崔江偉 薛國(guó)強(qiáng) 周楠楠 鄧居智

(1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 北京)(2.東華理工大學(xué) 江西 南昌)

0 引 言

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)起源于20 世紀(jì)70 年代，它利用兩端接地的有限長(zhǎng)導(dǎo)線作為發(fā)射源，使用人工激發(fā)的交變電磁場(chǎng)，測(cè)量電磁響應(yīng)并計(jì)算阻抗響應(yīng)及視電阻率響應(yīng)，來(lái)達(dá)到勘探地球內(nèi)部電性結(jié)構(gòu)目的的一種方法［1］。近40 年來(lái)，該方法在尋找深部隱伏金屬礦，油氣構(gòu)造勘查，推覆體或火山巖下找煤，地?zé)豳Y源勘查和水文—工程地質(zhì)勘查等方面都取得了良好的地質(zhì)效果［2～5］，成為深受人們歡迎的一種地球物理方法。

CSAMT 法也有它固有的缺點(diǎn)。最顯著的是它沿用MT 法的卡尼亞視電阻率公式要求在“遠(yuǎn)區(qū)”進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)達(dá)不到遠(yuǎn)區(qū)要求時(shí)，CSAMT 法仍然按照卡尼亞公式計(jì)算視電阻率，相當(dāng)于人為地丟掉了許多代表非遠(yuǎn)區(qū)特點(diǎn)的高次項(xiàng)，引入了不小的人為誤差，喪失了原本具有的信號(hào)強(qiáng)度大、觀測(cè)精度高的優(yōu)勢(shì)，這大大限制了CSAMT 法的工作區(qū)域［6］。為了克服CSAMT 只能遠(yuǎn)區(qū)測(cè)量的缺點(diǎn)，許多學(xué)者做了大量研究。方文藻等(1992)采用將均勻半空間場(chǎng)的精確公式與遠(yuǎn)區(qū)公式比較，求得一個(gè)校正系數(shù)K，將遠(yuǎn)區(qū)定義視電阻率乘上校正系數(shù)K，即可求得全區(qū)定義視電阻率值，該方法簡(jiǎn)便且容易實(shí)現(xiàn)［7］。湯井田等(1994、2011)先后提出多種全區(qū)視電阻率定義，均形象地反映了地下介質(zhì)的變化特征［8、9］。佟鐵鋼等(2009)對(duì)CSAMT 全區(qū)視電阻率法的數(shù)值模擬進(jìn)行了探討，利用漢克爾數(shù)值濾波算法和逆樣條插值算法對(duì)水平層狀電磁場(chǎng)進(jìn)行正演計(jì)算，取得了很好的效果［10］。馮兵等(2013)對(duì)CSAMT 探測(cè)中電場(chǎng)Ex分量視電阻率定義進(jìn)行了研究，討論了CSAMT 電場(chǎng)Ex方向全區(qū)視電阻率的應(yīng)用。采用積分方法將多個(gè)偶極子進(jìn)行疊加，獲得雙極源電磁場(chǎng)，并通過(guò)模型分析和實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證了該方法的有效性［11］。本文對(duì)比分析了Ex分量視電阻率定義方式和傳統(tǒng)的卡尼亞視電阻率定義方式在適用范圍的差異，并通過(guò)模型計(jì)算和實(shí)例分析，對(duì)比了兩種視電阻率定義的應(yīng)用效果。發(fā)現(xiàn)Ex分量視電阻率定義方式不僅可以應(yīng)用在遠(yuǎn)區(qū)，在過(guò)渡區(qū)甚至近區(qū)都能對(duì)深部探測(cè)和資料解釋起到非常重要的作用。

1 CSAMT 視電阻率定義

1.1 卡尼亞視電阻率

在準(zhǔn)靜態(tài)條件下，直角坐標(biāo)系統(tǒng)中水平電偶極源在地表電磁場(chǎng)各分量的表達(dá)式為［12～14］:

