CSAMT场源效应的三维模拟与试验

引用本文

王刚, 杨生, 雷达, 朱威, 姚大为. CSAMT场源效应的三维模拟与试验[J]. 物探与化探, 2015,39(1): 132-135.
WANG Gang, YANG Sheng, LEI Da, ZHU Wei, YAO Da-Wei. Three-dimensional simulation and test of source effects in CSAMT method[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2015,39(1): 132-135. 复制到剪切板

Doi:10.11720/wtyht.2015.1.21
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CSAMT场源效应的三维模拟与试验

王刚¹, 杨生², 雷达¹, 朱威¹, 姚大为¹

1.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,河北廊坊 065000

2.有色金属矿产地质调查中心北京中色物探有限公司, 北京 100045

作者简介: 王刚(1981-),男,汉族,工程师,主要从事电磁法勘探方面的工作。

基金: 中国地质科学院物化探所基本科研专项资金项目( AS2008 J01)

摘要

场源效应严重影响了可控源音频大地电磁法(CSAMT)的应用效果,为了分析场源效应的影响,利用三维积分方程数值模拟计算方法,模拟场源下方存在三维异常体模型,然后做了相关的野外试验。模拟和野外试验证明场源下方基岩深浅不同,受影响的是低频段,高频段几乎不受影响;低阻体产生的场源复印效应更强,也就是说观测数据受低阻体影响更大。

关键词: CSAMT; 场源效应; 积分方程法; 三维数值模拟; 低阻体

中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2015)01-0132-04

Three-dimensional simulation and test of source effects in CSAMT method

WANG Gang¹, YANG Sheng², LEI Da¹, ZHU Wei¹, YAO Da-Wei¹

1. Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Chinese Academy of Geological Sciences, Langfang 065000, China

2. Beijing Zhongse Geophysical Exploration, Co., Ltd., China Nonferrous Metals Resource Geological Survey, Beijing 100045, China

Abstract

Source effects have serious impact on the application effect of CSAMT. In order to analyze the effect of the source effects, the authors used three-dimensional integral equation numerical simulation method to simulate 3D anomalous body below the source, and then made a field test. Simulations and field tests have proved that, due to the different depths of the bedrocks, only the low band is affected, whereas the high band is almost unaffected, and that the low resistivity body can generate stronger source overprint effects, so the observational data are more remarkably impacted by the low resistivity body.

Keyword: CSAMT; source effects; integral equation method; three-dimensional simulation; low resistivity body

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可控源音频大地电磁法(CSAMT) 利用人工可控发射源产生的地电磁场作为场源, 采用大地电磁法(MT)和音频大地电磁法(AMT)的观测装置, 观测人工电场源产生的音频范围段的电磁场。标量CSAMT是利用观测到的电场水平分量E_x和与之正交的磁场分量H_y计算视电阻率, 进而推断出地下地质情况。因为该方法具有信号强、抗干扰能力突出、信噪比高等特点, 所以从20世纪70年代起就成为十分重要的物探方法, 在勘探石油、煤炭、地热资源、天然气和金属矿产等方面取得了很好的效果^{[1, 2, 3, 4, 5]}。但是, 当场源下方或者场源和接收点之间存在电性异常体时, 会引起视电阻率曲线的严重失真, 即场源效应^[6], 场源效应使CSAMT的数据处理和资料解释更加复杂, 严重影响了该方法的应用效果^{[7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17]}。为了更好地处理和解释复杂地区的CSAMT测深资料, 必须弄清场源效应对CSAMT资料的影响特征。

文中首先介绍了积分方程法的基本原理, 然后利用三维积分方程正演软件Emigma计算几组模型, 对场源下方存在电性异常体的影响进行了研究, 通过野外试验验证了这些研究结果。

