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物探与化探, 2024, 48(5): 1169-1175 doi: 10.11720/wtyht.2024.1197

“短偏移距瞬变电磁法技术与应用”专栏(特约专栏主编:薛国强)

SOTEM野外数据采集中的关键参数分析

陈卫营,1,2,3, 薛国强1,2,3, 李海1,2,3

1.中国科学院矿产资源研究重点实验室,中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029

2.中国科学院 地球科学研究院,北京 100029

3.中国科学院大学 地球与行星科学学院,北京 100049

Analysis of critical parameters in the field acquisition of short-offset transient electromagnetic data

CHEN Wei-Ying,1,2,3, XUE Guo-Qiang1,2,3, LI Hai1,2,3

1. Key Laboratory of Mineral Resources, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

2. Institutions of Earth Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

3. College of Earth and Planetary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

第一作者: 陈卫营(1987-),男,副研究员,研究方向为瞬变电磁法。Email:cwy@mail.iggcas.ac.cn

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2023-05-4   修回日期: 2024-01-4  

基金资助: 国家自然科学基金项目(42274192)
国家自然科学基金项目(42010306)
中央引导地方科技发展资金项目(2023ZY0036)
陕西省煤田地质集团有限公司2023年科技研发重大专项(SMDZ-2023ZD-8)
河南省豫地科技集团2024年重点科研项目(JTZDKY202405)
中国科学院青年创新促进会项目(2023070)

Received: 2023-05-4   Revised: 2024-01-4  

摘要

电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)在野外数据采集中涉及诸多参数,它们的选择与实测数据的信号质量、探测灵敏度等密切相关。本文依据中国地球物理学会团体标准《电性源短偏移距瞬变电磁法勘探技术规程》(T/CGS 002—2021)中的相关规定,并结合一些数值模拟和实际案例,对发射源长度、发射基频、偏移距、装置类型、观测分量等关键参数的选取依据进行了分析与阐述,获得的相关认识对指导SOTEM野外施工、发挥SOTEM探测性能具有重要意义。

关键词： SOTEM; 数据采集; 偏移距; 装置类型; 发射基频

Abstract

The grounded-source short-offset transient electromagnetic (SOTEM) method involves many parameters in field data acquisition. The selection of these parameters is closely associated with the signal quality and detection sensitivity of measured data. Based on the relevant provisions in the organization standard, Technical specification for grounded-source short-offset transient electromagnetic method (T/CGS 002—2021), issued by the Chinese Geophysical Society, numerical emulations, and practical cases, this study analyzed and expounded the selection criteria of critical parameters like transmitting source length, transmitting fundamental frequency, offset, device type, and observation component. The insights obtained in this study are significant for guiding the field construction of the SOTEM device and leveraging its detection performance.

Keywords： SOTEM; data acquisition; offset; device type; transmitting fundamental frequency

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陈卫营, 薛国强, 李海. SOTEM野外数据采集中的关键参数分析[J]. 物探与化探, 2024, 48(5): 1169-1175 doi:10.11720/wtyht.2024.1197

CHEN Wei-Ying, XUE Guo-Qiang, LI Hai. Analysis of critical parameters in the field acquisition of short-offset transient electromagnetic data[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(5): 1169-1175 doi:10.11720/wtyht.2024.1197

0 引言

电性源短偏移距瞬变电磁法(short-offset transient electromagnetic method, SOTEM)自提出以来,在探测理论、数值模拟、数据处理、装备研发等方面得到了快速的发展[1⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-26],现已形成一套基本完备和成熟的方法技术体系。已有在煤田水文地质、金属矿、地热资源等领域的大量应用成果表明,SOTEM方法探测深度大、分辨率高、施工高效,适合在复杂山区、厚覆盖区和矿区工作[27⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-40]。

野外数据采集是保证SOTEM方法探测效果的关键步骤,也是SOTEM方法核心内涵的主要体现。针对不同的探测目标、探测场景和探测环境,如何采用合适的发射—接收装置及施工参数以获得最优的探测效果,是实施SOTEM数据采集过程中必须要考虑的问题。随着研究和利用SOTEM方法的单位越来越多,为规范该技术并更好地发挥SOTEM的作用,中国地球物理学会于2021年颁布了团体标准《电性源短偏移距瞬变电磁法勘探技术规程》(T/CGS 002—2021),对SOTEM野外数据采集的基本要求和技术规则进行了规定。

