电性源短偏移瞬变电磁探测深度分析与应用
薛俊杰1, 陈卫营2, 王贺元1
1.辽宁工业大学 理学院,辽宁 锦州 121001
2.中国科学院 地质与地球物理研究所,北京 100029
陈卫营(1987-),男,博士后,主要从事电磁探测理论与应用研究。Email:cwy@mail.iggcas.ac.cn

作者简介: 薛俊杰(1992-),男,辽宁工业大学理学院在读硕士研究生。Email:junjie_58@126.com

摘要

瞬变电磁法中有多种深度概念,包括扩散深度、极限探测深度、有效探测深度和视探测深度等。本文以电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)为例,针对上述几种深度概念展开了分析、计算与应用研究。扩散深度表征了地下涡流场的扩散;极限探测深度和有效探测深度揭示了SOTEM的探深能力。计算结果表明:当偏移距等于0.7~1倍目标体埋深时可获得最大探测深度;视探测深度可对给定时刻的实际探测深度做出估算,对野外施工参数设计具有重要意义。文章通过理论模型和野外探测实例验证了视探测深度的适用性。

关键词: 电性源; 短偏移; 瞬变电磁法; 探测深度
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)02-0381-04
Analysis and application of the detection depth of electrical source Short-offset TEM
XUE Jun-Jie1, CHEN Wei-Ying2, WANG He-Yuan1
1. College of Sciences, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China
2. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029, China
Abstract

There are several concepts of depth in transient electromagnetic method, including diffusion depth, limit detection depth, effective detection depth and apparent detection depth. In this paper, we conducted the calculation, analysis and application to these different depths based on the method of SOTEM. The diffusion depth represent the diffusion and propagation of the underground transient EM field, the limit detection depth reveals the detectability of SOTEM and the results indicate that the greatest depth will be obtained when the offset approximately equal to the 0.7~1 times of buried depth of targets, and the apparent detection depth can give a estimation of the actual detection depth for a given recording time which have a significant meaning to the field work designing. At last, we proposed a synthetic model and a filed example to verify the feasibility and accuracy of using apparent detection depth to estimate the actual detection depth of SOTEM.

Keyword: electrical source; short-offset; transient electromagnetic method; detection depth
0 引言

视电阻率与探测深度是电法勘探中的两个最重要的参数, 其中探测深度是衡量一种方法探测能力的主要标准之一。不同类型的电法装置具有不同的深度概念和估算方式。直流电法主要依据其收、发装置的几何布置确定[1]; 在频率域电磁法, 往往采用趋肤深度公式估算不同频率的探测深度[2]; 时间域电磁法(瞬变电磁法)涉及的深度概念则比较多, 有扩散深度、极限探测深度、有效探测深度和视探测深度等[3]。当然, 探测深度除了上述与每种方法本身原理相关的物理机制有关外, 还受到信号强度、噪声水平、仪器灵敏度、大地电性结构等因素的影响[4]

对于电磁法探测深度的研究可以分成两个方面, 一个是对电磁方法的极限(最大和最小)探测深度研究, 主要目的是评估该方法的探测能力, 并用来指导施工设计[4, 5, 6]; 另一个是在实测不同频率或不同时刻情况下的探测深度, 主要目的是用来解释实测数据, 通常表示成视电阻率— 深度断面的形式[7]。本文从上述两个方面, 对电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)的探测深度进行分析与计算, 得到对SOTEM探测能力的定性认识, 并为野外SOTEM数据采集施工提供参考依据。

1 SOTEM法介绍

电性源短偏移距瞬变电磁法(Short-offset transient electromagnetic method, SOTEM)是在传统长偏移距瞬变电磁法(LOTEM)基础上提出的一种新型瞬变电磁工作装置[8]。它利用长约500~2 000 m的接地长导线为发射源, 供以强度10~40 A的双极性矩形阶跃电流, 并在小于2倍探测深度的偏移距范围内观测瞬变电磁场(图1)。与LOTEM采用连续波形激励、在大偏移距处(一般3~8倍探测深度)观测总场响应不同, SOTEM在小偏移距范围内观测纯二次场响应。这种工作方式一方面提高了观测信号的信噪比, 另一方面减小了体积效应的影响, 从而大大降低了数据处理的难度并提高了处理结果的准确度。实际工作中, 一般观测垂直磁场分量随时间的导数(感应电压)和水平电场分量。