1 积分方程法的基本原理

在均匀半空间中存在异常体, 均匀半空间电导

率为σ _b, 三维异常体电导率为σ _s, 假设空间中任意位置的磁导率等于真空中的磁导率μ ₀, 不考虑位移电流, 那么任意点的电磁总场E(H)可表示为入射场E_b(H_b)与散射场E_s(H_s)之和

$\begin{matrix} E = E_{b} + E_{s}, H = H_{b} + H_{s}; \end{matrix}$ （1）

其中, 入射场是由入射源在均匀半空间中激发而产生的, 散射场是由异常体(Ω )与均匀半空间的电导率差异引起的。散射场可以用并矢格林函数表示为

$\begin{matrix} \begin{matrix} E_{s} (r) = \underset{Ω}{\int \int \int} [σ_{s} (r') - σ_{b}] {\dot{G}}^{E} (r, r') \cdot E (r') dυ, (2) \\ H_{s} (r) = \underset{Ω}{\int \int \int} [σ_{s} (r') - σ_{b}] {\dot{G}}^{H} (r, r') \cdot E (r') dυ, (3) \end{matrix} \end{matrix}$

$\begin{matrix} {\dot{G}}^{E} \end{matrix}$ (r, r')、 $\begin{matrix} {\dot{G}}^{H} \end{matrix}$ (r, r')分别为考虑地面和空气接触面影响的位于r'处的电流源在r处的电、磁场并矢格林函数。将式(2)、式(3)代入式(1), 可得

$\begin{matrix} \begin{matrix} E (r) = E_{b} (r) + \underset{Ω}{\int \int \int} [σ_{s} (r') - σ_{b}] {\dot{G}}^{E} (r, r') \cdot E (r') dυ, (4) \\ H (r) = H_{b} (r) + \underset{Ω}{\int \int \int} [σ_{s} (r') - σ_{b}] {\dot{G}}^{H} (r, r') \cdot E (r') dυ 。 (5) \end{matrix} \end{matrix}$

若r∈ Ω , 式(4)、式(5)为奇异的非齐次第二类Fredholm型积分方程。

把异常体分成N个小立方体单元Ω _n(n=1, …, N), 并假设在每个单元内部电场和电导率是常数且都等于其中心点处的值, 则式(4)可表示为各剖分单元内电场的有限求和近似

$\begin{matrix} E (r) = \end{matrix} E_{b} (r) \sum_{n=1}^{N} (σ_{sn} - σ_{b}) Γ^{E} ∙ E (r_{n}),$ (6)

$Γ^{E} = ∭_{Ω_{n}} {\tilde{G}}^{E} (r, r^{'}) dv,$

其中, σ _sn是单元n中的电导率。单元m中心电场可表示为

$\begin{matrix} E (r_{m}) = \end{matrix} E_{b} (r_{m}) \sum_{n=1}^{N} (σ_{sn} - σ_{b}) Γ_{mn}^{E} ∙ E (r_{n}),$ (7)

$\begin{matrix} Γ_{mn}^{E} = ∭_{Ω_{n}} {\tilde{G}}^{E} (r_{m}, r^{'}) dv, n = 1, 2, \dots, N 。 \end{matrix}$

为方便计算, 整理上式得

$\begin{matrix} \sum_{n=1}^{N} [(σ_{sn} - σ_{b}) Γ_{mn}^{E} - δ_{mn}] \end{matrix} ∙ E (r_{n}) = - E_{b} (r_{m}),$ (8)

当m=n时, δ _mn=I; m≠ n时, δ _mn=0; I和0分别是3× 3的单位张量和零张量。把式(8)写为矩阵方程为:

$\begin{matrix} [M] \cdot [E] = - [E_{b}] 。 (9) \end{matrix}$

上式中, M为由剖分小立方体的电并矢格林函数积分和电导率差异组成的系数矩阵, E为各剖分小立方体中心的总电场, E_b 为各剖分小立方体中心的入射电场。

求解方程(9)可以得到异常体各离散单元上的电场, 那么利用式(6)、式(5)可得到空间内任意一点的电场值和磁场值。求得电场和磁场后, 视电阻率ρ _s和阻抗相位φ 的计算公式为

