地球物理学报  2019, Vol. 62 Issue (4): 1526-1540   PDF    
浅海瞬变电磁全波形响应特征及探测能力分析
赵越1,2, 许枫1,2, 李貅3, 鲁凯亮3     
1. 中国科学院声学研究所, 北京 100190;
2. 北京海洋声学装备工程技术研究中心, 北京 100190;
3. 长安大学地质工程与测绘学院, 西安 710054
摘要:瞬变电磁法在浅海工程勘探等领域受到了越来越多的关注.目前浅海瞬变电磁仍处于应用初期,相关研究少且未有成熟装备问世,有必要研究其探测能力并为观测系统选取最佳观测参数.本文以几种典型发射波形为例,采用褶积算法细致分析了不同发射波形条件下浅海瞬变电磁on-/off-time响应受海底介质电导率、磁导率及发射波形脉宽等参数的影响特征与规律;通过三维正演并设定极限探测深度阈值,进一步分析不同发射波形on-/off-time期间浅海瞬变电磁探测能力及对典型三维目标体的极限探测深度.基于本文研究成果,可为浅海瞬变电磁探测装置设计、观测系统的参数选取及试验参数的选取等提供了一些有价值的理论借鉴.
关键词: 瞬变电磁      浅海      发射电流波形      探测能力      on-time与off-time     
Exploration capability of transmitter current waveform on shallow water TEM response
ZHAO Yue1,2, XU Feng1,2, LI Xiu3, LU KaiLiang3     
1. Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;
2. Beijing Engineering Technology Research Center of Ocean Acoustic Equipment, Beijing 100190, China;
3. College of Geology Engineering and Geomatics, Chang'an University, Xi'an 710054, China
Abstract: The transient electromagnetic (TEM) method in shallow sea has received munch attention as an effective geophysical tool in engineering and environment investigation. Since it is still at its infancy, then it is necessary to study its exploration capability and select the best observation parameters for the investigation system. The advantages of using central loop systems at sea are twofold:simplified navigation and simplified operation. This paper investigates the effect and exploration capability of different TEM transmitter waveforms on measuring dBz/dt and Bz response in shallow sea. First, the characteristic of the transmitter pulse shape is calculated by spectrum analysis. The pulse shapes considered include the square, trapezoid, triangular and half-sine shape. Then, using the convolution algorithm, we analyze the influence of seafloor conductivity, permeability, waveform plus width and the on-and off-time dBz/dt and Bz signals on the exploration capability. Finally, in order to simulate the three-dimensional marine TEM response, the vector finite element method (VFEM) is used to simulate the on-and off-time dBz/dt and Bz response over a 3D conductor which buried in the seafloor, and calculate the exploration depth of different transmitting waveforms, on-and off-time TEM response. The accuracy of our algorithm is checked with previous work. The result shows a good agreement. The following observations are obtained based on numerical tests:1) TEM response in shallow sea has good resolving power to the conductive seafloor, but poor one to the resistive seafloor. 2) TEM response in shallow sea increases with the increasing seafloor permeability, Bz response is more sensitive to the permeability changes than dBz/dt response, and triangular and half-sine waves are more strongly influenced by the change in seafloor permeability than trapezoid wave. 3) Depending on the detected target, the exploration capability and efficiency of shallow sea TEM can be enhanced by choosing appropriate pulse width. 4) The on-and off-time Bz response has deeper exploration depth than the dBz/dt response. 5) The effect in turn-off time of trapezoid waves on the exploration capability of on-time response is greater than off-time response, both for Bz and dBz/dt response. The presented work provides theoretical basis for both the development of shallow sea TEM and selection of observation and interpretation parameters in the future.
Keywords: Transient electromagnetic    Shallow sea    Transmitter current waveform    Exploration capability    on-time/off-time    
0 引言

