薛國強(qiáng),陳衛(wèi)營,周楠楠,李 海
中國科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京 100029
隨著礦產(chǎn)資源日益減少,深部探礦已成為礦產(chǎn)勘查的一個(gè)主要方向.在現(xiàn)有儀器裝備基礎(chǔ)上,深入開展新方法、新技術(shù)研究,是解決新一輪深部探礦戰(zhàn)略需求問題的途徑之一.在各種深部電磁探礦方法中,長偏移距瞬變電磁(Long Offset Transient Electromagnetic,LOTEM)方法一直發(fā)揮著重要作用[1-8].這種方法的深部探礦能力主要來源于較長的觀測(cè)時(shí)長(1000ms以內(nèi)),使場(chǎng)從地面到目標(biāo)體有足夠的“往返”時(shí)間和辨認(rèn)異常的分離時(shí)間;此外,1000~2000m或更長的接地導(dǎo)線,可以獲得較高的信噪比和提供滿足接收機(jī)靈敏度的信號(hào)強(qiáng)度.與在水平層狀大地上僅激發(fā)水平電場(chǎng)、探測(cè)低阻層有利的回線源相比,接地導(dǎo)線源既有水平分量電場(chǎng),還可在電性界面產(chǎn)生感應(yīng)電荷的垂直分量電場(chǎng)[9],對(duì)不同電阻率的礦藏[10]有廣泛的適用性,而且較易在地形復(fù)雜地區(qū)敷設(shè).和可控源音頻大地電磁(Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric,CSAMT)法類似,LOTEM 發(fā)收間距一般取等于4~6倍的探測(cè)深度,以便分離一次場(chǎng).但是可能跨越了幾個(gè)構(gòu)造單元的長偏移存在記錄點(diǎn)問題、體積效應(yīng)較大,增加了解釋結(jié)果的不確定性,故在1970和1980年代前蘇聯(lián)和美國都有關(guān)于短偏移距的研究與試驗(yàn)[11-15],到2010年又有短偏移距的專利[16]出現(xiàn).尋求消除一次場(chǎng)、縮短發(fā)收距的研究也有發(fā)表.例如,有文獻(xiàn)[17]通過海底探礦的全空間解析分析認(rèn)為,垂直電偶極的鏡像可以消除一次場(chǎng),水平電偶極源無此作用,不能反映地層電性.隨后,又有數(shù)值分析繼續(xù)進(jìn)行垂直電偶極短偏移距的海底探測(cè)研究[18].實(shí)際上,在瞬變電磁勘探中,當(dāng)采用適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)波形后,可以使一次場(chǎng)和二次場(chǎng)在時(shí)間上分開,因此,水平接地導(dǎo)線的近源響應(yīng)仍然具有深部探測(cè)能力[19].為表示簡(jiǎn)便,我們將發(fā)收距離等于或小于探測(cè)深度的電性源瞬變電磁裝置命名為SOTEM(Short-offset Transient Electromagnetic).
