雷康信，薛國強(qiáng),4*，陳衛(wèi)營，周楠楠

(1.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 中國科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029; 2.中國科學(xué)院大學(xué) 地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049; 3.中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院，北京 100029; 4.長安大學(xué) 地球物理場多參數(shù)綜合模擬實(shí)驗(yàn)室(中國地球物理學(xué)會重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，陜西 西安 710054)

0 引 言

薄層地質(zhì)異常體的有效精細(xì)探測一直以來都是地球物理勘探面臨的重要而又難以解決的問題，諸如石墨層、油儲層、深部采空區(qū)以及一些薄煤層等的地質(zhì)問題都可近似為薄層探測問題[1-2]。因此，針對物性參數(shù)不盡相同的各類地質(zhì)問題，選擇合適的勘探方法及觀測參數(shù)是解決薄層探測問題首要考慮的因素。

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method, TEM)觀測純二次場，具備近區(qū)探測和穿透低阻覆蓋層的能力，且垂向分辨率大、裝置輕便、工作效率高[3-5]，在以往的煤田地質(zhì)勘探、金屬礦探測、地下水探測等領(lǐng)域中發(fā)揮了重要的作用[6-11]。許多學(xué)者也曾針對瞬變電磁法的薄層探測問題進(jìn)行了相關(guān)研究。牛之璉結(jié)合野外實(shí)際工作討論了瞬變電磁法中視電阻率和視電導(dǎo)率參數(shù)對良導(dǎo)層的探測能力[12-13]；唐新功等采用積分方程法計算了層狀介質(zhì)中三維薄板的瞬變電磁響應(yīng)，并探究了異常體位置對響應(yīng)的影響[14]；之后在此基礎(chǔ)上，以埋藏于層狀地層中不同位置和深度的多個三維導(dǎo)電薄板為例，分析了瞬變電磁法對地下多個異常的分辨能力[15]；薛國強(qiáng)等根據(jù)有無薄層存在時響應(yīng)的相對誤差分析了回線源瞬變電磁法對薄層的分辨能力，并將其與可控源音頻大地電磁法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric Method，CSAMT)進(jìn)行了比較，認(rèn)為瞬變電磁法對薄層的分辨能力優(yōu)于可控源音頻大地電磁法[1]；王戰(zhàn)軍等分析了薄層與圍巖電阻率比值及薄層埋深厚度比值對回線源瞬變電磁法探測能力的影響[16]；周楠楠等研究了矩形回線瞬變電磁法水平分量的響應(yīng)特征，并在此基礎(chǔ)上考慮了水平分量對低阻薄層的分辨能力[17]；陳衛(wèi)營等分析了短偏移距瞬變電磁法(Short Offset Transient Electromagnetic Method,SOTEM)對薄層的探測能力，并討論了薄層厚度與偏移距對觀測結(jié)果的影響[2]；侯東洋等通過模擬過程分析了可控源音頻大地電磁法與短偏移距瞬變電磁法對低阻層的探測能力，發(fā)現(xiàn)短偏移距瞬變電磁法對導(dǎo)電體的探測能力更強(qiáng)[18]；龍霞等研究了等值反磁通原理瞬變電磁(OCTEM)二次磁場時間導(dǎo)數(shù)對低阻和高阻薄層的探測能力，并進(jìn)一步分析了薄層電阻率、厚度、埋深及圍巖電阻率對分辨能力的影響，發(fā)現(xiàn)OCTEM對低阻薄層的探測能力更強(qiáng)，且薄層與電阻率差異越大、薄層厚度與埋深比越大，探測能力越強(qiáng)[19]。

綜上可知，前人針對采用瞬變電磁法探測薄層的研究主要圍繞其分辨能力展開，而鮮少有觀測參數(shù)與分辨能力之間聯(lián)系的研究。本文以電性源瞬變電磁法一維正演為理論基礎(chǔ)，通過定義的相對異常，探究偏移距與分辨能力及觀測時間之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上研究其隨薄層電阻率以及埋深的變化。

1 瞬變電磁響應(yīng)計算

電性源瞬變電磁時間域響應(yīng)一般是由電偶極源響應(yīng)積分求得的頻域解通過時頻變換得到的[20-21]。目前電性源地面瞬變電磁法的實(shí)際工作中，主要觀測由垂直感應(yīng)電動勢[22]，因此，本文主要給出垂直磁場的響應(yīng)表達(dá)式。層狀介質(zhì)下，位于地表x方向水平電偶極源階躍激發(fā)(不含接地項)在地表產(chǎn)生的垂直磁場(Hz)的頻率域表達(dá)式[23]為

(1)

對于N層大地，其遞推公式為

對于沿x方向布設(shè)、長為2a的接地導(dǎo)線源，按照偶極子疊加理論，其頻率域響應(yīng)[24]為

(2)

式中：z為觀測點(diǎn)的坐標(biāo)；x′為發(fā)射源的橫坐標(biāo)。

得到頻率域響應(yīng)后，利用傅里葉變換可得到時間域(f(t))響應(yīng)[25]，其表達(dá)式為

(3)

