楊大方,翁愛(ài)華,楊 悅, 李斯睿,李大俊

(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)

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一個(gè)CSAMT非平面波效應(yīng)的實(shí)例及數(shù)值分析

楊大方,翁愛(ài)華,楊 悅, 李斯睿,李大俊

(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)

本文以實(shí)例結(jié)合數(shù)值模擬說(shuō)明CSAMT中非平面波效應(yīng)對(duì)資料解釋的重要影響。實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)量于河南盧氏縣，在同一條測(cè)線測(cè)量，發(fā)射源長(zhǎng)度1.3 km，收發(fā)距離分別為4.5 km和7 km。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的校正后進(jìn)行了光滑模型反演，為了對(duì)比反演結(jié)果，整個(gè)處理過(guò)程的參數(shù)都保持一致。反演的電阻率斷面顯示，兩種收發(fā)距離反演的電阻率斷面其異常形態(tài)基本一致；但在電阻率的數(shù)值上，4.5 km的收發(fā)距離反演的電阻率較7 km的大。分析發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象主要是源的非平面波效應(yīng)造成的，并通過(guò)三維正演數(shù)值模擬得到了驗(yàn)證。由于在有限收發(fā)距離時(shí)，計(jì)算卡尼亞視電阻率靠近源受非平面波效應(yīng)影響偏大，遠(yuǎn)離源后，該視電阻率趨于平面波視電阻率。因此，為了采用目前的可控源音頻大地電磁測(cè)深解釋理論，要求收發(fā)距離盡可能大。否則，必須采用帶源效應(yīng)的真正可控源電磁反演技術(shù)完成數(shù)據(jù)分析。

可控源音頻大地電磁法 三維 數(shù)值模擬 阻抗視電阻率 非平面波效應(yīng)

Yang Da-fang, Weng Ai-hua, Yang Yue, Li Si-rui, Li Da-jun. An example of non-plane wave effect in CSAMT and numerical analysis[J].Geology and Exploration,2015,51(1):0151-0156.

1 引言

可控源音頻大地電磁測(cè)深法(CSAMT)是在大地電磁法和音頻大地電磁的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種人工源電磁測(cè)深法(Goldsteinetal，1975)。自20世紀(jì)70年代提出以來(lái)，CSAMT已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于金屬礦、煤田、地?zé)帷⒂蜌?、工程等方面的勘探?石昆法，1999，2001；底青云，2006；李帝銓，2008；于澤新，2009；馬振波，2011；)，其實(shí)際應(yīng)用及數(shù)值模擬方面的研究也取得了很大進(jìn)展(付長(zhǎng)民等，2009；湯井田,2010，2012；許廣春，2011；馬嬋華等，2013)。在CSAMT數(shù)據(jù)的解釋過(guò)程中，假設(shè)觀測(cè)的人工源電磁場(chǎng)滿足平面波條件，需借助大地電磁法資料解釋理論(Zongeetal，1983；何繼善，1990)。然而，由于人工源的引入，加上野外實(shí)際條件的限制，源與接受位置的距離不能足夠遠(yuǎn)；另外為了滿足測(cè)量深度，低頻的信號(hào)十分重要，所以平面波假設(shè)往往得不到滿足(湯井田，2005)。

何繼善等提出了非平面波效應(yīng)的校正方法(何繼善，1990)，但實(shí)際工作中往往不能滿足近似條件，校正效果并不理想電阻率受收發(fā)距離的影響，也就是非平面波效應(yīng)的影響。本文結(jié)合實(shí)際工作中的例子及三維有限差分正演，說(shuō)明了CSAMT中非平面波效應(yīng)的影響并總結(jié)其影響規(guī)律。

2 典型剖面舉例

研究測(cè)線布置在河南省盧氏縣縣城西南方向，距離縣城約7 km(圖1)。測(cè)線南北向，長(zhǎng)度1350m。在構(gòu)造上，測(cè)線所在的工區(qū)位于華北板塊南緣與秦嶺褶皺帶結(jié)合部位，基底構(gòu)造以北西西-南東東向?yàn)橹?。工區(qū)巖性根據(jù)電阻率變化大致分成三組，電阻率低于100 Ω·m的第四系粘土、第三系泥巖和砂泥巖、碳質(zhì)板巖及含炭大理巖；電阻率在100～1000 Ω·m的巖性主要有碳質(zhì)板巖、完整板巖、風(fēng)化千枚巖，電阻率大于1000 Ω·m的巖性主要有千枚巖、白云巖和灰?guī)r。CSAMT勘探目的是配合地?zé)峥辈?，推斷斷面?nèi)巖性特征及可能的斷裂位置及產(chǎn)狀。

