作者简介: 钟幼生(1963-),男,青海西宁人,主要从事金属矿产勘查的应用研究工作。
分析了水平电偶极子源均匀半空间电磁场表达式特征,进而推广到双极源电磁场。基于双极源一维模拟结果,研究了可控源音频大地电磁法探测深度与频率、电距、收发距、覆盖层电阻率的关系。结果表明:在保证一定信噪比的前提下,决定可控源音频大地电磁法最大探测深度的是收发距和电阻率综合作用下进入过渡区及近区场时对应的频率,并不是简单的频率越小,探测深度越大。进入近区场,可控源音频大地电磁法不再具有测深能力。最后统计得到电磁场由远区进入过渡区时的 |kr|值约为4 .789,由过渡区进入近区时的 |kr|值约为0.106,进而得到卡尼亚视电阻率的最大探测深度约为0.3倍的收发距,全区视电阻率的最大探测深度为3.7倍的收发距。在某多金属矿上的勘探实例印证了上述认识。
In this paper, the authors analyzed the characteristics of the horizontal electric dipole source electromagnetic expression of homogeneous half space, and then extended this expression to the bipolar source electromagnetic field. The relationships between CSAMT detecting depth and frequency, electric dipole moment, transceiver distance and the resistivity of the coating layer were studied based on bipole 1D simulation. The results show that, under the premise of guaranteed noise ratio, the factors that decide the maximum detecting depth of CSAMT method are corresponding frequencies when the detection enters the near region and transitional zone under the integrated action of transceiver distance and resistivity of the coating layer. The argument "the smaller the frequency, the larger the detecting depth' does not always hold water. When the detection enters the near region, the CSAMT method no longer has the detection capability. Statistics show that, when the electromagnetic field enters the transitional zone from the distant zone, the | kr| value is about 4.789; when the electromagnetic field enters the near zone from the transitional zone, the | kr| value is about 0.106. Then conclusions are drawn that the maximum detection depth of Cagniard apparent resistivity is about 0.3 times the transmitter receiver distance, and the maximum detection depth of full wave apparent resistivity is about 3.7 times the transmitter receiver distance. A case study has proved the above understanding.