本文主要目的是基于以往大量的研究和应用,并结合上述规程中的相关规定,重点分析总结SOTEM野外数据采集中一些关键参数的选择依据,以更好地指导相关人员理解和实施SOTEM方法。

1 关键参数分析

SOTEM数据采集系统主要由发射和接收两部分组成(图1),发射端提供合适且稳定的波形电流(一般为占空比为50%的双极性方波),激发出幅值尽量强的二次场;接收端在一定区域内采用合适的传感器(线圈、磁棒或电极)观测二次场信号。对于发射端,涉及的主要参数包括:发射源的长度、发射电流基频和强度;对于接收端,涉及的主要参数包括:装置类型、偏移距大小、观测场量等。下面通过理论分析、数值模拟并结合部分实际案例对上述关键参数的选择范围和依据进行详述。

图1

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图1   SOTEM方法示意

Fig.1   Schematic diagram of the SOTEM method


1.1 发射源长度

理论上讲,发射源长度越大,所能提供的发射磁矩越大,二次场的信号幅度也越强。但是,在实际工作中发射源长度的确定受诸多条件的限制,其中最先考虑的应该是测线长度和布设发射源的地形环境。一般情况下,发射源长度应至少大于0.5倍的所覆盖的测线段长度,以保证测线位于二次场信号的强幅值区域,如测线长度为1 km,则发射源长度应不小于0.5 km。其次是发射源的布设环境,这里主要考虑两个方面,一是发射源应尽量水平且笔直布设,尽量避开房屋、河流、湖泊、起伏山体等障碍物[41];二是发射源应尽量不跨越明显的地质异常体,如断裂、浅部局部不均匀体等,若实在难以避免,则发射源的长度应至少大于浅层电性不均匀体线性尺度的3倍。

此外,发射源的长度还与发射回路的电阻和电感有关,电性源的电感(L)一般可根据下式计算[42]:

L=μ0RlnRr-1.75

式中:r表示导线横截面的半径(m);μ0代表自由空间的磁导率,μ0=4π×10-7H/m;R为长导线的电阻,R=ρl/S,其中ρ为导体电阻率(Ω·mm2/m),l表示导线长度(m),S表示导线横截面的面积(mm2)。由式(1)可见,随着发射源长度增加,发射回路电阻增大,电感也会随之增大,进而导致发射的关断时间更长。这就对发射机的性能提出了更高的要求,尤其是当发射电流强度较大时,如何实现电流快速关断以保证早期响应的可靠性,是当前仪器系统面临的关键问题[26]。

1.2 发射电流强度和基频

发射电流的大小影响到发射磁矩的大小,因此在条件允许的情况下应尽量增大发射电流的大小,以提高信号强度,保证观测数据的信噪比。但大电流发射会导致如上文提及的难以快速关断问题,影响早期响应。因此在针对较浅层的勘探时,可适当调低电流强度,在确保数据信噪比满足要求的情况下,重点关注实现电流的快速关断。

SOTEM采用的发射波形一般为占空比为50%的双极性矩形波,如图1所示。该矩形波的基频(base frequency)关系到二次场信号的衰减延时范围,进而决定了探测深度范围。SOTEM的探测深度一般可用如下公式进行估算[43]:

d=660(10ρtπ)1-e-w2

式中:w=(100πρt/μ0l2)1/4;ρ为大地电阻率;t为观测时间;l为发射导线长度。

一般来说,在实际工作中希望在尽可能宽的时窗范围内记录到有用信号,以获取更大深度范围内的电性信息。但是,单一基频的观测延时范围有限,高频对应于更早、更短的时窗范围,低频对应更晚、更长的时窗范围。以加拿大V8系统为例,表1列出了部分可供选择的发射电流基频以及对应的时间窗口范围。因此,在实际工作中选择发射电流基频时,应先了解测区内地层的大致电阻率和目标体深度,然后根据式(2)反求出观测时长,最后根据时长选择合适的基频。若单一基频不能兼顾浅层和深层探测,则可采用高低频兼顾的双基频发射模式。

表1   V8系统可供选择发射基频对应的观测时间范围

Table 1  Observation time range corresponding to the launch fundamental frequencyof V8 system

频率/Hz时间范围/ms
250.079~7.9
50.475~47.5
2.50.95~95
12.375~237.5
0.54.75~475
0.259.5~950

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图2为某测区实测的2个发射基频(5、25 Hz)情况下的信号曲线。可以看出,2个基频产生的信号具有不同的时窗范围,在重合段二者的数据一致性较好,特别是在早期段。为了兼顾深部和浅部的电性结构,在后续的数据处理中可分别处理2个基频的数据,也可将2组数据进行拼接后再处理。

