时间域激电测深不同装置数据去耦分析

doi:10.11720/wtyht.2022.1373

时间域激电测深不同装置数据去耦分析

李忠平^,¹^,², 郝风云³, 吴鸿飞⁴, 张瑞芳⁵, 朱昭明², 贾全山⁵, 刘双¹

1.中国地质大学(武汉) 地球物理与空间信息学院,湖北武汉 430074

2.中国冶金地质总局山东正元地质勘查院,山东济南 250014

3.哈巴河金坝矿业有限公司,新疆阿勒泰 836700

4.阿勒泰正元国际矿业有限公司,新疆阿勒泰 836700

5.山东省核工业二七三地质大队,山东烟台 264000

A data decoupling analysis of different devices in time-domain IP sounding

LI Zhong-Ping^,¹^,², HAO Feng-Yun³, WU Hong-Fei⁴, ZHANG Rui-Fang⁵, ZHU Zhao-Ming², JIA Quan-Shan⁵, LIU Shuang¹

1. School of Geophysics and Spatial Information, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China

2. Shandong Zhengyuan Geological Exploration Institute, China General Administration of Metallurgical Geology, Jinan 250014, China

3. Habahe Jinba Mining Co. Ltd., Aertai 836700, China

4. Aertai Zhengyuan International Mining Co. Ltd., Aertai 836700, China

5. 273 Geological Brigade of Shandong Nuclear Industry, Yantai 264000, China

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2021-07-5 修回日期: 2021-10-4

基金资助:

中国地质调查局危机矿山接替资源找矿项目(200637035)

Received: 2021-07-5 Revised: 2021-10-4

作者简介 About authors

李忠平(1965-),男,教授级高级工程师,主要从事矿产物探生产研究工作。Email: xjywt@163.com

摘要

为消除激电测深中的电磁耦合干扰,根据频率域和时间域可相互转换的理论,采用静态IP和cole-cole参数的全波形IP、延时反演去耦方法,实现了快速去耦,最大限度地保留了激电信息。以山东沂南金矿金场矿区等为例,对时间域激电测深数据进行了去耦前反演与去耦后反演,结果表明:对称四极装置和非常规电极排列的电磁耦合效应随电极距的增大而增强,电磁耦合的影响深度大部分在时间域激电测深反演断面150 m以浅;非常规电极排列采用三极+四极+偶极混合共线装置,其产生的电磁耦合干扰明显大于对称四极装置和单极—偶极装置;非共线单极—偶极装置的时间域激电测深电磁耦合影响较小。

关键词： 时间域激电测深; 电磁感应耦合; 去耦; 测深装置; 沂南金矿

Abstract

This study aims to eliminate the electromagnetic coupling interference in IP sounding. Based on the theory that frequency-and time-domain data can be mutually converted, this study achieved rapid decoupling while retaining the IP information to the greatest extent by using decoupling methods including static IP inversion, the full waveform IP inversion of Cole-Cole parameters, and delay inversion. This study investigated a gold deposit in Yinan County, Shandong Province and conducted the inversion of time-domain IP sounding data before and after decoupling. The results are as follows. The electromagnetic coupling effect of symmetrical quadrupole devices and unconventional electrode array increases with an increase in the distance between adjacent electrodes, and its influencing depth is mostly less than 150 m in the inversion results of time-domain IP sounding; the electromagnetic coupling interference produced by the unconventional electrode array that adopts a collinear device of dislocation multipoles (tripoles, quadrupoles, and dipoles) is apparently greater than that of symmetrical quadrupole devices and monopole-dipole devices; noncollinear monopole-dipole devices generate slight electromagnetic coupling effect in the process of time-domain IP sounding.

Keywords： time-domain IP sounding; electromagnetic coupling; decoupling; sounding device; Yinan gold mine

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本文引用格式

李忠平, 郝风云, 吴鸿飞, 张瑞芳, 朱昭明, 贾全山, 刘双. 时间域激电测深不同装置数据去耦分析[J]. 物探与化探, 2022, 46(3): 722-728 doi:10.11720/wtyht.2022.1373

LI Zhong-Ping, HAO Feng-Yun, WU Hong-Fei, ZHANG Rui-Fang, ZHU Zhao-Ming, JIA Quan-Shan, LIU Shuang. A data decoupling analysis of different devices in time-domain IP sounding[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2022, 46(3): 722-728 doi:10.11720/wtyht.2022.1373

