大地电磁测深法(MT)是深部(1 000~10 000 m)资源勘查的重要地球物理勘探技术手段,其中音频大地电磁测深法(EH4)主要针对中深部区域(0~1 000 m),是目前较为有效的一种地球物理勘探方法,在矿产资源勘查和工程勘察方面发挥了极其重要的作用,应用前景非常广阔^[1-7]。但目前受各种因素的制约,勘探成果资料的可靠性和真实性在行业内质疑较大,究其原因,从技术层面上主要是勘探数据质量问题,没有采集获得较为真实、可靠的第一手勘探数据。因此开展音频大地电磁测深法(EH4)数据质量精度影响因素的探索性研究,可为后期数据资料的处理和反演,提供真实、可靠的基础勘探数据。影响EH4采集数据质量的因素较多,包括人文噪声影响、接地条件影响^[8-15]以及测量电极对数据质量的影响,本文将从理论分析和实测数据对比分析两个方面对EH4测量电极对数据质量的影响展开研究。

大地电磁测深法(MT)是苏联学者Tikhonov和Cagniard于20世纪50年代提出来,利用天然交变电磁场的频率特性,研究地球电性结构的一种应用地球物理勘探方法。以天然交变平面电磁波(10^-4~10⁴ Hz)为激励场源,依据不同频率的电磁波在导电媒介质中具有不同趋肤深度的原理,在地表接收与地下介质电性有关的正交电场、磁场分量(图1),即:E_x,E_y,H_x和H_y的由高频至低频的大地电磁场响应序列,经傅立叶变换将所观测到的时间序列信号转换为频率域信号,通过阻抗张量计算得到不同频率的视电阻率、相位等参数,以获取地下电性结构,借以解决地质问题为勘探目的的一种应用地球物理勘探方法。

电法勘探中用来接收电信号的装置,是—种特制的测量电位差用的接地电极。在电法勘探中(大地电磁法)电极是不可缺少的关键组成部分,电极性能的好坏直接与电场信息接收的真实可靠程度(观测资料的质量)以及后续勘探成果资料解释有着密切关联。当前,EH4野外数据采集通常使用不锈钢电极(图2)以及铜电极(图3),电极是接收地电场信号的传感器,一般通过在地表、井中或水下布设电极,测量地电场或地电位随时间的变化来研究地下介质导电性、地下水位置及流向、污染物迁移等。实际地电场是通过测量两个电极之间的电位差得到的,测量结果还包含了电极自身的极化电位差(简称极差),以及电极与土壤之间的接触电位差。但不锈钢电极(铜电极)在数据采集过程中受“极化效应”影响,导致测量信号产生“偏差”,造成测量数据“失真”。不极化电极可以有效改善极化效应造成的影响,当前不极化电极主要包括饱和硫酸铜溶液不极化电极(图4)和固体不极化电极(图5)两大类。同时,由于电极底部与土壤之间的接触电位差远小于电极自身的极差,工作时可以忽略不计,而电极极差及其变化则可能超过电场有效信号。因此,电极极差大小及其稳定性将直接影响对地电场信号的观测质量^[16-18],接地电阻是影响测量信号大小的关键因素。综上,本文主要此对比研究不锈钢电极(铜电极)和不极化电极测量数据以及接地电阻对测量数据的影响规律。

极化是指在电极附近的离子浓度偏离了岩矿石中溶液的浓度而形成过电位的现象,极化导致产生的电压或电流偏小(输出的电能下降)。当电子导体与围岩中溶液接触时,会形成电偶层,产生电位跳跃,此现象则称为电子导体与溶液接触时的电极电位。当有外电场作用时,相对平衡的电极电位数值将发生变化。通常把在一定电流密度作用下的电极电位与相对平衡的电极电位的差值,称为电极极化。无论外部所加电势如何,都没有发生跨越金属—溶液界面的电荷转移的电极,称为理想极化电极,并且无论施加多大的电压在电极表面都没有发生电荷转移。

在均匀半空间地表上,大地电磁法阻抗公式^[12]为:

在实际工作中,通过测量MN间的电位差V,并用MN对V归一换算成电场值,即E=VMN,则式(1)可以变为:

利用等效电路的原理,式(2)可变为:

式中:V_r为电极M与参考点之间的接收回路电位差;k=-1iωCwL+Z_wL;w为角频率;i为虚数单位;V₁为测量电位;V₂为测量电极与参考点间的平均电位差;Z_C为测量电极的接地阻抗;Z_w为导线阻抗;Z_i为仪器阻抗;L为半偶极子的长度;C_w为测量导线与大地的分布电容。在本文计算的频率范围内忽略仪器的输入阻抗(Z_i=∞)和导线的阻抗(Z_w=0),因此式(3)可简化为:

