地球物理学进展  2015, Vol. 30 Issue (2): 889-893   PDF    
引用本文
李鹤, 李桐林, 伍亮, 朱成, 孙博. 2015. CSAMT全区视电阻率转换及其效果分析[J]. 地球物理学进展, 30(2): 889-893, doi: 10.6038/pg20150255  
LI He, LI Tong-lin, WU Liang, ZHU Cheng, SUN Bo. 2015. Transformation of all-time apparent resistivity of CSAMT and analysis of its effect. Progress in Geophysics, 30(2): 889-893, doi: 10.6038/pg20150255   
CSAMT全区视电阻率转换及其效果分析
李鹤, 李桐林 , 伍亮, 朱成, 孙博    
吉林大学地球探测科学与技术学院, 长春 130026
收稿日期: 2014-12-12 修回日期: 2015-02-02 .
基金项目：中国地质调查局项目吉黑东部综合找矿方法研究(201301-060-004)资助.
作者简介：李鹤,女,1984年生,硕士,主要从事电法勘探理论模拟与应用研究.(E-mail:42851593@qq.com)
通讯作者：李桐林,男,1962年生,教授,博导,从事电磁法理论及其应用.(E-mail:lilaoshizh@163.com)
摘要：本文给出了一种把卡尼亚视电阻率换算为全区电阻率的便利方法.通过二、三层电性断面的模型试算及实测CSAMT资料的计算结果, 说明在远区该方法的结果等于卡尼亚视电阻率, 在近区和过渡区则明显改善了卡尼亚视电阻率的畸变.该方法能增加CSAMT的勘探深度, 更好地反映地电断面的特征.
关键词： 全区视电阻率     可控源音频大地电磁法     卡尼亚视电阻率    
Transformation of all-time apparent resistivity of CSAMT and analysis of its effect
LI He, LI Tong-lin , WU Liang, ZHU Cheng, SUN Bo    
College for Geoexploration of Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026, China
Abstract: This paper presents a convenient method for convert the Cagniard resistivity to the all-time apparent resistivity. Computation of the apparent resistivity of the two or three layer sections and the result calculated by the CSAMT can reflect that in far-field area the results are equal to Cagniard resistivity,but in near-field area and transient area, the results have greatly improved the strong distortion of Cagniard resistivity.This method will increase the depth of CSAMT exploration and reflect the changes of the vertical subsurface electric vividly.
Key words: all-time apparent resistivity     controlled source audio-frequency Magnetotelluric     Cagniard resistivity    
 0 引 言

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是在大地电磁法和音频大地电磁法的基础上发展起来的一种人工源频率域测深方法，它在矿产勘查、水文-工程地质勘查、地热勘查等方面都取得了良好的效果.目前CSAMT中，视电阻率普遍采用由均匀大地导出的卡尼亚视电阻率.在远区，卡尼亚视电阻率能够客观反映地电断面的垂向变化；在过渡区和近区，卡尼亚视电阻率将发生严重的畸变，不能正确反映地电断面，这种现象称为近场效应(李金铭等，2005;底青云等，2008).理论上，CSAMT应尽量在波区进行测量，然而在实际野外勘探中，受工区条件和发射功率等因素的影响，常常使测量不得不进入过渡区或近区.因此，如何合理地利用这部分测深数据，具有理论意义和实际应用价值(汤井田等，2005;何继善，2010).

目前主要研究成果有：Spies和Wilt等分别提出不同的视电阻率计算方法(Spies et al，1986; Wilt et al，1982; 曹昌祺，1978);殷长春和朴化荣提出了电偶源电磁测深全区视电阻率，并对假极值效应进行了讨论(殷长春等，1991)；汤井田、何继善全面的给出了水平电偶源频率测深中各种等效视电阻率和相位的定义(汤井田等，1994)；黄皓平等研究了水平多层大地上垂直磁偶极频率测深的全波视电阻率(黄皓平等，1992)；汤井田和冯兵等分别给出了CSAMT电场x 方向和y方向视电阻率的定义及由其定义视电阻率的应用优势(汤井田等，2011;冯兵等，2013; 林昌洪等，2012)；另外还有一些学者研究了电磁类方法中其他的近区场校正法及不同的全区视电阻率定义方法(高文，1991;王若等，2003; 陈明生等，2005;李建平，2007;李杰等，2012).本文给出了一种把卡尼亚视电阻率换算为全区电阻率的便利方法，采用电场正演迭代拟合卡尼亚视电阻率来进行近场改正.通过建立二、三层电性断面模型，对比分析说明在远区该方法求得的全区视电阻率等于卡尼亚电阻率，在近区和过渡区则明显改善了卡尼亚视电阻率的畸变.实测CSAMT资料中，对比了全区视电阻率一维反演图、卡尼亚视电阻率一维反演图、OCCAM法视电阻率一维反演图，以及由实测电阻率直接进行带源反演所得一维反演图，说明了该方法的可行性. 1 理论与方法

