崔江偉， 王施智， 古 瑤

(陜西省煤田物探測(cè)繪有限公司,西安 710005)

0 引言

瞬變電磁法按其裝置類(lèi)型可分為回線(xiàn)源瞬變電磁法和電性源瞬變電磁法兩種，但回線(xiàn)源瞬變電磁法僅對(duì)低阻異常敏感，對(duì)高阻異常的探測(cè)能力較弱，且勘探深度有限。而電性源瞬變電磁法采用接地源發(fā)射，信號(hào)強(qiáng)度大，信噪比高，探測(cè)精度大。且其不僅可以觀測(cè)磁場(chǎng)垂直分量還可以觀測(cè)電場(chǎng)水平分量，所以能對(duì)低阻和高阻異常都有較好的反映。由于電性源瞬變電磁法中只有水平電場(chǎng)Ex和垂直磁場(chǎng)Hz的衰減與平面分布特征較為簡(jiǎn)單，可在實(shí)際勘探中進(jìn)行推廣應(yīng)用[1-5]。

近年來(lái)，電性源瞬變電磁的垂直磁場(chǎng)分量得到了最為廣泛地研究和應(yīng)用。薛國(guó)強(qiáng)等[6]通過(guò)理論與實(shí)踐證明對(duì)于電性源瞬變電磁法，當(dāng)選取適當(dāng)?shù)陌l(fā)射波形后，隨著偏移距的縮短，電性源瞬變電磁場(chǎng)對(duì)地層的反映變得更為靈敏，且瞬變電磁法的探測(cè)深度主要由觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)決定，并由此提出電性源短偏移距瞬變電磁探測(cè)技術(shù)(SOTEM)，陳衛(wèi)營(yíng)等[7]以接地長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)源一維正演為基礎(chǔ)分析對(duì)比了電性源瞬變電磁法垂直磁場(chǎng)分量對(duì)不同電阻率、不同厚度、不同埋深的薄層的探測(cè)能力；王顯祥等[8]對(duì)電性源瞬變電磁法的觀測(cè)參數(shù)選擇進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)比赤道裝置與偶極裝置，得出赤道裝置可以對(duì)地下結(jié)構(gòu)取得較好的探測(cè)效果，偶極裝置可以取得較高噪比的數(shù)據(jù)的結(jié)論，并對(duì)垂直磁場(chǎng)分量做了充分的研究；唐新功等[9]研究了電性源在層狀介質(zhì)中三維薄板的瞬變響應(yīng)，主要論證了異常體位置的不同對(duì)垂直磁場(chǎng)分量電磁響應(yīng)的影響。

筆者開(kāi)展電場(chǎng)水平分量和磁場(chǎng)垂直分量在信號(hào)強(qiáng)度、探測(cè)精度和探測(cè)范圍的對(duì)比分析。利用電性源瞬變電磁法電場(chǎng)水平分量和磁場(chǎng)垂直分量的計(jì)算公式，在均勻半空間情況下計(jì)算了兩分量各自的響應(yīng)信息，對(duì)其各自的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行了分析；在相同埋深不同厚度、不同電阻率、不同偏移距、不同發(fā)射電流情況下的兩分量與均勻半空間情況下相對(duì)誤差進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而分析兩分量各自的探測(cè)精度和探測(cè)范圍。進(jìn)而根據(jù)電場(chǎng)水平分量和磁場(chǎng)垂直分量在信號(hào)強(qiáng)度、探測(cè)精度和探測(cè)范圍研究結(jié)果，為實(shí)際工作選取合適的觀測(cè)分量和觀測(cè)范圍提供了借鑒。

1 響應(yīng)計(jì)算

對(duì)于電性源瞬變電磁法，目前其主要采用的工作方式為地表發(fā)射地表接收模式。電磁場(chǎng)的計(jì)算是通過(guò)將偶極場(chǎng)表達(dá)式沿源導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行線(xiàn)積分得到的。在水平層狀介質(zhì)情況下，電性源瞬變電磁水平電磁分量和磁場(chǎng)垂直分量的表達(dá)式為[1-2,10-11]：

(1)