式中，r 為接收點(diǎn)到偶極子中心矢量→r 的模，φ 為→r和x 軸的夾角，I 為發(fā)送電流強(qiáng)度，dL 為電偶極子長(zhǎng)度。μ 和σ 分別是均勻半空間的磁導(dǎo)率和大地電導(dǎo)率，ω 代表角頻率，k 表示電磁波傳播波數(shù)。在準(zhǔn)靜態(tài)極限下=iμωσ。

CSAMT 法要求在遠(yuǎn)區(qū)測(cè)量一對(duì)相互正交的電場(chǎng)、磁場(chǎng)分量。當(dāng)觀察點(diǎn)距離場(chǎng)源非常遠(yuǎn)時(shí)，即|k1r| ＞＞1，式(1)和式(2)中含有eik1r的項(xiàng)皆可忽略，即可求出遠(yuǎn)區(qū)水平方向電磁場(chǎng)各分量的表達(dá)式為

將正交的x 方向電場(chǎng)與y 方向磁場(chǎng)相比，并提取卡尼亞視電阻率為

在CSAMT 測(cè)深應(yīng)用中，目前多采用式(5)所定義的視電阻率形式，即卡尼亞視電阻率定義，該定義方式計(jì)算簡(jiǎn)單，在遠(yuǎn)區(qū)能客觀反映地電構(gòu)造的變化;而卡尼亞視電阻率在過(guò)渡區(qū)和近區(qū)的定義會(huì)發(fā)生畸變。

1.2 分量視電阻率定義

通過(guò)研究和分析式(1)不難發(fā)現(xiàn)，等式右邊含有介質(zhì)的電阻率因素。即測(cè)量場(chǎng)Ex分量就可以提取介質(zhì)的視電阻率，并不一定非要測(cè)量?jī)蓚€(gè)正交的電磁場(chǎng)分量。

由公式(1)經(jīng)簡(jiǎn)單的變形即可得到Ex分量視電阻率表達(dá)式:

不難看出，式(6)為復(fù)雜的隱函數(shù)表達(dá)式，如采用一般的代數(shù)方法，是不可能提取出其中電阻率信息的。可采用計(jì)算機(jī)迭代的辦法，即給定Ex實(shí)測(cè)值，通過(guò)式(1)計(jì)算給定均勻半空間Ex理論值，當(dāng)兩者滿足誤差要求時(shí)，即可得到地下半空間的電阻率值。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)不均勻時(shí)就可得到地下介質(zhì)的視電阻率值。

2 卡尼亞視電阻率和Ex 分量視電阻率定義對(duì)比分析

2.1 應(yīng)用范圍對(duì)比分析

對(duì)比式(1)和式(3)，要想使得式(3)成立，必須滿足式(3)中的e-ikr(1 + ikr)＜＜1，在式(3)中，- ikr =(-1 -i)p(其中p=，r 為偏移距，δ 為趨膚深度)，借助歐拉公式將e-ikr展開(kāi)為三角函數(shù)的形式，再分解為實(shí)部和虛部［11］:

用大小不同的P 值代入eikr的表達(dá)式可得，如果當(dāng)eikr(1+ikr)≤0.01 認(rèn)為到達(dá)“遠(yuǎn)區(qū)”，此時(shí)則需要P≥7，即r≥7δ。eikr(1+ikr)值的大小和P 的關(guān)系如圖1 所示。

Ex分量全區(qū)視電阻率定義和卡尼亞視電阻率定義方式不同，它沒(méi)有忽略任何高次項(xiàng)。故其適用于偶極子條件成立的所有區(qū)域，包括遠(yuǎn)區(qū)、過(guò)渡區(qū)甚至部分近區(qū)。

圖1 eikr(1 +ikr)的大小與P 的對(duì)應(yīng)關(guān)系

為了對(duì)兩種視電阻率定義方式進(jìn)行對(duì)比，取電偶極源長(zhǎng)度為1 000 m，電流為10 A，收發(fā)距為1 000 m，φ=90°，均勻半空間電阻率為10 Ω·m。分別計(jì)算模型的卡尼亞視電阻率和Ex分量視電阻率對(duì)比如圖2所示。

