鐘華，唐新功

(1.油氣資源與勘探技術(shù) 教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北 武漢 430100； 2.長(zhǎng)江大學(xué) 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430100)

0 引言

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是一種頻率域電磁測(cè)深方法[1]，它使用接地導(dǎo)線或不接地回線為人工信號(hào)源[2]，并通過(guò)變換頻率來(lái)產(chǎn)生不同的電磁波信號(hào)。CSAMT采用人工源，比起天然源有更高的信噪比[1]，近年來(lái)，在油氣資源、固體礦物資源、地?zé)?、工程地球物理等領(lǐng)域已成為主流的勘探手段之一。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已針對(duì)可控源音頻大地電磁法開(kāi)展過(guò)一系列研究,并開(kāi)發(fā)出了一維、二維和三維的正反演程序，其中既有各向同性的，也有各向異性的，但是基本都是以高級(jí)語(yǔ)言直接編程實(shí)現(xiàn)的，具有可視化界面的不多?？紤]到修改模型時(shí)，在程序中來(lái)回改變參數(shù)的方式不僅繁瑣還容易出錯(cuò)，本文針對(duì)MATLAB編寫(xiě)的模擬程序，通過(guò)將其打包成Jar包，封裝在Java語(yǔ)言編寫(xiě)的應(yīng)用程序中，實(shí)現(xiàn)了在圖形界面中直接進(jìn)行輸入輸出、數(shù)值計(jì)算以及基本繪圖等功能[3]。這里以CSAMT一維正演程序?yàn)槔?，闡述了程序功能的實(shí)現(xiàn)思路及使用Java語(yǔ)言進(jìn)行界面封裝以實(shí)現(xiàn)程序可視化的方案，最后詳細(xì)討論了激發(fā)極化效應(yīng)對(duì)一維模型的影響。

1 方法原理

1.1 水平層狀介質(zhì)電偶極子源

電偶極子源是在有限長(zhǎng)的接地導(dǎo)線中供入諧變電流，通過(guò)改變供電電流的頻率，在地下建立相應(yīng)頻率的電磁場(chǎng)。水平層狀介質(zhì)上的電偶極子激發(fā)的地電模型如圖1所示，其中N層水平層狀介質(zhì)中第n層的電阻率和層厚度分別記為ρn和hn[4]。取電偶極子中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸指向偶極矩方向，z軸垂直向下。利用柱坐標(biāo)和直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到準(zhǔn)靜態(tài)條件下直角坐標(biāo)系中地表電磁場(chǎng)各分量的表達(dá)式[1,4]：

圖1 水平層狀介質(zhì)上的電偶極子地電模型示意Fig.1 Schematic diagram of electric dipole horizontallayered medium model

使用卡尼亞視電阻率計(jì)算公式可求得不同頻率范圍的視電阻率值[4]：

1.2 Cole-Cole模型的引入

在傳統(tǒng)的可控源電磁法研究模擬中，通常認(rèn)為大地電阻率是一個(gè)與頻率無(wú)關(guān)的實(shí)數(shù)，實(shí)際上，由于電化學(xué)性質(zhì)等因素的存在，大地各種巖(礦)石在受到激發(fā)源激發(fā)時(shí)會(huì)產(chǎn)生激發(fā)極化效應(yīng)[5]，使得測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值產(chǎn)生一定的偏差[6]。

對(duì)于前人已提出的十余種巖礦石激電響應(yīng)模型，選取應(yīng)用最廣泛的Cole-Cole模型，以復(fù)電阻率代替直流零頻電阻率，對(duì)CSAMT場(chǎng)源一維層狀模型進(jìn)行正演模擬[7-9]，考察其視電阻率曲線的變化情況。表達(dá)式如下：

式中：ρ0為零頻電阻率，m為極限極化率，τ為時(shí)間常數(shù)，c表征復(fù)電阻率隨頻率變化程度的相關(guān)系數(shù)。

2 GUI設(shè)計(jì)

將CSAMT一維層狀模型進(jìn)行正演所需的數(shù)據(jù)，通過(guò)圖形用戶界面(graphics user interface，GUI)進(jìn)行文件導(dǎo)入或手動(dòng)輸入(圖2)，這樣在修改模型時(shí)就不需要在MATLAB代碼中來(lái)回多次改變參數(shù)，既方便了數(shù)據(jù)的輸入，又降低了出錯(cuò)的概率。

