作者简介: 向毕文(1989-),男,湖南强军科技有限公司地球物理工程师,研究方向为地球物理勘探。
电磁耦合感应是频谱激电法中一种很强的干扰因素,尤其在低阻区和大极距测量时,影响了探测深度和探测效果。国内目前主要的去除电磁耦合的方法有多频振幅去耦和多频相位去耦,这些方法去耦的原理是基于激电效应和电磁耦合效应在频域内振幅和相位的差异,但去耦效果在电磁耦合感应强烈时并不理想。此次研究从激电效应的模型出发,采取指数函数拟合激电效应的方法,从时域内去除耦合感应,并通过计算去耦后的相位和相对相位与直接进行相对相位校正的结果进行对比,发现进行指数函数拟合后计算得到的相位受电磁感应的影响更小,去耦效果更佳。
The EM-coupling is one of the basic interference in the spectral-induced polarization, especially when the working area is covered with lower-resistivity layer or the current electrode spacing is large. It has great impact on the depth of the exploration and the effect of exploration. Recently, most methods to remove the EM-coupling are centered on the multi-frequency amplitude and the multi-frequency phase. These methods are based on the amplitude and the phase difference between the IP effect and the EM-coupling, which do not work well at strong EM-coupling. The authors' work is based on the IP model, and fits the IP effects with exponential function. Then the EM-coupling effects are removed from the time domain data. The phase and the relative phase after removing EM-coupling are confirmed more effectively based on the application in field data.
在地球物理勘探中, 频谱激电法应用日益广泛。然而, 由于耦合感应的存在, 在进行频散率和相位测量的时候, 特别是在低阻区会出现比较强的假激电异常。激电法勘探中, 广义的电磁耦合包括电容耦合和电磁耦合, 电容耦合是由供电导线与大地以及测量导线之间存在的分布电容而引起的假激电异常; 电磁耦合感应是由于供电导线与测量导线以及大地之间存在的自感和互感引起的假激电异常。通常在干燥的野外环境下, 电容耦合的影响远小于电磁耦合, 因此通常说的耦合感应都是指电磁耦合感应。
自1958年J.R.Wait提出变频激电法原理之后, 国外开始研究各种典型情况下(如均匀大地、层状介质)激电工作中的电磁耦合问题
在20世纪七八十年代, Hallof和Coggon等人探讨了基于纯激电效应产生的相位异常在低频附近差异不大或者与频率相关的一次函数, 而耦合感应产生的相位则随频率呈指数函数增加这一特点的去耦方法[2, 4]。与此同时, Pelton等人将激电效应和电磁耦合效应的双Cole-Cole模型进行多项式逼近, 根据激电效应的时间衰减常数大于电磁耦合效应的时间衰减常数来去耦[5]。近年来, 关于含有电磁耦合效应的激电频谱的正演模拟取得了一些进展, 虽然整体上电磁耦合效应对低频的激电相位影响稍小, 但是即使是在频率小于1 Hz的频带范围内进行激电测量, 仍然存在较严重的电磁耦合效应。采取合适的装置能够在一定程度上降低高频部分耦合感应的影响[6], 对高频附近的耦合相位有所改进, 但其对低频部分耦合感应的影响仍有待验证。
20世纪60年代, 频率域激电法在国内兴起, 战克、傅良魁、罗延钟等人作了大量开创性的工作
本文的去耦原理的思想和斩波去耦相近, 但是在处理电磁耦合部分不是直接去除, 而是在时域内对激电效应进行近似, 这样能够在保存一定激电信息的同时, 较好地去除激电效应。
扩频激电法是通过对大地发送扩频信号, 由接收机接收测量电位信息的一种频谱激电法, 其测量参数为电阻率、相对相位以及频散率。目前, 湖南强军科技有限公司利用自主研发的扩频激电发射— 接收系统, 在藏南罗布莎矿区探测到铬铁矿, 取得了良好的勘探效果[17]。
利用简化的激发极化Cole-Cole模型时间域表达式, 当频率相关系数为C=1时, 写为[2]
式中:Z(t)表示Cole-Cole阻抗的时间域形式, Z0表示频率为0时的Cole-Cole阻抗, τ 1为描写激电效应的时间常数, t为时间, m为充电率。
当充电足够长时间时(如阶跃充电), 其电位响应可以转化为[18]
式中:Δ V0为大地的纯电阻响应, Δ VIP表示激发极化电位差。