0 引言

时间域激电测深是深部地质找矿常用的一种物探方法,数据经反演后其断面图可以直观地反映地质体的埋深、产状及延伸状况。通过研究矿化体引起的激电异常特征发现,在拟断面等值线图和反演断面图浅部出现的相对深部高的极化率叠加异常通常解释为是由深、浅部矿化体共同引起,没有考虑电磁耦合效应的影响。电磁耦合效应叠加在地质体引起的激电异常上,使得识别矿致异常难度增加^[1⇓-3],如在低阻覆盖区和大极距测量时,时间域激电测深会受到电磁耦合影响;因此,在深部地质勘探中,地下介质的激电信息易被电磁感应耦合所掩盖^[4-5]。电磁感应耦合会影响频率域和时间域激电法的勘探效果。在频率域激电法去耦方面有众多研究成果^[6⇓⇓-9];在时间域激电法去耦研究中,一些研究成果在应用效果方面得到验证,但在电磁耦合效应分布的范围、深度及对比方面研究较少。实践证明,由于电磁耦合强弱受任意四极装置的影响较大^{[10⇓⇓-13]},因此对时间域激电测深实测数据进行去耦处理是正反演的重要阶段^[14-15]。

电磁感应耦合在直流激电法中是一种不容忽视的干扰现象。20世纪50年代以来,Dey等^[16]论述了多层介质条件下时间域偶极—偶极和三极装置的电磁耦合;何继善等^[17-18]提出“斩波去耦”方法,达到区分和克服电磁耦合的目的;Peter K.Fullagar等^[19] 提出了一种快速、简便的抑制时间域激电数据电磁耦合效应的方法,该方法的本质是将电磁耦合表示为半空间衰变;李建华等^[20]通过时间域激电全波形采样提取多种激电参数,计算出相应的幅值和相位、视频散率,利用基波与奇次谐波的相位去除电磁耦合。他们在时间域电磁耦合去除方法上分别采用了“斩波去耦”、数据拟合去耦和全波形数据离散傅里叶变换去耦,“斩波去耦”会改变正常双频波的波形,使双频波畸变,造成激电信息损失;数据拟合、全波形数据离散傅里叶变换原始拟断面和去耦后拟断面之间的差异并不明显。

本文采用俄罗斯Kaminsky Alex开发的静态IP和cole-cole参数的全波形IP反演、延时反演去耦模块,基于时间域全波形数据在一个周期内具有2个完整的充放电过程,选择电磁耦合去除工作频率为供电周期T的倒数,可以实现快速去耦,最大限度保留激电信息,获得了较好的应用效果。通过试验,验证了不同供电极距、不同装置以及混合装置激电测深数据的电磁耦合去除效果,采用标准偏差统计分析了去耦前与去耦后的反演电阻率、极化率的波动特性,结果表明静态IP和全波形IP反演在压制电磁耦合效应方面具有优势。

1 时间域激电测深装置与电磁耦合影响

时间域激电测深装置包括常用的对称四极装置、单极—偶极装置、偶极—偶极装置和非常规电极排列。图1为均匀半空间上任意偶极子AB和MN展布示意,图中l₁、l₂分别为发射偶极子A、B的x轴坐标,接收偶极子MN坐标为M(a,y₁)、N(b,y₁),供电偶极子Ids到MN上任意一点的距离为r。

图1

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图1 均匀半空间上发射偶极子AB和接收偶极子MN示意

Fig.1 Schematic diagram of transmitting dipole AB and receiving dipole MN on uniform half space

当y₁=0时为偶极子间共线排列,对称四极装置、偶极—偶极装置、非常规电极排列即为共线排列。对于单极—偶极装置,当无穷远极垂直测深剖面布设时,为不共线电极排列,此时电磁感应耦合不是最大;当所有4个电极(包括无穷远极)共线时,将出现最大耦合。同时在大地电导率和导磁率一定的情况下,供电时间越短、供电电流和偶极子长度越大,电磁耦合影响越大^[21]。

2 不同装置实测数据去耦后对比

在危机矿山深部及外围找矿中,采用了不同极距、不同装置的激电测深方法探索山东沂南金矿金场矿区、山东莒南夏家沟地区铜矿深部极化体的分布状况。此次使用俄罗斯Kaminsky Alex的电阻率和激发极化法二维数据解释程序电磁耦合去除模块,选择电磁耦合去除工作频率为供电周期T的倒数,在上述2个矿区进行了时间域激电测深去耦实验。时间域激电测深实验参数设置为:延时=200 ms,带宽=20 ms,供电周期=32 s,电磁耦合去除工作频率=0.031 25 Hz,装置类型、最大供电极距、电极排列方式见表1。

