SIP-FUCHSII仪器系统主要有主机 (50 W发射机、信号发生器、数据管理单元和同步系统)、2-8远程记录并联电流和电压单元、2个记录大地噪声的远参考单元、控制整个系统的计算机软件和可选600 W的外挂发射机, 被用于在1.4 mHz~12 kHz的频率范围内测量(图2)。测量数据被传送到一个主机系统内, 视电阻率和相位变化被储存。外挂600 W的发射机可以加大探测深度和改进信噪比, 光导纤维被用于数据传输和系统同步, 消除了发射与接收之间的交叉耦合, 增加了测量的准确性^[5] 。

图2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 SIP-FuchsⅡ 原理示意

加拿大凤凰(Phoenix)地球物理公司研制生产的V8多功能电法测量系统包括数据采集系统、发射系统和同步系统, 主要用于CSAMT、IP(包括TDIP、FDIP、SIP等)、TEM等测量工作。数据采集系统包括V8网络化多功能数据采集单元, 有3个电道和3个磁道; 辅助采集站RXU有3个电道, 一起使用可以形成多测站多道无线局域网络采集系统。大功率多功能发射系统由20 kW大功率多功能发射机TXU30和25 kW柴油发电机T30组成。V8系统频谱激电法野外采集数据采用有限多道的、对称抑或非对称轴向或近似轴向的偶极-偶极剖面测深转置, 该系统在国内外得到了广泛的应用^[6]。

此外, 国内也见有采用ZONGE公司的GDP系列仪器— — GDP12、GDP16和GDP32进行频谱激电法野外数据采集试验的报道, 但由于缺乏相应的配套数据处理和解释软件, 实际生产中用的较少。

目前, 频谱激电法的野外测量装置主要为轴向偶极-偶极(D-D)测深装置, 一条测线由多个D-D排列构成, 一个排列由测量同一个供电偶极电场的多个接收偶极道组成, 测量时, 保持接收电极不动, 逐次移动发射电极, 完成一次扫面测量; 之后移动接收电极, 再次完成一次扫面测量, 这样可以获得不同深度的地电信息, 如图3所示^[7] 。

图3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 SIP偶极-偶极几何测深装置示意

在野外测量视复电阻率时, 遇到的最主要的困难是如何避免电极效应, 电极效应主要包括:①电极极化, 它发生在样品和测量电极的边界面上; ②电极阻抗, 电极阻抗在全阻抗中占主要地位, 样品的阻抗只占一小部分, 因此不能被准确测量, 这种影响通常发生在实验室对干燥和硬的样品进行低频测量中。Ag-AgCl不极化电极的出现有效地避免了电极效应, 使谱激电法的野外数据采集精度大大提高, 在野外电极中, 金属电极经常作为供电电极, 测量电极也是不极化的, 其谱响应不覆盖测量信号, 通常测量电极使用不极化的硫酸铜电极^[4]。

中国地质大学(武汉)和地矿部第一物探大队经过十多年研究, 研制开发了SIP法数据处理软件SFIPX-SW, 在国内科研生产实践中得到较为广泛的应用^[8]。

Cole-Cole模型是目前很流行的一种松弛模型, 是Cole-Cole在1941年开发出来用于描述复介电常数行为的, Pelton 第一次将这种模型用于地球物理勘探^[9]:

ρ(ω)=ρ01-m1-11+(iωτ)c,

其中:ρ _iω 为某频率点视电阻率, ρ ₀为零频电阻率, m为极化率, τ 为时间常数, c为频率相关系数。

Pelton等通过实验发现此模型能够被用于区分不同类别的矿物和矿物颗粒含量大小。当使测得的复电阻率数据适合此模型时, 参数ρ ₀、m、c、τ 被确定, τ 与松弛时间相关联, 指示着相位峰值的频率位置^[12]。

CPA模型可表示为

ρ(ω)=ρ011+(iωτ)a,

在高频(ω t≫1)时, 振幅|ρ ^* (ω )|=ρ ₀(ω )^-a, 相位ψ =π a/2。

Binley对一取自地下蓄水层的砂岩岩样做了谱激电响应实验, 并把测得的参数和样品的水力特性进行了比较, 发现所测得的数据更适应Cole-Cole模型, 认为CPA模型主要应用在对非固结沉积地层的研究里^[10]。

将Cole-Cole模型、CPA模型概括成一个单一等式, 就是普通化的Cole-Cole模型(GCC):

ρ(ω)=ρ01-m1-11(iωτ)c]a,

其中, a、c是指数。由上式可以看出, 当a=1时, 就得到Cole-Cole模型; 当c=1和m=1时, 就得到CPA模型。Klein and Sill发现GCC模型是模拟从人造含黏土砂岩中得到的SIP实验数据最好的模型。

该模型公式为:

ρ* (ω)=ρ01-m1-1-e-2iωτ2iωτ。

与Cole-Cole模型相比, SNP模型的优势主要有以下两点:①它比Cole-Cole模型参数少, 这样对于二维的和三维的SIP计算更容易; ②SNP模型是一个物理概念模型, 而Cole-Cole模型是一个以观察和实验为依据建立起来的模型。但是, SNP模型还需要对各种不同类型的岩土进行实验来证明其适用性和正确性^[11] 。

电磁耦合效应是激电异常的极大干扰, 在低阻覆盖地区, 或是在利用弱激电异常寻找油气田、煤田、地下水等研究中影响特别严重, 消除电磁耦合效应在频率域激电法的数据处理过程中占据着重要的位置。