$\begin{matrix} ρ_{s} = \frac{1}{ωμ} {|\frac{E_{x}}{H_{y}}|}^{2}, φ = φ_{E_{x}} - φ_{H_{y}} 。 \end{matrix}$ (10)

2 模型正演计算及分析

2.1 场源下方的基岩埋深不同

图1a是不同基岩埋深模型示意。该模型为两层, 电阻率分别为50、10 000 Ω · m, 第一层与第二层是斜交的。设计了两组场源, 场源A、B下方第一层厚度分别是50、1 000 m。采用标量测量, 观测点固定, 场源长为1 000 m, 发射电流20 A, 测量电极距为50 m, 发射和采集频率共14个频点, 为1~8 192 Hz, 收发距为5 000 m。

从视电阻率曲线对比(图1b)可以看出, 蓝色曲线(基岩深)在64 Hz进入过渡区, 而红色曲线(基岩浅)在256 Hz进入过渡区, 蓝色曲线远区的频点多。两条曲线在远区(高频段)重合, 反映了测点处下方的真实电阻率, 说明远区不受其影响; 在过渡区和近区则与之相反, 两条曲线产生了畸变。这说明, 场源下方基岩有不同的埋深, 会影响到视电阻率, 但远区几乎不受影响, 而过渡区和近区受影响大。

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	图1 场源下方不同基岩深度的模型(a)及其ρ _s曲线(b)

2.2 场源下方存在岩性接触带

为研究岩性接触带位于场源下方时观测结果所受的影响, 设计了如图2a所示的模型。在ρ =100 Ω · m的均匀半空间中, 有一个由高阻体A和低阻体B组成的岩性接触带, 顶部埋深均为300 m。设计了3个场源, 场源1位于高阻体A上方, 场源2位于低阻体B上方, 场源3横跨A、B。采用标量测量方式, 3个场源分别供电, 观测点固定, 测量电极距为50 m, 场源长均为600 m, 发射电流20 A, 采集频率为0.01~1 040 Hz, 场源到观测点距离为6 km。

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	图2 场源下存在岩性接触带的模型(a)及其ρ _s曲线(b)

3组场源所激发的模型响应ρ _s曲线见图2b。可以看出, 3条曲线在远区重合到一起, 在近区和过渡区就分离了。场源2的ρ _s曲线(蓝色曲线)偏离更远, 说明低阻体产生了更强的场源复印效应; 远区范围也扩展了, 但是在扩展的频段ρ _s明显低于地下真电阻率(100 Ω · m)。所以, 如果场源布置在低阻体上方, 会引起低阻的虚假异常。

3 野外对比试验

3.1 场源下方基岩埋深不同

在内蒙古某地进行了基岩埋深不同的野外对比试验。试验区位于牤牛海坳陷与瓦力营子隆起过渡带, 区内基底为高阻火山岩, 埋深大致呈南浅北深的斜坡地带。观测点南北两侧各布置一个场源, 标量测量, 场源长1 km, 观测点到场源的距离为6 km, 测量电极距为50 m, 采集频率为0.187 5~ 7 680 Hz。工作布置如图1a所示, 场源A相当于南边场源, 场源B即为北边场源。图3为该试验区两个场源激发所得的ρ _s曲线。

两条ρ _s曲线在远区重合, 在近区和过渡区分开。场源A的ρ _s曲线的过渡带低谷移到较高的频率带上, 造成一种似乎地下总的电阻率升高的错觉, 过渡带向高频移动了; 场源B(基岩深处)的情况则相反。出现这种情况, 是由于高阻基岩深时场源下总体电阻率低, 造成透入地下的电磁波(地层波)衰减较快, 使得观测点受地层波干扰减小, 近区和过渡区的视电阻率就降低了; 当高阻基岩浅, 场源下总体电阻率高, 会出现相反的特征。

