)在晚期占優(yōu),影響較大。

[1]MORR ISON H F,PH ILL IPSR J,Ob rien D P.Quan titative interp retation of transientelectrom agnetic fieldsover a layered half space[J].Geophys.Prosp.,1969,17:82.

[2]HOHMANN GW,K INTZINGER PR,Voorhis GD,et al.Evaluation of them easurem entof induced electrical po larizationw ith an inductive system[J].Geophysics,1970,35:901.

[3]FlisM F,Newm an G A,Hohm ann GW.Induced polarization effects in tim e-dom ain electrom agneticm easurem ents[J].Geophysics,1989,54:514.

[4]SM ITH R S,W EST G F.An exp lanation of abnorm al TEM responses:Coincident-loop negatives and loop effect[J].Exp loration Geophysics,1989a,19:435.

[5]SM ITH R S,W ESTG F.Field examp lesof negative coincident-loop transient electrom agnetic responsesmodeled w ith polarizable half-p lanes[J].Geophysics,1989b,54:1491.

[6]LEE T J,THOMASL.The transientelectrom agnetic response of a po larizab le sphere in a conducting half space[J].Geophysical Prospecting,1992,40:541.

[7]HESHAM M E,ESSAM A E.Transientelectrom agnetic responses of 3D po larizab le body[J].Geophysics,2004,69:426.

[8]李曉波,樸化榮.兩層大地中三維體的激發(fā)極化與電阻率響應(yīng)的積分方程模擬[J].地球物理學(xué)報(bào),1988,31(3):342.

[9]殷長(zhǎng)春,劉斌.瞬變電磁法三維問題正演及激電效應(yīng)特征研究[J].地球物理學(xué)報(bào),1994,37:486.

[10]羅延鐘,昌彥君,張桂青.層狀可極化大地上偶極-偶極裝置瞬變電場(chǎng)的異常性態(tài)[A].葉篤正,編.趙九章紀(jì)念文集[C].北京:科學(xué)出版社,1997,400.

[11]孫鴻雁.磁性源瞬變電磁測(cè)量中激電效應(yīng)作用規(guī)律的探討[J].物探與化探,1998,22(1):49.

[12]王隆平,溫佩琳.論TEM法中的IP效應(yīng)[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1998,29:209.

[13]劉鋼.瞬變電磁測(cè)量中的激發(fā)極化效應(yīng)[J].西部探礦工程,2001,73(6):33.

[14]樸化榮.電磁測(cè)深法原理[M].北京:地質(zhì)出版社,1990.

[15]徐凱軍,李桐林.利用積分方程法的大地電磁三維正演[J].西北地震學(xué)報(bào),2006,28(2):104.

P 631.3+25

A

1001—1749(2010)06—0613—04

國(guó)家油氣重大專項(xiàng)(2008ZX05020-006)

2010-05-31 改回日期:2010-09-17

徐凱軍(1979-),男,安徽固鎮(zhèn)人,博士,講師,主要從事地球物理正反演研究。