图1 SOTEM 装置示意

2 几种深度概念的计算与分析
2.1 扩散深度

瞬变电磁法中最常用的深度概念为扩散深度, 其含义是指给定时刻瞬变涡流场极大值所处的深度[2]], 表达式为

d=2t/σμ0, (1)

式中:d代表扩散深度, t代表时间, σ 代表大地电导率, μ 0代表空气的磁导率。式(1)通常被用于估算瞬变电磁法的探测深度。

可以看出, 由扩散深度得到探测深度仅与时间和大地电导率有关, 而与装置类型、观测分量、偏移距等参数无关。这与实际情况是不相符的, 首先, 不同装置类型的发射源在地下激励的电磁场具有不同的扩撒和传播方式, 感应电流的扩散方向及速度具有较大差异; 其次, 不同位置处不同电磁场分量对各种地电模型的探测能力也是不一样的[9]。因此, 利用扩散深度估算瞬变电磁法, 特别是在不同偏移距处进行观测的SOTEM法的探测深度, 具有很大的粗略性。

2.2 极限探测深度

在扩散深度的基础上, 文献[4]给出了不同装置类型下考虑信号强度、接收仪器灵敏度、施工参数等因素的瞬变电磁法极限(最大)探测深度估算公式。对于电性源装置, 可根据公式

近区:   d=0.48(IrρLAB/η)15   (2)

远区:   d=0.28(LAB/η)14(3)

计算极限探测深度, 式中:η 为仪器最小可分辨电压, ρ 为地层电阻率, I为发送电流, LAB为发射线长度。在这里对远区和近区不做定量划分。依照式(2)、式(3)计算了不同参数下电性源瞬变电磁的极限探测深度(表1), 通过对比发现, 近区的极限探测深度在绝大多数情况下要大于远区。

表1 电性源TEM远区与近区极限探测深度
2.3 有效探测深度

极限探测深度针对不同情况下的最大探测深度做出评估, 并考虑了多种实际工作参数因素, 对野外工作施工设计有重要参考意义, 但也存在场区划分不明确、未考虑实际地电模型的缺陷, 仍无法据此准确判断在何偏移距范围内具有最大的探测深度。为此又定义了有效探测深度的概念。与其他物探方法一样, 有效探测深度是指在该深度范围内探测目的层所产生的异常场超过背景场电平若干倍, 可以从观测结果中分辨目标层的存在[3]

以H型地层为例, 分析电性源瞬变电磁法的有效探测深度。设均匀半空间(电阻率为100 Ω · m)的响应值(背景场)为V0, 含有一个良导薄层(电阻率为10 Ω · m, 厚度为100 m, 埋深不断变化)的H型地层引起的响应值(异常场)为Va, 并设δ = |Va-V0|V0× 100%。不断改变良导薄层的埋深, 并计算不同偏移距情况下对应的δ 。取Va≥ 50%时, 认为在此条件下可以分辨出薄导层的存在。

表2列出了δ max=50%时高导薄层的埋深, 即有效探测深度d。可以看出, 最大有效探测深度是在偏移距为700~1000 m的范围内得到的, 即当r/H=0.7~1时, 有效探测深度最大。

表2 有效探测深度计算结果
2.4 视探测深度

基于上述几种深度概念, 可对电性源瞬变电磁法的最大探测深度以及对应的观测偏移距作出评价。实际应用中, 还需一种深度概念, 用以确定某一时刻获得地层电阻率对应的深度, 该深度称之为视探测深度。该深度需要考虑实际的工作参数, 确保在不同情况下的适用性和准确性。文献[10]基于等效源一维反演方法给出了电性源瞬变电磁数据的视探测深度估算公式:

d(t)=100010ρt/π[1-exp(-ω)/2], ω=[100πρt/(μ0L2)]14, (4)

式中:ρ 代表地层电阻率, L代表发射源长度。利用该公式可计算给定时刻对应的实际探测深度。

仍以H型地层为例。模型参数为ρ 1=100 Ω · m, h1=800 m, ρ 2=10 Ω · m, h2=200 m, ρ 3=100 Ω · m。对该模型进行一维正演计算其垂直磁场分量, 然后利用二分法计算全期视电阻率, 最后根据式(4)计算对应的探测深度, 结果如图2所示。可以看出:首先, 不同偏移距处计算的全区视电阻率具有较好的一致性; 其次, 利用公式(4)计算的视深度与真实模型低阻层所处深度位置大致相同。该结果表明, 利用式(4)给出的视探测深度计算方式具有较好的准确性, 可用于探测深度的估计和实测数据的快速处理计算。

