王順國(guó),熊 彬

(中南大學(xué) 信息物理工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410083)

層狀介質(zhì)上雙頻激電的電磁耦合效應(yīng)

王順國(guó),熊 彬

(中南大學(xué) 信息物理工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410083)

從電偶極子諧變電磁場(chǎng)的基本公式出發(fā),研究了層狀介質(zhì)上雙頻激電的電磁耦合特點(diǎn)。經(jīng)研究表明,用中梯、偶極裝置觀測(cè)層狀介質(zhì),電磁耦合隨任意層電阻率值變大而減小;隨低阻層的相對(duì)變薄而變小;隨收發(fā)距的減小而減小。此外,用中梯測(cè)量時(shí),電磁耦合在AB(供電極距)中部最強(qiáng),遠(yuǎn)離中部時(shí)耦合效應(yīng)會(huì)逐漸減小;且供電極距越小、離主測(cè)線越遠(yuǎn),電磁耦合也越小。而用偶極測(cè)量時(shí),供電極距的變化對(duì)電磁耦合的影響比中梯小。

雙頻激電;電磁耦合效應(yīng);層狀介質(zhì)

0 前言

隨著激發(fā)極化法的不斷發(fā)展,電磁耦合這一問題越來越受到地球物理勘探工作者的重視。在電磁測(cè)深中,電磁耦合含有一定地下介質(zhì)的電學(xué)信息,是電磁測(cè)深中的有用信號(hào),但電磁耦合在雙頻激電測(cè)量中是一種很強(qiáng)的干擾因素,尤其在低阻覆蓋區(qū)和大極距測(cè)量時(shí),嚴(yán)重影響了勘測(cè)深度與精度,從而阻礙了激電法的推廣[1]。為解決這一問題,對(duì)電磁耦合效應(yīng)進(jìn)行研究是有必要的。

二十世紀(jì)中期,國(guó)外開始深入研究激電測(cè)量中的電磁耦合效應(yīng),并得到很多可貴結(jié)論。例如:M illett[2]公布了在均勻半空間表面上,偶極裝置測(cè)量時(shí)實(shí)用電磁耦合計(jì)算對(duì)照表;Sunde[3]推導(dǎo)了水平層狀大地表面上接地導(dǎo)線間電磁耦合的理論解;W ynn等[4]改進(jìn)了低阻覆蓋區(qū)的激發(fā)極化勘探技術(shù),并提出了一種去耦的方法;Dey等[5]詳細(xì)論述了二層介質(zhì)在頻率域和時(shí)間域偶極、三級(jí)裝置的電磁耦合情況;Hohm ann[6]依據(jù)偶極裝置,計(jì)算出了二層模型的電磁耦合;Zonge[7]提出高頻激電效應(yīng)弱而電磁效應(yīng)強(qiáng),低頻則反之,據(jù)此可以利用多頻測(cè)量進(jìn)行校正;Pelton[8]將感應(yīng)耦合近似看作C=1的Cole-Co le模型,從觀測(cè)的總響應(yīng)中去掉,以達(dá)到校正的目的。在國(guó)內(nèi),戰(zhàn)克等[9]對(duì)變頻法中電磁耦合規(guī)律進(jìn)行了分析,并提出了校正方法;何繼善等[10]從電磁耦合的時(shí)域特性著手,提出利用時(shí)間特性分離并克服電磁耦合的方法;熊彬等[11]針對(duì)均勻半空間,研究了中梯測(cè)量時(shí)二種布線方式的電磁耦合效應(yīng)。作者在本文從電偶極子諧變電磁場(chǎng)的基本公式出發(fā),用Fortran語(yǔ)言進(jìn)行了中梯、偶極裝置下多種模型的電磁耦合計(jì)算。

1 基本理論

圖1及下頁(yè)圖2分別表示中梯、偶極裝置示意圖。AB是供電電極,ab是測(cè)量電極。發(fā)送電極和接收電極間的阻抗可以表示為式(1)[12]。

圖1 中梯裝置Fig.1 Central gradient array

在式(1)中:

σj(ω)=σ′j(ω)+iσ″j(ω),為第j層頻率為ω的復(fù)電導(dǎo)率,當(dāng)ω=0時(shí),有σj(0)=σ′j(0)。

對(duì)于最底層,存在Fm(g)=Lm(g)=1.0,作者在文中取m=2。

由于文中θ=0,所以公式(1)可以簡(jiǎn)化為

可以利用阻抗的模,也可以利用相位計(jì)算視頻散率,作者選用模對(duì)電磁耦合效應(yīng)進(jìn)行分析,有

其中 f0表示低頻;f1表示高頻。

為了便于解釋,作者在文中用相同的頻率(低頻f0=1/13 Hz,高頻f1=1 Hz)和二層模型進(jìn)行研究,上層介質(zhì)的電阻率為ρ1,層厚為h1;下層介質(zhì)的電阻率為ρ2。

