地球物理学报  2014, Vol. 57 Issue (1): 303-309   PDF    
用扩散电场法估算CHTEM-I系统的探测深度
陈斌1,2, 毛立峰3, 刘光鼎1    
1. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
2. 中国国土资源航空物探与遥感中心, 北京 100083;
3. 成都理工大学地球探测与信息技术教育部重点实验室, 成都 610059
摘要:时间域航空电磁系统的探测深度是一项关键技术参数,在系统研制设计和资料解释中都有重要作用.当目标层与围岩电性差异不大或目标层引起的异常响应不明显时,常规的估算探测深度方法不再适用,为克服这种缺陷,本文提出了一种系统探测深度的估算方法,该方法通过模拟电场在均匀半空间模型和层状模型中的扩散过程,记录电场最大幅值在地下的瞬时位置,将系统的探测深度定义为观测到的响应值等于给定的噪声水平时,对应时刻的地下介质中感应电场幅度的最大值对应的深度.论文以我国自主研制的直升机时间域航空电磁系统CHTEM-I为例,根据对不同条件下的计算结果的分析,给出了探测深度与模型电导率、飞行高度和噪声水平之间的关系曲线,并总结出一些能够提高系统探测深度的建议.结果表明半空间模型电导率在0.000295~0.0422 S/m范围内,CHTEM-I系统可以在噪声水平与t-0.5成正比条件下达到300 m的探测深度.本文方法的估算结果不受模型层厚薄,或目标层与围岩电性差异小等因素影响,因而具有较高的实用性.文中的结论对时间域航空电磁系统设计有理论指导意义,也可用于其它时间域电磁勘探系统探测深度的估算.
关键词直升机     时间域航空电磁     探测深度     噪声水平     扩散电场深度     CHTEM-I系统    
The estimated prospecting depth of CHTEM-I system by the method of diffusion electric field
CHEN Bin1,2, MAO Li-Feng3, LIU Guang-Ding1    
1. Institute of Geology and Geophysics of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
2. China Aero Geophysical Survey & Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China;
3. Key Lab of Earth Exploration & Information Techniques of Ministry of Education, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
Abstract: The Prospecting Depth of the System (PDOS) is one of the key technology indicators of the Airborne Time Domain Electromagnetic (ATEM) system, which plays an important role in the system design and data interpretation. If the difference of the conductivity between the target layer and the host rock is small or the anomalous response caused by the target layer is unobvious, the routine estimation method of PDOS is no longer effective. To overcome this drawback, a new estimation method of PDOS is presented in the paper. Based on simulating the diffusion process of the electric field in a uniform half-space model or a layered model and recording the location of the maximum value of the electric field from the subsurface, the prospecting depth of the system is defined as the corresponding depth of the maximum value of induced electric field amplitude in the earth medium in the depth where the observed response value is equal to the noise of the system. In this paper, a helicopter time domain electromagnetic system named CHTEM-I (China Helicopter Time Domain Electromagnetic System-I) developed independently by Chinese is used as an example, according to the analyses results under different conditions, the relationship curves between the prospecting depth and the conductivity of the models, the height of the loop and the noise level are given, and the suggestion about how to improve the prospecting depth is also included in the paper. The results in this paper show that the CHTEM-I system can realize the prospecting depth of 300m at a noise level being proportional to t-0.5 if the conductivity of half-space model is in the range of 0.000295~0.0422 S/m. The estimation depth value from the method given in this paper is unaffected by the factors of the thickness of the target layer and the resistivity difference between the target layer and the host rock, so it is a practicable method. The conclusion in this paper has the theoretical significance for the airborne time domain electromagnetic system design, and the research ideas can also be applied to estimate the prospecting depth of other time domain electromagnetic systems.
Key words: Helicopter     Airborne time domain electromagnetic     Prospecting depth     Noise level     Diffusion depth estimating     CHTEM-I system    