圖2 參數(shù)輸入界面Fig.2 Parameter input interface

如圖2所示，選擇JLabel標(biāo)簽組件顯示繪制視電阻率曲線所需參數(shù)的名稱，以提示用戶該輸入什么類(lèi)型的數(shù)據(jù)；使用JTextField文本框組件來(lái)接收單個(gè)變量，如發(fā)射電流、偶極矩等；給JButton按鈕組件增加MouseEvent監(jiān)聽(tīng)事件，當(dāng)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“導(dǎo)入”，喚起JFileChooser文件選擇框，如圖3所示。隨后就可以選擇導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的的數(shù)據(jù)文件，如電阻率、層厚度等。

圖3 導(dǎo)入文件選擇界面Fig.3 Import file selection interface

當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊“確定”按鈕時(shí)，程序先檢查輸入的參數(shù)是否完整，如果不完整，就會(huì)提示出錯(cuò)，要求修改輸入的參數(shù)文件，如圖4所示。

圖4 錯(cuò)誤信息提示界面Fig.4 Error message prompt interface

若輸入正確，便會(huì)通過(guò)傳參的方式將輸入的數(shù)據(jù)傳遞給MATLAB核心代碼，并完成計(jì)算與繪圖功能[10]，如圖5所示。

圖5 繪圖界面Fig.5 Graphic interface

3 正演試算

前人研究表明，時(shí)間常數(shù)和頻率相關(guān)指數(shù)對(duì)激電效應(yīng)的影響很小[9]，因此這里主要討論使用充電率參數(shù)來(lái)模擬極化層。設(shè)置時(shí)間指數(shù)τ=1.0，頻率相關(guān)指數(shù)c=0.25，極化率m=0.8；研究極化層位于淺層、中間層以及深層時(shí)，分別考慮激發(fā)極化效應(yīng)前、后的正演結(jié)果[11]。

3.1 模型一：K型斷面

含激電效應(yīng)的三層地層K型斷面，收發(fā)距為14 km，頻率范圍f=100～105Hz，各地層電阻率與層厚度取值如表1所示。

表1 K型地電模型參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameter setting of K geoelectric model

3.1.1 極化層位于淺層

由圖6可以看出，當(dāng)極化層位于淺層時(shí)，視電阻率曲線在有無(wú)極化層時(shí)具有顯著的不同。存在淺層極化層時(shí)，視電阻率值在全頻段均小于無(wú)極化時(shí)的情形，無(wú)極化時(shí)視電阻率的極大值出現(xiàn)在頻率f=100 Hz附近，而存在極化時(shí)視電阻率極值則向低頻偏移，出現(xiàn)在f=10 Hz附近。

圖6 K型地電模型極化層位于淺層時(shí)的視電阻率Fig.6 Apparent resistivity of the K-type geoelectricmodel when the polarization layer is located in the shallow layer

3.1.2 極化層位于中間層

由圖7可以看出，當(dāng)極化層位于中間層時(shí)，視電阻率曲線對(duì)于有無(wú)極化層時(shí)的差異比極化層位于淺層時(shí)明顯減小，極化層的影響主要體現(xiàn)在f=100～103Hz的范圍，并且在1 000 Hz附近出現(xiàn)了存在極化的視電阻率值略高于無(wú)極化時(shí)的情形，而在其他頻率范圍內(nèi)，與無(wú)極化時(shí)的視電阻率正演結(jié)果接近。

圖7 K型地電模型極化層位于中間層時(shí)的視電阻率Fig.7 Apparent resistivity of the K-type geoelectricmodel when the polarization layer is located in the middle layer

3.1.3 極化層位于深層

圖8是極化層位于深層時(shí)的視電阻結(jié)果，由圖可見(jiàn)，當(dāng)極化層位于深層時(shí)，極化效應(yīng)主要影響低頻的數(shù)值，而當(dāng)f>100 Hz時(shí)，激發(fā)極化效應(yīng)對(duì)模型正演結(jié)果的影響可以忽略。