我国是一个海洋大国,四海相连形成了一片广阔的大陆架海域,其海域距岸20海里范围内水深小于50 m的水域约占94.5%,水深小于30 m的水域约占81%,广阔的浅水、甚浅水区域是我国重要的经济活跃区.伴随着“一带一路”倡议的推进与经济全球化的不断发展,未来我国近海港口的运输与相关工程建设将不断深化与升级,浅水域工程、环境勘查等工作也将随之增加.海洋电磁法是海底资源勘探与地质构造研究的重要的海洋地球物理方法之一,近年来,海洋电磁法特别是海洋可控源电磁方法(CSEM)在国际海洋油气勘探领域得到了广泛的应用.随着全球经济的发展及科技的不断进步,海洋电磁法也逐渐拓展到工程、环境、军事等多个领域(何继善和鲍力知, 1999).海洋瞬变电磁法(TEM)(Edwards and Chave, 1986; Cheesman et al., 1987; Everett and Edwards, 1993)相对于目前发展较为成熟的频率域可控源电磁法(CSEM)(Eidesmo et al., 2002; Constable, 2010)起步较晚,但前人的研究发现(Weiss, 2007; Li and Constable, 2010; Barsukov and Fainberg, 2014; 周建美等, 2016),针对传统的水平电偶极源大收发距拖曳装置,TEM方法在浅海区油气勘探中不易受空气波干扰,探测分辨率高;并且可以使用表面拖曳方式,进一步提高工作效率.此外,由于TEM方法对良导体具有较高的分辨率,其在浅水工程勘查(输油管线、通讯电缆探测等)(刘长胜和林君, 2006; 李慧等, 2006)及未爆物(UXO)探测等领域中有着可观的应用前景(黄颂等, 2014).中心回线装置是陆地TEM常用的探测装置,将其应用于浅海目标探测也具有其独特的优势:(1)该装置体积效应小,与地下异常体耦合最佳,且发射与接收系统可以组合在一起,不仅减小了设备体积,而且操作简单,便于海上收放;(2)该装置可以在海水中进行拖曳式测量,可实现连续、快速的扫面观测,大大加快工作效率(Swidinsky, 2012).因此,本文主要针对中心回线装置进行分析.

浅海瞬变电磁发展较晚,目前还未有成熟适用的产品及型号.因此,针对浅海瞬变电磁观测系统的设计,应根据勘探目标的特征,选择具有最佳耦合的观测系统,分析其对目标体的探测能力,针对设定的模型进行计算和分析,以获得最佳参数.激发场源的发射波形便是影响观测系统性能的一个重要因素,为了进一步拓展瞬变电磁方法的探测能力,并根据用户的不同需求满足不同探测目标的需要,众多学者针对激励波形改进及其处理解释进行了研究.由于航空瞬变电磁系统中多采用全波形记录方式(Balch et al., 2003; Witherly et al., 2004; Fountain et al., 2005),因此目前针对全波形响应的相关研究主要集中航空瞬变电磁领域.

Liu(1998)以自由空间中按指数衰减的导体回线作为模型,对阶跃波、方波、半正弦波等几种不同发射波形的航空瞬变电磁off-time响应进行了分析,并针对不同的目标给出了最佳波形的选取原则.陈曙东等(2012)在此模型基础之上,推导并分析了方波、梯形波、半正弦波、三角波激励的全时响应特点,总结了不同波形on/off-time的响应规律.Sattel(1998)研究了半正弦波激励条件下的航空瞬变电磁全时响应特征,并以当时QUESTEM-450系统实测数据为例对on-time和off-time数据进行了层状反演(LEI)及CDI反演,两种反演结果均显示on-time数据在高阻区有更好的分辨率并能在晚期消除由噪声引起的信号干扰.Balch等(2003)对AeroTEM系统的on-time数据进行了反演解释.殷长春等(2008, 2015)利用阶跃响应与电流的时间导数的褶积计算实现了发射电流情况下的航空瞬变电磁全时响应的计算,并以半正弦波与梯形波为例,分析了多种因素对于ATEM探测能力的影响情况.齐彦福等(2017)采用时域有限元方法,通过直接改变每个时间道上的瞬时电流强度模拟任意发射波形的三维ATEM电磁响应.

根据上文可知,基于目前瞬变电磁方法的发展现状对于全波形响应研究主要集中于航空系统中,并且研究主要以一维模型为主,对于全时响应的变化规律及其探测能力的研究较为零散,不够系统.目前对于浅海瞬变电磁系统的全时响应还未见有相关研究报道,在借鉴并发展前人研究成果的基础之上,我们细致分析了几种典型激励波形的频谱特征,针对不同参数条件影响下的全波形浅海瞬变电磁on-/off-time期间响应特征与变化规律进行了研究.以浅海良导体目标探测为例,引入矢量有限单元三维正演方法,分析了不同波形条件下on-/off-time期间浅海TEM的Bz与dBz/dt响应的探测能力,以及对浅海三维模型的极限探测深度.通过以上研究分析,为今后浅海瞬变电磁探测仪器的系统设计提供了理论依据.