圖1 CSAMT工作布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of CSAMT survey

CSAMT測(cè)量時(shí)，測(cè)量電極距為30 m，源的長(zhǎng)度為1800 m。工作頻率0.125～8912 Hz。測(cè)量時(shí)，為了盡可能滿足平面波條件，確定7000m的收發(fā)距離，但由于后來(lái)被證實(shí)存在電阻率極低的大套碳質(zhì)板巖的影響，測(cè)量的電場(chǎng)信號(hào)在0.15～7×10 μV，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差都在100以上，如此小的信號(hào)影響了結(jié)果可靠性。為此，選擇新的發(fā)射源位置，其收發(fā)距離為4600 m。由于距離較近，數(shù)據(jù)資料質(zhì)量有了較大的提高，我們選取測(cè)線上第15個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行討論，如圖2所示?？梢?jiàn)，盡管兩種不同收發(fā)距離的電場(chǎng)幅度相差較大，但計(jì)算得到的阻抗視電阻率在高頻段的遠(yuǎn)區(qū)基本一樣，差別主要在低頻段，在反演斷面上的深部可以看出，收發(fā)距離為4600 m時(shí)，得到的視電阻率大于當(dāng)收發(fā)距離為7000 m所得到的視電阻率。顯然這種差異是由于收發(fā)距離不能滿足遠(yuǎn)區(qū)條件，即所謂的非平面波效應(yīng)造成的。

上述非平面波效應(yīng)也影響到二維剖面反演結(jié)果。圖3為該條剖面在不同收發(fā)距離時(shí)的阻抗視電阻數(shù)據(jù)光滑模型反演結(jié)果。在反演前，對(duì)資料進(jìn)行了靜態(tài)校正及近場(chǎng)校正。反演深度控制在1500 m。反演的參數(shù)設(shè)置都一樣，迭代8次結(jié)束。由于本次研究主要研究非平面波效應(yīng)，因此，對(duì)圖中的異常不作地質(zhì)上的解釋。由圖3可以看出，在電阻率分布特征上，兩種收發(fā)距離數(shù)據(jù)反演的電阻率斷面變化規(guī)律基本一致，表現(xiàn)為在中深部較高電阻率背景下，存在一個(gè)明顯的低電阻率異常帶，該異常帶在200～600 m之間呈現(xiàn)近直立狀態(tài)分布，從600 m處附近開(kāi)始，該異常帶向北延伸且埋藏深度逐漸增加，最大埋藏深度達(dá)到600 m，綜合已有的地質(zhì)資料及測(cè)區(qū)巖土體的電性特征分析推測(cè)該低電阻率異常帶為含碳質(zhì)地層，厚度約100 m。深部電阻率較高，呈現(xiàn)出南高北低的分布特點(diǎn)，反映出代表高電阻率特性的地層向北傾斜。但在電阻率的數(shù)值上，兩種收發(fā)距離時(shí)，在深層得到的視電阻率有明顯不同，而且收發(fā)距離為4600 m時(shí)的電阻率在整體上要高于收發(fā)距離為7000 m的情況。

由于同樣剖面的電阻率值只有一個(gè)，不同收發(fā)距離CSAMT得到的模型電阻率應(yīng)該接近。顯然，上述的差異是由于反演時(shí)的數(shù)據(jù)差異造成的，而根源是收發(fā)距離差異造成的源非平面波影響。為此，下面采用三維數(shù)值模擬方法進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證和分析。

圖2 不同收發(fā)距離觀測(cè)到的CSAMT響應(yīng)Fig.2 CSAMT response of different receiving distances. a-電場(chǎng)振幅; b-阻抗視電阻率a-electric field amplitude; b-impendance apparent resistivity

圖3 不同收發(fā)距時(shí)同一剖面二維反演斷面圖((a), r=7000 m; (b), r=4600 m)Fig.3 2D inversion sections of different receiving distances ((a) r=7000 m, (b) r=4600 m)