1 引 言

直升机时间域航空电磁具有工作效率高、施工灵活等特点,在矿产资源勘查、水资源调查、环境地质评价等领域中应用广泛.我国在“十一五”期间开展了863计划重大项目课题“吊舱式时间域直升机航空电磁勘查系统开发集成”研究,成功研制出直升机时间域航空电磁系统,并且命名为CHTEM-I,填补了我国直升机时间域航空电磁勘查技术的空白,“十二五”期间进行系统的实用化研究.近年来,国内在航空电磁正反演与处理解释方面取得很多成果(罗延钟,2003a;李永兴,2010a;毛立峰,2011a;嵇艳鞠,2010a;毛立峰,2011b),为我国时间域航空电磁的发展提供了理论和技术支撑.目前国内外直升机时间域航空电磁技术发展的一个重要方向是进一步提升系统的勘探深度、拓展找矿空间、提高资源勘查效率,而定义其探测深度却是一个复杂而困难的问题,涉及系统探测深度的主要因素有发射磁矩、接收信号的延时长短、发射脉冲的基频、收发线圈高度及装置参数、地下介质电性分布、系统的动态噪声水平、信号接收仪器的灵敏度和精度、数据处理与解释方法等等,这些因素之间关系复杂,没有一个简单的估算公式可以定量描述系统的探测深度(Spies,1989).对系统探测深度与这些因素之间的定量关系的了解,不但对系统的指标设计与论证有直接帮助,也有助于解释人员发现地质目标体,并对系统资料 的反演和成像的真实性估计也具有重要的指导意义.

到目前为止,已有多个学者对电磁法的探测深度有关问题做过深入研究.Spies(1989)对频率域和 时间域电磁法的探测深度做了系统的分析;Peltoniemi(1998) 分析了频率域航空电磁的探测深度; Beamish(2004) 分析了频率域航空电磁的集肤深度大小,并讨论了频率变化与系统穿透深度的能力;Huang(2005)以手持频率域电磁勘查系统GEM-2为例,根据围岩与电导率对比度来估算探测深度,分析不同的门限值下二层模型的探测深度.Huang的方法要求模型电性具有一定的对比度,否则即使系统可以探测到相应深度,也无法进行估算.

但是,用上述方法估算的探测深度结果受到目标层厚度和目标层同围岩电阻率差异大小等影响,在目标层很薄或目标层虽厚但与围岩之间的电阻率差异很小时,异常响应很小,可能低于噪声水平,会导致探测深度估算值小于真实值.Christiansen和Auken(2012)用反演结果模型的灵敏度矩阵来分析探测深度,根据他们的经验,可以给出度量探测深度的绝对门限值,用于层状模型电法和电磁法资料探测深度的估算.这种方法直接利用观测数据,提供了可解释深度大小的一种参考.但这种方法得到的探测深度的可靠性受到反演方法的影响,如反演模型的离散化、反演正则化方法等都会影响估算结果.为了克服上述问题,本文用电磁波在介质中的扩散深度估算探测深度,而扩散深度值用地下介质中的最大电场对应深度值来近似,不会受到目标层厚或与围岩的电性差异大小的影响,故可获得更为可靠的结果.为了降低问题的复杂性,以突出单一因素的影响,本文结合均匀半空间模型和均匀层状模型的响应数据,分析系统动态噪声水平高低、发射磁矩大小和模型电导率对系统探测深度的影响、在给定的噪声水平模型下研究CHTEM-I系统能够探测300 m 深的可能性,并对提高系统探测深度的手段进行探讨.

2 CHTEM-I系统参数设定

CHTEM-I系统采用直升机拖挂一个中心回线式收发装置,工作时发射周期双极性梯形电流脉冲,在脉冲断电期间观测z方向感生电动势瞬变响应. 系统的发射线圈半径为6.0 m,共5匝,线圈距地高度为30 m以上,发射电流最大幅值为450 A,峰值磁矩可达25.4万Am2.为了确保系统的探测深度 满足设计指标要求,文中选择发射电流峰值为400 A、 峰值磁矩为20万Am2的情况分析系统的探测深度问题.发射脉冲的上沿时间为2 ms,平稳时间为0.5 ms,下降沿1.2 ms,基频25 Hz.系统接收断电后0.1~16.3 ms之间的感生电动势瞬变响应信号.图1给出了系统工作示意图和发射的电流脉冲的一个周期的波形图.