對于電磁法來說，所謂對地層的分辨能力是指某種方法裝置在目標(biāo)層(異常體)所產(chǎn)生的異常場超過背景場的水平，并且依據(jù)此種方法的理論可以從異常場提取地層信息的能力。相對異常(P)的計算公式為

(4)

式中：Fa為存在異常時的瞬變電磁響應(yīng)；Fh為不存在異常時的瞬變電磁響應(yīng)。

一般而言，相對異常越大表示異常體產(chǎn)生的響應(yīng)越強(qiáng)，異常越容易被識別。

2 分辨能力與偏移距關(guān)系

考慮到瞬變電磁法對低阻體的分辨能力較強(qiáng)，研究中以低阻薄層異常為例。為了研究瞬變電磁法對低阻薄層的分辨能力與偏移距之間的關(guān)系，及電阻率和薄層埋藏深度對上述關(guān)系的影響，設(shè)計了如圖1所示的三層地質(zhì)模型。其中，ρm和hm分別為第m層(m=1,2,3)介質(zhì)的電阻率和厚度。采用的裝置參數(shù)為：發(fā)射導(dǎo)線1 000 m，發(fā)射電流10 A，偏移距200～4 000 m，間隔25 m。

陰影部分表示薄層異常

圖2給出了偏移距為1 000、2 000、3 000、4 000 m時的感應(yīng)電壓衰減曲線及相對異常曲線。從圖2可以看到，不同偏移距下的感應(yīng)電壓衰減曲線形態(tài)一致，早期感應(yīng)電壓隨著偏移距的增大逐漸減小，但當(dāng)超過一定時間(圖中顯示約為0.02 s)時，偏移距較大時候的響應(yīng)較強(qiáng)。而對于相對異常來說，最大相對異常隨著偏移距的增加而減小，且出現(xiàn)的時間隨著偏移距的增大逐漸推遲。這與電磁波傳播距離的增大有關(guān)，也與以往的結(jié)論[26]一致。

圖2 瞬變電磁法對低阻薄層的響應(yīng)

圖3給出了薄層電阻率為10、20、50 Ω·m時的最大相對異常及其出現(xiàn)的時間隨偏移距變化曲線。從圖3(a)可以看出，隨著薄層電阻率與背景層電阻率差異的減小，其最大相對異常逐漸減小。對于某一給定的地電模型,其最大相對異常隨著偏移距的增大先呈線性遞減后趨于穩(wěn)定，且隨著與背景層電阻率差異的減小，衰減速率逐漸變慢。從圖3(b)可以看出，隨著薄層電阻率與背景層電阻率差異的減小，其最大相對異常出現(xiàn)的時間逐漸向前提早。對于某一給定的電阻率,其最大相對異常出現(xiàn)的時間隨著偏移距的增大先增大后減小，且拐點(diǎn)隨著與背景層電阻率差異的減小向小偏移距方向移動。盡管在偏移距較大的時候，其最大相對異常出現(xiàn)的時間變早，可以縮短數(shù)據(jù)采集的時間，提高工作效率，但由于其最大相對異常較小，仍不建議在實(shí)際數(shù)據(jù)采集過程中采用該偏移距范圍進(jìn)行觀測。

圖3 不同電阻率條件下最大相對異常及其出現(xiàn)時間隨偏移距變化的曲線

圖4給出了低阻薄層埋藏深度(h)為1 000、800、500、250 m時的最大相對異常及其出現(xiàn)的時間隨偏移距變化曲線。圖4與圖3的曲線形態(tài)類似，最大相對異常的衰減速率隨著埋藏深度的增大逐漸減緩，而其出現(xiàn)的時間逐漸向后推遲，同樣地，拐點(diǎn)的出現(xiàn)也朝大偏移距延遲。

圖4 不同埋深條件下最大相對異常及其出現(xiàn)時間隨偏移距變化的曲線

綜上所述，在偏移距較小的范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，更有利于對薄層異常體的探測，且有助于減少觀測時間，提高勘探效率。

3 結(jié) 語

(1)瞬變電磁法對薄層的分辨能力在小偏移距時較強(qiáng)，且所需的觀測時間范圍較小，有利于提高觀測效率。

(2)隨著薄層與背景層之間的差異減弱(增大電阻率或加大埋深)，瞬變電磁法對其探測能力也逐漸減弱，所需的觀測時間范圍也進(jìn)一步增大。

(3)在實(shí)際的數(shù)據(jù)采集工作之前，可根據(jù)已有的地質(zhì)資料設(shè)計地質(zhì)模型進(jìn)行簡單的正演，然后依據(jù)正演結(jié)果選擇合適的偏移距及觀測時間，這有利于提高野外的工作效率。

(4)本文只考慮了垂直磁場分量的探測能力與偏移距之間的關(guān)系，對其他分量與偏移距之間的關(guān)系以及薄層的埋藏深度等物性參數(shù)與偏移距之間的關(guān)系未作考量，今后有必要綜合研究多分量探測技術(shù)，以尋求對薄層探測能力的最佳參數(shù)。