可控源音频大地电磁法(CSAMT)是在音频大地电磁法(AMT)的基础上发展起来的一种人工源频率域测深方法。20世纪70年代初, 加拿大多伦多大学的D. W. Strangway 教授和他的学生M. A. Goldstein 提出沿用AMT的测量方式, 观测人工供电产生的音频电磁场, 称这种方法为CSAMT。随着计算机水平的发展, CSAMT法的2.5维和三维正演都取得了一定的研究成果
忽略位移电流, 在无磁性介质中, 趋肤深度为 δ ≈ 503
趋肤深度计算公式是通过平面波作为源推导得到。对于双极源场, 只有在远区才可以近似看作是平面波场, 可以用趋肤深度作为探测深度, 而在过渡区, 不能以趋肤深度作为实际勘探深度, 还应考虑收发距的影响。陈明生给出了过渡区探测深度的一般估计式:δ ≈ K
CSAMT法发射源是双极源, 要通过对电偶极子场沿双极源的长度方向进行积分来获得双极源场[26]。设双极源长度为L, 供电电流为I, 方向沿x轴方向, (x* , 0, 0)为电偶极子坐标, (x, y, 0)为接收点坐标。电偶极矩为Idl的水平电偶极子在均匀半空间上的电磁场表达式为
式中:r=
双极源均匀半空间上的电磁场表达式为
式中:r* =
首先研究水平电偶极子场的特征。在近区, 即|kr|≪1, 则式(1)和式(2)取近似得
由此可知, 在近区,
在远区, 即|kr|≫1, 则式(1)和式(2)取近似得
可以看出, 在远区, 即|kr|≫1,
|kr|≫1的前提是测深频率ω 无限大, 或者收发距r无限大, 或者电阻率ρ 1无限小。根据趋肤深度的公式, 降低频率测得更深, 但当频率减小时, 也很快进入近区, 场则与频率没有关系, 达不到测深的目的, 因此降低频率测深和进入近区是一对矛盾。为了让|kr|≫1, 处于波区, 可以增大收发距来补偿频率的减小, 以达到降低频率从而提高探测深度的目的。此外, 在地层电阻率大的情况下, 进入近区较早, 在地层电阻率小的情况下, 进入近区较晚。
同样, 双极源远区和近区条件下的电磁场近似表达式, 可通过水平电偶极子源远区和近区条件下的电磁场近似表达式沿双极源长度方向进行积分来获得。前面研究了电偶极子场的特性, 而双极源场是由电偶极子场叠加而成, 因此具有与电偶极子场同样的特性。双极源依然沿用远区条件下电磁波阻抗定义的卡尼亚视电阻率, 而全区视电阻率的计算则是利用均匀半空间场表达式不断迭代计算得到[27, 28], 因此, 全区视电阻率和电磁场的性质最接近, 但其对地层电阻率特征的反映比电磁场更明显、更直观。
从式(4)、式(5)可以看出, 增大电流I, 只改变电磁场值, 不改变电磁场性质。双极源一维模拟采用赤道偶极装置(下同)。图1反映了视电阻率和双极源长度的关系, 无论是卡尼亚视电阻率还是全区视电阻率, 对于同一地电模型, 都不随双极源长度变化。可见, 电距只决定探测到的信号的强弱, 适当地选择电距, 保证一定信噪比即可。
图1显示, 随着频率的减小, 探测深度逐渐加大, 对1 km以下的低阻层有很好的反映。图1a中卡尼亚视电阻率曲线的尾支呈倾斜上升, 并没有反映出电阻率为100 Ω · m的基底, 这是因为随着频率降低, 已不满足远区条件, 进入了过渡区和近区, 卡尼亚视电阻率不具有测深能力。图1b显示, 在频率较高的波区, 全区视电阻率曲线形态和卡尼亚视电阻率一致, 但尾支趋近于一恒定值, 该值明显不是基底电阻率100 Ω · m, 这是因为随着频率的降低, 进入了近区场, 全区视电阻率同样不具有测深能力。
可见, 全区视电阻率勘探深度大于卡尼亚视电阻率, 能反映出过渡区的地电特征, 同样, CSAMT法在近区也不具有测深能力。因此, 就当前的可控源测深理论, 广域电磁法也只能在过渡区和远区有意义。