图1 CHATEM-I系统工作示意图(a)和一个周期的发射电流脉冲波形图(b) Fig.1 Schematic diagram of working principle of CHTEM-I (a) and the transmitter current waveform in a cycle (b)
3 系统探测深度估算方法

在仪器系统参数给定情况下,探测深度值除与介质的电性分布有关外,系统的噪声水平高低对其影响也较大.航空时间域电磁资料是在飞行运动中测量的,系统噪声以动态噪声为主,其噪声值远高于系统在地面静态条件下的噪声值.Effers(1999) 根据瞬变电磁场的几种频率噪声资料的分析,发现晚期信号的噪声绝对值按断电延时t的t-1/2成正比的规律衰减.Auken et al.(2009)也采用了类似的噪声水平模型.根据对前人对系统噪声水平的分析,本文将系统噪声水平表示为


估算系统的探测深度时,需要计算各采样时刻的模型响应和地下介质的电磁场分布,进一步根据一定的扩散时间内的响应值与噪声水平大小来确定系统的探测深度.正演计算可按Ward和Hohmanm(1988)的方法先计算频率域响应,再用逆傅里叶变 换到时间域中,其中的Hankel变换采用Guptasarma (1997)的数值滤波方法,可以获得较高的计算精度(Singh, 2003; Singh,2005).

根据时间域电磁理论,在地下半空间介质或水平均匀层状介质中存在 “烟圈”效应(Nabighian,1979),但对航空电磁而言,收发线圈都在空中,接收的信号大小与其高度相关,因此飞行高度同样会影响其探测深度.而且发射波形也不是简单的阶跃脉冲,因而没有地面时间域电磁法那样存在可直接计算“烟圈”的扩散深度和半径的解析公式.本文通过模拟地下波场扩散过程,根据最大电场深度和响应值及其与噪声水平之间的大小关系来估算系统的探测深度.设噪声水平为e,假定能被识别的最大采样时刻点t*的响应幅值V满足条件:


其中,标量c的值取为大于或等于1的某个正值的常数,在本文的计算中取为1.

由于在断电的时间段,瞬变响应曲线是单调衰减的,故可根据公式(2)做反插值运算得到时刻值t*.t*反映了能够由响应数据有效反映地下介质的最大延时,从而可以根据该时刻点的电磁波在地下的扩散深度来估算系统的探测深度大小.这里,电磁波的扩散深度值用时刻t*地下介质中瞬时电场Eφ(t*,r,z)的幅度最大值对应深度定义,从而系统的探测深度定义为


其中,r,z分别是柱坐标系下地下空间D中任意场点坐标.

目前国内外估算航空电磁系统探测深度的常规方法中,大多依靠目标层与围岩导电率差异或异常目标层引起的响应差异来估算系统探测深度.如果目标层与围岩没有电性差异或差异很小,即使系统探测深度可以达到目标层,但由于电性对比度小或异常场很小,也会导致无法计算或计算结果不可靠.本文提出的方法由于可以模拟计算层状地下介质中任一点的各个延时的电场,记录各瞬时扩散电场的最大幅值的位置坐标,无论模型是均匀围岩半空间介质,还是有一个目标薄层介质,均可由(2)和(3)式计算系统的探测深度值.故本文方法没有上述常规方法的缺陷,可以获得更为可靠的探测深度.

4 算例分析
4.1 均匀半空间模型

首先研究均匀半空间模型的探测深度,分别计算几个电导率不同的半空间模型的响应并模拟计算各采样时刻点的地下介质中扩散电场最大值对应深度.图2为四种不同半空间的电导率情况下的瞬变响应曲线和最大电场幅度对应深度值的瞬变曲线,其中,瞬变响应值用垂向磁感应强度的变化率描述.为了对比分析,图中还给出了噪声水平与300 m探测深度对应曲线.由图可见,电导率值越高,在晚期响应幅度越大,而相应的瞬时扩散深度值却越小;电导率越低,相同延时的扩散深度相对较大,但响应幅度越小,一旦低于可被识别的信噪比,系统就不能探测到相应的深度.当介质电导率为0.1 S/m时,断电后15 ms内的响应值均超过噪声水平值,但电场扩散深度值却在观测时间段内均小于300 m.其原因是当介质电导率较高时,尽管二次感应场较强,但由于集肤深度原因,电磁场的扩散深度不大.而对高阻介质,如图中的电导率为0.002 S/m对应的曲线中,最大电场幅度 对应深度相对较大,但场衰减较快,断电后1.085 ms时刻的响应值为3.036 nV/m2, 在此之前的响应值均在噪声水平之上,从而系统的最大探测深度为此时的最大电场幅度对应深度,即 最大探测深度为574.9 m.而电导率分别为0.01 S/m和0.1 S/m时,最大探测深度分别为424 m和247 m. 因此,介质导电性不同时,系统最大探测深度是不同的,导电性越好,系统探测深度越小.