电偶极子在均匀水平大地上电场和磁场为

式中I0、K0、I1、K1为零阶和一阶的第一类和第二类修正贝塞尔函数，其宗量为 k1r；r为收发距；波数k1=为电流偶极矩PE=I×AB；φ为r方向与X轴的夹角.

视电阻率运算公式定义为

式中μ为磁导率，H/m；ω为谐变电流的圆频率，rad/s.

由于上两式中视电阻率以隐函数形式存在，故由场分量求出视电阻率是不可能的.本文利用等效电阻率的意义，采用电场正演迭代拟合卡尼亚视电阻率来进行近场改正，拟合过程如下.

(1)给出视电阻率初值ρ1，初值可以是任意的，但一般取大于1的正整数.

(2)将ρ1带入式(1)(2)，进而求出ρs.

(3)判断 ρs－ρ实测 /ρs≤ε(ε为给定的小于1的正数)是否成立，如果成立，运算停止，ρs为等效电阻率；否则，令ρ1=ρ1+Δρ(Δρ为给定值)，返回上步重新计算，直到该式成立.

(4)输出等效电阻率ρs.

2 理论模型计算分析 2.1 二层模型计算的视电阻率

图 1为两层模型视电阻率对比图，源长 1 km，垂直收发距为 8 km，电流强度10 A.模型第一层电阻率100 Ω·m，厚度400 m；第二层电阻率800 Ω·m.由图可见，高频时卡尼亚视电阻率①与全区视电阻率②趋近于同一数值，过渡区均出现了较小的假极值，低频时视电阻率发生明显的畸变，而全区视电阻率是一条水平渐近线，较形象地反映了地下电性的两层变化特征.

图 1 两层模型视电阻率曲线对比Fig. 1 Comparison of apparent resistivity curves of two layeres
2.2 三层模型计算的视电阻率

图 2为三层模型视电阻率对比图，源长 1 km，垂直收发距为 8 km，电流强度10 A.模型第一层电阻率400 Ω·m，厚度200 m；第二层电阻率100 Ω·m，厚度400 m；第三层电阻率600 Ω·m.从图中可以看出，高频时两种视电阻率均趋近于同一数值.随着频率减小，两种视电阻率值均逐渐下降，在低频点上，卡尼亚视电阻率①发生明显的畸变，而全区视电阻率②随频点基本稳定不变，形成平缓的渐近区，比较真实地反映出地下电性的三层变化特征.

图 2 三层模型视电阻率曲线对比Fig. 2 Comparison of apparent resistivity curves of three layeres
3 实际应用

研究区位于长白山腹地，测量采用标量CSAMT装置，用发送机通过两个接地电极A、B向地下供交变电流，实际探测中AB=1200 m，考虑到勘探深度要求，测量频率为8192-1 Hz，共26个频点，测深点距为50 m，收发距6 km，测量电场的X分量和磁场的Y分量，随着由高到低逐个改变频率，获得每个频点的卡尼亚电阻率.

图 3为一测点实测卡尼亚视电阻率①与全区视电阻率②的对比图，可以看出，在远区，全区视电阻率与实测电阻率值基本一致；进入过渡区和近区，实测视电阻率有明显的畸变，而全区视电阻率改正效果非常明显.

图 3 实测视电阻率与全区视电阻率对比图Fig. 3 Comparison of all-time apparent resistivity and Cagniard resistivity

图 4、图 5、图 6、图 7为工区内同一条测线利用不同方法反演出的视电阻率图(翁爱华等，2015;王显祥等，2014;王绪本等，2013).从图 4中可以看出，实测卡尼亚视电阻率当达到1000 m时，出现明显的高阻异常，这是由近场效应影响的.图 5是由实测电阻率利用SCS2D软件直接进行带源一维反演所得，是目前CSAMT数据处理中比较成熟且得到公认的一种方法.图 6是由OCCAM法(尚通晓，2007;张辉，2005;雷达，2010;范翠松，2012)进行一维反演所得视电阻率图，该方法具备一定的可靠性.图 7为本文方法所求全区视电阻率一维反演图.由于是对实际数据进行反演，影响因素比较复杂，后三种方法得到的反演图并不能达到完全一致，但在对地下电阻率的垂向变化趋势的反映上基本相似，都达到了良好的效果，由此进一步验证了本方法的可行性和有效性.

