在国内, 实际生产中瞬变电磁法主要以磁性源装置形式为主, 例如中心回线装置、重叠回线装置和大定源回线装置。常用中心回线晚期视电阻率进行近似计算, 这种视电阻率公式在早、中期不满足条件的情况下, 计算出的视电阻率曲线会在首支发生畸变而产生误差, 而且随着偏移距的增大, 误差不断增大, 进而影响浅层的探测能力。全区视电阻率可以有效解决这一问题^[1], 因此, 研究全区视电阻率尤为重要。白登海等^[2]提出了一种利用核函数计算中心回线全程视电阻率的数值计算方法; 王华军^[3]利用均匀半空间瞬变响应曲线的平移伸缩特性提出了中心回线(或重叠回线)装置全区视电阻率的平移算法, 该算法无需迭代, 计算速度快, 精度高; 李建平等^[4]利用水平点偶极子的垂直磁场叠加求取任意形状回线的全区视电阻率; 冯兵等^[5]利用电偶极子叠加计算全区、全期视电阻率, 较好地解决了框内回线装置发射线框边界影响及早期道计算中的假高值现象。

近年来, 随着矿产开发力度的加大, 浅部资源已大幅减少, 我国的找矿也正在向深部矿、隐伏矿发展。要加大勘探深度, 需要加大发射磁矩, 在山区工作, 无论是布设大的发射线框还是采用大功率发电机都很困难, 甚至无法实现。电性源瞬变电磁法由于勘探深度大、施工方便等优点引起了更广泛的关注。黄力军等^{[6, 7]}介绍了电性源瞬变电磁法在油气勘探中的应用及应用中的一些相关问题, 薛国强等^{[8, 9, 10]}对电性源短偏移瞬变电磁法理论进行了相关研究, 然而, 对于电性源瞬变电磁法的全区视电阻率定义鲜有研究。黄力军^[6]、严良俊^[11]等利用感应电动势曲线积分求取垂直磁场, 然后以垂直磁场定义全区视电阻率, 采用数值迭代求取电阻率值; 赵福元和严良俊等^[12]利用水平电场分量与电阻率之间的单值关系定义了全区视电阻率, 虽然能较准确地反映地下电阻率信息, 但在近区算不好晚期数据, 同样在远区算不好早期数据, 水平电场分量可能会受到静态效应的干扰, 对数据的解释带来一定的困难^[13]。崔江伟, 薛国强等^[14]利用磁感应强度B与电阻率的单值关系采用二分搜索算法计算了B场全程视电阻率。

由于技术上的问题, 目前绝大多数瞬变电磁仪器主要测量的是感应电动势。蒋邦远^[15]指出测量磁场是最有意义的, 因为电动势不过是磁场的微分, 且理论研究和数据处理上大都以磁场为基础或出发点, 所以理论上说测量电动势实属多余。有许多学者也通过对比验证了磁场强度与感应电动势相比的诸多优点^{[16, 17]}。随着磁通门探头的推出和使用, 直接利用磁场定义视电阻率将成为今后的趋势。由澳大利亚生产的SMART24瞬变电磁仪配有三轴磁通门探头, 可以直接观测磁通量密度B, 响应速度快, 对低阻响应反映更好。随着对物探精度要求的提高, 仅靠单一分量解释已经不能满足需要, 所以要研究瞬变电磁法多分量综合解释技术来提高解释精度。笔者通过分析电性源瞬变电磁均匀半空间磁场强度的衰减曲线特性, 发现其具有平移伸缩特性。垂直磁场强度和电阻率是单值关系, 可以直接通过插值得到视电阻率的唯一解。水平磁场分量早期道场值为负, 晚期道场值为正, 磁场强度不再是电阻率的单值函数, 所以也存在过渡区的“ 双解” 或“ 无解” 问题。本文对于该问题也给出了相应的解决方案^[18], 较好的解决了该问题。

依据上述算法, 文中选用均匀半空间模型和三层H型地电模型进行计算。对于垂直磁场分量, 采用平移算法与二分搜索算法进行对比, 验证了该算法的正确性及优越性。对于水平磁场分量同样计算了2个不同的地电模型, 验证了算法的有效性。

