程久龍，黃少華，溫來(lái)福，董 毅，王浩宇

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083; 2.中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院，江蘇 南京 211103)

在礦井和地下隧道進(jìn)行瞬變電磁探測(cè)的過(guò)程中，忽略各向異性介質(zhì)的存在，按照各向同性介質(zhì)假設(shè)進(jìn)行資料處理及地質(zhì)解釋，將會(huì)得出不符合實(shí)際情況的結(jié)論，研究瞬變電磁場(chǎng)中的電性各向異性問(wèn)題，可以為各向異性條件下的地下全空間瞬變電磁法資料處理解釋工作提供理論指導(dǎo)，對(duì)提高瞬變電磁法探測(cè)精度具有重要的指導(dǎo)意義，對(duì)礦井地球物理勘探[1]的發(fā)展有積極作用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于電性各向異性的研究在大地電磁法[2-5]、海洋可控源電磁法[6-7]、可控源音頻大地電磁法[8]等頻率域方法上取得了豐富的成果，但對(duì)瞬變電磁法在各向異性介質(zhì)中的研究主要集中在以下領(lǐng)域:FRIDN等[9]研究了瞬態(tài)電磁波在分層的、各向異性、色散介質(zhì)中的傳播，解決了直接散射問(wèn)題;FERNANDO等[10]提出了在柱坐標(biāo)系下用于復(fù)雜(各向異性、色散、傳導(dǎo)性)和無(wú)界介質(zhì)瞬變電磁數(shù)值模擬的三維時(shí)域有限差分方法，該方法將完全匹配層(PML)吸收邊界條件(ABC)擴(kuò)展到了三維柱坐標(biāo)，應(yīng)用分段線性遞歸卷積(PLRC)算法對(duì)模型進(jìn)行離散，對(duì)不同模型進(jìn)行了數(shù)值模擬并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析;COLLINS等[11]在對(duì)德克薩斯州的風(fēng)化變質(zhì)巖的瞬變電磁探測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了近地表的水平各向異性現(xiàn)象，并且采用了直流電法及地震勘探方法對(duì)瞬變電磁法的探測(cè)進(jìn)行了補(bǔ)充，最后通過(guò)正演模擬與觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，探討了近地表水平各向異性現(xiàn)象的產(chǎn)生原因;HOBBS[12]提出了在各向異性介質(zhì)中的應(yīng)用多道瞬變電磁法，研究電阻率各向異性對(duì)瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)的影響，并指出在反演方法中應(yīng)包括各向異性，最后提出了一種求取各向異性的實(shí)用方法;HAGIWARA[13]研究了在兩層地層中的三軸瞬變電磁感應(yīng)測(cè)量，通過(guò)代數(shù)方法從三軸瞬變電磁測(cè)量中得到了時(shí)間相關(guān)的視傾角及視各向異性，并由此計(jì)算出真傾角及各向異性用以描述真實(shí)地層;嚴(yán)良俊等[14]對(duì)儲(chǔ)層電各向異性模型的瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)進(jìn)行了研究，通過(guò)數(shù)字濾波算法實(shí)現(xiàn)了數(shù)值模擬，對(duì)薄互層下的各向異性模型的瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)進(jìn)行了分析;周建美等[15]研究了一維層狀地層的電阻率各向異性對(duì)瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)的影響，采用正余弦數(shù)字濾波算法得到一維各向異性地層中海洋瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng);周建美等[16]采用模擬離散的有限體積法實(shí)現(xiàn)了雙軸各向異性地層回線源瞬變電磁三維正演，對(duì)于不同的各向異性地層模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同方向上電導(dǎo)率變化對(duì)瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)的影響。以上國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究了近地表、地下半空間介質(zhì)的電性各向異性，包括電磁場(chǎng)在各向異性介質(zhì)中的傳播情況、各向異性介質(zhì)中瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)的計(jì)算與分析、不同因素對(duì)各向異性介質(zhì)中瞬變電磁響應(yīng)的影響等方面的內(nèi)容。