1 海洋回线源瞬变电磁正演理论 1.1 海洋回线源一维数值响应计算

回线源在海底产生的响应是考虑海水介质的全空间条件下的响应.在全空间环境下,非圆形回线产生的瞬变电磁响应是相对复杂的,难以利用解析形式表示.由于电磁场满足叠加原理,因此任意形状的回线源所产生的TEM响应可以由电偶极子或磁偶极子矢量叠加近似求取.本文以开源软件Dipole 1D(Kerry, 2009)为基础并对其进行改进,利用电偶极子叠加方法求取海底回线源所产生的瞬变电磁响应,接着将回线源沿发射回线划分成若干个小的电流微元,计算每个小电流微元的响应最后通过矢量叠加的方法求得回线源所产生的总响应.

一维全空间海洋层状地质模型如图 1所示,自上而下编号分别为-1, 0, 1, …, n,令编号-1层为空气层,海水为第0层,电导率自上而下分别是σ-1, σ0, σ1, …, σn,海水层厚度为d0,海底相对应的各层厚度为d1, d2, …, dn-1.将边长为L的方形回线置于海水中,发射源离海底距离为h,建立Z轴垂直向下为正方向的柱坐标系,电流环中心坐标为(0, 0, d0-h),回线内通以电流I0.取时谐因子为e-iωt,为求解方便引入磁矢量势A进行求解.依据Maxwell方程组可知对于图 1中任意位置处的电偶极子所产生的磁矢量势改写成汉克尔变换形式:

图 1 一维层状海底地质模型示意图 Figure 1 Sketch map of 1D layered sea geological model

(1)

其中J0为0阶第一类贝塞尔函数,r为水平收发距.假设水平电偶极子沿X轴放置,那么(1)式可以进一步改写成以下形式:

(2)

其中γi2=λ2-iωμσi, λ为积分变量,ω为角频率,μ为介质磁导率,且有μ=μ0μr,其中μr为相对磁导率,μ0为真空磁导率,μ0=4π×10-7H·m-1δij= zi为各层顶面坐标,发射源位于第j层且深度为zs=d0haicibidi为衰减系数(Kerry Key, 2009).在计算出磁矢量势A后,将其代入式(3)中即可求得频率域的电磁场值.

(3)

时间域电磁法通常采用垂直阶跃电流,其得到的响应称其为阶跃响应.在阶跃波激发条件下,频率域电磁响应与时间域响应的对应关系如下:

(4)

其中,F表示电场或磁场响应。进一步根据欧拉公式可得复指数与三角函数之间的关系:e-iωt=cos(t)-isin(ωt),将其代入式(4)中可以得到阶跃波激发下频率域电磁场与时间域电磁场的关系式:

(5)

对于式(5)采用160点正余弦滤波系数(智庆全, 2015),采样间隔ln(10)/10,采样范围[-59, 100],具有16位有效数字.

求得电偶极子时域响应之后,对发射回线源进行合理剖分,并对各个剖分段进行矢量叠加,即可获得回线源在全空间条件下的电磁场响应.其中N为总剖分段数:

(6)

以上程序不局限于海洋模型,其可以计算任意形状场源在全空间任意位置处的一维电磁场响应.

1.2 不同海水深度TEM响应规律

通过以上方法可以计算出回线源在海底产生的电磁响应,该响应由两部分组成:1)海水和海底介质所引起的响应,2)海水与空气层界面所引起的响应.依据趋肤公式(Nabighian, 1987)及前人(刘长胜和林君, 2006)计算结果可知,对于海水深度较大时,认为海水与空气层界面的影响可忽略不计,可将海水视为均匀半空间模型.目前针对海洋回线源瞬变电磁的研究多基于深海情况,浅海情况需要考虑海水与空气层界面所引起的响应,计算相对较为复杂.

为了进一步了解海洋模型回线源瞬变电磁响应规律,以中心回线装置为例(图 2a),将发射回线放置于海底表面上,发射参数如下:发射波形为垂直阶跃波,发射线框边长为4 m,发射电流为1 A,接收面积1 m2.模型参数如下:给定空气层电导率为σ-1=10-7S·m-1,空气层厚度为d-1=105 m,海水电导率σ0=3 S·m-1,令沉积层为均匀介质且其电导率取值为σ1=1 S·m-1,改变海水深度d0(见图 2b)分析不同海水深度情况下瞬变电磁归一化响应的变化规律与特征.

图 2 不同海水深度影响下海洋瞬变电磁归一化响应曲线对比图 (a)一维模型示意图; (b)归一化响应曲线对比图. Figure 2 The normalized dBz/dt response for different seawater depth. (a) Sketch map of the 1D model; (b) The normalized dBz/dt response.