图 4 实测卡尼亚视电阻率一维反演图Fig. 4 1D inversion result of Cagniard resistivity

图 5 带源一维反演图Fig. 5 1D inversion result with source

图 6 OCCAM法视电阻率一维反演图Fig. 6 1D inversion result of apparent resistivity of OCCAM

图 7 全区视电阻率一维反演图Fig. 7 1D inversion result of all-time apparent resistivity
4 结 论 4.1     该方法求得的全区视电阻率在远区等价于卡尼亚视电阻率；在近区和过渡区，改正卡尼亚视电阻率畸变效果非常明显.

4.2     能直观地反映介质电阻率的垂向变化特征，增大了CSAMT探测的深度.在实际工作中，该方法具有较大的应用价值.

4.3     该方法简便，运算速度较快.
参考文献
[1] Cao C Q.1978.The apparent resistivity for layered earth [J]. Chinese Journal Geophysics,21(3):248-261.
[2] Chen M S, Yan S. 2005. Analytical study on field zones, record rules,shadow and source overprint effects in CSAMT exploration[J]. Chinese Journal Geophysics, 48(4):951-958.
[3] Di Q Y, Wang R. 2008. Controlled source audio-frequency magnetotellurics[M]. Science Precss, Beijing.
[4] Fan C S,Li T L,Yan J Y.2012.Research and application experiment on 2.5D SIP inversion[J].Chinese Journal Geophysics,55(12):4044-4050.
[5] Feng B, Wang J L, Zhou X W, et al .2013.Application of full-region apparent resistivity of CSAMT Ex in exploration[J].Coal Geology and Exploration, 41(6):73-82.
[6] Gao W,1991.Line source effects on Magnetotelluric responses[J].Chinese Journal Geophysics, 34( 2) :210-215.
[7] He J S. 2010.Wide field electromagnetic sounding methods[J]. Journal of Central South University, 41(3):1065-1072.
[8] Huang H P, Piao H R. 1992.Full-wave apparent resisitivity from vertical magnetic dipole frequency soundings on a layered earth[J].Chinese Journal Geophysics,35(3) :388-395.
[9] Lin C H,Tan H D,Ghu Q, et al.2012.Three-dimensional conjugate gradient inversion of CSAMT date[J]. Chinese Journal Geophysics,55(11):3829-3839.
[10] Li J M.2005.Geoelectric Field and Electrical Exploration[M].Beijing:Geological publishing house:427-440.
[11] Li J P, Li T L,Zhao X F, et al.2007.Study on the TEM all-time apparent resistivity of arbitrary shape loop source over the layered medium[J]. Progress in Geophysics ,22(6):1777-1780.
[12] Li J, Liu J X, Tong X Z, et al.2012.Line sources FCSEM two-dimensional forward modeling based on the all-time apparent resistivity [J]. Progress in Geophysics,27(1):0343-0348.
[13] Lei D.2010.Studies and applications of 2-D CSAMT modeling and inversion with a dipole source and topography [J]. Chinese Journal Geophysics,53(4):982-993.
[14] Shang T X. 2007. Full-Region Inversion of 1-D CASMT[J],Journal of Jilin University,37(2) :24-27.
[15] Spies B R, Eggers D E. 1986.The use and misuse of apparent resistivity in electromagnetic methods[J].Geophysics,51:1462-1471.
[16] Tang J T, He J S. 2005.Application of CSAMT[M].Changsha:Zhongnan University Press:72-75.
[17] Tang J T, He J S. 1994.A new method to define the full-zone resistivity in horizontal electric dipole frequency soundings on a layered earth[J]. Chinese Journal Geophysics, 37(4):543-551.