(2)

rTE和rTM分別由下二式給出。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)源的場(chǎng)可以分為兩部分，①由長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)激發(fā)而來(lái)，②兩個(gè)供電點(diǎn)電極激發(fā)而來(lái)。對(duì)Ex沿長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)(x方向)積分：第一項(xiàng)的?/?x運(yùn)算不復(fù)存在，此項(xiàng)為接地電極產(chǎn)生的場(chǎng)，計(jì)算時(shí)只需計(jì)算正負(fù)兩個(gè)接地項(xiàng)；第二項(xiàng)為長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)部分激發(fā)的場(chǎng)，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，將沿長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)的積分變?yōu)槊恳恍《伍L(zhǎng)度為Δx、位于(xn,0,0)處的子單元所產(chǎn)生場(chǎng)得累加。因此可得到計(jì)算表達(dá)式:

(9)

(10)

2 信號(hào)強(qiáng)度

研究電性源瞬變電磁場(chǎng)隨時(shí)間在地面的擴(kuò)散、分布規(guī)律對(duì)分析電磁場(chǎng)特性、選擇合適的電磁分量進(jìn)行觀測(cè)具有十分重要的意義。為了分析水平電場(chǎng)分量和垂直磁場(chǎng)分量的信號(hào)強(qiáng)度，選取如下的裝置參數(shù)：發(fā)射源長(zhǎng)度1 000 m，發(fā)射電流10 A，選擇不同的偏移距進(jìn)行觀測(cè)，可得到其響應(yīng)曲線(xiàn)如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著偏移距的增大，EX分量在早期段迅速減小，而在晚期段基本趨于一致，說(shuō)明全期探測(cè)范圍內(nèi)EX分量響應(yīng)極大值主要集中于發(fā)射源附近，離發(fā)射源越遠(yuǎn)(偏移距越大)信號(hào)強(qiáng)度就越低；HZ分量在早期段隨著偏移距的增大而減小，在晚期段隨著偏移距的增大而增大，說(shuō)明全期探測(cè)范圍內(nèi)HZ分量響應(yīng)值在早期段離發(fā)射源越遠(yuǎn)值越小，在晚期段離發(fā)射源越遠(yuǎn)響應(yīng)值越大。

圖1 不同偏移距處EX分量和HZ分量響應(yīng)衰減曲線(xiàn)Fig.1 Response attenuation curve of EX and HZ at different offset(a)EX分量;(b)HZ分量

圖2 H型地電模型中間層厚度不同時(shí)EX分量和HZ分量相對(duì)誤差對(duì)比曲線(xiàn)Fig.2 Contrast curves of relative errors of EX and HZ components in the middle layer of the H model ground electric models(a)H2=12.5 m；(b)H2=25 m；(c)H2=50 m；(d)H2=12.5 m

3 探測(cè)精度

探測(cè)精度問(wèn)題一直是各種地球物理方法應(yīng)用研究中所面臨的重要問(wèn)題，而探討該問(wèn)題的主要途徑是分析該探測(cè)方法對(duì)薄層的分辨能力。對(duì)于電性源瞬變電磁法來(lái)說(shuō)，所謂對(duì)薄層的分辨能力是指該裝置在目標(biāo)層所產(chǎn)生的異常場(chǎng)超過(guò)背景場(chǎng)的水平，并且依據(jù)此種方法的理論可以從異常場(chǎng)提取地層信息的能力。因此可通過(guò)定義相對(duì)誤差的大小來(lái)分析對(duì)薄層分辨能力的高低，進(jìn)而達(dá)到評(píng)估探測(cè)精度的目的[7]。

(11)

為了對(duì)EX分量和HZ分量的探測(cè)精度進(jìn)行對(duì)比，選取在相同埋深不同厚度、不同電阻率、不同偏移距、不同發(fā)射電流情況下的兩分量響應(yīng)值與均勻半空間情況下響應(yīng)值相對(duì)誤差進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而分析兩分量各自的探測(cè)精度。

圖3 K型地電模型中間層厚度不同時(shí)EX分量和HZ分量相對(duì)誤差對(duì)比曲線(xiàn)Fig.3 Contrast curves of relative errors of EX and HZ components in the middle layer of the K model ground electric models(a)H2=50 m；(b)H2=100 m；(c)H2=150 m；(d)H2=200 m

圖4 發(fā)射電流和發(fā)射源長(zhǎng)度不同時(shí)EX分量和HZ分量相對(duì)誤差對(duì)比曲線(xiàn)Fig.4 Contrast curves of relative errors of EX and HZ components in the different currents and source length(a)發(fā)射電流；(b)發(fā)射源長(zhǎng)度