圖8 K型地電模型極化層位于深層時(shí)的視電阻率Fig.8 Apparent resistivity of the K-type geoelectricmodel when the polarization layer is located in the deep layer

3.2 模型二：HK型斷面

含激電效應(yīng)的四層地層HK型斷面，收發(fā)距與頻率范圍均與模型一相同， 各地層電阻率與層厚度取值如表2所示。

表2 HK型地電模型參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameter setting of HK geoelectric model

3.2.1 極化層位于淺層

由圖9可以看出，HK型斷面的視電阻率曲線對(duì)于淺層有無(wú)極化層存在的變化情況與K型大致相同，視電阻率值也是在全頻段均小于無(wú)極化時(shí)的情形，并且存在極化的視電阻率極值向低頻偏移。

圖9 HK型地電模型極化層位于第一層時(shí)的視電阻率Fig.9 Apparent resistivity of HK-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the first layer

3.2.2 極化層位于中間層

圖10、圖11分別是極化層位于第二層、第三層時(shí)的視電阻率曲線?？梢钥闯觯阂曤娮杪是€對(duì)于有無(wú)極化層時(shí)的差異也與K型斷面相似，極化層的影響相對(duì)淺層減小，激電效應(yīng)對(duì)模型的影響主要集中在中間頻段；當(dāng)極化層位于第三層時(shí)，視電阻率曲線對(duì)于有無(wú)極化層時(shí)的差異比極化層位于第二層時(shí)明顯減小，且影響的異常頻帶也相對(duì)變小。除此之外，第二層存在極化的視電阻率值高于無(wú)極化時(shí)的情形僅在1 800 Hz

圖10 HK型地電模型極化層位于第二層時(shí)的視電阻率Fig.10 Apparent resistivity of HK-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the second layer

圖11 HK型地電模型極化層位于第三層時(shí)的視電阻率Fig.11 Apparent resistivity of HK-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the third layer

3.2.3 極化層位于深層

圖12為極化層位于最深層時(shí)的視電阻率結(jié)果。可以看出，當(dāng)極化層位于最深層時(shí)，存在極化時(shí)的視電阻率值要低于無(wú)極化的情形，其差異與K型斷面相似，極化效應(yīng)的影響頻帶也主要出現(xiàn)在f<100 Hz的低頻范圍內(nèi)[11]。

圖12 HK型地電模型極化層位于第四層時(shí)的視電阻率Fig.12 Apparent resistivity of HK-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the fourth layer

3.3 模型三：QQ型斷面

含激電效應(yīng)的四層地層QQ型斷面，收發(fā)距與頻率范圍均與模型一相同， 各地層電阻率與層厚度取值如表3所示。

表3 QQ型地電模型參數(shù)設(shè)置Table 3 Parameter setting of QQ geoelectric model

3.3.1 極化層位于淺層

由圖13可以看出，QQ型斷面的視電阻率曲線對(duì)于淺層有無(wú)極化層存在的變化情況與前面討論結(jié)果一致，視電阻率值也是在全頻段均小于無(wú)極化時(shí)的情形，且無(wú)極化時(shí)視電阻率的極大值出現(xiàn)在頻率f=1 000 Hz附近，而存在無(wú)極化時(shí)視電阻率的極大值向低頻偏移，出現(xiàn)在f=80 Hz 附近。

圖13 QQ型地電模型極化層位于第一層時(shí)的視電阻率Fig.13 Apparent resistivity of QQ-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the first layer

3.3.2 極化層位于中間層

從圖14和圖15可以看出，前面出現(xiàn)的規(guī)律也同樣適用于QQ型斷面。當(dāng)極化層位于第二層時(shí)，視電阻率曲線對(duì)于有無(wú)極化層時(shí)的差異比極化層位于第三層時(shí)大，且影響的異常頻帶也相對(duì)變大。除此之外，第三層存在極化的視電阻率值高于無(wú)極化時(shí)的頻帶小于在第二層時(shí)的情形，呈現(xiàn)向低頻偏移的趨勢(shì)。

圖14 QQ型地電模型極化層位于第二層時(shí)的視電阻率Fig.14 Apparent resistivity of QQ-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the second layer

圖15 QQ型地電模型極化層位于第三層時(shí)的視電阻率Fig.15 Apparent resistivity of QQ-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the third layer