图2 半空间模型的瞬变响应及电场扩散深度瞬变曲线 (a) 瞬变响应曲线及噪声水平曲线;(b) 扩散深度瞬变曲线及300 m深度曲线. Fig.2 The curves of the transient responses of homogeneous half-space models

and the transient diffusing depths of the electric fields
(a)The curves of the transient response and the dotted line the noise level;(b) The curves of the transient diffusing depths and the dotted line drenotes the depth of 300 m.

下面分析噪声水平高低对探测深度的影响.这里以三个均匀半空间模型为例,空间模型的电导率分别为0.1、0.01 S/m和0.002 S/m,代表导电性较好、中等和较差的三种介质,分析不同噪声水平条件下系统的最大探测深度值.计算中,噪声水平高低可由(2)式中的标量c的大小来定义.结果如图3所示,显示了三个不同电导率下噪声水平系数c与最大探测深度之间的关系曲线.可知,对电导率为0.01 S/m的均匀半空间模型来说,系统最大探测深度为424.9 m,当噪声水平增加到原来的3倍(即c=3)和降低到原来的1/3(即c=1/3)时,系统最大探测深度分别为338.9 m和520.8 m,即前者的探测深度减少20.4%,而后者的探测深度增加了22.6%.降低噪声水平是能够提高系统探测深度的,故系统设计时需要尽可能地降低噪声水平.从图3还可以分析得到,当介质的导电性较差时,降低噪声水平,对探测深度的增加更为有效,但如果噪声水平较高时,则逐渐与中等导电性介质时的探测深度大小接近,甚至变小.而当电导率为0.1 S/m时,介质导电性能很好,电磁波难以向下扩散,此时,尽管在断电后15 ms左右的响应值全部位于噪声水平之上,但由于电场扩散深度均小于250 m,故对此导电性能较强的介质,无论噪声水平低至如何,系统也不可能达到300 m的设计探测深度指标.对电导率为0.002 S/m和0.01 S/m的半空间介质,系统则可分别在定义噪声水平的6.8倍和5.2倍时达到设计的300 m深的探测深度指标.总之,降低噪声水平对提高系统的探测深度是非常有效的,介质导电性相对较低时,对增加系统的探测深度更为有效.

图3 三种不同电导率的半空间模型的系统最大探测深度与噪声水平关系曲线 Fig.3 The relationship curves between the maximum investigation depth for homogeneous half-space models with different conductivity and noise level

根据噪声水平与t-0.5正比的噪声模型,计算了收发线圈高度分别为30、60 m和90 m条件下,三种不同电导率的半空间模型的最大探测深度,结果如图4所示.随半空间模型电导率的增加,最大探测深度先有所增加再单调减小.半空间电导率在0.0008~0.001 S/m段,探测深度达到最大值.线圈的高度越低,探测深度则增加,与实际情况一致.当线圈高度为30 m时,系统可探测到300 m深时的半空间模型电导率范围为0.000295~0.0422 S/m,当 线圈高度增加到90 m时,系统可探测到300 m深时的半空间模型电导率范围为0.000344~0.030 S/m. 即当飞行高度增加后,达到300 m探测深度指标对应的半空间模型电导率对应范围也在变小,故在安全前提下,飞行高度要尽可能地降低以提高系统的探测深度.

图4 三种线圈高度下均匀半空间模型电导率(σ)与最大探测深度之间的关系曲线(其中的虚线是300 m深度线) Fig.4 The relationship curves between the conductivity of homogeneous half-space model and maximum investigation depth for three kind of height of the coil (the dotted line indicates the depth of 300 m)
4.2 层状介质模型