从式(4)、式(5)可以看出, 双极源电磁场值和收发距成反比。图2反映了视电阻率和收发距的关系。当收发距r较大时(50、100 km), 卡尼亚视电阻率对低阻层位有较好的反映; 全区视电阻率不仅对低阻层有较好的反映, 而且当 r=100 km 时, 全区视电阻率曲线的尾支趋近于基底的真实电阻率, 对基底也有很好的反映; 当收发距较小时, 全区视电阻率对5 km以下的低阻层没有反应, 这是因为当收发距较小时, 随着频率的降低, 探测深度没有到达低阻层, 便进入了近区。可见对于相同的收发距, 全区视电阻率的探测深度大于卡尼亚视电阻率的探测深度, 这是因为全区视电阻率能反映远区和过渡区的地电特征, 而卡尼亚视电阻率只能反映远区的地电特征。
在CSAMT法中, 增大收发距可以补偿频率的减小, 使场处在远区, 从而达到降低频率、提高探测深度的目的。但应注意, 随着收发距的增大, 场值会减小。因此, 实际工作中, 在保证信噪比的前提下, 要提高探测深度须增加收发距。
由趋肤深度计算公式可知, 电阻率越大, 探测深度越大。保持覆盖层、中间低阻层、基底的电阻率比率为10∶ 1∶ 10不变, 来研究双极源探测深度与覆盖层电阻率的关系。由图3可以看出, 随着覆盖层电阻率的降低, 双极源视电阻率曲线在反映出中间低阻层时的频率也在降低, 且降低的幅度在双对数坐标系里呈线性, 也即覆盖层电阻率越大, 进入近区场时的频率越高, 利用较高的频率便可达到较深的探测深度, 反之也成立。
图4为均匀半空间电磁场的分区示意。在远区条件下的电磁场近似值和全区的电磁场是重合的, 近区条件下的电磁场近似值和全区的电磁场是重合的, 据此, 可判断均匀半空间模型进入过渡区和近区时对应的频率。电磁场处于何区, 主要取决于|kr|的大小; 令电磁场由远区进入过渡区时的|kr|为AT, 由过渡区进入近区时的|kr|为AN, 对应的频率分别为fT和fN。
对于不同的电阻率和收发距组合, 根据电磁场从远区进入过渡区的频率及过渡区进入近区的频率, 可得到不同组合的AT、AN值的分布(表1)。可以看出, 不同收发距和电阻率组合对应的AT值和AN值变化不大, 可以认为是近似相等的, 这也是取其平均值作为最大探测深度的依据。
![]() | 表1 不同收发距和电阻率对应的AT、AN值 |
经过统计得到了AT和AN的平均值, 于是可得到任意收发距和电阻率组合情况下电磁场进入过渡区和近区时对应的频率fT和fN:
fT=
对于远区条件下定义的卡尼亚视电阻率, 在收发距和电阻率给定的情况下, 可得到进入过渡区时的频率fT, 当频率f< fT时, 卡尼亚视电阻率不具有探测能力。远区条件下最大探测深度可用趋肤深度δ ≈ 503
该计算结果与通常认为的CSAMT的收发距要大于0.3倍的探测深度是符合的。由于采用趋肤深度为最大可探测深度, 故实际情况远达不到0.3r的深度, 这在实际工作中要注意。CSAMT的全区视电阻率能够客观地反映出远区和过渡区的地电特征, 但不能反映近区的地电特征。若沿用同样的方法可计算出CSAMT全区视电阻率的最大探测深度为 3.7r, 当频率f< fN时, 全区视电阻率不具有探测能力。可见, 在同样的地电条件下CSAMT全区视电阻率的最大探测深度远大于卡尼亚视电阻率的探测深度, 建议实际工作中联合应用卡尼亚视电阻率及全区视电阻率。
在实际工作中, 若已知收发距和工区的平均电阻率, 可根据式(7)估计出进入近区时频率fN。以fN作为数据采集的下限频率, 避免频率比fN低时采集到无用的近区信号和增加测量时间。
图5为理论计算的H型地电模型不同收发距卡尼亚视电阻率及全区视电阻率曲线。当r=300 m和r=600 m时, 卡尼亚视电阻率曲线探测不到埋深400 m的低阻层; 当r=2 km和r=5 km时, 卡尼亚视电阻率曲线可以很好地反映出低阻层的存在, 但对低阻层的下伏高阻地层反映不明确。当r=300 m时, 全区视电阻率虽然对基底反映不明显, 但已经能反映出中间低阻层; 当r=600 m时全区视电阻率反映出中间低阻层的存在, 对下伏地层的高阻属性有反映; 当r=2 km和r=5 km时全区视电阻率较好反映了整个地电断面的情况。可见, 全区视电阻率的探测深度远大于卡尼亚视电阻率的探测深度。