图2 不同偏移距处H型模型ρ s曲线

3 应用实例

为调查山西某煤田奥灰基底的富水性, 进行了SOTEM探测。表3为根据工区地质、钻孔资料归纳的区内地层分布及岩性、电性特征。

表3 测区地层分布及电性情况

根据表3可推算, 奥陶系顶板的最大埋深约为921 m, 该深度范围内的最低地层平均电阻率[1]约为62 Ω · m。数据采集前, 需确定合适的工作参数以保证探测深度能够满足探测要求。设最大目标深度为1 300 m(需要大于目标层埋深一定范围), 发射源长度为1 000 m, 发射电流为10 A, 则根据式(4)反推, 需要的最晚观测时刻约为72 ms, 因此实际工作中采用基频为2.5 Hz(最晚延时为100 ms)的发射电流即可满足探测要求。

对实测数据进行一维反演处理, 最大反演深度取1 100 m, 结果如图3所示。根据该图及测区地质资料, 推断测区浅层为较高阻的第四系和第三系地层, 中间低阻层为富水性较强的二叠系地层, 下部为相对高阻的石炭系地层和奥陶灰岩基底。需要注意的是, 0~100 m测点范围的深部(图中红色线框区域)电阻率相较于其他区域较低, 推测范围内的奥陶灰岩可能富水。随后实施的ZK373验证了该解释。通过本次探测试验, 证明了采用视深度概念在前期工作设计中进行施工参数选取的可行性和准确性。

图3 实测SOTEM一维反演断面

4 结论

最常用的扩散深度概念, 其物理意义表征的是地下涡流场的扩散, 与装置类型、施工参数等因素无关, 仅与地下电性和时间有关, 利用该深度进行探测深度的估算具有较大的误差。考虑仪器灵敏度和具体施工参数定义的极限探测深度, 可实现对不同场区情况下电性源瞬变电磁法最大探测深度的估算。

通过计算发现, 近区的极限探测深度在绝大多数情况下大于远区, 这表明在其他参数相同时, 近区观测可获得更大的探测深度。随后, 基于目标层产生响应与均匀半空间响应之间的差异关系, 定义了有效探测深度概念, 利用H型地层的计算结果表明, 对于电性源瞬变电磁法, 当接收偏移距约等于目标层深度0.7~1倍时可获得最大的探测深度。

采用上述几种深度概念, 仅可对SOTEM的探深能力进行评估而不能判断给定时刻真实的探测深度。基于镜像源理论推导的视探测深度克服了上述不足, 根据全期视电阻率可以估算给定时刻的实际探测深度, 一维正演模型计算和某煤田的探测实例验证了视探测深度的适用性和准确性。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 程志平. 电法勘探教程[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2007. [本文引用:2]
[2] 底青云, 王若. 可控源音频大地电磁数据正反演及方法应用[M]. 北京: 科学出版社, 2008. [本文引用:1]
[3] 牛之琏. 时间域电磁法原理[M]. 长沙: 中南工业大学出版社, 1992. [本文引用:2]
[4] Spies B R. Depth of investigation in electromagnetic sounding methods[J]. Geophysics, 1989, 54(7): 872-888. [本文引用:2]
[5] 殷长春. 瞬变电磁测深法的研究深度[J]. 长春地质学院学报, 1992, 22(1): 103-107. [本文引用:1]
[6] 薛国强. 论瞬变电磁测深法的探测深度[J]. 石油地球物理勘探, 2004, 39(5): 575-578. [本文引用:1]
[7] 闫述, 石显新, 陈明生. 瞬变电磁法的探测深度问题[J]. 地球物理学报, 2009, 52(6): 1538-1591. [本文引用:1]
[8] 薛国强, 陈卫营, 周楠楠, . 接地源瞬变电磁短偏移深部探测技术[J]. 地球物理学报, 2013, 56(1): 255-261. [本文引用:1]
[9] 陈卫营, 薛国强, 崔江伟, . SOTEM响应特性分析与最佳观测区域研究[J]. 地球物理学报, 2016, 59(2): 739-748. [本文引用:1]
[10] Eaton P A, Hohmann G W. A rapid inversion technique for transient electromagnetic soundings[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 1989, 53: 384-404. [本文引用:1]