为了进一步详细了解海水深度的影响情况,我们给出了一个较大的变化范围,将海水深度由0.1 m逐渐增大至∞(计算时给定深度为105m),根据图 2b中对比曲线可知:

(1) 由于发射源与接收点均置于海底表面,因此观测到的瞬变电磁响应可以简单分为海水-空气介质响应和海底介质响应两部分.当海水深度为0.1 m时,瞬变响应与陆地模型(d0=0 m)曲线基本重合,只在时间道早期存在差异;随着海水深度的增加,海洋瞬变电磁响应与陆地模型响应差异逐渐增大,且越来越接近无线海水深度条件下的瞬变响应;当海水深度为500 m时,其响应曲线与d0=∞时响应曲线重合,即在图 2中的观测时间范围内, 海水与空气界面的影响已经可以忽略,可以将海水等效为均匀半空间模型,与前人结论一致(刘长胜和林君, 2006).

(2) 不同海水深度的瞬变响应曲线差异主要集中在晚期时间道,进一步总结变化规律可以理解为:回线源在海底产生的响应是考虑海水介质的全空间条件下的响应,其产生的感应电流不仅向下向深部扩散同时也向上向海面扩散;在时间道早期,感应电流向上扩散还未穿透海水到达空气,其总响应的贡献主要来自海水介质与海底介质,随着时间的推移,感应电流逐渐向上扩散穿透海水层到达空气介质,由于空气中无感应电流,瞬变响应幅值降低,总响应仅含海底介质的响应,故此时的海洋瞬变电磁响应与陆地响应曲线重合;感应电流向上穿透海水所需时间随着海水深度的增大而逐渐增加,当海水达到一定深度时,在探测时间道范围内涡流已无法穿透海水,故可以将大于此深度的海水等效为半空间模型.

1.3 任意波形时间域响应提取

通过研究发现对于中心回线装置的瞬变电磁系统(赵越等, 2017),由于海水的滤波作用,拖曳高度对于瞬变电磁的探测结果有直接影响,探测能力与分辨率随着拖曳高度的增加迅速降低.因此为了保证探测效果应在环境因素允许的条件下尽量减小拖曳高度,然而回线源装置水下拖曳较传统电性源装置更为困难;并且为了实际操作方便并进一步降低探测成本,回线源尺寸不宜过大.为了进一步提高探测效率与实用性,实现良好的探测效果,可采用水下无人设备AUV(Autonomous Under Vehicle)/ROV(Remotely Operated Vehicle)等为观测平台搭载瞬变电磁装置进行探测(Goto et al., 2011; Nakayama and Saito, 2014).由于无人设备平台尺寸有限,发射功率受限,因此有必要对发射波形进行改造.

为了进一步提高瞬变电磁的探测能力,国内外学者逐渐尝试对瞬变电磁的发射波形进行进一步的改进,以期能够针对不同的勘探目标给出最佳波形的选取方案(Chen et al., 2015),这需要有能够实现任意发射波形激励的瞬变电磁仿真算法.

对于任意波形产生的电磁场,可通过褶积的方式获得(Yin et al., 2008):

(7)

其中,IBstep分别表示发射电流与阶跃响应.显然,通过(7)式计算便可得到任意发射波形的时间域响应.本文采用三次样条函数对数据进行离散,从而进一步求取褶积响应.

1.4 算法验证

为了验证本文全波形褶积算法的正确性,将本文计算结果与前人结果进行对比(齐彦福等, 2017).以航空瞬变电磁模型为例,模型参数如下:采用中心回线航空TEM装置对电导率为0.1 S·m-1的均匀半空间模型进行探测,其中发射线圈为边长6.66 m的正八边形,观测高度30 m,发射采用单位电流强度、脉冲宽度为4 ms的半正弦波.由图 3中结果可见本文算法结果与前人结果吻合很好,除个别转折点外整体误差均在2%以下,由此证明本文算法正确有效.

图 3 半正弦波全时响应结果与齐彦福等(2017)计算结果对比图 (a), (c)分比为dBz/dtBz响应曲线对比图; (b), (d)为相应的相对误差曲线. Figure 3 Comparison of the TEM response for a half-sine transmitting wave and its relative errors (a), (c) are respectively dBz/dt and Bz; while (b) and (d) are their relative errors.
2 浅海TEM不同波形响应分析 2.1 TEM常用发射波形及其频谱分析

方波、梯形波、半正弦波与三角波是四种较为常用的波形,在实际观测中,为了有效地抑制观测系统中的直流偏移和超低频噪声的干扰,激发场的波形采用周期性重复的双极性脉冲序列连续激发(如图 4所示),发射电流为双极性脉冲,周期为T,占空比为1/4,令电流幅度最大值为1.由于双极性脉冲所观测的结果是单个脉冲响应的重复,因此本文仅就单个脉冲波形及其频谱加以分析.

