2013, Vol. 56
随着矿产资源日益减少, 深部探矿已成为矿产勘查的一个主要方向.在现有仪器装备基础上, 深入开展新方法、新技术研究, 是解决新一轮深部探矿战略需求问题的途径之一.在各种深部电磁探矿方法中, 长偏移距瞬变电磁(Long Offset TransienElectromagnetic, LOTEM)方法一直发挥着重要作用[1-8].这种方法的深部探矿能力主要来源于较长的观测时长(1000 ms以内), 使场从地面到目标体有足够的“往返”时间和辨认异常的分离时间; 此外, 1000~2000 m或更长的接地导线, 可以获得较高的信噪比和提供满足接收机灵敏度的信号强度.与在水平层状大地上仅激发水平电场、探测低阻层有利的回线源相比, 接地导线源既有水平分量电场, 还可在电性界面产生感应电荷的垂直分量电场[9], 对不同电阻率的矿藏[10]有广泛的适用性, 而且较易在地形复杂地区敷设.和可控源音频大地电磁(Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric, CSAMT)法类似, LOTEM发收间距一般取等于4~6倍的探测深度, 以便分离一次场.但是可能跨越了几个构造单元的长偏移存在记录点问题、体积效应较大, 增加了解释结果的不确定性, 故在1970和1980年代前苏联和美国都有关于短偏移距的研究与试验[11-15], 到2010年又有短偏移距的专利[16]出现.寻求消除一次场、缩短发收距的研究也有发表.例如, 有文献[17]通过海底探矿的全空间解析分析认为, 垂直电偶极的镜像可以消除一次场, 水平电偶极源无此作用, 不能反映地层电性.随后, 又有数值分析继续进行垂直电偶极短偏移距的海底探测研究[18].实际上, 在瞬变电磁勘探中, 当采用适当的激发波形后, 可以使一次场和二次场在时间上分开, 因此, 水平接地导线的近源响应仍然具有深部探测能力[19].为表示简便, 我们将发收距离等于或小于探测深度的电性源瞬变电磁装置命名为SOTEM(Short-offset Transient Electromagnetic).
2 SOTEM的探测能力 2.1 SOTEM的探测可行性在主动源电磁勘探中, 电磁场的激发有两种方式, 一种直接由电荷或电流激发, 如稳恒电流产生的电场和磁场; 一种由电场和磁场间的交互感应激发, 如变化的磁场激发涡旋状的电场, 变化的电场又激发涡旋状的磁场, 电磁波通过这种交互感应运动和传播.在时域电磁法勘探中, 这两种激发方式都是存在的.稳定电荷和电流的场, 在场源附近存在, 场源消失则场消失, 这种场称为源的自有场.当电荷和电流随时间变化时, 自有场也随时间变化, 同时由于电磁场间的交互感应, 还有一部分场离开场源向外辐射, 这部分场就称为辐射场.在频率域电磁勘探中, 变频测深能力就来源于辐射场.如同样是接地导线源的CSAMT, 为了使具变频测深能力的辐射场占主导地位, 应在远区观测.当然, 场的强度随发收距离的增加衰减, 考虑到信噪比和接收机灵敏度, 一般将观测点布置在离开场源4~6倍探测深度的地方.随着观测点向场源靠近, 辐射场的主导地位下降, 自有场逐渐占优.以下是水平均匀大地CSAMT近场各分量公式[20]:
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式中Idl为偶极矩, 其中I是供电电流、dl是偶极长度; r是发收距, θ是场点到源点的夹角; σ是大地电导率、μ0是非磁性大地的磁导率.可以看出, 当自有场占优、辐射场忽略不计时, 公式(3)-(6)的4个场量已经与大地电导率无关, 完全失去了探测能力; 只有公式(1)、(2)中的两个水平电场分量Ex、Ey还与大地电导率有关, 但与频率无关, 只能做几何测深, 不能进行频率测深.要利用近区的辐射场进行变频测深, 需要进行自有场和辐射场、即一次场和二次场的分离, 时域瞬变场提供了这种可能性.
时域电磁法中的激励波形, 有三角形连续波、梯形连续波(图 1a), 还有单脉冲的矩形、半正弦、三角形(图 1b)等.
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图 1 常用TEM激励波形[21] (a)连续三角波和梯形波; (b)阶跃、正弦、梯形单脉冲. Fig. 1 Usual TEM excitation wave forms[21] (a) Triangle and trapezoid continuous wave form; (b) Step, sine and trapezoid single pulse. |
连续波形在观测期间始终有一次场存在, 深部TEM, 如LOTEM如果采用这种波形, 则要求发收间距等于4~6倍的探测深度达到远场观测, 使辐射场占优; 如果采用单脉冲波形, 脉冲关断后观测纯二次场, 由此将自有场和辐射场分离开来, 获得短偏移距的深部探测能力.在对单脉冲频谱考查后, 还可以知道阶跃脉冲的频谱中, 幅度与频率成反比, 低频谐波占主导地位.故为获得大的探测深度、分离自有场和辐射场, SOTEM的激励电流需要采用阶跃波形.