装置参数设置如下:场源L=1 000 m, 发射电流I=10 A, 发收距r=1 000 m, θ =90° 。地电模型参数如图3a、图4a所示。

从图3和图4中可以看出, 均匀半空间模型全区视电阻率在全时段均等于模型电阻率真值。对于三层H型地电模型, 全区视电阻率曲线的首支等于模型第一层电阻率值, 尾支趋于最后一层电阻率值, 中间过渡区也能够很客观的反映电性层的变化规律。晚期视电阻率在早期道不满足晚期计算公式, 形成假高值现象。由于水平磁场强度发生“ 极性反转” 现象, 使得利用它计算的晚期视电阻率曲线更复杂, 不能够反映地下电性层的变化规律。图3中将平移算法和二分搜索算法计算的全区视电阻率曲线绘制在一起, 可以看出2种算法计算的结果完全重合。平移算法和二分搜索算法具有同样的计算精度, 且计算速度优于二分搜索算法。

图3

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	图3 垂直磁场分量两种算法计算的全区视电阻率曲线和晚期视电阻率曲线

图4

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	图4 水平磁场分量全区视电阻率曲线和晚期视电阻率曲线

以三层H型和K型地电模型为例, 分别给出水平磁场分量和垂直磁场分量定义的全区视电阻率, 分析两个分量定义的视电阻率曲线特征以及对高阻和低阻层的分辨能力。装置参数如上所述, 地电模型参数如图所示, 分别改变H型和K型地电模型的中间层厚度。

图5和图6中的全区视电阻率曲线表明, 两个分量定义的视电阻率都能够在全时间范围内很客观的反映出各电性层的电性变化情况。曲线在近区没有近区效应, 曲线首支等于第一层的真实电阻率, 尾支趋于最后一层的真实电阻率, 过渡区对地层的高、低阻变化均有反映。对于中间层的反映情况来说, 全区视电阻曲线对H型地电断面低阻层反映的幅度和范围都要比K型地电断面的高阻层反映明显。随着中间层厚度的增大, 中间层的凹陷或隆起幅度和范围也随之增大。

为了对比分析两个分量定义的全区视电阻率对高阻和低阻层的分辨能力, 引入相对变化率的概念, 定义相对异常幅度:

相对异常幅度= 计算异常值-围岩背景值模型异常值-围岩背景值。

依据以上公式计算了水平磁场分量和垂直磁场分量定义的全区视电阻率对H型和K型地电模型不同中间层厚度的相对异常幅度(表1)。从表1可以看出, 随着中间层厚度的变化, 水平磁场分量的全区视电阻率对高阻层或低阻层的分辨能力和垂直磁场分量的全区视电阻率相当, 从数据看仅有微弱的差别。从不同模型来看, 两个分量定义的视电阻率对低阻层的反映幅度远大于对高阻层的反映幅度, 这也是其他电磁法的共同特点。

图5

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	图5 不同中间层厚度水平磁场分量定义的全区视电阻率曲线

图6

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	图6 不同中间层厚度垂直磁场分量定义的全区视电阻率曲线

表1

表1

表1 两个分量定义的全区视电阻率相对异常幅度对比 模型 中间层厚度 利用Hz分量定义得到 的相对异常幅度/% 利用Hy分量定义得到 的相对异常幅度/% m H型 10 19.87 19.38 20 33.62 32.51 50 56.26 54.84 100 71.92 70.63 K型 100 0.90 0.89 150 1.31 1.29 200 1.72 1.71 300 2.48 2.48

表1 两个分量定义的全区视电阻率相对异常幅度对比

通过对电性源瞬变电磁法均匀半空间多分量响应进行计算和分析, 发现同样具有平移伸缩特性, 从而定义了水平磁场和垂直磁场的全区视电阻率。通过对算法的验证和模型计算, 总结出以下几点认识。

1)利用磁场响应的平移伸缩特性定义的全区视电阻率, 无需迭代就可以直接计算, 速度快, 精度高, 一定程度上提高了工作效率。

2)两个分量定义的全区视电阻率都能够在全时间范围内很客观的反映出各电性层的电性变化情况。曲线在近区没有近区效应, 曲线首支等于第一层的真实电阻率, 尾支趋于最后一层的真实电阻率, 过渡区对地层的高、低阻变化均有反映, 明显优于晚期视电阻率。

3)水平磁场分量的全区视电阻率对高阻层或低阻层的分辨能力和垂直磁场分量的全区视电阻率相同, 从数据看仅有微弱的差别, 给电性源瞬变电磁法的多分量解释技术奠定了基础。