图 4 四种常见发射电流波形 Figure 4 Schematic plot of typical transmitter current waveform

利用离散傅氏变换即可得到四种波形的频谱如下(陈曙东等, 2012):

(8)

将上式中不同电流波形的频谱归一化后附于图 5a中,其中发射电流的脉宽Δ给定为10 ms,发射电流最大幅值为1,梯形波上升沿与下降沿Δ1给定为1 ms.由图 5a可知,方波、梯形波、半正弦波,三角波的能量均主要集中在低频部分,随着频率的增大,能量均逐渐减小;当四种电流波形的脉宽及电流峰值相同的情况下,方波频谱的响应幅度最大,其次为梯形波、半正弦波,三角波响应幅度则最小;即在发射脉宽一致的情况下,为了获得相当的发射能量(即波形与时间轴围成的面积相等),三角波需要最大的峰值电流.方波信号能够提供更多的高频成分,因而能够产生较强的信号,适用于浅层目标体或高阻体的探测.但实际探测中理想的方波信号不可实现,梯形波电流由于其易于实现并且频谱能量较高,在地面瞬变电磁法中应用广泛.

图 5 发射电流波形频谱特征 (a)归一化不同波形频谱分布; (b)不同脉宽方波的频谱特征. Figure 5 Spectrum analysis in different transmitter current waveform (a) Normalized spectrum analysis of different transmitter waveform; (b) Trapezoid waveform with different pulse width.

图 5a展示了固定脉宽情况下四种不同电流波形在各个频段的能量分布情况,由于电流脉冲的供电时间长短直接决定系统基频的大小,从而将进一步影响发射电流的频谱分布.因此,以下以方波激励为例,记基频ω0=1/Δ,给出不同脉宽条件下的频谱分布如图 5b所示,结果显示脉宽长度控制着不同频段的能量分布.当方波脉宽增大,方波基频降低时,方波低频部分所占能量也相应增大,有利于深部信息的探测;与此同时高频部分能量则降低,相应的分辨能力也将下降.相反的,减小脉宽则可以提高对浅部信息探测的分辨能力.因此,实际探测可根据探测

深度的需要对于基频进行调整,将分辨率集中在目标区域,从而达到有效探测的目的.

2.2 不同发射波形全时响应特征

为了进一步研究浅海条件下瞬变电磁全波形响应特征,参照图 1设计模型,参数如下:以中心回线装置系统为例,海水深度为d0=10 m,发射框边长为3 m,置于海底表面,给定发射电流为1 A,海水电导率σ0=3 S·m-1.以下以梯形波、三角波及半正弦波为例,假设海底沉积层为均匀介质,讨论不同发射波形全时响应随地下电性变化的情况,计算结果如图 6所示.其中,所给波形基频均为25 Hz,三角波与半正弦波的脉宽Δ为4 ms,梯形波的上升沿与下降沿均为0.2 ms,持续时间为3.6 ms.

图 6 Bz与dBz/dt时间域全波形响应随沉积层电性变化曲线 (a)、(b)分别为利用半正弦波发射时的Bz与dBz/dt响应曲线;(c)、(d)分别为利用梯形波发射时的Bz与dBz/dt响应曲线;(e)、(f)分别为利用三角波发射时的Bz与dBz/dt响应曲线. Figure 6 Full-wave TEM response of shallow sea with different transmitter current waveform (a), (b) are half-sine Bz and dBz/dt response, respectively; (c), (d) are trapezoid Bz and dBz/dt response, respectively; (e), (f) are triangular Bz and dBz/dt response, respectively.

根据图 6的计算结果可以得出:(1)不同发射电流波形条件下的浅海TEM全波形响应受到地下介质的电性影响显著,不论是on-time还是off-time响应均随着沉积层电性的变化而不断变化;(2)高导沉积层环境下,瞬变电磁响应随海底介质电导率变化明显,相对的当沉积层电导率小于0.1 S·m-1时,响应曲线几乎不发生变化,由此说明浅海回线源瞬变电磁对于低电导率的海底介质分辨率低,更适合探测海底高导介质;(3)图中不同波形激励条件下的Bz与dBz/dt全时曲线响应具有较好的微/积分关系;(4)on-time期间的响应强,对于良导海底介质的分辨率高,相对于off-time响应其对海底介质导电性变化更加敏感.