在实际应用中, 为了抑制观测系统中的直流偏移和噪声干扰, 往往将图 1b的单脉冲激励变换为周期性重复的双极性脉冲系列, 在正负脉冲关断后观测, 仍然是纯二次场.
2.2 SOTEM的探测深度在不考虑信噪比和接收机灵敏度的情况下, 探测深度d仅由观测时间t和地电结构决定, 和装置类型、发收距离等无关[22-23]:
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(7) |
对于水平分层大地模型, 电偶极源形成的时域电磁场表达式可由全场频域公式[20]、通过实部或虚部的正弦或余弦变换得到[24].以垂直磁场hz为例:
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(8) |
对虚部的余弦变换为
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(9) |
式中J1(λr)为1阶第一类柱Beseel函数, 其中λ是r方向的波矢量分量; 
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(10) |
图 2是根据式(8), (9)和(10)计算的两层地层的不同偏移距磁场hz(t)曲线.
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图 2 两层大地不同偏移距hz(t)曲线 Fig. 2 Two-layered hz(t) curves with different offset |
可见, 在早期随着发收距离r的增加, 场强hz减小; 晚期r增大hz也增大.不过, 图 2中不同发收距r=700、1000、2000、3000、4000 m的曲线, 虽然在80ms后都有对下伏低阻层的反映, 但是, 不同偏移距离情况下的曲线反映低阻基底的延迟时间大小不同.例如700m的发收距可以更好地探测到1000m深度的低阻层.说明可以用小于目标深度的发收距实现测深, 这在频率域是无法做到的.而且短偏移距的曲线变化幅度大, 使得曲线特征更为明显, 因此对地层有更高的分辨能力.
3 SOTEM数据解释视电阻率-深度剖面是电磁法勘探中的常规数据解释手段, 有多种算法.其中在特定期间, 如早期或晚期的视电阻率算法较为简单.但是为了对全部时段的观测数据都有较好的地层反映, 有必要采用如下的全期视电阻率算法.
3.1 全期视电阻率计算文献[25]给出了电性源由垂直磁场hz(t)出发的视电阻率ρs公式:
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(11) |
式中, g[hz(t)]是隐函数, 可用如下级数逼近.
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(12) |
其中系数bi由文献[25]给出, αi由最小二乘法求取, 即使目标函数F取极小值.
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(13) |
上式等价于求下列方程的解.
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(14) |
式中
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(15a) |
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(15b) |
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(15c) |
图 3分别是G和D型两层大地全期和早、晚期视电阻率对比曲线.可以看出, 全期视电阻率对地电结构变化的反映优于早期和晚期视电阻率的.
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图 3 两层大地早期、晚期、全期视电阻率对比 Fig. 3 Two-layered curves of early-time, late-time and whole time (a) G-type; (b) D-typ. |
需要注意的是:通过线圈测得的磁场分量实际上是感生电动势, 即
公式(7)是计算视深度的基础, 是电磁法探测深度经典文献[22]定义的TEM场的“扩散深度”, 是给定时间t内阶跃脉冲向地下单向传播到达的深度.要探测地下某一深度的目标体, 还需要返回时间, 此双向传播时间至少为2t, 文献[22]的解析分析和其后的直接时域数值分析[23]表明, 当携带地质信息的场刚刚返回到地面时, 以目前的TEM方法和仪器的观测体制, 还不能分辨出反射脉冲到达的时刻, 还需要在分离时间之后延迟一段时间, 达到可分辨时间, 以分离异常; 此外, 大地的色散作用使低频成分逐渐占优的脉冲群速变慢.综合这些因素, 可再将2t时间加倍, 取观测时间为T=4t, 代入式(7), 得视深度估算公式:
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(16) |
由(16)式得观测时长估算公式:
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(17) |
式中用电阻率ρ替换了电导率σ.
4 探测实例时域SOTEM在河南某盐矿地下溶腔探测中进行了试验性施工, 证明了SOTEM的探测能力, 取得了良好的地质效果.
4.1 工作参数测区位于河南省中部叶县, 地质构造属于舞阳盆地, 盐矿层数56层, 盐层厚度累计430m.在地下1300~1400m层位发育有水溶压裂开采造成的溶腔, 探测的目的是查明地下溶腔的分布范围.由于含盐地层溶水开采后形成的卤水极易导电, 应呈低阻反应, 观测垂直磁场hz比较有利.使用V8电法工作站和SB-7K型磁探头(有效接收面积40000m2)进行测试.
如前所述, 瞬变电磁法探测深度主要由地层电阻率和观测时间决定.表 1列出了测区的地层电性.