勘探区域位于中国五台山块隆中部, 系舟山掀斜向斜的南西翼。区域内出露地层由老到新有太古界龙华河群均才组; 古生界寒武系下统、中统、上统; 奥陶系下统、中统下马家组及上马家沟组; 石炭系中统本溪组、上统太原组, 二叠系下统山西组; 新生界上第三系、第四系。太古界地层主要为混合花岗岩、斜长角闪岩、黑云母片岩、黑云斜长片麻岩; 寒武系和奥陶系地层以泥质白云岩、灰岩为主; 石炭系和二叠系地层以页岩、砂岩、煤层为主; 新生界以亚砂土、砂及卵砾石为主。
区域内出露的岩浆岩为吕梁晚期苏长辉长岩、辉绿岩, 燕山期花岗岩。吕梁期苏长辉长岩被寒武系、奥陶系地层所覆盖, 呈大型复层状侵入于龙华河群均才组地层中。通过之前的地质、物化探工作, 表明该区辉长苏长岩具有形成钒钛磁铁矿和铜、钴、镍硫化物矿的远景:辉长苏长岩体边缘相细粒苏长岩体的底部和边部含磁黄铁矿、黄铜矿、黄铁矿、方黄铜矿等硫化物和磁铁矿, 局部地段硫化物较为富集。本次勘探的任务是查明辉长苏长岩体中含硫化物矿的细粒苏长岩体的赋存部位及其形态、规模、产状等情况。ZK001资料显示含硫化物矿的细粒苏长岩体与围岩有着明显的电阻率差异(围岩为辉长苏长岩体和太古界混合花岗岩, 均表现为高阻), 故用CSAMT法进行视电阻率解释是可行的。
选用美国最新一代产品GDP32Ⅱ 型电法工作站进行了CSAMT测量, 采用TM模式标量测量方法; 选取收发距r=6 km, 发射极距AB=1 km, 发射方向平行于测线; 工作中使用的最低频率为0.125 Hz, 最高频率为8 192 Hz, 每6个测点测量一个中间点的Hy。
选择该区83线500号测点的测量结果进行计算对比。该点有一钻孔ZK001, 钻孔信息见表2, 电阻率测井曲线见图6a。测井资料显示电阻率断面类型为KH型, 下部的低阻反映了矿体的存在。
![]() | 表2 钻孔ZK001地质信息 |
图6b显示, 500号点实测全区视电阻率曲线纵向上表现为低阻— 高阻— 低阻— 高阻变化, 符合ZK001测井结果, 反映出了Cu、Ni矿化层; 卡尼亚视电阻率在波区与全区视电阻率曲线基本重合, 但对测井信息显示的第二个低阻层没有反映, 视电阻率最后一直呈上升趋势, 远大于地层的实际电阻率, 说明了卡尼亚视电阻率的探测深度未达到矿化层。在本次应用中, 卡尼亚视电阻率探测深度约为0.1r, 而全区视电阻率探测深度达到0.5r。
(1) 双极源场只有在远区才可以近似看作平面波, 可用趋肤深度作为探测深度, 而在过渡区和近区, 不能以趋肤深度作为实际勘探深度, 还应考虑收发距的影响。
(2) 在保证一定信噪比的前提下, 决定CSAMT探测深度的是频率、收发距和地下介质电阻率的综合作用, 进入近区场, CSAMT法不再具有测深能力。
(3) CSAMT法全区视电阻率能反映出过渡区的地电特征, 但改变不了其在近区不具有测深能力的事实。因此, 就当前的可控源测深理论, 广域电磁法也只有在过渡区和远区有意义, 理论上实现全区探测是有问题的。
(4) 对于均匀半空间模型, 统计得到电磁场进入过渡区时的|kr|为AT=4.789, 进入近区时的|kr|为AN=0.106。利用AT和AN可得到任意地电模型和收发距组合进入过渡区和近区时对应的频率fT和fN。当频率f< fT时, 卡尼亚视电阻率不具有探测能力, 当频率f< fN时, 全区视电阻率不具有探测能力; 进而得到卡尼亚视电阻率的最大探测深度约为0.3r, 全区视电阻率的最大探测深度约为3.7r。应用实例中, 卡尼亚视电阻率探测深度为0.1r, 而全区视电阻率的探测深度达到了0.5r。
致谢:在论文的研究及成稿过程中, 得到了长安大学李貅教授、山西地球物理化学勘查院赵斌高级工程师、李建国高级工程师的大力支持, 表示感谢。
The authors have declared that no competing interests exist.
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