式中:j为虚数单位;f为数据采集频率;R为极罐的接地电阻与极罐的内阻之和,在不考虑位移电流和电极内部电容的情况下,Z_c=R。

假设电极M、N相对参考电极产生的电场一样,则

电压随接地电阻的变化率为:

当接地电阻不稳定时,将式(4)、式(5)代入式(2),得到均匀半空间的EH4响应:

式中:μ为磁导率;φ为相位角度。

对式(7)其进行归一化 可得:

本文通过构建大地电阻率为100 Ω·m的均匀半空间理论模型,利用式(7)~(9)计算大地电磁响应,如图6所示,当测量频率较高时,接地电阻对视电阻率值有较大影响,表现为当接地电阻大于2 kΩ时,视电阻率开始降低,当接地电阻为100 kΩ时,视电阻率值仅为原来的1/4,当接地电阻为1 000 kΩ时,视电阻率值不再减小,趋于原来的1/4,随着接地电阻的变大,其影响的范围逐渐向低频扩展。如图7所示,随着接地电阻的变大,阻抗相位先减小后增大,阻抗相位的极小值点向低频移动,接地电阻为15 kΩ时为最小值,阻抗相位仅为原来的1/2左右,接地电阻为1 000 kΩ时,阻抗相位区域具有单调下降特征,变化趋于平缓。因此,当接地电阻不稳时,高频的视电阻率和相位数据会产生较大误差,接地电阻越大,视电阻率和相位曲线畸变的频率范围越宽,从而影响EH4数据采集的精度和质量。

云南省福宜高速的关键控制性工程——梁王山隧道地质构造复杂,洞身需穿越多条断层与破碎带,施工难度大、安全风险高,是全线的重难点区段。本文结合典型断裂破碎带的EH4实测数据,通过采用铜电极与不极化电极对比采集的方式,首先分析电极极化对EH4数据的影响规律。由图8可知,原始测量视电阻率—相位的形态基本一致,图8b中视电阻率和相位数据在低频段(小于1 Hz)连续性较差,显然受到了电极极化作用的影响,数据产生了“跳点”,图8a不极化电极测量结果较为稳定,视电阻率和相位数据光滑连续,在高频段,数据质量基本一致,表明高频段受电极极化不良影响较小,甚至可以忽略。

其次为评估接地电阻稳定性对EH4数据的影响,在实测中设置了4个规格为40 cm×40 cm×50 cm的电极坑。首先,在未作任何处理的初始状态下,接地电阻大于2 000 Ω,进行首次数据采集;随后,清除坑内石块与草根,并注入饱和盐水,此时接地电阻小于2 000 Ω,继而进行第二次数据采集。由图9可知,原始测量视电阻率—相位的形态基本一致,接地电阻影响了视电阻率和相位的数值,验证了前文分析结果,如图9b所示,接地电阻大于 2 000 Ω时,视电阻率和相位均出现不同程度的降低。

综上所述,接地电阻过大造成数据出现跳变,通过功率谱挑选或者D+数据拟合等处理手段可以有效改善测量误差带来的不良影响,但是接地电阻造成的影响却难以有效“校正”。本文通过理论模型分析和实测数据试验分析,在数据采集时,保证接地电阻不超过2 kΩ时,视电阻率最大降低1.0%,阻抗相位最大降低2.3%,此时可以不用考虑接地电阻的影响。下面通过反演结果进一步分析其对地质解释带来的影响。

由图10可知,接地电阻对测量数据的作用严重影响反演结果对地下电性结构的“真实”反映,图10a中EH4数据二维反演结果很好地反映了位于剖面中部的断裂构造,表现为低阻凹陷形态,图10b中EH4数据二维反演结果由于位于剖面0~50 m段的电阻率降低导致断裂构造反映较差,未能体现凹陷形态,且无法判断断裂的宽度及产状等信息。

1)电极极化主要对低频段数据产生不利影响,通过数据处理技术可有效改善数据质量,对高频段数据的影响几乎可以忽略不计。

2)接地电阻过大(超过2 000 Ω)会使测量的视电阻率和相位比实际的小,在接地条件很差的情况下,视电阻率值只有原来的1/4,相位会出现极小值。

3)接地电阻不稳定对视电阻率和相位曲线的高频段影响较大,视电阻率和相位降低较大,直至低频段趋于稳定。

4)在数据采集时,保证接地电阻不超过2 000 Ω时,视电阻率最大降低1.0%,阻抗相位最大降低2.3%,此时可以不用考虑接地电阻的影响。

5)接地电阻不稳定会导致反演结果无法有效反映真实地电结构,进而导致错误的地质解释结果。