根据式(2)可知, 不含其他干扰的激电数据可以利用公式
进行拟合。式中a1、a2、a3为待拟合参数, t表示时间, V表示测量电位值。
在频谱激电中, 相位测量和振幅测量具有相似性, 都反应的是地质体的信息。不论是激电效应还是耦合感应, 都会对野外激电效应的测量产生影响。纯激电效应产生的相位异常在低频范围(实际测量频率低于1 Hz)随频率变化不大[19], 但是电磁耦合感应产生的相位异常则随着频率的变化近似呈线性变化[15]。这也就是之前相位激电法利用多频去耦以及相对相位去耦的原理。
假定φ d、φ g分别为低频、高频扩频激电的相位异常, 含有耦合感应和激电效应, 由激电异常产生的低、高频相位异常为φ dIP、φ gIP, 电磁耦合产生的低、高频相位异常为φ dEM、φ gEM, 则有
式中:Δ 1、
式(8)的前半部分即为陈儒军等人[14]描述的相对相位的计算部分, 后半部分为实际的激电异常相位与相对相位的差异。
当频比k=2时, 对式(8)作变换有
如式(9)所示, 等号左边为实测相位值, 等号右边为实测相对相位与纯激电响应造成的不同频率的相位差以及耦合感应产生的相位值之和, 耦合感应值越小, 相位与相对相位的差异也越小。
使用湖南强军科技有限公司的85321A-SIP分布式激电仪, 在河南楸树湾测区进行信号采集(图1), 供电极距为5 200 m, 测量极距为20 m, 测线长2 000 m, 共100个测点。计算了1/16 Hz、2/16 Hz、4/16 Hz、8/16 Hz 4个频点的相位值和频散率值, 以及1/16~2/16 Hz、2/16~4/16 Hz、4/16~8/16 Hz、8/16~1 Hz4组频率的相对相位值, 并取测区中某一供电点的测深数据为例进行分析。
图2所示为直接进行计算得到的同时含有耦合感应和激电效应的相位值, 图中频点1、2、3、4分别对应从低到高的4个频率值(1/16 Hz、2/16 Hz、4/16 Hz、8/16 Hz)。图中显示, 随着频率的增大, 相位值增大, 甚至变成正值, 而根据Cole-Cole模型计算的纯激电响应产生的相位值应为负值[15], 说明了随着频率的增大, 耦合感应产生的相位异常也越大, 8/16 Hz时的总相位异常整体上比1/16 Hz时的高出80~120 mrad。从第2、3、4个频点的相位值可以看出, 此时的耦合感应产生的相位异常已经明显超过激电相位异常。
图3显示的是去耦前计算的相对相位, 4组频点的相对相位值也随着频率的升高而升高, 并且在第3组频率时相对相位全部为正值; 利用相对相位去除的耦合感应相位的效果弱于第4组频率。根据式(6)、式(7)可知, 纯激电效应产生的相位异常随频率的变化不大, 说明通过相对相位进行线性校正的相位值不准确, φ dEM和φ gEM依然影响明显。
图4所示为4组频点计算的频散率曲线, 频点1、4的频散率为正值, 而且频点4的频散率值起伏较大, 可以认为这两个频点的耦合感应影响较小, 频点2、3的频散率均为负值, 且整体趋势与频点1的趋势接近。 结合图3和图4, 可以看出频点3处的耦合感应强于频点4。
采用指数函数拟合, 对含有耦合感应和激电效应的信号波形进行拟合。图6是图5的信号经过指数函数拟合中间激电效应强而耦合感应弱的部分, 得到的耦合感应在时域内的振幅, 进行去耦后能够明显看出激电效应。但是, 由于部分点存在干扰, 去耦以后干扰依然存在, 如图6中的15 s处。
采取指数函数拟合去耦后, 分别对相位、相对相位和频散率(图7~图9)进行分析。
如图7所示, 进行指数函数拟合去耦后相位值随频率变化差异变小, 第1个频率和第4个频率的相位差约50 mrad, 该差异远小于去耦前的120 mrad, 且变化趋势基本一致, 相位值均变成负值。相比去耦前的相对相位约100 mrad的差异, 去耦后的相位值相对于去耦前的相对相位值, 对非线性项的消除也有所改善。
进行指数函数拟合去耦后, 相对相位的变化情况基本上与相位的变化情况一致。根据式(9)可知, 相位与相对相位的差值主要取决于不同频率的纯激电响应的相位差值以及耦合感应的相位异常值, 这两个值均为正数, 耦合感应越小, 相位与相对相位的差异也越小。对比图7和图8可知, 耦合感应产生的相位异常很小, 从而去耦效果良好。
图9所示去耦后频散率整体为正值, 且变化趋势整体一致, 与去耦后相位和相对相位的异常大致呈负相关关系。
采取频率相关系数为1时的激电效应模型进行指数函数拟合激电效应, 拟合后的相位以及相对相位值均不含有耦合感应, 去耦效果良好, 特别是低频处的去耦效果更好些。
对比去耦前后的相对相位, 可以明显看出频点3(0.5 Hz)处的相对相位校正效果较好, 使得去耦后的相对相位随频率的增加而缓慢增大。
频率相关系数为其他情况下的模型的激电效应有待分析, 纯激电响应的相位随频率变化的具体关系, 以及相对相位与相位的差异的具体计算仍有待深入了解。
致谢:感谢河南省有色金属地质矿产局第三地质大队杨彦峰副队长、张生旭副总工、王永纪工程师和王正威工程师的现场支持, 感谢湖南强军科技工程师曾佩、常富国、王少华等在数据采集方面的支持。
The authors have declared that no competing interests exist.
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