图2

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图2   不同发射基频情况下的实测SOTEM信号曲线

Fig.2   Measured SOTEM decay curves due to different base frequency


1.3 偏移距

偏移距是指观测点到发射源的距离,是SOTEM方法中最为关键的参数。在SOTEM方法的定义中,一般要求偏移距等于0.3~2倍的探测深度。该参数主要是依据信号强度、探测深度和探测灵敏度三个方面来确定[9]。但这个偏移距定义仅仅给出了一个限定范围,在实际工作中还需结合具体情况在此范围内选择最优的偏移距,一般需要考虑施工方便性和信号强度两个方面。在正式测量之前,应在可观测范围内选择2~3个不同偏移距处的测点进行观测试验,以评估信号强度和噪声水平,确定偏移距的最大限值。根据以往大量的经验,在发射电流强度20~30 A之间时,最大偏移距一般不宜超过发射源长度的0.8倍,即若发射源长度为1 km,则最大偏移距不超过800 m。当测区干扰源较多、噪声水平较高,或者测区接地电阻较高、发射电流较小时,偏移距应进一步减小,以提升信号强度,保证观测数据的信噪比。

图3为某测区实测不同偏移距的SOTEM信号曲线,发射源长度为500 m,两个基频的发射电流强度皆为12 A。从图3a可以看出,当发射基频较高,观测时间窗口较早时,随着偏移距增大早期响应幅值急剧减小,且出现上升趋势的时窗数逐渐增多。信号上升段表明在该时间范围内,地下感应电流的极大值尚未传播至观测点处[25]。从图3b所示的低基频信号可以看出,随着偏移距增大,晚期信号的数据质量明显变差,偏移距越大,晚期震荡越严重且震荡发生的时间越早。

图3

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图3   不同偏移距情况下实测SOTEM信号曲线

Fig.3   Measured SOTEM decay curves due to different offset


1.4 装置类型

SOTEM在地面激发的5个电磁场分量(2电和3磁)都具有对地下介质的探测能力,但它们在平面分布和衰减特性上有较大的差别。已有研究成果表明,垂直磁场强度(Bz)或其时间导数(dBz/dt)和水平电场(Ex)分量的分布更为均匀且衰减形态较为稳定,更适合在地面实施大范围观测[9]。因此,目前实际应用中主要以观测这两个分量为主。同时,根据它们在不同区域对不同目标体(高阻和低阻)的灵敏性不同,可形成赤道向和轴向两种观测装置类型。下面对两种装置进行简要描述。

1)赤道向装置。在发射源两侧一定范围内观测轴向水平电场和垂直磁场信号,观测区范围限制在与发射源两端呈120°夹角的区域内(图4,图中A和B分别代表发射源的两个接地端点)。赤道向装置的偏移距为观测点到接地导线几何中心的垂直距离。

图4

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图4   SOTEM赤道向装置示意

Fig.4   Schematic diagram for broadside configuration of SOTEM


2) 轴向装置。在发射源两端延长线区域观测轴向水平电场信号,观测区域限制在与发射源呈30°夹角的区域内(见图5)。轴向装置的偏移距为观测点距离接地导线的垂直距离。

图5

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图5   SOTEM轴向装置示意

Fig.5   Schematic diagram for inline configuration of SOTEM


1.5 观测场量

目前,SOTEM在实际应用中主要以观测垂直磁场(磁感应强度Bz或其时间导数dBz/dt)为主,该分量具有对低阻敏感、不受接地条件限制、施工方便高效的优点,同时受地形和浅部局部不均匀体的影响较小,数据处理解释相对简单,适合在复杂地形区开展测量[9,16]。但是磁场分量难以获得对地下高阻目标体的高分辨探测,因此当要解决高阻目标体探测问题时,需选择观测水平电场Ex分量,并可在场地条件允许情况下选择如图5所示的轴向装置,以提升电场分量对高阻体的分辨率。另一方面,磁场分量更容易受到地表各种电磁噪声的影响,导致晚期数据信噪比较低。相较而言,相同偏移距情况下,水平电场分量的幅值更高,抗噪能力也更强,可获得更晚时窗范围内的高信噪比数据。因此,在噪声水平较高的地区,也可选择观测水平电场分量。需要注意的是,电场分量易受地形起伏和浅地表局部不均匀体影响而产生静态偏移效应[20,24-25],同时电场分量还更容易受到激发极化效应的影响[15]。此时,可选择联合观测垂直磁场和水平电场两个分量,并对数据进行联合反演处理。