圖2 均勻半空間卡尼亞視電阻率和Ex 分量視電阻率對(duì)比圖

從圖2 中可以看出，Ex分量視電阻率始終是一條ρa(bǔ)=10 Ω·m 的水平直線，正確的反映地下的真實(shí)電阻率。卡尼亞視電阻率只有在f≥30 Hz 時(shí)才能正確反映地下真實(shí)電阻率，當(dāng)頻率f≤30 Hz 時(shí)，卡尼亞視電阻率逐漸偏離地下的真實(shí)電阻率，最后呈45°直線上升，表現(xiàn)為近區(qū)效應(yīng)。

以f=1 Hz 為例，對(duì)于ρ=10 Ω·m 的均勻大地，根據(jù)趨膚深度公式［11］:

算出這一條件下δ≈1.6 km。也就是說(shuō)要想使得卡尼亞視電阻率能正常運(yùn)用，至少要到r =7δ =11.2 km 遠(yuǎn)的地方進(jìn)行觀測(cè)。不言而喻，這就大大限制了CSAMT 法的應(yīng)用范圍。

而Ex分量視電阻率對(duì)收發(fā)距的要求就沒(méi)有那么嚴(yán)格。這就意味著在同等條件下，運(yùn)用Ex單分量視電阻率定義方式比傳統(tǒng)的卡尼亞視電阻率定義方式的應(yīng)用范圍要大的多。

2.2 理論模型對(duì)比分析

1)兩層模型分析

如圖3 所示。Ex分量視電阻率和卡尼亞視電阻率使用的是同一組電場(chǎng)Ex的觀測(cè)數(shù)據(jù)。比較a、b 兩圖中兩種視電阻率測(cè)深曲線不難發(fā)現(xiàn)，兩種視電阻率曲線有非常顯著的差別。Ex分量視電阻率能明顯的反映出地電斷面的特點(diǎn)，首支近于上部層的電阻率，尾支接近下部層的電阻率。而卡尼亞視電阻率從第一層的低阻層(高阻層)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)一個(gè)假極小(假極大)，尾支成45°的直線上升。一點(diǎn)也沒(méi)有二層構(gòu)造的跡象，完全是近區(qū)效應(yīng)。

圖3 兩層地電構(gòu)造上卡尼亞視電阻率和Ex分量視電阻率對(duì)比圖(R 為收發(fā)距)

cagniard-卡尼亞視電阻率，Ex - Ex分量視電阻率，(a)圖為G 型地電構(gòu)造，(b)圖為D 型地電構(gòu)造。

究其原因，主要是收發(fā)距不足夠大，對(duì)于卡尼亞視電阻率來(lái)說(shuō)，幾乎沒(méi)有進(jìn)入遠(yuǎn)區(qū)。反觀Ex分量視電阻率定義曲線，即使收發(fā)距相對(duì)很小時(shí)，亦能對(duì)地電構(gòu)造有很好的反映。

2)三層模型分析

如圖4(a)所示，是H 型地電斷面的卡尼亞視電阻率和Ex分量視電阻率在收發(fā)距很小時(shí)(R =1 000 m)正演曲線的一個(gè)例子。從圖中可以看出，對(duì)于中間層為低阻的H 型斷面，卡尼亞視電阻率曲線首支趨于第一層電阻率值，尾支則呈現(xiàn)出45°直線上升，不能明顯的反映出地電構(gòu)造是三層結(jié)構(gòu)。而Ex分量視電阻率曲線明顯的反映出了三層地電結(jié)構(gòu)。且首支趨于第一層電阻率值，尾支趨近于一穩(wěn)定的電阻率值。