在主動(dòng)源電磁勘探中,電磁場(chǎng)的激發(fā)有兩種方式,一種直接由電荷或電流激發(fā),如穩(wěn)恒電流產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng);一種由電場(chǎng)和磁場(chǎng)間的交互感應(yīng)激發(fā),如變化的磁場(chǎng)激發(fā)渦旋狀的電場(chǎng),變化的電場(chǎng)又激發(fā)渦旋狀的磁場(chǎng),電磁波通過這種交互感應(yīng)運(yùn)動(dòng)和傳播.在時(shí)域電磁法勘探中,這兩種激發(fā)方式都是存在的.穩(wěn)定電荷和電流的場(chǎng),在場(chǎng)源附近存在,場(chǎng)源消失則場(chǎng)消失,這種場(chǎng)稱為源的自有場(chǎng).當(dāng)電荷和電流隨時(shí)間變化時(shí),自有場(chǎng)也隨時(shí)間變化,同時(shí)由于電磁場(chǎng)間的交互感應(yīng),還有一部分場(chǎng)離開場(chǎng)源向外輻射,這部分場(chǎng)就稱為輻射場(chǎng).在頻率域電磁勘探中,變頻測(cè)深能力就來源于輻射場(chǎng).如同樣是接地導(dǎo)線源的CSAMT,為了使具變頻測(cè)深能力的輻射場(chǎng)占主導(dǎo)地位,應(yīng)在遠(yuǎn)區(qū)觀測(cè).當(dāng)然,場(chǎng)的強(qiáng)度隨發(fā)收距離的增加衰減,考慮到信噪比和接收機(jī)靈敏度,一般將觀測(cè)點(diǎn)布置在離開場(chǎng)源4~6倍探測(cè)深度的地方.隨著觀測(cè)點(diǎn)向場(chǎng)源靠近,輻射場(chǎng)的主導(dǎo)地位下降,自有場(chǎng)逐漸占優(yōu).以下是水平均勻大地CSAMT近場(chǎng)各分量公式[20]:
式中Idl為偶極矩,其中I是供電電流、dl是偶極長度;r是發(fā)收距,θ是場(chǎng)點(diǎn)到源點(diǎn)的夾角;σ是大地電導(dǎo)率、μ0是非磁性大地的磁導(dǎo)率.可以看出,當(dāng)自有場(chǎng)占優(yōu)、輻射場(chǎng)忽略不計(jì)時(shí),公式(3)—(6)的4個(gè)場(chǎng)量已經(jīng)與大地電導(dǎo)率無關(guān),完全失去了探測(cè)能力;只有公式(1)、(2)中的兩個(gè)水平電場(chǎng)分量Ex、Ey還與大地電導(dǎo)率有關(guān),但與頻率無關(guān),只能做幾何測(cè)深,不能進(jìn)行頻率測(cè)深.要利用近區(qū)的輻射場(chǎng)進(jìn)行變頻測(cè)深,需要進(jìn)行自有場(chǎng)和輻射場(chǎng)、即一次場(chǎng)和二次場(chǎng)的分離,時(shí)域瞬變場(chǎng)提供了這種可能性.
時(shí)域電磁法中的激勵(lì)波形,有三角形連續(xù)波、梯形連續(xù)波(圖1a),還有單脈沖的矩形、半正弦、三角形(圖1b)等.
圖1 常用TEM激勵(lì)波形[21](a)連續(xù)三角波和梯形波;(b)階躍、正弦、梯形單脈沖.Fig.1 Usual TEM excitation wave forms[21](a)Triangle and trapezoid continuous wave form;(b)Step,sine and trapezoid single pulse.
連續(xù)波形在觀測(cè)期間始終有一次場(chǎng)存在,深部TEM,如LOTEM如果采用這種波形,則要求發(fā)收間距等于4~6倍的探測(cè)深度達(dá)到遠(yuǎn)場(chǎng)觀測(cè),使輻射場(chǎng)占優(yōu);如果采用單脈沖波形,脈沖關(guān)斷后觀測(cè)純二次場(chǎng),由此將自有場(chǎng)和輻射場(chǎng)分離開來,獲得短偏移距的深部探測(cè)能力.在對(duì)單脈沖頻譜考查后,還可以知道階躍脈沖的頻譜中,幅度與頻率成反比,低頻諧波占主導(dǎo)地位.故為獲得大的探測(cè)深度、分離自有場(chǎng)和輻射場(chǎng),SOTEM的激勵(lì)電流需要采用階躍波形.
在實(shí)際應(yīng)用中,為了抑制觀測(cè)系統(tǒng)中的直流偏移和噪聲干擾,往往將圖1b的單脈沖激勵(lì)變換為周期性重復(fù)的雙極性脈沖系列,在正負(fù)脈沖關(guān)斷后觀測(cè),仍然是純二次場(chǎng).