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	图3 场源下方基岩深度不同的试验结果

3.2 场源下方存在岩性接触带的对比试验

在锡林郭勒盟伊利勒特测区L1线做了一条CSAMT剖面。在L1线二维反演电阻率断面(图4)中清晰显示, 2125点两侧的电性层存在很大差异。该点位置处存在岩性接触带, 由此, 以该测线为发射源开展了3组场源同一测点观测试验。场源长1 km, 收发距为8 km, 32个采集频率点从0.187 5 Hz到7 680 Hz, 测量电极距为50 m, 观测装置示意如图2a所示, 场源1在高阻一侧, 场源2在低阻一侧, 场源3跨岩性接触带。试验结果见图5。

出现图5所示的情况, 分析可能是由于在低阻供电(场源2)时地下总体电阻率较低, 视电阻率曲线在较低频点进入近区和过渡区; 而在高阻供电(场源1)的视电阻率曲线的过渡区移向更高频; 跨断裂供电(场源3), 由于一个供电电极在高阻, 一个在低阻, 于是进入过渡区的频点应该介于场源1和场源2之间。

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	图4 L1线二维反演电阻率断面

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	图5 场源下方存在岩性接触带的试验结果

野外试验与模型正演得出的规律一致, 证实了处理解释资料时, 若场源布置在地质情况不明的地方, 场源复印效应会被引入, 推断出错误的结果。

4 结论

通过模型计算和野外实测数据的对比可以看出:场源下方的异常体只影响近区和过渡区, 对远区几乎没有影响; 场源下方的低阻异常体对观测结果的影响更加强烈。

总之, 场源效应对视电阻率曲线影响很大, 在数据处理、资料解释中应加以重视。引起场源效应的因素很多, 比如场源下面、场源和接收点之间存在异常体等, 而且当异常体的埋深、尺寸大小、电阻率大小等因素不同时, 对观测曲线的影响程度也不同。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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... 因为该方法具有信号强、抗干扰能力突出、信噪比高等特点,所以从20世纪70年代起就成为十分重要的物探方法,在勘探石油、煤炭、地热资源、天然气和金属矿产等方面取得了很好的效果^[1,2,3,4,5] ...

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朱金华, 冒我冬, 白锦琳, 等. CSAMT法在断层含水性评价中的应用[J]. 物探与化探, 2011, 35(4): 569-572.

The Controlled Source Audio Frequency Magnetotelluric Method for hydrogeological exploitation of coalfields was employed in this paper. The method for measuring water-bearing large-throw faults can not only effectively control their spatial locations but also qualitatively determine their water content. The result is in good conformity with known hydrogeological information.

在河南省平顶山地区小屯正断层上进行勘查,采用CSAMT法对落差较大断层的含、导水性进行了测量,结果表明该法不仅可以有效控制断层的空间位置,而且可以定性判断断层的富水性。说明CSAMT法的应用在断层含水性评价方面有积极的效果。

1990

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... 但是,当场源下方或者场源和接收点之间存在电性异常体时,会引起视电阻率曲线的严重失真,即场源效应^[6],场源效应使CSAMT的数据处理和资料解释更加复杂,严重影响了该方法的应用效果^{[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]} ...

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高文. 大地电磁感应的场源效应[J]. 地球物理学报, 1991, 34(4): 210-215.

Line source effects on magnetotellurics （MT） is studied in some detail. Models of a uniform earth and of a 3-layer structure with a line current source are used for the studies. The results are calculated and compared with those obtained assuming a uniform inducing field. Source effects vary with field periods, resistivity, source altitude and observation location. An impedance-averaging' technique is also studied in connection with line source effects. This average diminishes source effects and extends the validity of the plane wave interpretation.