3 數(shù)值模擬分析

3.1 可控源數(shù)值模擬方法

為了獲得考慮源效應(yīng)的CSAMT數(shù)據(jù)，文中采用人工源交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分方法進(jìn)行三維數(shù)值模擬(劉云鶴，2011；翁愛(ài)華等，2012)。人工源采用有限長(zhǎng)導(dǎo)線，其在層狀介質(zhì)中產(chǎn)生的格林函數(shù)作為基本場(chǎng)被強(qiáng)加到異常電場(chǎng)滿足的非齊次Helmholtz方程源項(xiàng)中，即

(1)

(2)

求出磁場(chǎng)H，進(jìn)而定義阻抗視電阻率

(3)

ω為諧變電流的圓頻率，μ為大地中常見(jiàn)的磁導(dǎo)率，一般地，μ=1.256×10-6H/m。

3.2 數(shù)值結(jié)果及分析

非平面波效應(yīng)對(duì)CSAMT測(cè)量結(jié)果的影響已經(jīng)有廣泛的討論(楊生等，1993)。一個(gè)最明顯的例子是圖4中赤道上測(cè)點(diǎn)的均勻半空間模型正演模擬測(cè)深曲線。均勻半空間的電阻率為100 Ω·m。收發(fā)距離r分別為5500 m，7500 m和10500 m。從圖可見(jiàn)，即使對(duì)于均勻半空間，在收發(fā)距離不是足夠大時(shí)，在低頻段，卡尼亞視電阻率上翹，大于實(shí)際電阻率。只有在收發(fā)距離足夠遠(yuǎn)，完全滿足遠(yuǎn)區(qū)條件(樸化榮，1990；底青云等，2008)，視電阻率才完全反映介質(zhì)的真電阻率。

圖4 不同收發(fā)距均勻半空間測(cè)深曲線對(duì)比圖Fig.4 Comparison chart of different receiving distance sounding curve

源的非平面波效應(yīng)在平面上的特征通過(guò)對(duì)圖5中所示三維模型的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析。有限長(zhǎng)導(dǎo)線源長(zhǎng)度1 km，最小收發(fā)距4.5 km，最大收發(fā)距7.5 km。測(cè)區(qū)線距200 m，共16條測(cè)線；測(cè)線平行于源，點(diǎn)距100m，每條測(cè)線上有21個(gè)測(cè)點(diǎn)。圖中灰色區(qū)域?yàn)楫惓ｓw。分別對(duì)電阻率為100 Ω·m的均勻半空間和其中位置放置一個(gè)1 Ω·m和1000 Ω·m、大小為400 m×400 m×400 m、頂面埋深300m的三維異常體模型進(jìn)行正演。從圖4可見(jiàn)，非平面波效應(yīng)主要在相對(duì)低頻明顯，因此正演計(jì)算選擇頻率為8 Hz。

圖5 模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the model structure

圖6為三種模型得到的測(cè)區(qū)視電阻率平面等值線圖。從圖可見(jiàn)，在平面上，阻抗視電阻率的變化規(guī)律和圖4的基本一致，在距離源最遠(yuǎn)處的阻抗視電阻率接近模型正電阻率，離源越近，阻抗視電阻率越大，受源的非平面波效應(yīng)影響越大。三維異常體的存在，在局部改變了電阻率分布特征。表現(xiàn)在：(1) 源的非平面波效應(yīng)依然存在，造成測(cè)區(qū)內(nèi)近源電阻率大，遠(yuǎn)源電阻率小的斜坡型變化；(2) 通過(guò)阻抗視電阻率的分布形態(tài)可以判斷低阻異常體的位置，但受到非平面波效應(yīng)的影響，阻抗視電阻率整體上并不是似平面波作用下以異常體位置為中心的同心圓分布，而是收發(fā)距離方向拉長(zhǎng)的似橢圓型。由此，可以得到如下認(rèn)識(shí)：(1) 受非平面波效應(yīng)的影響，在工區(qū)較大時(shí)，基于大地電磁測(cè)深解釋理論得到的各個(gè)測(cè)線電阻率值存在差異，并呈現(xiàn)出近源電阻率大，遠(yuǎn)源電阻率小的特點(diǎn)，這與圖3的實(shí)例完全一致；(2) 目前以測(cè)線為單位進(jìn)行二維反演CSAMT數(shù)據(jù)處理，但由于在收發(fā)距離方向得到增強(qiáng)，造成過(guò)異常主剖面外的其它測(cè)線數(shù)據(jù)反演后也將有較強(qiáng)的異常，從而可能得出錯(cuò)誤的異常歸位。