在不考慮信噪比和接收機(jī)靈敏度的情況下,探測(cè)深度d僅由觀測(cè)時(shí)間t和地電結(jié)構(gòu)決定,和裝置類型、發(fā)收距離等無關(guān)[22-23]:
對(duì)于水平分層大地模型,電偶極源形成的時(shí)域電磁場(chǎng)表達(dá)式可由全場(chǎng)頻域公式[20]、通過實(shí)部或虛部的正弦或余弦變換得到[24].以垂直磁場(chǎng)hz為例:
式中J1(λr)為1階第一類柱Beseel函數(shù),其中λ是r方向的波矢量分量;其中k2i=j(luò)ωσiμ0;Gk是地層因子,對(duì)于m層大地,有從第m 層向上的遞推公式:
圖2是根據(jù)式(8),(9)和(10)計(jì)算的兩層地層的不同偏移距磁場(chǎng)hz(t)曲線.
可見,在早期隨著發(fā)收距離r的增加,場(chǎng)強(qiáng)hz減??;晚期r增大hz也增大.不過,圖2中不同發(fā)收距r=700、1000、2000、3000、4000m 的曲線,雖然在80ms后都有對(duì)下伏低阻層的反映,但是,不同偏移距離情況下的曲線反映低阻基底的延遲時(shí)間大小不同.例如700m的發(fā)收距可以更好地探測(cè)到1000m深度的低阻層.說明可以用小于目標(biāo)深度的發(fā)收距實(shí)現(xiàn)測(cè)深,這在頻率域是無法做到的.而且短偏移距的曲線變化幅度大,使得曲線特征更為明顯,因此對(duì)地層有更高的分辨能力.
圖2 兩層大地不同偏移距hz(t)曲線Fig.2 Two-layered hz(t)curves with different offset
視電阻率-深度剖面是電磁法勘探中的常規(guī)數(shù)據(jù)解釋手段,有多種算法.其中在特定期間,如早期或晚期的視電阻率算法較為簡(jiǎn)單.但是為了對(duì)全部時(shí)段的觀測(cè)數(shù)據(jù)都有較好的地層反映,有必要采用如下的全期視電阻率算法.
文獻(xiàn)[25]給出了電性源由垂直磁場(chǎng)hz(t)出發(fā)的視電阻率ρs公式:
式中,g[hz(t)]是隱函數(shù),可用如下級(jí)數(shù)逼近.
其中系數(shù)bi由文獻(xiàn)[25]給出,αi由最小二乘法求取,即使目標(biāo)函數(shù)F取極小值.
式中
圖3分別是G和D型兩層大地全期和早、晚期視電阻率對(duì)比曲線.可以看出,全期視電阻率對(duì)地電結(jié)構(gòu)變化的反映優(yōu)于早期和晚期視電阻率的.
需要注意的是:通過線圈測(cè)得的磁場(chǎng)分量實(shí)際上是感生電動(dòng)勢(shì),即?hz/?t.因此在利用全期視電阻率公式(10)之前,還應(yīng)該把實(shí)測(cè)感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)化成垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度hz(t).
公式(7)是計(jì)算視深度的基礎(chǔ),是電磁法探測(cè)深度經(jīng)典文獻(xiàn)[22]定義的TEM場(chǎng)的“擴(kuò)散深度”,是給定時(shí)間t內(nèi)階躍脈沖向地下單向傳播到達(dá)的深度.要探測(cè)地下某一深度的目標(biāo)體,還需要返回時(shí)間,此雙向傳播時(shí)間至少為2t,文獻(xiàn)[22]的解析分析和其后的直接時(shí)域數(shù)值分析[23]表明,當(dāng)攜帶地質(zhì)信息的場(chǎng)剛剛返回到地面時(shí),以目前的TEM方法和儀器的觀測(cè)體制,還不能分辨出反射脈沖到達(dá)的時(shí)刻,還需要在分離時(shí)間之后延遲一段時(shí)間,達(dá)到可分辨時(shí)間,以分離異常;此外,大地的色散作用使低頻成分逐漸占優(yōu)的脈沖群速變慢.綜合這些因素,可再將2t時(shí)間加倍,取觀測(cè)時(shí)間為T=4t,代入式(7),得視深度估算公式:
由(16)式得觀測(cè)時(shí)長估算公式:
式中用電阻率ρ替換了電導(dǎo)率σ.