圖4 H 型地電構(gòu)造和K 型地電構(gòu)造上卡尼亞視電阻率和Ex 分量視電阻率對(duì)比圖

如圖4(b)所示，為K 型地電結(jié)構(gòu)下，收發(fā)距分別為3 km 和8 km 時(shí)卡尼亞視電阻率和Ex分量視電阻率對(duì)比圖，從圖中可以看出當(dāng)收發(fā)距較小時(shí)(R =3 km)，卡尼亞視電阻率曲線對(duì)于第三層沒(méi)有任何表示，尾支呈現(xiàn)45°直線上升，進(jìn)入近場(chǎng)效應(yīng)。而Ex分量視電阻率曲線，在中間層部位有輕微隆起，且尾支收斂，雖然不能明顯的反映出是K 型地電結(jié)構(gòu)，但是能明顯的顯示出是三層地電結(jié)構(gòu)。對(duì)于地下電性層的分辨還是很有用的。當(dāng)收發(fā)距較大時(shí)(R =8 km)，卡尼亞視電阻率曲線對(duì)于中間層開(kāi)始有所反應(yīng)，能看出有中間高阻層的存在，但是尾支曲線不收斂，不能正確反應(yīng)第三層的地電信息。再看Ex分量視電阻率曲線，能明顯的反映出是K 型地電結(jié)構(gòu)，且尾支趨于第三層電阻率值。

3 不同參數(shù)對(duì)分量視電阻率曲線的影響

如圖5(a)所示，是H 型地電斷面，在保持各層電阻率值和厚度不變的情況下，通過(guò)改變收發(fā)距而得出的Ex分量視電阻率曲線變化。如圖5(b)所示，是H型地電斷面，在保持各層電阻率值和第一層厚度不變的情況下，通過(guò)改變中間層厚度而得出的Ex分量視電阻率曲線變化。從圖中可以看出，Ex分量視電阻率曲線首支都趨于第一層電阻率值，尾支都趨于穩(wěn)定的電阻率值。無(wú)論收發(fā)距以及中間電性層的厚度的大小，都不影響Ex分量視電阻率對(duì)地電結(jié)構(gòu)的分辨能力。

圖5 H 地電構(gòu)造上收發(fā)距和中間層厚度不同時(shí)Ex 分量視電阻率理論曲線

4 應(yīng)用實(shí)例

測(cè)區(qū)位于承德市圍場(chǎng)縣北部，屬燕山山系，地形切割中等到較深，為圍場(chǎng)中山地貌帶的一部分。礦區(qū)地層主要為侏羅系上統(tǒng)張家口組一、二段火山碎屑巖和第四系松散堆積物。主要工作目的是尋找隱伏斷層，進(jìn)而確定礦床位置。

采用TM 模式標(biāo)量測(cè)量方法，收發(fā)距為3 km，發(fā)射源長(zhǎng)度為500 m。測(cè)點(diǎn)距為40 m。選用1 線剖面的卡尼亞視電阻率和Ex分量視電阻率進(jìn)行解譯。如圖6所示為1 線剖面60 號(hào)點(diǎn)視電阻率曲線對(duì)比圖，可見(jiàn)Ex分量視電阻率在小收發(fā)距時(shí)，對(duì)電阻率曲線的反應(yīng)也是收斂的，能很好的反映地下的電性特征。由于不能滿足遠(yuǎn)區(qū)條件卡尼亞視電阻率曲線幾乎不能反應(yīng)地下的電性結(jié)構(gòu)，只有幾個(gè)高頻點(diǎn)反應(yīng)了淺部電阻率信息，進(jìn)而呈現(xiàn)45°直線上升狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離真實(shí)電阻率。對(duì)于1 線所有測(cè)點(diǎn)進(jìn)行兩種視電阻率的提取，進(jìn)而繪制1 線斷面圖，如圖7 所示。

圖6 1 線60 號(hào)點(diǎn)視電阻率曲線對(duì)比圖

圖7 中左圖為1 線卡尼亞視電阻率斷面圖，右圖為1 線Ex分量視電阻率斷面圖。從圖中我們可以看出，在不滿足遠(yuǎn)區(qū)條件時(shí)，卡尼亞視電阻率會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變，進(jìn)而運(yùn)用卡尼亞視電阻率進(jìn)行繪制的剖面圖會(huì)造成多處電阻率圈閉(如圖7 中左圖F1、F2、F3、F4 所示)。給推斷斷層位置帶來(lái)了很大的誤導(dǎo)。而運(yùn)用Ex分量視電阻率繪制的剖面圖(圖略)，可以清晰的看到電阻率呈現(xiàn)臺(tái)階狀，且有驟然變化［15］。根據(jù)斷層推斷的原則，可將其推斷為斷層所在處。