目前對(duì)于地下各向異性介質(zhì)的全空間瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)的研究才剛剛起步，筆者將電性各向異性理論引入礦井地下全空間瞬變電磁法的研究，采用Yee氏交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分方法，從三維正演來(lái)研究電性各向異性介質(zhì)的瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)特征。

1 主軸各向異性正演算法

1.1 控制方程

瞬變電磁法勘探中所利用的電磁波頻率較低，通常情況下將會(huì)忽略位移電流，但同時(shí)為了構(gòu)成FDTD計(jì)算所需要的時(shí)間步進(jìn)格式，根據(jù)WANG T和HOHMANN G.W.(1993)所使用的Dufort-Frankel方法[17]，加入一項(xiàng)虛擬位移電流，此時(shí)無(wú)源情況下的時(shí)間域Maxwell方程組為

采用小回線源作為場(chǎng)源，并將A.A.考夫曼和 G.V.凱勒[18]推導(dǎo)的均勻全空間中垂直磁偶極子階躍電流斷開時(shí)的時(shí)間域電磁場(chǎng)表達(dá)式代入初始時(shí)間求得初始電磁場(chǎng)值并加入到差分迭代中，采用四階的修正廖氏吸收邊界及超吸收邊界條件對(duì)截?cái)噙吔邕M(jìn)行處理，通過(guò)CFL穩(wěn)定性條件控制模擬的時(shí)間步長(zhǎng)、空間步長(zhǎng)及人工項(xiàng)虛擬介電常數(shù)。

1.2 主軸各向異性介質(zhì)中的Yee氏交錯(cuò)網(wǎng)格

采用均勻網(wǎng)格剖分對(duì)連續(xù)的空間離散化處理，由于研究區(qū)域內(nèi)存在電性各向異性的情況，在使用Yee氏網(wǎng)格對(duì)主軸各向異性立方體單元中的電磁場(chǎng)進(jìn)行離散時(shí)，主軸各向異性立方體單元在不同方向上的電導(dǎo)率是不一樣的，圖1為主軸各向異性介質(zhì)中的Yee氏交錯(cuò)網(wǎng)格，X,Y，Z方向上的電場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候分別代入相應(yīng)方向上的電導(dǎo)率σx′，σy′，σz′。此外，由于電導(dǎo)率是對(duì)整個(gè)立方體單元進(jìn)行定義的，對(duì)于立方體單元棱邊上的電導(dǎo)率則需要特殊定義，由于是均勻剖分，這里通過(guò)棱邊周圍4個(gè)立方體單元電導(dǎo)率的算術(shù)平均值對(duì)其定義。

圖1 主軸各向異性介質(zhì)中Yee氏交錯(cuò)網(wǎng)格示意Fig.1 Yee’s staggered grids in axial anisotropic media

以上為在Yee氏交錯(cuò)網(wǎng)格中主軸各向異性介質(zhì)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)空間采樣方式，電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替出現(xiàn)。對(duì)于電磁場(chǎng)在時(shí)間上的采樣，同一個(gè)時(shí)刻僅對(duì)于電場(chǎng)或磁場(chǎng)的其中一個(gè)進(jìn)行采樣，在時(shí)間軸上，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的采樣交替進(jìn)行，采樣間隔為半個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，在一個(gè)完整的電場(chǎng)采樣時(shí)間步長(zhǎng)中存在一個(gè)磁場(chǎng)采樣，同樣，在一個(gè)完整的磁場(chǎng)采樣時(shí)間步長(zhǎng)中存在一個(gè)電場(chǎng)采樣。