3.3.3 極化層位于深層

由圖16可以看出，當(dāng)極化層位于QQ型斷面最深層時(shí)，視電阻率曲線對(duì)于有無(wú)極化層時(shí)的差異也與前面的模型相似，極化效應(yīng)的影響頻帶主要出現(xiàn)在f<10 Hz的低頻范圍內(nèi)[11]，而在其他頻率范圍內(nèi)，與無(wú)極化時(shí)的視電阻率正演結(jié)果接近。

圖16 QQ型地電模型極化層位于第四層時(shí)的視電阻率Fig.16 Apparent resistivity of QQ-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the fourth layer

3.4 模型四：HAK型斷面

含激電效應(yīng)的五層地層HAK型斷面，收發(fā)距與頻率范圍均與模型一相同， 各地層電阻率與層厚度取值如表4所示。

表4 HAK型地電模型參數(shù)設(shè)置Table 4 Parameter setting of HAK geoelectric model

3.4.1 極化層位于淺層

由圖17可以看出，當(dāng)極化層位于淺層時(shí)，HAK型斷面的存在極化時(shí)的視電阻率曲線也是在全頻段均小于無(wú)極化時(shí)的情形，且存在極化時(shí)視電阻率極值向低頻偏移。

圖17 HAK型地電模型極化層位于第一層時(shí)的視電阻率Fig.17 Apparent resistivity of HAK-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the first layer

3.4.2 極化層位于中間層

圖18和圖19分別是極化層位于第二層、第三層時(shí)的視電阻率曲線，可以看出極化層的影響相對(duì)于淺層減小，激電效應(yīng)對(duì)模型的影響主要集中在100Hz

圖18 HAK型地電模型極化層位于第二層時(shí)的視電阻率Fig.18 Apparent resistivity of HAK-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the second layer

圖19 HAK型地電模型極化層位于第三層時(shí)的視電阻率Fig.19 Apparent resistivity of HAK-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the third layer

隨著極化層深度的增加，視電阻率曲線對(duì)于有無(wú)極化層時(shí)的差異逐漸減小，且影響的異常頻帶也相對(duì)變窄。除此之外，第三層存在極化的視電阻率值高于無(wú)極化時(shí)的頻帶范圍也小于極化層位于第二層時(shí)的情形，且同樣呈現(xiàn)出向低頻偏移的趨勢(shì)，與前面的研究結(jié)果具有相似性。

3.4.3 極化層位于深層

由圖20可以看出，當(dāng)極化層位于HAK型斷面深層時(shí)，能觀察到由極化效應(yīng)產(chǎn)生的視電阻率差異的頻帶范圍變得更窄，主要體現(xiàn)在f<10 Hz的低頻范圍內(nèi)[11]。

圖20 HAK型地電模型極化層位于第四層時(shí)的視電阻率Fig.20 Apparent resistivity of HAK-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the fourth layer

4 結(jié)論

本文基于Java語(yǔ)言的GUI圖形用戶界面，開(kāi)發(fā)了一套CSAMT一維數(shù)據(jù)正演可視化軟件，界面友好，自動(dòng)化程度高，繪圖功能與通用性強(qiáng)。通過(guò)理論模型的正演計(jì)算，驗(yàn)證了軟件的正確性與便利性。通過(guò)使用Cole-Cole模型，研究了一維層狀介質(zhì)極化層分別位于不同深度時(shí)的視電阻率曲線的變化特征，研究發(fā)現(xiàn)極化層埋藏深度越淺，極化效應(yīng)對(duì)CSAMT的影響頻段越寬，有無(wú)極化的差異也越明顯。當(dāng)極化層存在并且位于中間層和深層時(shí)，視電阻率值會(huì)出現(xiàn)先高于然后再低于無(wú)極化的現(xiàn)象，特別是當(dāng)極化層位于第二層時(shí)這種現(xiàn)象尤為明顯。隨著極化層埋藏深度的增加，出現(xiàn)視電阻率差異的位置越向低頻偏移，并且這種差異越來(lái)越小。這些結(jié)論對(duì)于認(rèn)識(shí)含極化效應(yīng)的CSAMT方法的電磁響應(yīng)特征，提高野外工作效率和資料處理與解釋精度都有較大的意義。