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表 1 河南某盐矿地层电性 Table 1 Geo-electric earth of some salt-ore in Henan province |
虽然正演曲线(图 2)和转换后的视电阻率曲线(图 3)可以表示可分辨目的层的大致观测时长.但是, 实际地层层数远比表 1列出的多.三层以上的场曲线由于假极值效应[20], 将使层位不易分辨.况且, 正演的时长也是需要事前确定的.为此, 可用公式(11)估算观测时长.众所周知, 在瞬变电磁法中, 发射装置通电或断电瞬间激发的电磁波, 首先在空气中以光速c很快传播到地表各处, 然后有一部分电磁能量垂直传入地下.故可将表 1地层厚度和电阻率代入以下公式, 得出与地层层理垂直的综合电阻率ρn [26], 有
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(18) |
式中m为地层层数.再将ρn≈65Ωm代入公式(17)可知需要的观测时间长度t约为125 ms(以光速传播到接收点需要的时间远小于在地中的垂直传播时间, 忽略不计).当然, 还有直接从场源传播到地中的电磁能量.由于大地的电抗作用, 与以光速建立的第一种场相比, 第二种场的建立比较迟缓[26].因此, 观测时长的估算以第一种场为准.查V8仪器的观测时长(表 2)可知, 要探测赋存深度1300~1400m的溶腔, 应取重复频率为1Hz的时间档.
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表 2 V8仪器SOTEM观测时间表 Table 2 SOTEM survey time table of V8 system |
在发收距的确定方面, 如前所述, 如果激励波形是理想阶跃函数, 脉冲关断后观测的即为二次场, 甚至零偏移距都具有探测能力.但实际仪器电路本身的响应、发射导线、大地造成的关断效应, 使得关断后的一段时间内还有一次场存在.为分离关断效应造成的一次场, 导线源和观测点之间应当有适当的距离.还由于导电大地中的辐射场按指数衰减, 源附近的场变化较为剧烈, 较小的坐标测量误差, 将通过视电阻率公式引起较大的解释误差[27-28], 因此, 源和接收点之间需要有一段距离.本次探测采用的收发距r=700~1000m.而且, 为达到一定的信噪比, 要求有合理的接地导线源长度AB和供电电流I.当发收距r=1000m, 重复频率f=1 Hz, AB=1000 m、I=20 A时, 进行观测, 图 4为实测二次感应电压衰减曲线, 可见采用上述工作参数进行观测可取得较高质量的实测数据.
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图 4 实测感生电动势V(t)曲线 Fig. 4 EMF curve of field collected data |
图 5是盐矿溶腔探测中的一条剖面(点距40m).在视电阻率剖面(图 5a)中, 地下100m内的高阻层、地下100~700 m之间的低阻层、地下700~1100m的更低阻层、和地下1100~1500 m的高阻层, 分别与第四系的沙砾粘土互层、第三系的砂岩泥岩互层、泥岩层和含盐的膏质泥岩页岩互层对应, 短偏移SOTEM观测剖面很好地反映了地层电性变化, 图 5b是推断地质剖面.进一步地, 可以发现在深度1200~1400 m范围内, 视电阻率的横向及纵向分布不均匀, 在整体的高阻背景下呈现几处120Ωm的低阻等值线封闭区, 根据盐矿赋存深度, 推断为溶腔的反应.由此圈定了80-120号点、280-400号点、600-640号点的三处溶腔.随后在360号点布设的钻孔, 在地下1210 m处见盐溶腔, 证实了SOTEM的探测效果.
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图 5 盐矿溶腔SOTEM实测成果图 (a)视电阻率-深度剖面; (b)地质推断剖面. Fig. 5 Result of field data typical section (a) Apparent resistivity section; (b) Interpreted geological section. |
当采用阶跃脉冲作为激发源, 有足够的观测时长, 在满足信噪比和接收机灵敏度的情况下, 短偏移SOTEM不仅具有长偏移LOTEM的深部探测能力, 而且层状大地表面上接地电性源的场, 随着偏移距由长到短, 曲线特征从平缓模糊变得陡峭明显, 说明SOTEM对地层有更好的分辨能力.当测区的构造不能用一维水平层状大地近似时, 较小的偏移距体积效应小, 记录点问题较易处理, 解释结果的确定性更强, 有更广泛的应用适应性.在1400m深度的盐矿溶腔探测中, 用小于埋藏深度的1000m短偏移距测出的溶腔被钻孔验证.表明了SOTEM的勘探效果.在深部探测中, 为获得高质量实测数据采用的长接地导线源, 不能再用电偶极子近似.短偏移的场点与源点更为接近, 需要有比沿线做电偶极子积分更精确的理论公式, 如以时变点电荷为微元的理论公式, 作为进一步的研究基础.此外, 接地导线源SOTEM对高阻体的探测能力, 其它电场和磁场分量在不同环境、不同地质任务中的应用等, 都将是今后要继续深入研究的.可以预计, SOTEM将为提高深部探测的分辨率、发展新的观测和解释技术起到积极的作用.
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