1.3 算法驗(yàn)證

采用各向同性均勻全空間模型，對(duì)比各向異性正演算法計(jì)算所得數(shù)值解與均勻全空間解析解可驗(yàn)證算法的有效性。將均勻全空間模型電阻率設(shè)置為100 Ω·m，給定模擬空間為2 000 m×2 000 m×2 000 m，接收回線與發(fā)射回線重合，均位于模型中心位置。發(fā)射線圈尺寸為2 m×2 m，匝數(shù)為40匝，發(fā)射電流為2 A，接收回線面積歸一化為1 m2，接收信號(hào)為dBz/dt，即單位接收面積的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值。圖2為對(duì)比結(jié)果。

圖2 均勻全空間感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)解析解及各向異性計(jì)算程序數(shù)值解對(duì)比Fig.2 Analytical solution and anisotropic FDTD solution of dBz/dt in uniform whole space

由圖2可以看出，dBz/dt解析解及數(shù)值解的誤差在研究時(shí)段(5.0×10-6～1.0×10-2s)的相對(duì)誤差總體在10%以下，在2.0×10-5～1.0×10-3s時(shí)段內(nèi)相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，早期和晚期也在15%以下，說(shuō)明本文各向異性三維正演算法計(jì)算得到的數(shù)值解與均勻全空間解析解基本吻合，驗(yàn)證了各向異性三維正演算法的正確性。

2 各向異性介質(zhì)瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)特征

2.1 不同類型各向異性介質(zhì)的瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)

采用全空間巷道超前探測(cè)模型，研究不同各向異性介質(zhì)類型的瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)。模型如圖3所示，在巷道掌子面正前方50 m處設(shè)置各向異性立方含水體模型，各向異性含水異常體尺寸設(shè)置為100 m×100 m×100 m，全空間中圍巖電阻率設(shè)置為100 Ω·m，巷道掌子面位于整個(gè)模型空間中心位置，巷道走向沿著X軸方向延伸，巷道截面尺寸為10 m×10 m，巷道長(zhǎng)度1 000 m，巷道中的空腔電阻率值給定為10 000 Ω·m，模型采用10 m×10 m×10 m的均勻網(wǎng)格剖分，模擬的空間大小為2 000 m×2 000 m×2 000 m;接收線圈與發(fā)射線圈重迭，均位于巷道掌子面，尺寸為2 m×2 m，匝數(shù)為40匝，發(fā)射電流為2 A，探測(cè)方向垂直于掘進(jìn)工作面(沿巷道掘進(jìn)方向)，接收回線面積歸一化為1 m2，由于探測(cè)方向?yàn)閄方向，接收信號(hào)為dBx/dt。

圖3 不同各向異性異常體全空間超前探測(cè)模型Fig.3 Whole space advanced detection model of different anisotropic anomalous body

將巷道正前方的含水異常體分別設(shè)置為HTI-X,HTI-Y,VTI介質(zhì)，其電阻率張量表達(dá)式分別為

表1 各向異性介質(zhì)電阻率Table 1 Resistivity of anisotropic mediaΩ·m

HTI-X,HTI-Y,VTI介質(zhì)含水異常體取不同各向異性系數(shù)時(shí)，數(shù)值模擬計(jì)算得到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減曲線及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)比值曲線分別如圖4～6所示。圖4(a)、圖5(a)、圖6(a)分別為HTI-X,HTI-Y,VTI介質(zhì)含水異常體取不同各向異性系數(shù)時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減曲線，圖中最下方的黑色曲線為僅含巷道的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減曲線;圖4(b)、圖5(b)、圖6(b)分別為含不同各向異性異常體的巷道全空間瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與純巷道全空間瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的比值隨時(shí)間變化的曲線。

圖4 HTI-X異常體不同各向異性系數(shù)瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)Fig.4 TEM response of HTI-X anomalous bodies with different anisotropic coefficients

圖5 HTI-Y異常體不同各向異性系數(shù)瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)Fig.5 TEM response of HTI-Y anomalous bodies with different anisotropic coefficients

圖6 VTI異常體不同各向異性系數(shù)瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)Fig.6 TEM response of VTI anomalous bodies with different anisotropic coefficients