国外自20世纪30年代起便开始研究均匀大地、层状介质等典型情况下电磁耦合效应的基本规律, Forster研究了均匀大地条件下有限长导线的互阻抗^[12] ; Sunde计算了水平层状大地条件下接地导线电磁耦合的理论解^[13] ; Millett计算了均匀半空间表面上偶极-偶极测量的电磁耦合计算对照表^[14] ; Dey等论述了多层介质条件下时域和频域三极装置和偶极装置条件下的电磁耦合效应^[15] 。Zonge等使用了两种方法, 第一种是假设激电效应和电磁效应分别满足不同的随频率变的化规律, 利用多频率测量进行校正^[16] 。其他学者也采用了类似的方法。这方面较典型的方法有多项式拟合校正法, 定指数幂函数校正法和变指数幂函数校正法。另一类方法是将野外实测数据减去层状介质的理论值作为改正, 同时将改正的差值作为剩余的感应耦合效应加以利用。Pelton则将感应耦合近似地作为c=1的Cole-Cole模型, 从实际值中减去^[9] 。国内罗延钟、王继伦、刘崧等人都作了大量的研究工作^{[17, 18, 19]} , 这些工作中都隐含着这样一种假设, 即激电效应和电磁效应在总效应中是简单的代数迭加关系。80年代中期提出一种直接的、在野外测量的同时消除电磁感应耦合效应的“ 斩波去耦” 方法。利用激电效应和电磁效应在双频波测量波形上的特殊表现形态, 进而提出了分别提取和利用激电与电磁效应的方法理论, 从而使双频道激电理论得到进一步完善和发展。目前, 依此方法在观测仪器中直接实现的“ 自相干去耦” 理论处于国际领先水平。

Pelton等^[9] 认为除电磁效应外, 电磁效应的低频部分也可以用Cole-Cole模型描述, 当视复电阻率的频谱同时存在激电和电磁效应时, 实测的视复电阻率频率特性可以用两个或者多个Cole-Cole模型频散之和:

ρs(iω)=ρ01-m11-11+(iωτ1)c1±m21-11+(iωτ2)c2。

对实测视复电阻率频谱反演计算, 根据激电效应的频率相关系数一般在0.1~0.6之间; 激电效应具有较大和较稳定的频率相关系数, 其值通常在0.9~1.0之间; 另外, 激电效应的时间常数明显大于电磁效应的时间常数, 根据频率相关系数和时间常数的大小, 可以较好地划分出激电和电磁效应, 即所谓的“ 去耦” , 得到激电视谱参数。

Zonge等基于CK观测系统的阴极发射线示波器上显示的实测复频谱曲线, 用会话式数字计算机, 以人机联作方式修改地电参数, 计算电磁耦合理论频谱, 从实测频谱中分离出电磁耦合效应, 得到反映激电效应的复频谱, 进而推断地电结构^[16] 。Loke等提出了一种改善的反演方法:在不考虑电磁效应的基础上, 采用近似反演得到的均匀半空间作为初始模型, 从二维SIP数据中反演Cole-Cole模型参数^[20] 。

尽管国内外去除电磁耦合效应的研究取得了一定进步, 但这些工作中都存在着三个共同问题:①所有方法都不是直接的, 而是从实测数据中减去理论的感应耦合成分; ②改正方法都是有条件的、近似的、且近似程度都不很高, 特别是感应耦合效应较强甚至掩盖了弱激电效应时, 这些方法是难以应用的; ③为校正感应耦合效应, 这些方法不但增加室内计算, 而且要增加观测的工作量。

国内关于SIP反演方法的研究较早, 但发展较为缓慢。随着SIP的理论研究、仪器设备的日益发展, 反演算法也取得了快速发展, 由较早的一维反演发展到二维反演, 目前, 二维反演已应用到实际生产当中, 三维反演研究也取得了较大的发展。

罗延钟等提出了由视谱参数近似反演真谱参数的方法; 张桂青等提出基于视谱参数直接反演真谱参数的思想^[17] ; 刘崧等提出求极化椭球体真Cole-Cole参数的联合谱激电反演方法^[19] 。Chen等利用贝叶斯(Bayes)模型对比了的高斯-牛顿(Guass-Newton)和马尔科夫链蒙特卡罗(Markov-chain Monte Carlo) 两种反演算法的Cole-Cole模型参数的反演结果^[21] 。范翠松等采用最小二乘法对多个排列的视电阻率和视相位数据的2.5维SIP联合反演, 反演算法利用电磁感应和激电效应中的异常信息, 反演出二维地质断面上的4种复电阻率参数^[22] 。

随着理论研究的深入, 基于频率域Maxwell方程建立的频谱激电反演方法取得一定进展, Xiang等提出直接反演复电祖率谱的方法^[23]。Yoshioka等在同时考虑激电效应和电磁效应的基础上, 基于非线性共轭梯度算法(Non-Linear Conjugate Gradient)对实测SIP数据反演迭代, 计算表明, 正则化反演对浅部地电信息“ 刻画” 得更加精细^[24]。Ghorbani等基于Matlab平台编写了可反演Cole-Cole模型参数的一维频谱激电法反演代码, 采用同伦(homotopy inversion)反演算法, 程序同时考虑了电磁“ 耦合” 效应和激电效应, 研究显示:电磁“ 耦合” 效应随着频率的增加而不断增大, 反演程序克服了一维复电祖率效应中的电磁“ 耦合” 效应^[25]。Commer等开发了可靠的可用于大规模的油气和地热资源勘探的三维频谱激电数据反演程序, 该程序反演算法采用非线性共轭梯度法(NLCG), 正演计算基于Maxwell方程且利用有限差分法模拟计算^[26]。