设一个四层介质模型,盖层厚度为50 m,电导率0.025 S/m,其下是一个电导率为0.01 S/m的均匀半空间之中含有一目标薄层构成的模型,薄层位于盖层之下250 m处,厚度为20 m.假定薄层的电导率分别取为0.1、0.01 S/m和0.0001 S/m,分别表示盖层模型下300 m深度处有一个20 m厚的低阻矿体模型、盖层下均匀半空间的二层模型和盖层下300 m深度处有一个20 m厚的高阻层模型,模 拟断电后电磁波扩散过程.图5是脉冲断电后0.1~16.3 ms 时间段内三个模型对应的电场Eφ(t,r,z)最大幅值在地下介质中的扩散轨迹曲线,横轴是柱坐标系下的径向半径坐标,纵轴是地下介质的深度坐标,图上也标注了低阻薄层模型的扩散电场最大值经过三个界面的采样时刻和响应值.在断电后的早期,三种模型的扩散过程是几乎一致的,继续向下扩散中,就受到目标薄层的影响.若存在低阻层,则波向下扩散速度会明显降低,径向扩散范围也会被压缩,如在0.607 ms时刻到达电导率为0.1 S/m目标层的上界面处,而波在低阻目标层中的向下扩散速度大大降低,横向扩展很大,直到11.86 ms时最大电场幅值才穿透低阻层下界面;反之,若目标层是高阻层,与不存在目标层的模型的结果相比,则会出现在薄层上方的扩散电场横向略有扩展而在下方的扩散场横向有压缩的现象.图6给出三种目标层电导率情况下,扩散电场最大幅值扩散到目标层时的波场快照图.对应的时刻点分别为0.607 ms、3.02 ms和3.20 ms,对应的响应值分别为159.86、4.29 nV/m2和3.72 nV/m2,而对应的噪声水平分别为4.06、1.80 nV/m2和1.77 nV/m2,均能勘探到低阻薄层.因此,无论300 m深度的薄层是高阻 的还是低阻的,均可被系统探测到.同时,可以看出, 无论目标层电性与围岩是否接近还是一致,仍可根据最大 幅值电磁扩散深度法得到其可靠的探测深度大小.

图5 目标薄层电导率不同时电场扩散位置曲线. 虚线是模型的三个界面,t1、t2、t3分别是目标薄层电导率为 0.1 S/m的模型的场扩散到模型的三个界面时的采样延时, Vz1、Vz2、Vz3分别是相应时刻点的响应值. Fig.5 The diffusing location curves of the electric fields for different conductivity of the objective thin layer model The dotted lines are the three interface of the model, and t1,t2,t3 are the delay times when the maximum electric field reach to the three interface respectively, and Vz1, Vz2, Vz3 are the response values of the three delay times.

图6 薄层电导率取值不同时的4层模型的瞬时电场分布 (a) 目标层电导率为0.1 S/m的模型在0.607 ms时刻的电场分布; (b) 目标层电导率与围岩一致,均为0.01 S/m的模型在 3.02 ms时刻的电场分; (c)目标层电导率为0.001 S/m的模型在3.2 ms时的电场分布.等值线单位:V·m-1 Fig.6 The distribution of the transient electric fields of the four layered model whose thin layer with a different

conductivity
(a)The result at 0.607 ms for the conductivity of the objective thin layer being 0.1 S/m; (b) The result at 3.02 ms for the conductivity of the objective thin layer being 0.01 S/m which is equal to the host; (c )The result at 3.20 ms for the conductivity of the objective thin layer being 0.001 S/m.
5 结论与讨论

时间域航空电磁勘探系统的探测深度是一个与众多因素之间均有复杂关系的问题,是系统指标设计与论证的重点内容之一,在同样条件下,系统的发射磁矩大、噪声小能够增大探测深度,但是从严格意义讲,系统的探测深度不可以单独作为仪器性能指标而单独提出,系统的探测深度强烈地受地电等条件的影响,难以统一地给出一个具体的深度数值而不去考虑适用条件.本文以直升机时间域航空电磁系统CHTEM-I为例,模拟电磁波在地下层状介质中传播过程,将地下介质中感应电场的最大幅值对应的深度作为瞬时探测深度,并根据对应时刻的响应值与系统噪声水平之间的大小关系确定系统可探测到的最大深度.该方法的估算结果不受模型层厚薄,或目标层与围岩电性差异小等因素影响,因而其结果是可靠的,可作为系统探测深度的理论分析手段.这种估算系统探测深度的思路可以用于其他电磁法的探测深度估算之中,并无本质区别.根据对计算结果的分析,对CHTEM-I系统而言,在噪声水平定义为与t-0.5成正比的条件下,半空间模型电导率在0.000295~0.0422 S/m范围内时,系统探测深度均可达到300 m以上.介质导电性强弱对系统探测深度影响较大,高阻介质的探测深度大小对噪声水平高低更为灵敏.降低噪声水平对增加系统探测深度非常有效,同时,介质的导电性高低与探测深度关系非常密切,在导电性相对差的一些介质中,降低噪声水平系统的探测深度增加更为有效.同时,在保证安全前提下,降低收发线圈的高度可以提高系统的探测深度.论文最后模拟了一个典型的四层模型的波场扩散快照,直观地证实了系统能够探测到其中的300 m深的目标薄层.

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