圖2為相同埋深和不同薄層厚度情況下H型地電模型響應(yīng)值與均勻半空間情況下產(chǎn)生的響應(yīng)值的相對(duì)誤差對(duì)比圖。其中發(fā)射源參數(shù)固定不變，發(fā)射導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度為1 km，電流為10 A，偏移距為500 m。設(shè)三層地電模型的電阻率分別為ρ1=100 Ω·m，ρ2=10 Ω·m，ρ3=100 Ω·m；埋深h1=500 m。從圖中2可以看出，HZ分量在薄層厚度僅有12.5 m時(shí)已經(jīng)有很好的分辨能力了；EX分量只有在薄層厚度大于25 m時(shí)才開(kāi)始有一定的分辨能力，且分辨能力較HZ分量低。說(shuō)明在偏移距為500 m處HZ分量對(duì)低阻層的分辨能力比EX分量要好。

圖3為相同埋深、相同薄層電阻率、不相同薄層厚度情況下的K型地電模型響應(yīng)值與均勻半空間情況下產(chǎn)生的響應(yīng)值的相對(duì)誤差對(duì)比圖。其中薄層電阻ρ2=1 000 Ω·m，其他參數(shù)與H型地電模型一致。從圖3中可以看出，EX分量在薄層厚度為25 m時(shí)已經(jīng)有一定的分辨能力了；HZ分量在薄層厚度為150 m時(shí)才有一定的分辨能力，且分辨能力較EX分量低。說(shuō)明在偏移距為500 m處EX分量對(duì)高阻層的分辨能力比HZ分量要好。與其他電磁法一樣，無(wú)論EX分量還是HZ分量對(duì)高阻薄層的分辨能力都沒(méi)有對(duì)低阻薄層的分辨能力那么強(qiáng)。圖4為裝置參數(shù)不同時(shí)H型地電模型響應(yīng)值與均勻半空間情況下產(chǎn)生的響應(yīng)值的相對(duì)誤差對(duì)比圖。地電參數(shù)為ρ1=100 Ω·m，ρ2=10 Ω·m，ρ3=100 Ω·m；h1厚度為500 m，h2厚度為50 m。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同發(fā)射源長(zhǎng)度或不同發(fā)送電流情況下得到的相對(duì)誤差差別較小，說(shuō)明在保證信號(hào)強(qiáng)度的前提下裝置參數(shù)的改變對(duì)分辨能力沒(méi)有影響。

圖5 H型地電模型不同偏移距情況下EX分量和HZ分量相對(duì)誤差對(duì)比曲線(xiàn)Fig.5 Contrast curves of relative errors of EX and HZ components in the different offsets of the H model ground electric models(a) offset=500 m；(b) offset =1 000 m；(c) offset =2 000 m；(d) offset =4 000 m

圖6 EX分量和HZ分量探測(cè)情況對(duì)比圖Fig.6 Contrast diagram of detection range of EX and HZ components(a)探測(cè)精度隨偏移距的變化曲線(xiàn)；(b)相同探測(cè)能力時(shí)偏移距與勘探深度關(guān)系曲線(xiàn)

4 探測(cè)范圍

圖5為不同偏移距H型地電模型響應(yīng)值與均勻半空間情況下產(chǎn)生的響應(yīng)值的相對(duì)誤差對(duì)比圖。其中發(fā)射源參數(shù)固定不變，發(fā)射導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度1 km，電流為10 A；地電參數(shù)為ρ1=100 Ω·m，ρ2=10 Ω·m，ρ3=100 Ω·m；h1厚度為500 m，h2厚度為50 m。從圖5中可以看出，隨著偏移距的增大EX分量對(duì)薄層的分辨能力增強(qiáng)，HZ分量對(duì)薄層的分辨能力減弱。為了更清楚的顯示EX分量和HZ分量對(duì)薄層分辨能力的強(qiáng)弱，將其相對(duì)誤差最大值做成隨偏移距變化的曲線(xiàn)(圖6(a))。從圖6(a)中可以看出隨著偏移距的增大，電場(chǎng)水平分量的探測(cè)精度升高，垂直磁場(chǎng)分量探測(cè)精度降低。在偏移距約等于4倍的薄層埋深時(shí)二者的探測(cè)精度相等，為此通過(guò)不斷改變薄層埋深和薄層厚度，可以得出不同的勘探深度下水平電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)垂直分量分辨能力相同時(shí)的偏移距大小，如表1所示。

