地球物理学进展  2017, Vol. 32 Issue (2): 579-583   PDF    
引用本文
曹金华, 李桐林, 刘永亮, 等. 2017. 激电和电磁效应对三维复电阻率正演结果的影响研究. 地球物理学进展, 2017, 32(2): 579-583, doi: 10.6038/pg20170217  
CAO Jin-hua, LI Tong-lin, LIU Yong-liang, et al. 2017. Study on the influence of IP and EM effects of 3D resistivity modeling results. Progress in Geophysics (in Chinese), 32(2): 579-583, doi: 10.6038/pg20170217   
激电和电磁效应对三维复电阻率正演结果的影响研究
曹金华, 李桐林, 刘永亮, 张镕哲     
吉林大学地球探测科学与技术学院, 长春 130026
收稿日期：2016-08-15; 修回日期：2017-02-04.
作者简介：曹金华, 男, 1990年生, 硕士, 主要从事电磁法理论及三维正反演研究.(E-mail:go_running@sina.com)
通讯作者：李桐林, 男, 1962年生, 教授, 主要从事电磁法理论与应用教学和研究.(E-mail:lilaoshizh@163.com)
摘要：复电阻率法（CR）又称为频谱激电法（SIP），是一种重要的激电分支方法，在矿产勘查中应用非常广泛.然而，在实际的频谱激电野外观测资料中，总是会受到不同程度的电磁耦合效应的影响.因此，研究同时存在激发极化效应和电磁效应的复电阻率性质，对频谱激电法的实际数据处理具有一定的参考价值.本文首先在均匀半空间条件下，进行了复电阻率法的正演模拟.分析了频率、收发距的改变对视电阻率和视相位的影响.然后在有低阻异常体存在情况下，同时采用三维积分方程法和三维有限差分法，研究了不同条件下视电阻率和视相位的变化.最后，根据对正演模拟结果的分析，总结出不同程度的电磁耦合效应对视电阻率及视相位的影响规律，为准确分析异常提供了依据.
关键词：复电阻率    电磁耦合    视电阻率    视相位    
Study on the influence of IP and EM effects of 3D resistivity modeling results
CAO Jin-hua , LI Tong-lin , LIU Yong-liang , ZHANG Rong-zhe     
College of Geo-exploration Sciences and Technology, Jilin University, Changchun 130026, China
Abstract: Complex resistivity method (CR) that is also called spectrum induced polarization method (SIP) is one of important IP methods been widely used in mineral exploration. Field observational data by the method of frequency spectrum induced polarization always includes electromagnetic coupling of varying degrees. Therefore, it is very significant to study the apparent resistivity method and electromagnetic coupling for the actual data processing of the SIP. This paper in first studied the complex resistivity forward modeling of the uniform half-space and analyzed the forward response of the different frequencies. We studied the effects of frequency and the different receiving distances. Then, we studied the changes of apparent resistivity and apparent phase under different conditions using the integral equation method and finite-difference method by the low-resistivity 3D model in half-space. Finally, basing on the analysis of the results of forward modeling, we deduced and summarized the influences of different degrees of electromagnetic coupling effect on apparent resistivity and apparent phase. The results will be useful for practical analysis of electromagnetic survey.
Key words: complex resistivity     electromagnetic coupling     apparent resistivity     apparent phase    
0 引言

复电阻率法是以岩、矿石电阻率的频谱或时谱特性为基础，通过测量大地的视复电阻率频谱或视时变电阻率谱，寻找电性异常体，并根据复电阻率参数来评价电性异常体.

Pelton等 (1978)发表的文章“利用多频电测量作矿物区分和去除电磁耦合”被认为是复电阻率法的基础文献.19世纪40年代初期，Cole和Cole (1941)提出利用公式来描述激发极化效应，公式为

(1)

该数学模型被称为Cole-Cole模型.其中，ρ0为零频电阻率, m为极化率，τ为时间常数，c为频率相关系数，这些参数统称为Cole-Cole模型或复电阻率 (频) 谱参数.Pelton等 (1978)通过对大量岩、矿石露头和标本的广频谱复电阻率测量，证实了Cole-Cole模型的正确性，并指出可以根据岩、矿石的Cole-Cole模型参数，按结构评价极化异常体.

Soininen (1984, 1985) 利用积分方程法模拟了均匀半空间中极化直立长方体的视复电阻率谱.Xiong等 (1986)，罗延钟等 (1987)在同时考虑电磁效应和激电效应的情况下，实现了复杂围岩中三维极化体的数值模拟，并就其正演相应特征进行了深入的讨论.孟永良等 (2000)利用有限单元法实现了2.5维时间域频谱激电正演，其采用的时间谱电阻率法能对可极化和导电大地 (即同时包括IP和EM效应) 的电磁场瞬变响应作计算.蔡军涛等 (2007)以复电位偏微分方程为基础，利用有限元法实现了不考虑电磁效应的二维正演模拟.岳安平等 (2009)研究了包含激电效应的一维CSAMT电磁场响应.王大勇等 (2010)进行了三维复电阻率模型电磁场正演模拟研究，得出三维复电阻率体的电磁响应是由累积电荷、电磁感应和激电效应共同产生的.范翠松 (2013)进行了基于有限元法的复电阻率正、反演研究及应用，提出了电场振幅和电场相位联合反演的方案，实现了2.5维复电阻率法全区反演.

但是，目前仍然缺少对电磁场正演结果的深入分析，对电阻率和相位的变化范围及其影响因素也不甚了解.本文利用3D积分方程法和3D有限差分法对三维正演视电阻率和视相位结果进行了深入分析，得出激电效应和激发极化效应对正演结果的影响规律.