時(shí)域SOTEM在河南某鹽礦地下溶腔探測(cè)中進(jìn)行了試驗(yàn)性施工,證明了SOTEM的探測(cè)能力,取得了良好的地質(zhì)效果.
測(cè)區(qū)位于河南省中部葉縣,地質(zhì)構(gòu)造屬于舞陽盆地,鹽礦層數(shù)56層,鹽層厚度累計(jì)430m.在地下1300~1400m層位發(fā)育有水溶壓裂開采造成的溶腔,探測(cè)的目的是查明地下溶腔的分布范圍.由于含鹽地層溶水開采后形成的鹵水極易導(dǎo)電,應(yīng)呈低阻反應(yīng),觀測(cè)垂直磁場(chǎng)hz比較有利.使用V8電法工作站和SB-7K型磁探頭(有效接收面積40000m2)進(jìn)行測(cè)試.
如前所述,瞬變電磁法探測(cè)深度主要由地層電阻率和觀測(cè)時(shí)間決定.表1列出了測(cè)區(qū)的地層電性.
圖3 兩層大地早期、晚期、全期視電阻率對(duì)比Fig.3 Two-layered curves of early-time,late-time and whole time(a)G-type;(b)D-type.
表1 河南某鹽礦地層電性Table 1 Geo-electric earth of some salt-ore in Henan province
雖然正演曲線(圖2)和轉(zhuǎn)換后的視電阻率曲線(圖3)可以表示可分辨目的層的大致觀測(cè)時(shí)長.但是,實(shí)際地層層數(shù)遠(yuǎn)比表1列出的多.三層以上的場(chǎng)曲線由于假極值效應(yīng)[20],將使層位不易分辨.況且,正演的時(shí)長也是需要事前確定的.為此,可用公式(11)估算觀測(cè)時(shí)長.眾所周知,在瞬變電磁法中,發(fā)射裝置通電或斷電瞬間激發(fā)的電磁波,首先在空氣中以光速c很快傳播到地表各處,然后有一部分電磁能量垂直傳入地下.故可將表1地層厚度和電阻率代入以下公式,得出與地層層理垂直的綜合電阻率ρn[26],有
式中m為地層層數(shù).再將ρn≈65Ωm代入公式(17)可知需要的觀測(cè)時(shí)間長度t約為125ms(以光速傳播到接收點(diǎn)需要的時(shí)間遠(yuǎn)小于在地中的垂直傳播時(shí)間,忽略不計(jì)).當(dāng)然,還有直接從場(chǎng)源傳播到地中的電磁能量.由于大地的電抗作用,與以光速建立的第一種場(chǎng)相比,第二種場(chǎng)的建立比較遲緩[26].因此,觀測(cè)時(shí)長的估算以第一種場(chǎng)為準(zhǔn).查V8儀器的觀測(cè)時(shí)長(表2)可知,要探測(cè)賦存深度1300~1400m的溶腔,應(yīng)取重復(fù)頻率為1Hz的時(shí)間檔.
表2 V8儀器SOTEM觀測(cè)時(shí)間表Table 2 SOTEM survey time table of V8system
在發(fā)收距的確定方面,如前所述,如果激勵(lì)波形是理想階躍函數(shù),脈沖關(guān)斷后觀測(cè)的即為二次場(chǎng),甚至零偏移距都具有探測(cè)能力.但實(shí)際儀器電路本身的響應(yīng)、發(fā)射導(dǎo)線、大地造成的關(guān)斷效應(yīng),使得關(guān)斷后的一段時(shí)間內(nèi)還有一次場(chǎng)存在.為分離關(guān)斷效應(yīng)造成的一次場(chǎng),導(dǎo)線源和觀測(cè)點(diǎn)之間應(yīng)當(dāng)有適當(dāng)?shù)木嚯x.還由于導(dǎo)電大地中的輻射場(chǎng)按指數(shù)衰減,源附近的場(chǎng)變化較為劇烈,較小的坐標(biāo)測(cè)量誤差,將通過視電阻率公式引起較大的解釋誤差[27-28],因此,源和接收點(diǎn)之間需要有一段距離.本次探測(cè)采用的收發(fā)距r=700~1000m.而且,為達(dá)到一定的信噪比,要求有合理的接地導(dǎo)線源長度AB和供電電流I.當(dāng)發(fā)收距r=1000m,重復(fù)頻率f=1Hz,AB=1000m、I=20A 時(shí),進(jìn)行觀測(cè),圖4為實(shí)測(cè)二次感應(yīng)電壓衰減曲線,可見采用上述工作參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)可取得較高質(zhì)量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù).