表1 装置类型、最大供电极距、电极排列方式

Table 1 Device type, maximum power supply pole distance and electrode arrangement

矿区	装置类型	最大供电极距/m	电极排列方式
金场	对称四极	AB=1 200	共线
	对称四极	AB=1800	共线
	对称四极	AB=4000	共线
	非常规电极排列	AB=4000	共线
夏家沟	单极—偶极	隔离系数n=19, MN=50	不共线

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对来自2个测区的不同装置激电测深实测数据进行了去耦处理。选择工作频率后,使用程序直接得到去除电磁耦合后的待反演数据,并绘制视电阻率和视极化率拟断面图。以金场矿区28号剖面对称四极装置(AB_max=4 000 m)时间域激电测深拟断面去耦结果(图2)为例。实测数据拟断面显示视电阻率等值线多处扭曲畸变(图2a),去耦后视电阻率等值线相对圆滑(图2b),梯级带变化明显,电性层连续;实测数据拟断面显示高极化率异常向深部延伸(图2c),去耦后显示高极化率异常向深部延伸范围缩小(图2d),深部极化率异常幅值减弱,原因是深部叠加的电磁耦合干扰被去除,所得数据真实反映了深部激电信息的变化。从去耦后视电阻率拟断面(图2b)上看,在AB/2=1 500 m,反演深度约600 m处存在一个相对低阻异常,ρ_s约为700 Ω·m,低阻体倾向东,倾角较缓,在极化率拟断面(图2d)对应位置上存在一个高极化异常梯级带(最高达8%)。该低阻、高极化异常梯级带与实际不整合面及矿体位置基本一致,经钻探验证为2层金矿体,表明去耦效果较好。

图2

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图2 沂南金矿金场矿区28号剖面对称四极装置(AB_max=4 000 m)时间域激电测深实测数据去耦后结果

Fig.2 Results after decoupling of measured data of time domain IP sounding of symmetrical quadrupole device (AB_max=4 000 m) in section 28 of Jinchang mining area of Yinan Gold Mine

山东莒南夏家沟地区铜矿7号剖面单极—偶极装置隔离系数n=19,MN=50 m。去耦后视电阻率、视极化率异常形态总体变化不大(图3)。因此,单极—偶极装置电磁耦合干扰相对较小。

图3

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图3 夏家沟地区铜矿7号剖面单极—偶极装置时间域激电测深实测数据去耦前后结果

Fig.3 Results after decoupling of measured data of time domain IP sounding of monopole dipole device in Section 7 of copper mine in Xiajiagou area

3 不同装置数据去耦后反演结果标准偏差

对不同装置激电测深实测数据进行了去耦前反演与去耦后反演对比。统一去耦前反演和去耦后反演的参数设置,分析了反演断面由浅至深电阻率、极化率标准偏差的波动特点。当反演参数设置相同时,去耦前后的反演结果之间标准偏差的大小明显反映了电磁耦合强弱变化特征。

3.1 最大AB距为1 200 m的时间域激电测深去耦

选择金场矿区28号剖面对称四极装置时间域激电测深数据进行统计分析。各参数如下:AB_max=1 200 m,AB_min=12 m,等比系数=0.1,去耦频率=0.031 25 Hz。由图4a可知,电磁耦合的影响使得测深断面中浅部反演电阻率、极化率标准差波动较大,说明耦合干扰较大。反演电阻率标准差波动最小值为0.01%,最大值为16.16%,平均值为3.89%,反演极化率标准差波动最小值为0,最大值为141.4%,平均值为 3.29%。电磁耦合明显发生在28号剖面标高在70~200 m之间。28号剖面807.46号点,其标高在50~200 m之间反演电阻率、极化率标准差有波动,深部同时存在电磁耦合干扰。由分析可知,测深反演断面中浅部电磁耦合影响较大。

图4

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图4 28号剖面对称四极激电测深不同AB去耦前后的反演结果标准差对比

Fig.4 Comparison of standard deviation of inversion results before and after different AB decoupling in symmetrical quadrupole IP sounding of section 28

3.2 最大AB=1 800 m的时间域激电测深去耦

金场矿区28号剖面对称四极装置时间域激电测深数据,AB_max=1 800 m,AB_min=45 m,等比系数=0.25,去耦频率=0.031 25 Hz。由图4b可知,电磁耦合发生在标高100~200 m之间,其中678.75号点在标高120~200 m之间的反演电阻率、极化率标准差有明显波动,说明中浅部存在耦合干扰。反演电阻率标准差波动最小值为0.19%,最大值为18.49%,平均值为4.53%,反演极化率标准差波动最小值为0,最大值为141.5%,平均值为3.72%。沿测深反演断面电磁耦合影响中等。