圖7 1 線卡尼亞視電阻率和Ex 分量視電阻率斷面對(duì)比圖

5 結(jié) 論

(1)同等條件下的理論計(jì)算和實(shí)例分析表明，CSAMT 法Ex分量視電阻率定義方式的觀測(cè)范圍可以擴(kuò)展到過(guò)渡區(qū)甚至是部分近區(qū)，這比傳統(tǒng)的卡尼亞視電阻率定義方式的有效觀測(cè)范圍大的多。

(2)通過(guò)理論模型的對(duì)比分析表明，在達(dá)不到CSAMT法要求的遠(yuǎn)區(qū)條件時(shí)，卡尼亞視電阻率曲線會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的畸變，不能清晰的反映地電構(gòu)造的變化;而Ex分量視電阻率定義曲線可以很好的反映地下斷面的信息。

(3)通過(guò)模型分析可知，收發(fā)距的變化并不影響Ex分量視電阻率定義方式對(duì)地電結(jié)構(gòu)的分辨能力。

(4)Ex分量視電阻率定義方式，既保留了CSAMT原有的優(yōu)點(diǎn)，又突破了其遠(yuǎn)區(qū)的限制，并能簡(jiǎn)化野外工作方法、提高工作效率、節(jié)約工作成本，值得在野外推廣應(yīng)用。

［1］何繼善.可控源音頻大地電磁法及其應(yīng)用［M］. 長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2005

［2］湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁法及其應(yīng)用［M］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2005

［3］王一新. 可控源聲頻電磁測(cè)深法在油氣勘探中的應(yīng)用［J］.河南石油，1994，9(2)

［4］鄧洪亮，謝向文，陳 玲.CSAMTA 法探測(cè)深長(zhǎng)埋隧洞中隱伏斷層的技術(shù)應(yīng)用［J］.南水北調(diào)與水利科技，2007，5(2)［5］安志國(guó)，底青云，王光杰.深埋長(zhǎng)隧道洞線巖性CSAMT 法分析研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(3)

［6］何繼善. 廣域電磁法和偽隨機(jī)信號(hào)電法［M］. 北京:高等教育出版社，2010

［7］方文藻，李 貅，李予國(guó)，等. 頻率域電磁法中視電阻率全區(qū)定義［J］. 西安地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，1992，14(4)

［8］湯井田，何繼善. 水平電偶極頻率域測(cè)深中全區(qū)視電阻率定義新方法［J］.地球物理學(xué)報(bào)，1994，3(4)

［9］湯井田，周 聰，張林成.CSAMT 電場(chǎng)y 方向視電阻率的定義及研究［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版)，2011，41(2)

［10］佟鐵鋼，劉明春，何繼善. CSAMT 全區(qū)視電阻率法數(shù)值模擬機(jī)應(yīng)用探討［J］. 地球物理學(xué)進(jìn)展，2009，24(5)

［11］馮 兵，王珺璐，周祥文，等. CSAMT 探測(cè)中全區(qū)視電阻率定義及應(yīng)用［J］. 煤田地質(zhì)與勘探，2013，41(6)

［12］何繼善. 廣域電磁測(cè)深法研究［J］. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，41(3)

［13］王順國(guó)，熊 彬. 廣域視電阻率的數(shù)值計(jì)算方法［J］.物探化探計(jì)算技術(shù)，2012，34(4)

［14］鮑力知. 廣域電磁法的主要特點(diǎn)［J］. 貴州地質(zhì)，2013，30(1)

［15］馬志飛. 可控源音頻大地電磁法探測(cè)隱伏斷層的正演模擬［J］.工程地質(zhì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009，56(4)