表1 不同的勘探深度下水平電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)垂直分量分辨能力相同時(shí)的偏移距大小對(duì)比表

圖7 L3視電阻率斷面圖Fig.7 Apparent resistivity section of L3 line(a)HZ分量；(b)EX分量

由表1可得：

offset?4.134H

(12)

式中:H為勘探目的層深度;offset為偏移距。

由式(12)可得，當(dāng)偏移距大于目的層深度的4.134倍時(shí)，EX分量對(duì)薄層的分辨能力大于HZ分量; 當(dāng)偏移距小于目的層深度的4.134倍時(shí)，EX分量對(duì)薄層的分辨能力小于HZ分量;當(dāng)偏移距約等于目的層深度的4.134倍時(shí)，EX分量對(duì)薄層的分辨能力與HZ分量相當(dāng)。

5 實(shí)例分析

為了對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，在山西某煤礦區(qū)進(jìn)行了電性源瞬變電磁勘查試驗(yàn)工作，該區(qū)域地層由上而下有第四系，三疊系下統(tǒng)劉家溝組，二疊系上統(tǒng)石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組，石炭系太原組、本溪組。采用V8多功能電法儀和SB-7k型探頭(有效接收面積4×105m2)進(jìn)行測(cè)試；選取發(fā)射線(xiàn)長(zhǎng)度為1.2 km、發(fā)射電流為17 A、偏移距為1 km、點(diǎn)距為20 m、發(fā)射方向平行于測(cè)線(xiàn)方向、發(fā)射波形為T(mén)D50，發(fā)射頻率為2.5 Hz。分別測(cè)量了水平電場(chǎng)分量和垂直磁場(chǎng)分量。處理資料選自該區(qū)3號(hào)測(cè)線(xiàn)的測(cè)量結(jié)果，共13個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別計(jì)算水平電場(chǎng)分量和垂直磁場(chǎng)分量的視電阻率，進(jìn)行繪制成電阻率斷面(圖7)。

從圖7中可以看出，電場(chǎng)水平分量和磁場(chǎng)垂直分量所構(gòu)成的視電阻率斷面在淺部幾乎沒(méi)有差別，雖然所計(jì)算的電阻率值上有細(xì)微差別，但是整體地電結(jié)構(gòu)比較吻合，且都能很好地反映出地層所在深度，斷層F1的位置也對(duì)應(yīng)較好。而在900 m以深位置處，電場(chǎng)水平分量所刻畫(huà)出的斷面圖中沒(méi)能反映出F2斷層。這是由于此時(shí)選擇的偏移距為1 km，而勘探深度為1 km左右，根據(jù)公式(12)可知,此時(shí)的電場(chǎng)水平分量的探測(cè)精度小于磁場(chǎng)垂直分量。后經(jīng)鉆孔zk-1驗(yàn)證，所揭露的地電結(jié)構(gòu)與HZ所顯示的地電結(jié)構(gòu)基本吻合。

6 結(jié)論

1)全期探測(cè)范圍內(nèi)EX分量響應(yīng)極大值集中于發(fā)射源附近，離發(fā)射源越遠(yuǎn)(偏移距越大)信號(hào)強(qiáng)度就越低；HZ分量響應(yīng)值在早期段離發(fā)射源越遠(yuǎn)值越小，在晚期段離發(fā)射源越遠(yuǎn)響應(yīng)值越大；且EX分量的探測(cè)精度隨偏移距的增大而增大，HZ分量探測(cè)精度隨偏移距的增大而減小。

2)EX分量對(duì)高阻層的分辨能力比HZ分量要好，但是無(wú)論是EX分量還是HZ分量對(duì)高阻薄層的分辨能力都沒(méi)有對(duì)低阻薄層的分辨能力那么強(qiáng)。

3)當(dāng)偏移距大于目的層深度的4.134倍時(shí)，EX分量對(duì)薄層的分辨能力大于HZ分量; 當(dāng)偏移距小于目的層深度的4.134倍時(shí)，EX分量對(duì)薄層的分辨能力小于HZ分量;當(dāng)偏移距約等于目的層深度的4.134倍時(shí)，EX分量對(duì)薄層的分辨能力與HZ分量相當(dāng)。

4)在實(shí)際應(yīng)用中，盡可能的測(cè)量多個(gè)電磁場(chǎng)分量，進(jìn)而可以綜合分析，相互印證，提高解釋成果的可靠性。