1 均匀半空间正演模型分析 1.1 模型描述与装置参数

图 1为均匀半空间模型.大地背景电阻率为100 Ω·m，时间常数为0，极化率为0，频率系数为0.采用的观测方式为偶极-偶极，令AB为发射偶极，MN为接收偶极，O、O′分别为AB、MN中心点，发射偶极AB和接收偶极MN长度选用100 m，共观测了41个点，观测点坐标从 (-400, 0, 0) 至 (400, 0, 0).

图 1 均匀半空间观测示意图 Figure 1 Uniform half-space model
1.2 模型响应分析

图 2中 (a)(c) 和 (e) 是视电阻率曲线，(b)、(d) 和 (f) 是视相位曲线.对比 (a)、(c) 和 (e) 中三条视电阻率曲线，在Cole-Cole模型中，当频率为0.01 Hz时，视复电阻率值为大地背景电阻率100 Ω·m，当频率增加到128 Hz时，最大视复电阻率值达到90 Ω·m，可见复电阻率值随频率的增加而单调减小.激电效应可以看作是电容效应，所以，随着频率不断增高，激电效应逐渐减弱，复电阻率值逐渐减小.从空间上来看 (如图 2e)，随着收发距增加，视电阻率值从90 Ω·m减小到45 Ω·m左右，可见视电阻率值随着收发距增加而不断减弱.

图 2 (a)、(c)、(e) 分别是0.01 Hz、1 Hz、128 Hz的三维模型正演视电阻率曲线，(b)、(d)、(f) 分别是0.01 Hz、1 Hz、128 Hz的三维模型正演视相位曲线 Figure 2 (a)、(c) and (e) are the apparent resistivity curves of the three-dimensional forward model in 0.01 Hz、1 Hz、128 Hz, (b)、(d) and (f) are the phase curves of the three-dimensional forward model in 0.01 Hz、1 Hz、128 Hz

对比 (b)、(d) 和 (f) 中三条视相位曲线，视相位值恒为负.在0.01 Hz时 (如图b)，视相位值为负的十分之几个毫弧度；在1 Hz时 (如图d)，视相位值为负的几个到几十个毫弧度；在128 Hz时 (如图e)，视相位值为负的几百个毫弧度.在高频时 (如图f)，随着收发距变大视相位绝对值先变大后变小.

2 异常体空间正演模型分析 2.1 模型描述与装置参数

图 3为低阻异常体空间模型.大地背景电阻率为100 Ω·m，异常体电阻率为10 Ω·m，时间常数为100，极化率为0.3，频率系数0.3，异常体中心点坐标为 (0, 0, 80)，异常体的长、宽、高分别为160 m、80 m和80 m.采用的观测方式依然为偶极-偶极，发射偶极AB和接收偶极MN长度同样选用100 m，测线布置、采集频率与图 1中的均匀半空间模型相同.

图 3 三维异常体模型 Figure 3 The low-resistivity 3D model in half space
2.2 模型响应分析

图 4中 (a)、(c) 和 (e) 是视电阻率曲线，(b)、(d) 和 (f) 是视相位曲线.由 (a)、(c) 和 (e) 三条视电阻率曲线可以看出，视电阻率曲线在低阻异常体顶部出现小于正常背景电阻率的极小值，这是由于低阻异常体吸引电流的作用，使其顶部电流密度小于均匀半空间时的电流密度，从而出现视电阻率值减小的情况.而在其两侧，因为电流密度大于均匀半空间时的电流密度，从而出现视电阻率值大于背景电阻率值的情况，所以在低阻异常体两侧出现大于正常背景电阻率的极大值.

图 4 (a)、(c)、(e) 分别是0.01 Hz、1 Hz、128 Hz的3D有限差分与3D积分方程正演视电阻率曲线，(b)、(d)、(f) 分别是0.01 Hz、1 Hz、128 Hz的3D有限差分与3D积分方程正演视相位曲线 Figure 4 (a)、(c) and (e) are the apparent resistivity curves of the three-dimensional forward model of 3D integral equation and 3D finite-difference in 0.01 Hz、1 Hz、128 Hz, (b)、(d) and (f) are the phase curves of the three-dimensional forward model of 3D integral equation and 3D finite-difference in 0.01 Hz、1 Hz、128 Hz

由 (b)、(d) 和 (f) 三条视相位曲线可以看出，在0.01 Hz时 (如图 4b)，视相位值接近于零，在异常体中心点上方，视相位值为负的十几个毫弧度；在1 Hz时 (如图 2d)，视相位值在负的几个到几十个毫弧度范围，在异常体上方，视相位值由负的十几个毫弧度迅速变化到负的二十几个毫弧度；在128 Hz时 (如图 4f)，视相位值在负的二百到五百个毫弧度范围之间，视相位值由负的四百个毫弧度迅速变化到负的二百五十个毫弧度.

3 结论 3.1

由均匀半空间模型的视相位曲线可以看出，视相位值恒为负的.且频率由低到高变化时，视相位的绝对值随之变大.而且在f=128 Hz时，视相位绝对值先变大后变小，曲线呈现出非单调曲线形态，这说明视相位与收发距的关系是非线性的.

3.2

由低阻异常体模型的视相位曲线可以看出，频率由低到高，电磁效应增强，激发极化效应减弱.低频时，激发极化效应远大于电磁效应，激发极化效应使正演视相位变大；高频时，电磁效应远大于激发极化效应，电磁效应使正演视相位变小.

3.3

电磁效应与激发极化效应都会影响实际数据的处理结果，在传统的激发极化法和电磁感应法中，电磁效应与激发极化效应互相干扰，因此在实际工作中必须予以考虑，否则会影响最终的结果.

致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！
参考文献
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