由圖4(a)可以看出，當(dāng)HTI-X異常體取不同各向異性系數(shù)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變化，因此圖4(b)的曲線也同樣基本重合;在圖5(a)中HTI-Y異常體取不同各向異性系數(shù)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線明顯分離，在圖5(b)中可以明顯看出隨著各向異性系數(shù)的增大，異常體部分產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在減小;在圖6(a)中VTI異常體取不同各向異性系數(shù)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線明顯分離，在圖6(b)中同樣可以看出隨著各向異性系數(shù)的增大，異常體部分產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在減小。

2.2 各向異性介質(zhì)對(duì)稱主軸在不同姿態(tài)下的瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)

為研究各向異性介質(zhì)在不同各向異性對(duì)稱主軸姿態(tài)時(shí)的瞬變電場(chǎng)磁響應(yīng)，首先將全空間超前探測(cè)模型中含水異常體設(shè)置為HTI-X介質(zhì)(各向異性對(duì)稱主軸為X軸)，隨后旋轉(zhuǎn)各向異性對(duì)稱主軸方向，使之與X軸方向夾角變?yōu)?0°，45°，60°及90°，當(dāng)夾角為30°，45°及60°時(shí)異常體為TTI介質(zhì)，當(dāng)夾角為90°時(shí)異常體為VTI介質(zhì)，模型如圖7所示。

圖7 不同各向異性對(duì)稱主軸姿態(tài)瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)Fig.7 Anisotropic media with different symmetrical axis in whole-space advanced detection model

各向異性介質(zhì)在不同各向異性對(duì)稱主軸姿態(tài)時(shí)計(jì)算得到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減曲線及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)比值曲線如圖8所示。圖8(a)為含水異常體在不同各向異性對(duì)稱主軸姿態(tài)時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減曲線，圖中最下方的黑色曲線為僅含巷道的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減曲線。圖8(b)為含各向異性異常體的巷道全空間瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與純巷道全空間瞬變電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的比值隨時(shí)間變化的曲線。

圖8 不同各向異性對(duì)稱主軸姿態(tài)瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)Fig.8 TEM response of anisotropic media with different symmetrical principal axis posture

隨著各向異性對(duì)稱主軸姿態(tài)的變化，含水異常體從對(duì)稱主軸為X軸的HTI-X介質(zhì)轉(zhuǎn)變成對(duì)稱主軸為Z軸的VTI介質(zhì)，由圖8可以看出，由于探測(cè)方向?yàn)閄軸方向，在此過(guò)程中各向異性對(duì)稱主軸與探測(cè)方向夾角不斷增大，異常體部分產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也在不斷增大，并且當(dāng)各向異性對(duì)稱主軸與探測(cè)方向一致時(shí)，各向異性介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最弱，而對(duì)稱主軸與探測(cè)方向垂直時(shí)，各向異性介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最強(qiáng)。

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

在山東某礦應(yīng)用地下全空間瞬變電磁法進(jìn)行工作面出水點(diǎn)超前探測(cè)工作中發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果與鉆探結(jié)果存在一定的偏差，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果中低阻異常區(qū)域偏小且低阻不明顯，且在超前探測(cè)平面圖及剖面圖中低阻異常區(qū)域形態(tài)不能較好的對(duì)應(yīng)，使基于各向同性的地質(zhì)解釋工作不能達(dá)到精細(xì)探測(cè)的要求，針對(duì)這種現(xiàn)象，根據(jù)巷道周圍地質(zhì)資料和水文地質(zhì)情況，考慮到是由地層各向異性引起了這種偏差，因此通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行分析研究。

將順層方向超前探測(cè)成果圖疊加在巷道平面圖上，將豎直方向超前探測(cè)成果圖疊加在巷道剖面圖上，得到圖9所示實(shí)測(cè)視電阻率平面及剖面分布情況圖。其中巷道平面圖中標(biāo)有三維地震勘探圈定的構(gòu)造異常區(qū)，巷道剖面圖中標(biāo)有根據(jù)鉆探資料分析推斷的斷層。