2 中梯裝置

2.1 電阻率對(duì)電磁耦合的影響

取h1=200 m、AB=1 km、ab=50 m、ρ2=100Ωm、ρ1從10 000Ωm到10Ωm以10為倍數(shù)逐減。從圖3可以看出,當(dāng)ρ2不變,而ρ1由小變大時(shí),電磁耦合效應(yīng)逐漸減小,且圖3中表明在中間位置,電磁耦合效應(yīng)最強(qiáng);遠(yuǎn)離中部時(shí)電磁耦合效應(yīng)會(huì)逐漸減小。反之,ρ1不變,ρ2由小變大時(shí)電磁耦合效應(yīng)也減小。為

圖3 F s隨第一層介質(zhì)電阻率變化的剖面圖Fig.3 Curvesof F sw ith the changesof resistivity to first layer

2.2 層厚對(duì)電磁耦合的影響

取AB、ab同上,ρ1=10Ωm、ρ2=100Ωm,h1從200m到500m以100m間距逐增。從圖4(見下頁(yè))可以看出,上層為低阻介質(zhì)時(shí),隨層厚的加大,電磁耦合效應(yīng)增強(qiáng);反之,上層為高阻介質(zhì)時(shí),隨層厚的加大,電磁耦合效應(yīng)減弱。由此可知,當(dāng)層厚變化時(shí),電磁耦合效應(yīng)隨低阻層的相對(duì)變薄而變小。

2.3 供電極距AB變化對(duì)電磁耦合的影響

取h1=200m,對(duì)ρ1=100Ωm、ρ2=1 000Ωm的模型,極距AB從1 000m到1 300 m以100m間距逐增。從圖5中可以得出結(jié)論:電磁耦合效應(yīng)隨極距AB的增大而明顯增大。對(duì)ρ1>ρ2的模型,可以得到相同的結(jié)論。

圖4 F s隨第一層介質(zhì)厚度變化的剖面圖Fig.4 Curvesof F sw ith the changesof thickness in the first layer

圖5 F s隨極距AB變化的剖面圖Fig.5 Curvesof F sw ith the changesof power-supp ly po lar distance

2.4 AB與ab間距d y對(duì)電磁耦合的影響

取h1同上,對(duì)ρ1=100Ωm、ρ2=1 000Ωm的模型,AB與ab間距d y以20 m、30 m、40 m、50m變化。從圖6看出,隨間距d y的增大,電磁耦合效應(yīng)減小。對(duì)ρ1>ρ2的模型,可以得到相同的結(jié)論。

3 偶極裝置

3.1 電阻率對(duì)電磁耦合的影響

圖6 F s隨AB與ab間距d y變化的剖面圖Fig.6 Curves of F sw ith the changes of parallel distance between AB and ab

取L=100m(如圖2,為供電極距),N=1、2、…、18(為間隔系數(shù)),h1=200m,ρ2=100Ωm,使得ρ1從10 000Ωm到10Ωm以10為倍數(shù)逐減。從圖7看出,ρ2不變,ρ1由小變大時(shí)電磁耦合效應(yīng)減小;反之,ρ1不變,ρ2由小變大時(shí)電磁耦合效應(yīng)也減小。并且,隨著收發(fā)距的增大,電磁耦合增大。

圖7 F s隨第二層介質(zhì)電阻率變化的剖面圖Fig.7 Curvesof F sw ith the changesof resistivity in the second layer

3.2 層厚對(duì)電磁耦合的影響

取L、N同上,ρ1=10Ωm,ρ2=100Ωm,h1從200m到500m以100m間距逐增。從圖8(見下頁(yè))看出,上層為低阻介質(zhì)時(shí),隨層厚的加大,電磁耦合效應(yīng)增強(qiáng);反之,上層為高阻介質(zhì)時(shí),隨層厚的加大,電磁耦合效應(yīng)減弱。

3.3 供電極距AB變化對(duì)電磁耦合的影響

取h1=200m,ρ1=10Ωm,ρ2=100Ωm,極距AB以100m、200 m到300 m變化,取這三種供電極距測(cè)量時(shí)共同覆蓋的區(qū)域。從圖9可以得出結(jié)論:用偶極裝置測(cè)量時(shí),電磁耦合效應(yīng)受極距AB的影響小。當(dāng)ρ1>ρ2,極距AB以同樣的方式變化,得到的結(jié)論相同。