本文对大地电磁感应的场源效应进行了较详细的研究.用线电流为场源,均匀大地和三层结构为构造模型进行了计算,其结果与均匀场源的感应作了对比.场源效应受场源高度、信号周期、电阻率、测点距离等的影响.为了能更深入的了解和控制这影响,本文提出了“阻抗平均法”,该方法对消减场源效应有一定作用,使平面波的解释继续有效.

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杨生, 施婉华, 王庆乙. CSAMT的非远场改正和二维解释问题[J]. 地质与勘探, 1993, 29(9): 42-48.

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林长佑, 罗东山, 武玉霞, 等. 电偶源频率电磁测深二维阻抗视电阻率计算的源效应校正法[J]. 西北地震学报, 1996, 18(2): 43-50.

研讨了频率域电磁法中不同源装置的大地电磁测深、线源频率电磁测深和偶极源频率电磁测深阻抗视电阻率的源效应影响特征。在唯象分析的基础上，提出了几种电磁测深法阻抗视电阻率的相互换算法──源效应校正法（大地电磁测深二维ＴＥ极化视电阻率和其它两种电磁法的赤道装置二维阻抗视电阻车）。模型试验表明，利用这一源效应校正法可以由大地电磁二维视电阻率近似地计算出线源频率电磁二维阻抗视电阻率。这一方法被尝试应用于由线源频率电磁二维阻抗视电阻率估算偶极源频率电磁二维阻抗视电阻率。

2004

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阎述, 陈明生. CSAMT测深中的阴影和场源复印效应问题[J]. 石油地球物理勘探, 2004, 39(增刊): 8-10.

阴影和场源复印效应是长期以来困扰可控源音频大地电磁测深(简称CSAMT)野外施工和数据处理解释的问题。本文用谐变水平电偶极源地下电磁场公式对此做出了物理解释,而阴影和场源复印效应对所观测视电阻率曲线造成的影响,则由三维矢量有限元数值模拟给出定量分析。对山西沁水盆地油气勘探中覆盖点的重新解释表明,如果我们改变CSAMT在习惯上所遵循的音频大地电磁测深(简称AMT)的资料处理解释理念,从三维和有源探测的角度出发,可以从阴影和场源复印效应中提取更多的地下地质信息。

2005

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陈明生, 阎述. CSAMT勘探中场区、记录规则、阴影及场源复印效应的解释研究[J]. 地球物理学报, 2005, 48(4): 951-958.

With vector potential of magnetic type this paper derives the closed form expressions of subsurface electromagnetic fields generated by a grounded horizontal harmonic electric dipole in a homogeneous half_space, which distinguish formation waves from surface waves explicitly. According this, we define surface_ and subsurface_ wave zones corresponding to far_ and near_field zones. The record rules, shadow and source overprint effects, that have disturbed CSAMT explorers for a long time, are explained with physics. The methods of quantitatively dividing zones, the conditions of the optimum record rule for each component and the prerequisites for causing shadow and source overprint effects are provided by the ratio of formation wave to surface wave. The deduction of covering points of CSAMT prospecting in the Qinshui basin, Shanxi Province shows that the shadow and source overprint effects are real geological information carried by formation waves between the transmitting source and the observation point or beneath the source, which can be exploited.

由矢量位导出均匀大地表面上水平接地谐变电偶极子地下电磁场的闭合表达式, 将地层波和地面波显式地区分开来, 据此定义了与远区场和近区场对应的地面波区和地层波区. 对长期困扰CSAMT勘探工作者的记录点问题、阴影和场源复印效应问题给出了物理解释. 由地层波与地面波之比给出了定量划分场区的方法, 每一场分量最佳记录规则下的条件和判断是产生阴影和场源复印效应的前提. 山西沁水盆地CSAMT勘探覆盖点的推断结果表明, 阴影和场源复印效应是由地层波所携带的源与观测点之间、源下方真实地质情况的信息决定, 是可以利用的.

2006

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程铭宇. 三维电性非均匀体上CSAMT畸变效应研究[D]. 北京: 中国地质大学, 2006.