3.3 最大AB距为4 000 m的时间域激电测深去耦

金场矿区28号剖面对称四极装置时间域激电测深数据,AB_max=4 000 m,AB_min=100 m,等比系数=0.2,去耦频率=0.031 25 Hz。由图4c可知,电磁耦合发生在标高-500~200 m之间。剖面1099.47号点在标高-500~200 m之间处反演电阻率标准差波动明显,标高-100~200 m处极化率标准差波动明显,说明耦合干扰较大。反演电阻率标准差波动最小值为0,最大值为29.75%,平均值为4.11%,反演极化率标准差波动最小值为0,最大值为141.5%,平均值为4.52%。沿测深反演断面电磁耦合影响较大。

3.4 非常规电极排列时间域激电测深去耦

同样选择金场矿区28号剖面的非常规电极排列时间域激电测深数据,AB_max=4 000 m,采用三极+四极+偶极装置,去耦频率=0.031 25 Hz。由图5可知,电磁耦合发生在标高-800~200 m处,其中,1079.47号点在标高-800 ~200 m之间的反演电阻率、极化率标准差有明显波动,说明耦合干扰较大。反演电阻率标准差波动最小值为0.03%,最大值为28.42%,平均值为5.49%,反演极化率标准差波动最小值为0,最大值为141.5%,平均值为17.79%。沿测深反演断面电磁耦合影响最大。

图5

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图5 28号剖面及其1079.47测点非常规电极排列激电测深去耦前后反演结果标准差对比

Fig.5 Comparison of standard deviations of inversion results before and after decoupling of unconventional electrode IP soundings on section 28 and point 1079.47

3.5 单极—偶极时间域激电测深去耦

选择山东莒南夏家沟地区铜矿7号剖面的单极—偶极时间域激电测深数据,隔离系数n=19,MN=50 m,去耦频率=0.031 25 Hz。由图6可知,电磁耦合发生在标高70~150 m之间,其中-20号点在标高70~150 m处的反演电阻率、极化率标准差波动较小,说明耦合干扰较弱。反演电阻率标准差波动最小值为0.04%,最大值为9.59%,平均值为3.43%,反演极化率标准差波动最小值为0,最大值为13.99%,平均值为0.87%。沿测深反演断面电磁耦合影响较小。

图6

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图6 7号剖面及其-20测点单极—偶极激电测深去耦前后反演结果标准差对比

Fig.6 Comparison of the standard deviation of the inversion results before and after the decoupling of the monopole-dipole IP sounding on section 7 and point -20

经以上实例验证,得到去耦前反演与去耦后反演对比标准差波动统计结果(表2)。

表2 去耦前反演与去耦后反演结果对比标准差波动统计结果

Table 2 Comparison of inversion results before decoupling and after decoupling standard deviation fluctuation statistics

装置类型	最大供电极距/m	去耦前反演结果相对去耦后反演结果标准偏差与二者平均值的百分比/%
装置类型	最大供电极距/m	$\frac{电阻率}{最小值最大值平均值}$			$\frac{极化率}{最小值最大值平均值}$
对称四极	AB=1200	0.01	16.16	3.89	0	141.4	3.29
对称四极	AB=1800	0.19	18.49	4.53	0	141.5	3.72
对称四极	AB=4000	0	29.75	4.11	0	141.5	4.25
非常规	AB=4000	0.03	28.42	5.49	0	141.5	17.79
单极—偶极	隔离系数n=19,MN=50 m	0.04	9.59	3.43	0	13.99	0.87

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4 结论与讨论

通过对山东沂南金矿金场矿区28号剖面、山东莒南夏家沟地区铜矿7号剖面不同装置、不同极距的时间域激电测深数据进行去耦对比,得到如下结论:

1)对称四极装置和非常规电极排列,随电极距的增大电磁耦合效应增强。电磁耦合的影响深度大部分在时间域激电测深反演断面150 m以浅,小部分在700~1 000 m。

2)共线对称四极装置和非常规电极排列,尤其是非常规电极排列采用三极+四极+偶极混合共线装置,其电磁耦合明显强于对称四极装置和单极—偶极装置。单极—偶极装置时间域激电测深方法由于采用无穷远极垂直剖面布设,为非共线装置,减小了电磁耦合强度。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

李水平, 司建涛, 程华, 等.

时间域激电测深在坦桑尼亚金矿床勘查中的应用例析

[J]. 地球物理学进展, 2019, 34(2):588-595.