图6为某测区不同电磁场分量的实测数据,发射源长度为1.1 km,偏移距为600 m,发射电流为18 A,接收磁探头有效面积为10 000 m2,电极距为50 m。可以看出:在相同观测位置处,Ex分量的信号质量要明显好于Vz(t)分量。图中可见Ex分量在1450点处出现了较为明显的静态偏移效应,该点位置处于3个观测点的中间,但其整体信号强度却发生了一定程度的抬升。

图6

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图6   实测SOTEM不同分量响应曲线

Fig.6   Measured different components responses of SOTEM


2 结论

本文依据中国地球物理学会团体标准《电性源短偏移距瞬变电磁法勘探技术规程》中的相关规定,并结合一些数值模拟和实际案例,对SOTEM野外数据采集中涉及的部分关键参数的选取依据进行了分析与阐述。主要结论如下:

1)SOTEM的发射源应尽量水平、笔直布设,其长度应至少大于0.5倍的所覆盖的测线段长度,尽量不跨越明显的地质异常体,如断裂、浅部局部不均匀体等,若实在难以避免,则发射源的长度应至少大于浅层电性不均匀体线性尺度的3倍。

2)应根据探测目标的深度范围合理选择发射基频,若要实现深浅兼顾则可采用双频或者多频观测,保证信号的时窗范围满足勘探深度要求。

3)通过评估测区噪声水平及不同偏移距观测试验确定最优的观测偏移距范围,一般情况下偏移距应不大于发射源长度的0.8倍。

4)针对不同的探测目标可以选择不同的观测装置和观测分量。水平电场Ex分量抗噪能力强、对高低阻体都敏感,但易受浅部局部不均匀体和极化体的影响;垂直感应电压Vz(t)分量易于观测、无静态偏移效应,但其易受电磁噪音干扰且仅对低阻体敏感。

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电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)是目前研究和应用较为广泛的一种人工源时间域电磁法工作装置,对深部资源地球物理精细探测具有一定的实际意义.为了深入理解方法内涵并更好地进行推广应用,本文基于电性源瞬变电磁一维正演理论,研究了SOTEM地下感应电流扩散、多分量电磁响应平面分布、多偏移距衰减等特性,然后根据上述特性研究了SOTEM的最佳观测区域.研究结果表明:电性源在地下可以产生水平和垂直两个方向的感应电流.其中,水平感应电流又分为上部水平感应电流和下部水平感应电流(又称作返回电流),水平感应电流的极大值主要集中于发射源附近并垂直向下扩散;垂直感应电流极大值沿与地面呈45&#176;角的方向向下、向外扩散,并且具有较低的振幅和较快的扩散速度.电性源激发的六个方向的电磁场分量都具有一定的探测能力,但是考虑到地面观测的方便性和各分量的传播、分布特点,大多数情况仅利用垂直磁场分量H<sub>z</sub>(&#240;B/&#240;t)和水平电场分量E<sub>x</sub>.其中,H<sub>z</sub>仅对低阻目标体敏感,且敏感区域位于赤道向区域,并集中在发射源附近;E<sub>x</sub>既对低阻体敏感也对高阻体敏感,对低阻体的敏感区域位于赤道向区域,而对高阻体的敏感区域位于轴向区域,并且敏感区域距发射源的距离与目标体埋深和围岩电性有关.

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本文基于垂直磁场分量研究了SOTEM数据的一维OCCAM反演方法，并将其应用于理论三维数据及野外实测数据的反演.对于大部分一维模型，OCCAM反演可取得较好的反演效果，且反演结果不依赖于偏移距；噪声对SOTEM数据的OCCAM反演具有较大影响，但当信号含噪水平不超过5%时，反演结果仍具有较好的准确性；若浅层存在较厚的低阻层，OCCAM反演结果对下部地层的分辨能力下降，仅能获得具有平均效应的电阻率.将一维算法应用于SOTEM三维数据的反演，会产生较大的误差，尤其是在异常体边缘地带影响最为严重.该影响程度与异常体和背景电阻率之间的差异有关，对于大多数电性近似呈连续变化的真实大地而言，一维OCCAM反演算法仍可获得较好的效果.最后通过陕西某煤田深部富水性调查的实测SOTEM数据反演验证了本文的研究成果.

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