圖4 實(shí)測(cè)感生電動(dòng)勢(shì)V(t)曲線Fig.4 EMF curve of field collected data
圖5是鹽礦溶腔探測(cè)中的一條剖面(點(diǎn)距40m).在視電阻率剖面 (圖5a)中,地下100m內(nèi)的高阻層、地下100~700m之間的低阻層、地下700~1100m的更低阻層、和地下1100~1500m的高阻層,分別與第四系的沙礫粘土互層、第三系的砂巖泥巖互層、泥巖層和含鹽的膏質(zhì)泥巖頁巖互層對(duì)應(yīng),短偏移SOTEM觀測(cè)剖面很好地反映了地層電性變化,圖5b是推斷地質(zhì)剖面.進(jìn)一步地,可以發(fā)現(xiàn)在深度1200~1400m范圍內(nèi),視電阻率的橫向及縱向分布不均勻,在整體的高阻背景下呈現(xiàn)幾處120Ωm的低阻等值線封閉區(qū),根據(jù)鹽礦賦存深度,推斷為溶腔的反應(yīng).由此圈定了80—120號(hào)點(diǎn)、280—400號(hào)點(diǎn)、600—640號(hào)點(diǎn)的三處溶腔.隨后在360號(hào)點(diǎn)布設(shè)的鉆孔,在地下1210m處見鹽溶腔,證實(shí)了SOTEM的探測(cè)效果.
圖5 鹽礦溶腔SOTEM實(shí)測(cè)成果圖(a)視電阻率-深度剖面;(b)地質(zhì)推斷剖面.Fig.5 Result of field data typical section(a)Apparent resistivity section;(b)Interpreted geological section.
當(dāng)采用階躍脈沖作為激發(fā)源,有足夠的觀測(cè)時(shí)長,在滿足信噪比和接收機(jī)靈敏度的情況下,短偏移SOTEM不僅具有長偏移LOTEM的深部探測(cè)能力,而且層狀大地表面上接地電性源的場(chǎng),隨著偏移距由長到短,曲線特征從平緩模糊變得陡峭明顯,說明SOTEM對(duì)地層有更好的分辨能力.當(dāng)測(cè)區(qū)的構(gòu)造不能用一維水平層狀大地近似時(shí),較小的偏移距體積效應(yīng)小,記錄點(diǎn)問題較易處理,解釋結(jié)果的確定性更強(qiáng),有更廣泛的應(yīng)用適應(yīng)性.在1400m深度的鹽礦溶腔探測(cè)中,用小于埋藏深度的1000m短偏移距測(cè)出的溶腔被鉆孔驗(yàn)證.表明了SOTEM的勘探效果.在深部探測(cè)中,為獲得高質(zhì)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用的長接地導(dǎo)線源,不能再用電偶極子近似.短偏移的場(chǎng)點(diǎn)與源點(diǎn)更為接近,需要有比沿線做電偶極子積分更精確的理論公式,如以時(shí)變點(diǎn)電荷為微元的理論公式,作為進(jìn)一步的研究基礎(chǔ).此外,接地導(dǎo)線源SOTEM對(duì)高阻體的探測(cè)能力,其它電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量在不同環(huán)境、不同地質(zhì)任務(wù)中的應(yīng)用等,都將是今后要繼續(xù)深入研究的.可以預(yù)計(jì),SOTEM將為提高深部探測(cè)的分辨率、發(fā)展新的觀測(cè)和解釋技術(shù)起到積極的作用.
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