圖9 實(shí)測(cè)視電阻率(Ω·m)平面及剖面分布情況Fig.9 Distribution diagram of the measured apparent resistivity in plane and profile

由圖9(a)可以看出① 號(hào)異常區(qū)位于構(gòu)造異常區(qū)邊界，由圖9(b)可以看出② 號(hào)異常區(qū)位于斷層所在位置。實(shí)際上① 號(hào)異常區(qū)及② 號(hào)異常區(qū)在空間上是重合的，由于斷層等構(gòu)造的存在，在此區(qū)域內(nèi)發(fā)育有破碎裂隙，這些含水破碎裂隙構(gòu)成了一定范圍的低阻區(qū)域，根據(jù)裂隙方向性集中體積模型[19]，不同裂隙分布情況對(duì)應(yīng)于不同類型的電性各向異性介質(zhì)。

3.2 模型建立

首先根據(jù)工程實(shí)例建立全空間超前探測(cè)模型，如圖10所示，巷道掌子面位于整個(gè)模型空間中心位置，巷道走向沿著X軸方向延伸，巷道截面尺寸為10 m×10 m，巷道長(zhǎng)度1 000 m，巷道中的空腔電阻率值給定為10 000 Ω·m，模型采用10 m×10 m×10 m的均勻網(wǎng)格剖分，模擬的空間大小為2 000 m×2 000 m×2 000 m;發(fā)射線圈位于巷道掌子面，尺寸為2 m×2 m，匝數(shù)為40匝，發(fā)射電流為2 A，接收線圈與發(fā)射線圈重合。由于該礦區(qū)為典型的華北型石炭二疊系煤田，將全空間地層的各層電阻率及厚度設(shè)置如下:第1層電阻率設(shè)為50 Ω·m，厚度500 m;第2層電阻率設(shè)為100 Ω·m，厚度490 m;煤層電阻率設(shè)為500 Ω·m，厚度10 m;第4層電阻率設(shè)為100 Ω·m，厚度300 m;第5層電阻率設(shè)為50 Ω·m，厚度700 m。

圖10 工程實(shí)例超前探測(cè)模型示意Fig.10 Schematic map of advance detection model in engineering example

由于異常區(qū)域主要位于斷層、裂隙密集帶等位置，將該區(qū)域設(shè)置為含水異常區(qū)域，在模型中用立方體表示該區(qū)域。將該含水異常體設(shè)置在巷道正前方40 m處，異常體尺寸為40 m×40 m×40 m。

在該含水異常區(qū)域內(nèi)部的裂隙分布情況存在多種可能，如圖11所示為幾種典型的裂隙分布情況，分別對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的電性各向異性模型，其中圖11(a)為無(wú)裂隙分布的情況，對(duì)應(yīng)于各向同性介質(zhì)模型，設(shè)置該模型是為了與其他各向異性介質(zhì)模型進(jìn)行對(duì)比;圖11(b)為主裂隙法向?yàn)閆方向時(shí)的情況，對(duì)應(yīng)于VTI介質(zhì)模型;圖11(c)為主裂隙走向?yàn)閅方向的情況，對(duì)應(yīng)于HTI-X介質(zhì)模型;由于在工程實(shí)例中異常體位置處存在傾角為50°的逆斷層，因此設(shè)置了如圖11(d)中所示主裂隙法向與水平方向夾角為50°時(shí)的情況，對(duì)應(yīng)于TTI介質(zhì)模型。分別將這幾種異常體模型加入超前探測(cè)模型中進(jìn)行正演模擬。

圖11 異常區(qū)域不同裂隙模型Fig.11 Different fracture models of abnormal regions

其中各向同性介質(zhì)電阻率設(shè)為10 Ω·m，由于是含水區(qū)域，將VTI,HTI-X,TTI介質(zhì)的各向異性系數(shù)λ均設(shè)置為0.4。