2.3 不同发射波形响应随介质磁导率变化影响情况

磁导率是电磁法勘探中一个重要的物性参数,其值大小与物质的导磁性密切相关.而在传统的瞬变电磁解释中,通常以真空磁导率代替介质磁导率,忽略了磁化效应的影响.在一些强磁化区域,这样的处理将会导致结果出现较大偏差.由于目前水下UXO及其他探测目标多以铁磁性材料为主,考虑目标磁导率并将其代入研究有助于进一步了解浅海瞬变响应随磁导率变化的特征与规律,不仅能为今后多参数反演解释提供理论基础而且对于水下目标的探测与识别也具有重要的意义.我们以沉积层为层状介质模型为例,研究了考虑磁导率因素条件下不同发射波形全时响应变化特征与规律.

介质磁导率μ为磁感应强度与磁场强度之间的比例系数,即μ=B/H=μ0μr,定义μ0为真空磁导率μ0=4π×10-7H·m-1μr为相对磁导率.自然界绝大多数的岩矿石的相对磁导率均近于1,铁磁性矿物其μr值为2~5.采用中心回线装置并置于海地表面,依据图 1设计海底三层模型如下:令海底上覆盖层与沉积层电导率取值均为σ1=σ3=1 S·m-1,相对磁导率均为1,上覆盖层厚度d1=3 m,中间为良导层σ2=10 S·m-1, d2=10 m;改变中间层磁导率(μr=1, 1.5, 2, 3),其余参数与上文一致.

计算结果如图 7所示:(1)中间层介质磁导率变化会引起电磁响应的变化,且其响应幅值随着介质相对磁导率的增加而逐渐增大;(2)Bz与dBz/dt响应均受到介质磁导率变化的影响,但Bz响应对海底介质磁导率的变化比dBz/dt响应更加明显;(3)对比不同波形的浅海TEM全时响应发现,梯形波曲线受磁导率变化影响的幅度较小,主要影响梯形波上升/下降沿曲线,;而由于三角波及半正弦波电流连续变化,全时段曲线受磁导率变化影响显著,由此说明当发射波形为三角波或半正弦波时,浅海TEM响应受海底介质磁导率影响更加显著.今后对于磁导率变化的进一步研究,采用三角波或半正弦波激励将更具优势.

图 7 Bz和dBz/dt时间域全波形响应随磁导率变化曲线 (a)、(b)分别为利用半正弦波、梯形波和三角波发射时的Bz和dBz/dt响应曲线. Figure 7 Full-wave TEM response of shallow sea with different magnetic permeability (a), (b) Bz and dBz/dt response for half-sine、trapezoid and triangular transmitting wave, respectively.
2.4 不同发射波形脉宽探测能力分析

瞬变电磁探测中,不同的发射基频直接决定了电流的脉宽,从而进一步控制着不同频段的能量分布,影响目标的探测能力.以沉积层为H型模型为例,讨论不同发射波形脉宽与探测能力的对应关系.采用中心回线装置并置于海底表面,模型参数设计如下:上覆盖层与沉积层电导率取值均为σ1=σ3=1 S·m-1,上覆盖层厚度d1=20 m,中间层σ2=10 S·m-1d2=10 m,各层相对磁导率均为1,其余参数与上文一致.采用脉宽为1 ms,4 ms,10 ms,50 ms的半正弦波、梯形波(梯形波的上升沿与下降沿均为0.2 ms)和三角波形进行激发,分别计算其电磁场响应(以dBz/dt为例),并以dBz/dt分量off-time响应定义海洋回线源瞬变电磁全域视电阻率(赵越等,2015),得到结果如图 8所示.

图 8 不同脉宽条件下全域视电阻率曲线 (a)半正弦波不同脉宽条件下视电阻率曲线; (b)梯形波不同脉宽条件下视电阻率曲线; (c)不同波形全域视电阻率曲线. Figure 8 Apparent resistivity of shallow sea TEM with different pulse width (a) Apparent resistivity curve of half-sine transmitting wave; (b) Apparent resistivity curve of trapezoid transmitting wave; (c) Apparent resistivity curve of different transmitter waveform.