[18] Tang J T, Zhou C, Zhang L C. 2011. A new apparent resistivity of CSAMT defined by electric field y-direction[J].Journal of Jilin University, 41(2):552-558.
[19] Wang R, Wang M Y.2003. Inversion method of controlled source audio-frequency magnetotelluric data[J].Progress in Geophysics, 18(2):197-202.
[20] Weng A H,Li D J,Li Y B, et al. 2015. Selection of parameter types in Controlled Source Electromagnetic Method[J]Chinese Journal Geophysics, 58(2):697-708.
[21] Wang X X, Di Q Y, Xu C.2014. Characteristics of multiple sources and tensor measurement in CSAMT[J].Chinese Journal Geophysics, 57(2):651-661.
[22] Wang X B, Chen J C, Guo Q S.2013. Research of the CSAMT exploration mode and experiment foe the coalbed methane enrichment region in the north Qinshui basin[J].Chinese Journal Geophysics, 56(12):4310-4323.
[23] Wilt M, Stark M. 1982. A simple method for calculating the apparent resistivity from electromagnetic sounding data[J].Geophysics,47:1100-1105.
[24] Yin C C, Piao H R. 1991.A Study of the definition of apparent resistivity in electromagnetic sounding [J].Geophysical and Geochemical Exploration, 15(4):290-299.
[25] Zhang H, Li T L. 2005. Computation of Green's tensor integrals for electromagnetic problems using Gaussian quadrature and continued fraction[J]. Progress in Geophysics, 19(3): 667-670.
[26] 曹昌祺.1978.水平层状大地上的交流视电阻率[J].地球物理学报,21(3):248-261.
[27] 陈明生,闫述.2005.CSAMT勘探中场区、记录规则、阴影及场源复印效应的解析研究[J].地球物理学报,48(4):951-958.
[28] 底青云,王若. 2008.可控源音频大地电磁数据正反演及方法应用[M].北京:科学出版社.
[29] 范翠松,李桐林,严加永.2012.2.5维复电阻率反演及其应用试验[J].地球物理学报,55(12):4044-4050.
[30] 冯兵,王珺璐,周祥文,等.2013.CSAMT 探测中电场Ex全区视电阻率定义及应用[J]. 煤田地质与勘探,41(6):73-82.
[31] 高文.1991.大地电磁感应的场源效应[J] .地球物理学报,34( 2):210-215.
[32] 何继善.2010.广域电磁测深法研究[J].中南学大学学报,41(3):1065-1072.
[33] 黄皓平,朴化荣.1992.水平多层大地上垂直磁偶极频率测深的全波视电阻率[J].地球物理学报,35(3):388-395.
[34] 林昌洪,谭捍东,舒晴,等.2012.可控源音频大地电磁三维共轭梯度反演研究[J].地球物理学报,55(11):3829-3839.
[35] 李金铭.2005.地电场与电法勘探[M].北京:地质出版社:427-440.
[36] 李建平,李桐林,赵雪峰,等.2007.层状介质任意形状回线源瞬变电磁全区视电阻率的研究[J].地球物理学进展,22(6):1777-1780.
[37] 李杰,柳建新,童孝忠,等.2012.基于全区视电阻率的线源FCSEM二维正演模拟[J].地球物理学进展, 27(1):0343-0348.
[38] 雷达.2010.起伏地形下CSAMT二维正反演研究与应用[J].地球物理学报,53(4):982-993.
[39] 尚通晓.2007. CSAMT一维全区反演[J].吉林大学学报,37(2):24-27.
[40] 汤井田,何继善.2005.可控源音频大地电磁法及其应用[M].长沙:中南大学出版社:72-75.
[41] 汤井田,何继善.1994.水平电偶源频率测深中全区视电阻率定义的新方法[J].地球物理学报,37(4):543-551.
[42] 汤井田,周聪,张林成.2011.CSAMT电场ｙ方向视电阻率的定义及研究[J].吉林大学学报,41(2):552-558.
[43] 王若,王妙月.2003.可控源音频大地电磁数据的反演方法[J].地球物理学进展,18(2):197-202.
[44] 翁爱华,李大俊,李亚彬,等.2015.数据类型对三维地面可控源电磁勘探效果的影响[J].地球物理学报,58(2):697-708.
[45] 王显祥,底青云,许诚.2014.CSAMT的多偶极子源特征与张量测量[J].地球物理学报,57(2):651-661.
[46] 王绪本,陈进超,郭全仕,等.2013.沁水盆地北部煤层气富集区CSAMT勘测实验研究[J].地球物理学报,56(12):4310-4323.
[47] 殷长春,朴化荣.1991.电磁测深法视电阻率定义问题的研究[J].物探与化探,15(4):290-299.
[48] 张辉,李桐林.2005.利用高斯求积和连分式展开计算电磁张量格林函数积分[J].地球物理学进展,19(3): 667-670.