3.3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)際超前探測(cè)方案，在巷道掌子面處沿順層方向設(shè)置11個(gè)方向的測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道掌子面前方以及左右側(cè)幫的探測(cè)，在豎直方向上設(shè)置9個(gè)方向的測(cè)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道掌子面前方及頂?shù)装宓奶綔y(cè)。將不同電性各向異性異常體的正演模擬結(jié)果進(jìn)行處理，首先通過(guò)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算得到視電阻率，然后運(yùn)用時(shí)深轉(zhuǎn)換計(jì)算公式將時(shí)間-視電阻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為深度-視電阻率數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)點(diǎn)布置，按照每個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際探測(cè)方向繪制扇形視電阻率斷面圖。

圖12為順層方向11個(gè)測(cè)點(diǎn)的視電阻率斷面圖，圖中縱坐標(biāo)表示沿巷道工作面前進(jìn)方向距離，橫坐標(biāo)表示垂直于巷道方向上的距離，負(fù)半軸表示巷道左側(cè)幫方向，正半軸表示巷道右側(cè)幫方向。

圖12 順層方向超前探測(cè)視電阻率斷面Fig.12 Apparent resistivity sectional drawing of advanced detection in bedding direction

圖12中正方形框指示異常體所在位置。圖12(a)中低阻異常區(qū)域并不明顯，不能較好的指示出各向同性異常體的位置;圖12(b)中藍(lán)色及深藍(lán)色低阻異常區(qū)域更大，說(shuō)明VTI介質(zhì)的整體視電阻率低于各向同性介質(zhì)，并且低阻異常區(qū)域較好的反映出了VTI異常體的大小及所在的位置;圖12(c)中HTI-X異常體的視電阻率分布規(guī)律與前兩種并不一致，在橫坐標(biāo)方向上視電阻率分布較稀疏，縱坐標(biāo)方向上視電阻率分布較密集，這是HTI-X異常體的電性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的，HTI-X介質(zhì)在X方向上的電阻率低于Y,Z方向上的電阻率;圖12(d)中TTI異常體的視電阻率分布規(guī)律與圖12(a)及圖12(b)基本一致，而TTI異常體對(duì)應(yīng)的低阻異常區(qū)域視電阻率值介于VTI介質(zhì)和HTI-X介質(zhì)低阻異常區(qū)域的視電阻率值之間。

圖13分別為對(duì)各向同性異常體、VTI異常體、HTI-X異常體及TTI異常體在豎直方向探測(cè)時(shí)的視電阻率斷面圖，圖中正方形指示異常體所在位置，橫坐標(biāo)表示沿巷道工作面前進(jìn)方向距離，縱坐標(biāo)正半軸表示頂板方向，負(fù)半軸表示底板方向。圖13(a)中低阻區(qū)域仍不明顯，對(duì)比圖13(a)及圖12(a)，可以發(fā)現(xiàn)各向同性介質(zhì)在順層及豎直方向視電阻率斷面圖中的視電阻率分布規(guī)律基本一致，說(shuō)明在豎直方向及順層方向探測(cè)中各向同性介質(zhì)的瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)特征是一致的;對(duì)比圖13(b)及圖12(b)，可以發(fā)現(xiàn)VTI介質(zhì)在順層及豎直方向視電阻率斷面圖上的視電阻率分布規(guī)律并不一致，在豎直方向視電阻率斷面圖中，橫軸方向上的視電阻率分布較稀疏，縱軸方向上的視電阻率分布較密集，這是由于VTI介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的，VTI介質(zhì)在Z方向上的電阻率低于X,Y方向上的電阻率;對(duì)比圖13(c)及圖12(c)，兩圖中視電阻率分布規(guī)律基本一致，在豎直方向視電阻率斷面圖中，橫軸方向上的視電阻率分布較密集，縱軸方向上的視電阻率分布較稀疏，這是由于HTI-X介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的;對(duì)比圖13(d)及圖12(d)，可以發(fā)現(xiàn)TTI介質(zhì)在順層及豎直方向視電阻率斷面圖上的低阻異常區(qū)域形態(tài)不一致，在豎直方向視電阻率斷面圖中，橫軸方向上的視電阻率分布較稀疏，縱軸方向上的視電阻率分布較密集。