图 8(ab)分别为半正弦波及梯形波发射时不同脉宽条件下的视电阻率曲线,当脉宽为1 ms时,视电阻率曲线主要反映第一层电性;当脉宽增加为4 ms时,视电阻率曲线持续下降,逐渐体现第二层电性,由此说明随着脉宽增大探测深度有所增加;脉宽继续增加到10 ms,视电阻率的尾支开始上翘,显示出第三层的电性特征;当脉宽增大到50 ms时,视电阻率曲线形态与10 ms变化不大,但视电阻率曲线幅值更加明显、更加贴近模型视电阻率,并且随着脉宽的增加,视电阻率曲线早期的“overshoot”(Raiche and Spies, 1981)现象得到缓解.依据以上结果可知,当脉宽增大,基频降低时,低频部分所占能量增大,有利于探测深部信息,但计算时间也相应增加.由此说明为达到探测目的,应选择合适的脉宽.以本文模型为例,选取脉宽为10 ms即可以有效反映出海底沉积层电性分布.图 8c显示当脉宽为10 ms时,不同波形视电阻率曲线的对比.图中可以看出不同发射波形的视电阻率曲线形态一致,均可以反映出海底沉积层电性分布特征,但是半正弦波与三角波的电阻率值相对于梯形波更小,且比梯形波在更早时刻达到极值点,三条曲线在晚期幅值重合;由此说明半正弦波与三角波能够在更早的时间穿透沉积层,深部探测能力更强.

3 浅海TEM不同波形探测深度能力分析

瞬变电磁法作为一种时间域电磁感应方法,在工程探测及军事安全领域已经有许多成功的应用实例,并取得了良好的探测效果(Doll et al., 2010; 范涛等, 2016).以探测水下掩埋的UXO为例,设计如图 9所示掩埋单个异常体的三维浅海模型.本文三维浅海模型采用矢量有限单元方法进行正演计算(赵越等, 2017),海水深度为10 m,电导率为3 S·m-1,沉积层为均匀介质其电导率1 S·m-1,异常体规模为2 m×0.5 m×0.5 m(x×y×z),异常体的埋深为1 m,电导率为106 S·m-1;采用中心回线装置,发射线框为边长为4 m的方形回线,距离海底面的拖曳高度为h=2 m,发射电流为100 A.

图 9 3D模型示意图 Figure 9 A 3D model with single abnormal body

图 10(ab)中分别显示的是目标体埋深1 m时的TEM多测道曲线图与全域视电阻率断面图(利用off-time期间dBz/dt定义).多测道曲线图中时间道早期曲线平缓表示浅海背景场响应,随着时间的推移曲线逐渐上凸对应掩埋的低阻目标体.视电阻率断面可以明显的看到图中存在一个低阻异常圈闭,对应模型中的掩埋UXO.以上结果初步验证了利用TEM方法探测浅海掩埋目标体的可行性.

图 10 单个异常体3D模型TEM响应结果图 (a)多测道曲线图; (b)视电阻率断面图. Figure 10 Results of the 3-D model with an abnormal body (a) Curves of dBz/dt; (b) Apparent resistivity contours.

探测深度的概念最早由Evjen(1938)提出,其定义为“地下的水平薄层对总观测信号贡献最大的那个深度”.为了进一步了解不同激励波形对浅海目标体的探测能力与其极限探测深度,以此为依据并借鉴前人思路(殷长春等, 2015),以异常响应的最大值到达背景响应的10%的信号作为最小可识别信号,将其对应的探测深度定义为最大探测深度(不考虑仪器、噪声等因素).以本文模型为例,背景响应为海底介质为均匀半空间时的响应,记为Bz0与dBz0/dt;三维目标体响应记为Bzuxo与dBzuxo/dt;三维模型总响应记为:Bz=Bzuxo+Bz0与dBz/dt=dBzuxo/dt+dBz0/dt;定义最小识别信号的比值为.

为了进一步细致研究不同发射波形的探测能力,以上文基频25 Hz,脉宽为4 ms的半正弦波、梯形波、三角波和方波波形为例,并且综合考虑梯形波关断时间变化的影响(令上升沿与下降沿的时间一致,分别设定Δ1=0.2, 0.5, 1.0 ms),计算其on/off-time期间Bz与dBz/dt响应比值随异常体埋深变化的曲线如图 11所示.出于对文中算法误差控制的考虑,本文中off-time期间对比的截止时间为9 ms.

图 11分别表示发射波形为半正弦、三角、方波及梯形波(不同关断时间)时的on-time与off-time期间Bz与dBz/dt响应随着海底目标体埋深变化的相对比值曲线结果,表 1分别列出了不同波形激励条件下各时期Bz与dBz/dt响应对于浅海掩埋小目标的极限探测深度.图中可以看出:(1)曲线形态均为不断衰减的曲线即随着目标掩埋深度的增加,不同发射波形激励条件下的浅海瞬变响应(包括on-time与off-time)的最大响应比值均随埋深的增加而不断减小.(2)发射波形不同,中心回线瞬变电磁装置对浅海掩埋小型目标体的探测能力也不相同;同一种发射波形条件下其on-time与off-time期间的探测能力也不同.(3)图中结果显示Bz响应的探测能力较dBz/dt更强.由此说明对于浅海条件下的良导体模型,磁感应强度分量Bz对于良导体的探测分辨率更高,探测深度相对更深,这与前人研究结论一致(Smith and Annan, 1998).(4)依据图 11结果发现,当目标体埋深较浅时,方波的分辨能力(Ratio=Bz/Bz0)最强,但随着目标体埋深的增加其分辨能力快速降低,由此进一步说明方波浅层分辨能力高,这符合图 5a分析.