4 結(jié)論

本文介紹了實(shí)際工作中遇到的一個(gè)源非平面波效應(yīng)影響的CSAMT探測(cè)結(jié)果，并利用交錯(cuò)網(wǎng)格三維有限差分正演程序，對(duì)這種效應(yīng)進(jìn)行正演數(shù)值模擬，驗(yàn)證了野外CSAMT遇到的非平面波效應(yīng)，并得到了如下的認(rèn)識(shí)：

(1) 在收發(fā)距離較小時(shí)，非平面波效應(yīng)必然存在，并對(duì)CSAMT的測(cè)量結(jié)果造成影響。

圖6 阻抗視電阻率平面圖 (f=8 Hz)Fig.6 Contours of impendance apparent resistivity(f=8Hz)from different models (a)-均勻半空間模型；(b)-低阻局部異常體模型；(c)-高阻局部異常體模型(a)-model of inhomogeneous half space; (b)-model of low resistance local anomaly body model; (c)-model of high resistance local anomaly body model

(2) 受非平面波效應(yīng)的影響，在工區(qū)較大時(shí)，基于大地電磁測(cè)深解釋理論得到的各個(gè)測(cè)線電阻率值存在差異，并呈現(xiàn)出近源電阻率大、遠(yuǎn)源電阻率小的特點(diǎn)。

(3) 目前以測(cè)線為單位進(jìn)行二維反演CSAMT資料處理，但由于在收發(fā)距離方向得到增強(qiáng)，造成過(guò)異常主剖面外的其它測(cè)線數(shù)據(jù)反演后也將有較強(qiáng)的異常，從而可能得出錯(cuò)誤的異常歸位。

(4) 在實(shí)際工作中如果還是采用大地電磁測(cè)深理論進(jìn)行數(shù)據(jù)解釋，需要盡量采用大的收發(fā)距。

(5) 如果工區(qū)面積較大，最好采用含源的可控源電磁勘探理論進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

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An Example of Non-Plane Wave Effect in CSAMT and Numerical Analysis

YANG Da-fang, WENG Ai-hua, YANG Yue, LI Si-rui, LI Da-jun

(JilinUniversityCollegeofgeoexplorationscienceandtechnology,Changchun,Jilin130026)

In this paper, we illustrate the important influence of non-plane wave effect in controlled source audio frequency magnetotelluric (CSAMT) survey combining the numerical simulation of a real example. The data was measured in the Lushi county, Henan Province. In the same measuring line, the length of source was 1.3km and the two receiving distances were 4.5 km and 7 km, respectively. After the necessary correction on the data, we performed the smooth model inversion. For comparing the inversion results, all the processing parameters were consistent. The resistivity section shows the two receiving distances share the basically same morphology, while compared with the receiving distance 7.5 km, the apparent resistivity of 4.5 km is larger. Through the analysis we found the phenomena above is owing to the effect of non-plane waves, and verified it with 3-D forward numerical modeling. Because of the limited receiving distance, the influence on the Cagniard apparent resistivity is larger when close to the source, and the apparent resistivity tends to the plane wave apparent resistivity. Therefore, in order to use current theory of CSAMT sounding, the receiving distance should be as large as possible. Otherwise, we must use the true controlled source electromagnetic inversion to finish the data analysis with consideration of the source effect.

controlled source audio magetotelluric (CSAMT), 3-D, numerical simulation, impedance apparent resistivity, effect of non-plane wave

2014-09-29；

2014-11-28；[責(zé)任編輯]郝情情。

國(guó)家重大科研儀器專項(xiàng)(NO.2011YQ05006010)資助。

楊大方(1990年-)，男，2008年畢業(yè)于吉林大學(xué)，獲學(xué)士學(xué)位，在讀研究生，現(xiàn)主要從事電法勘探的理論研究和應(yīng)用工作。E-mail:yangdafang@163.com。

P631.3

A

0495-5331(2015)01-0151-06