圖13 豎直方向超前探測(cè)視電阻率斷面Fig.13 Apparent resistivity sectional drawing of advanced detection in vertical direction

3.4 偏差問(wèn)題討論

以上模擬結(jié)果可對(duì)上文中提及的偏差問(wèn)題做出合理解釋。在工程實(shí)例中異常區(qū)域處存在傾角為50°的逆斷層，因此設(shè)置了TTI介質(zhì)模型與其對(duì)應(yīng)，TTI介質(zhì)主裂隙法向與水平方向夾角為50°。

在順層方向及豎直方向視電阻率斷面圖中，TTI介質(zhì)相對(duì)于各向同性介質(zhì)，低阻異常區(qū)域更明顯，這是介質(zhì)電阻率結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致的。因此，對(duì)于低阻異常區(qū)域偏小且低阻不明顯這一問(wèn)題，主要是現(xiàn)有探測(cè)技術(shù)無(wú)法對(duì)各向異性進(jìn)行有效探測(cè)導(dǎo)致，發(fā)展電磁多分量方位觀測(cè)及張量觀測(cè)技術(shù)有利于各向異性探測(cè)。

TTI介質(zhì)模型在順層方向及豎直方向視電阻率斷面圖中，低阻異常區(qū)域的形態(tài)存在一定差異，表現(xiàn)出了TTI介質(zhì)的電阻率結(jié)構(gòu)特征，這一模擬結(jié)果為在地質(zhì)解釋工作中應(yīng)用各向異性理論提供了有力佐證，也合理解釋了工程實(shí)例超前探測(cè)平面圖及剖面圖中低阻異常區(qū)域形態(tài)不能較好的對(duì)應(yīng)同一低阻異常體模型(各向同性模型)的問(wèn)題。

4 結(jié) 論

(1)對(duì)于不同類型的各向異性介質(zhì)，均表現(xiàn)出各向異性介質(zhì)產(chǎn)生的瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)與各向異性系數(shù)變化呈負(fù)相關(guān)的規(guī)律。隨著各向異性系數(shù)的增大，HTI-Y介質(zhì)及VTI介質(zhì)的瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)明顯減小，HTI-X介質(zhì)的瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)也有所減小，但變化不明顯，這是由于研究模型設(shè)置的探測(cè)方向?yàn)閄軸方向，由回線源產(chǎn)生的感應(yīng)電流主要在YZ平面方向上，瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)主要受到Y(jié),Z方向上的電阻率變化影響，而受X方向上的電阻率變化影響較小。

(2)各向異性介質(zhì)對(duì)稱主軸方向與探測(cè)方向之間夾角對(duì)各向異性介質(zhì)產(chǎn)生的瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)具有較大影響，當(dāng)對(duì)稱主軸方向與探測(cè)方向一致，均為X軸方向時(shí)，各向異性介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最弱，而對(duì)稱主軸方向與探測(cè)方向垂直，對(duì)稱主軸方向?yàn)閆軸方向時(shí)，各向異性介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最強(qiáng)，對(duì)稱主軸方向由平行于探測(cè)方向旋轉(zhuǎn)至垂直于探測(cè)方向時(shí)，電阻率變化的主要方向由X方向朝Z方向變化，增強(qiáng)了對(duì)YZ平面上感應(yīng)電流的影響，因此各向異性介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不斷增大。

(3)各向異性介質(zhì)與各向同性介質(zhì)具有不同的瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)特征，不同各向異性介質(zhì)之間的瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)特征也不一致，不同的介質(zhì)電阻率結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了瞬變電磁響應(yīng)特征之間的差異，介質(zhì)的瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)特征與介質(zhì)的電阻率結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。