表 1 不同发射波形dBz/dtBz响应探测深度 Table 1 Exploration depth of dBz/dt and Bz response for different transmitter current waveform
图 11 不同发射波形探测深度对比 (a), (b), (c)分别表示半正弦波、三角波、方波激励条件下on-/off-time期间dBz/dtBz响应随掩埋深度变化曲线; (d), (e), (f)分别表示半梯形波不同关断时间条件下on-/off-time期间dBz/dtBz响应随掩埋深度变化曲线. Figure 11 Exploration depth of dBz/dt and Bz responses with different transmitter current waveform (a), (b), (c) are dBz/dt and Bz responses varying with depth for half-sine、trapezoid and square transmitting wave, respectively. (d), (e), (f) are dBz/dt and Bz responses varying with depth for trapezoid transmitting wave of different turn-off time.

为了进一步分析关断时间对于梯形波浅海目标探测能力的影响情况,给出不同关断时间条件下梯形波on-time与off-time期间Bz与dBz/dt响应随着海底目标体埋深变化的相对比值曲线结果.图 12结果显示不论是Bz还是dBz/dt响应,关断时间的变化主要影响on-time期间的瞬变电磁响应,off-time期间影响较小.此外,我们发现关断时间的变化对于on-time与off-time期间梯形波探测能力影响也不相同,对于on-time期间其探测能力与探测极限深度随着关断时间的增加逐渐减小,而off-time期间则与之相反.

图 12 不同关断时间条件下梯形波发射Bz与dBz/dt响应随掩埋深度变化曲线 (a)与(c)分别表示on-time期间Bz与dBz/dt响应随掩埋深度变化曲线; (b)和(d)分别表示off-time期间Bz与dBz/dt响应随掩埋深度变化曲线. Figure 12 Bz and dBz/dt response of trapezoid transmitter current waveform with different turn-off time (a), (c) are on-time Bz and dBz/dt response varying with depth, respectively; (b), (d) are off-time Bz and dBz/dt response varying with depth, respectively.
4 结论

本文研究了不同发射电流波形(梯形波、三角波和半正弦波)对于浅海瞬变电磁全时响应的影响特征及规律,由于中心回线装置在浅海环境中的简便性及其对高导体良好的探测能力,以中心回线装置为例设计浅海掩埋三维小型目标体模型,计算不同激励波形条件下的dBz/dtBz的on-/off-time时间域响应,对比分析其对于浅海目标体的探测能力.通过以上研究分析,总结得到如下结论:

(1) 不同发射电流波形条件下的浅海TEM全波形响应受到地下介质的电性影响显著,并且其对于高导海底沉积层的分辨能力良好,但是对于低电导率的海底介质分辨率较低.

(2) 浅海瞬变电磁响应的幅值随着海底介质相对磁导率的增加而逐渐增大,其中Bz受磁导率变化影响比dBz/dt更加明显;三角波和半正弦波受磁导率变化影响比梯形波更强,更适合于对磁导率变化进行进一步的研究.

(3) 对于发射波形脉宽的选取,脉宽越宽则低频所占能量越大,也就越有利于深部信息探测,但是相应的浅层分辨率降低,同时也更加耗时.因此在考虑探测效率的基础上应针对不同的探测目标选择合适的波形脉宽,浅海环境中脉宽一定的条件下半正弦波及三角波的深部探测能力比梯形波更优.

(4) 对于浅海掩埋的小型良导电目标体,选取不同的激励波形其对目标体的探测能力也不相同,并且不论是on-time还是off-time探测期间Bz响应的探测分辨率较dBz/dt更好,探测深度大于dBz/dt.

(5) 梯形波发射条件下,关断时间变化影响dBz/dtBz响应的探测能力,其中对于on-time期间探测能力影响比off-time期间更加显著.

本文针对不同激励波形条件下的浅海瞬变电磁响应规律进行了研究分析,为浅海瞬变电磁探测方案的设计、观测系统的参数组合等提供了一些有价值的结论及研究思路,针对浅海掩埋小型目标体的多波形探测能力进行了分析,并总结了探测规律.实际浅海瞬变电磁探测方案及观测参数的设计中,应针对探测目标模型进行计算分析,以此选取最优的观测参数.

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