众所周知,由于受场源的影响,三维CSAMT变得十分复杂.场源的存在产生了一系列的效应,比如说近场效应,场源复印效应,阴影效应等等,目前仅仅知道它们的存在,其影响规律和校正方法尚待研究.因此,进行三维 CSAMT法的正演研究是十分必要的.基于积分方程法编写的三维正演软件INTEM3D_v2在研究三维CSAMT的正演规律方面起到了很好的效果.在本论文中,我们针对这些场源效应设计了不同的模型,利用该软件进行正演计算,初步探讨了其规律. 当场源为偶极子源时,在远区得到了与面波响应相似的结果,对于两种装置来说,远区场的范围不尽相同.在赤道装置情况下,...

2009

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王若, 底青云, 王妙月. 用积分方程法研究源与勘探区之间的三维体对CSAMT观测曲线的影响[J]. 地球物理学报, 2009, 6: 1573-1582.

In the field work using the Control Source Audio-frequency Magnetotelluric method, the space between the transmitter and the receivers is up to several kilometers. In order to study the effect of the anomalous body locating at between the transmitter and the receivers, we simulate the CSAMT response using 3D Contraction Integral Equation method. First we simulate the response of the target body in the survey area. We found that the center of the anomaly locates above the target at high frequency but shifts slowly away from the source with the frequency decreasing, therefore 3D interpretation method should be considered if there is a 3D anomalous target body in the survey area. Then we simulate the effect of the 3D anomalous body between the transmitter and receivers on the response of the target body in the exploration area. The 3D anomalous body could affect the response of the target only when the size of the anomalous body is large enough, otherwise the effect can be ignored. The effect is large when the anomalous body extends in source direction; it is medium when the body extends in the direction perpendicular to the transmitter and low when extending in vertical direction.

在可控源音频大地电磁法野外作业中，源和勘探区间的距离可达几公里，为了了解源和勘探区间的异常体对勘探区内异常响应的影响，我们用三维压缩积分方程法做了数值模拟研究.首先对勘探区目标体进行了数值模拟，发现在高频时，观测到的异常中心位于目标体的正上方，随着频率降低，出现异常中心向远离源的方向略有移动的现象，所以对三维异常体最好用3D软件来解释.然后，对源和勘探区间存在三维异常体的情况进行了数值模拟与分析讨论.模拟结果表明只有当三维异常体达到较大的规模时，才会对目标体上方的观测曲线造成影响，否则其电阻率的变化及埋深的变化对观测曲线的影响较小，可以忽略.当异常体在源方向有延伸时，观测曲线受到的干扰最大，沿垂直源布设的方向延伸时引起的干扰中等，垂直地面向下延伸引起的干扰最小.

2011

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许广春. CSAMT法在实际应用中的若干问题[J]. 物探与化探, 2011, 35(6): 809-812.

Based on the GDP32 multi-function electric apparatus produced by Zonge Company and its application software, this paper discussed some problems concerning the practical application of CSAMT and proposed the criteria for judging the data. With practical examples, this paper discussed some correction methods of static effects, summarized the merits, demerits and applicability of one-dimensional inversion and 2D inversion. It is held that the color gradation of the resultant map can be adjusted according to different work aims and that suitable numerical processing can be made for resistivity. In the end, the author investigated the interpretation depth of CSAMT and dealt with the feasibility of confirming boundary by use of drilling data.

结合Zonge公司生产的GDP32多功能电法仪及其适用软件,对CSAMT法在实际应用中的若干问题进行探讨,给出评价数据好坏的标准;结合实例,对静态效应的几种校正方式进行论述;总结了一维反演和二维反演的优缺点及适用条件;提出可根据不同的工作目的对成果图中的色阶进行调整,并可对电阻率进行适当的数值处理;最后,对于CSAMT法的解释深度进行探讨,提出钻孔参与边界确定的可行性。