圖8 F s隨第一層介質(zhì)厚度變化的剖面圖Fig.8 Curvesof F sw ith the changesof dep th in the first layer

圖9 F s隨極距AB變化的剖面圖Fig.9 Curvesof F sw ith the changesof power-supp ly po lar distance AB

4 結(jié)論

在激電法適用的低頻范圍內(nèi),均勻半空間上的電磁耦合效應(yīng)隨頻率的增大、收發(fā)距的增大,以及電阻率的降低而增大,這些規(guī)律有利于野外施工和去除電磁耦合干擾。由于層狀介質(zhì)上觀測(cè)亦存在電磁耦合,所以對(duì)它的研究可以進(jìn)一步去除這種干擾和指導(dǎo)野外施工。作者研究了二層介質(zhì)時(shí),中梯裝置和偶極裝置下多種參數(shù)變化對(duì)電磁耦合效應(yīng)的影響。對(duì)于這二種裝置,若電阻率變化,電磁耦合效應(yīng)隨任意層介質(zhì)電阻率變大而減小;若層厚變化,電磁耦合效應(yīng)隨低阻層的相對(duì)變薄而變小。在用大收發(fā)距進(jìn)行激電測(cè)量時(shí),測(cè)量結(jié)果受電磁耦合的影響較大。另外,中梯測(cè)量時(shí),電磁耦合在AB(供電極距)中部最強(qiáng),遠(yuǎn)離中部時(shí)耦合效應(yīng)會(huì)逐漸減小;且供電極距越小、離主測(cè)線越遠(yuǎn),電磁耦合也越小。由于裝置本身的特點(diǎn),偶極裝置下電磁耦合效應(yīng)受供電極距AB的影響小。綜上所述,為達(dá)到測(cè)量精度,在低阻覆蓋區(qū),不宜用過大的收發(fā)距進(jìn)行激電測(cè)量。在中梯裝置測(cè)量時(shí),還應(yīng)盡量避免使用大的供電極距。

[1]何繼善.雙頻激電法[M].北京:高等教育出版社,2005.

[2]M ILLETT FB.Electrom agnetic coup lingof co llinear dipo les on a uniform half-space[J].M ining Geophysics,1967,5(2):401.

[3]SUNDE E D.Earth conduction effects in transm ission system s[M].New York:Dover,1968.

[4]W YNN J C,ZONGE K L.Electrom agnetic Coup ling,its intrinsic value,its removal and the cu ltu ral coup ling p rob lem[J].Geophysics,1972,40(5):831.

[5]DEY A,MORR ISON H F.Electrom agnetic coup ling in frequency and tim e dom ain induced po larization surveys overm u ltilayered earth[J].Geophysics,1973,38(2):380.

[6]HOHMANN GW.Electrom agnetic coup ling between groundedw ires at the surface of a two-layer earth[J].Geophysics,1973,38(5):854.

[7]ZONGE K L,W YNN JC.Recent advances and app lications in comp lex resistivity m easurem ents[J].Geophysics,1975,40(5):851.

[8]PELTON W H,WARD SH,HALLOF P G,et al.M ineral d iscrim ination and removalof inductive coup ling w ithm u ltifrequency IP[J].Geophysics,1978,43(3):588.

[9]戰(zhàn)克,王繼倫.變頻法中電磁耦合的近似校正方法[J].地質(zhì)與勘探,1981,17(4):40.

[10]何繼善,熊彬,鮑力知,等.激發(fā)極化觀測(cè)中電磁耦合的時(shí)間特性[J].地球物理學(xué)報(bào),2008,51(3):886.

[11]熊彬,余云春.雙頻激電法感應(yīng)耦合的數(shù)值計(jì)算與分析[J].物探化探計(jì)算技術(shù),2009,31(1):30.

[12]KAUAH IKAUA J,ANDERSONW L.Program s EMCUPL and SCHCOPL computation of electrom agnetic coup ling on a layered halfspacew ith comp lex conductivities[C].U.S.Geo logical Su rvey Open-File Repo rt79-1430,1979:91.

P 631.3+25

A

1001—1749(2010)06—0617—04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40974077)

2010-05-31

王順國(guó)(1987-),男,甘肅永登人,碩士,主要從事電磁法數(shù)值模擬及反演成像方面的研究。