地-井装置瞬变电磁法是将发射源布置在井孔上方或附近地面上，而沿钻孔置入测量装置，使得接收传感器更接近于深部导体，从而获得比地面方法响应更强的异常(牛之琏，1992；蒋邦远，1998).由于井中受近地表的干扰小，且利用钻孔进行探测，接收装置更加接近深部矿体，因而能获得钻孔周围数百米范围内的有用地质信息，从而提高见矿率和找矿效果.在地面电磁法工作因矿体深度太大，或者受电性干扰因素(如导电覆盖、浅部硫化物、地表矿化地层等)影响大的地区，地-井TEM法的优势就更加突出(Barnett, 1984).

井中瞬变电磁法的研究，国外始于20世纪70年代(Woods, 1975)，而深入研究和广泛应用的时间在为80年代中期，那时已有商用仪器，且板状体的单分量相似模拟和数值模拟都已完成(Barnett, 1984；Duncan, 1987；Eadie and Staltari, 1987).至20世纪90年代初三分量系统已商品化，并有试验结果的报道(Cull, 1996; Hughes and Ravenhurst, 1996).之后主要研究关于井中瞬变电磁数据的成像以及反演方法(Zhang and Xiao, 2001；James et al.，2005).

我国从20世纪70年代始开展瞬变电磁法仪器与方法技术研究，国家“七五”、“八五”、“九五”期间都开展了TEM法仪器设备或方法技术的专题研究，以几家大专院校为代表的研究机构在基础理论，正、反演解释技术等方面取得较大进展(牛之琏，1992)；以几家专业研究所为代表的研究机构在仪器研制、方法技术、应用实验等方面开展了大量工作，推动了TEM法应用的进程(蒋慎君和陈卫，1987；张兆京和陈卫，1988；蒋邦远，1998).在金属矿产资源勘查测井研究中，物化探所、桂林矿产地质研究院研制了井中瞬变电磁(TEM)探头.桂林矿产地质研究院配套地进行了规则形体的模拟实验，并在安徽铜陵、新疆阿舍勒等矿区投入应用研究，取得了一定的地质找矿效果.物化探所在内蒙、新疆、安徽、湖北、湖南、辽宁、云南等地进行了大量的实际应用，取得了显著效果.此外物化探所在国土资源部危机矿山接替资源找矿专项中开展了井中瞬变电磁法数据采集及解释的示范研究.近年来，张杰等总结出了一套实用的井中TEM数据采集技术流程，以及从定性分析到半定量解释技术，采用矢量交汇技术实现了地-井TEM井旁异常的快速定位(张杰等, 2007, 2013, 2014)；孟庆鑫、郭建磊等应用时域有限差分，计算了均匀半空间和低阻覆盖下均匀半空间中的低阻板状导体的地-井TEM响应并对响应特征和规律进行了研究分析(孟庆鑫和潘和平，2012；孟庆鑫等，2014；郭建磊等，2015)；杨毅等实现了基于等效涡流的地井瞬变电磁纯异常反演(杨毅等，2014).可以看出，对于井中瞬变电磁法的模拟及解释技术已经取得了较大进展.

但是，以上研究均是基于磁性发射源，即发射源为不接地回线，而接地电性源地-井装置的研究成果未见报道.我国开展深部找矿很多矿区分布在复杂地形山区，而实施磁性源地-井TEM测量一般是在钻孔周围布设数百米边长的不同方位发射框(中心、东、南、西、北)，一般为方便资料解释，需要保证不同发射框的发射磁矩相同.因此在复杂地形之矿区开展磁性源地-井TEM实施起来非常困难.课题组为解决在地形复杂矿区利用已有钻孔开展深部找矿实际难题，提出利用电性发射源开展井中瞬变电磁方法的技术思路.首先，接地发射源位置可选范围大，能够避开复杂地形，从而选择有利位置.此外，电性源发射功率大，辐射面积广，一次布源能够兼顾矿区多个钻孔，可以大大减少布设发射源工作量，提高工作效率.

目前电性源地-井TEM方法数值模拟研究成果未见报道，本文通过数值模拟研究电性源地-井瞬变电磁法井中曲线特征规律，以期能够为野外实际资料进一步解释提供参考.

文中采用交错网格三维时域有限差分(FDTD)方法(孙怀凤等，2013)对井中瞬变电磁法的三分量响应进行正演模拟，获得了电性发射源条件下均匀半空间中三分量瞬变场的空间分布，并计算一维以及三维条件下钻孔中的三分量瞬变响应，并进行了初步分析.

为了解地表水平电性源在地下形成的瞬变电磁场的分布情况，在均匀半空间中进行了数值模拟.Y分量定义为沿发射源方向，X分量垂直于发射源，Z分量垂直向下，三个分量满足右手准则.图 1~图 3分别为∂B_x/∂t、∂B_y/∂t、∂B_z/∂t在均匀半空间中t =158 μs时刻的分布情况，其中a、b、c分别为不同方向的切片图.图中可以看出，电性发射源下方介质中三个分量感应电动势特征各不相同.其中X分量感应电动势在地下一定深度范围内形成椭球体，并且幅值自球心向外逐渐由正变负.Y分量形态复杂，在发射源周围形成正负相间对称分布的四个异常中心.Z分量则以发射源为界限出现正负两个异常中心.这三幅图为某一时刻的三分量TEM响应空间分布，而随着时间的推进，以上出现的异常中心均会向深部和外围扩散.图中不同位置的场的分布是不同的，与发射源的相对位置有关系.欲利用电性发射源开展地-井瞬变电磁法，是需要考虑发射源与钻孔相对位置关系的.大体上垂直发射源方向场的分布空间变化相对稳定，是适合开展井中瞬变电磁测量的.

图 1

Figure 1

图 1 ∂Bx/∂t均匀半空间分布图 Figure 1 ∂Bx/∂t distribution map in half space

图 2

Figure 2

图 2 ∂By/∂t均匀半空间分布图 Figure 2 ∂By/∂t distribution map in half space

图 3

Figure 3

图 3 ∂Bz/∂t均匀半空间分布图 Figure 3 ∂Bz/∂t distribution map in half space

图 4为电性源地-井TEM装置示意图.图中示意性地展示了接地发射源和钻孔及井中探头的相对位置关系，并给出了坐标系方向.文中正演采用的装置参数如下：发射源AB=110 m，AB中心点坐标设为(0, 0)，钻孔孔口坐标为(500, 50)，钻孔为直孔，孔底深度为400 m，接收点沿钻孔测量.

图 4

Figure 4

图 4 电性源地-井TEM装置示意图 Figure 4 The sketch map of electric source dill hole TEM

一维层状介质理论模型模拟选择两层D、G型以及三层A、K、Q、H型地电模型.一维层状模型参数见表 1.表中可以看出，D型模型上覆地层电阻率500 Ω·m，厚度300 m，下伏地层电阻率为10 Ω·m.G型模型中上覆低阻层电阻率10 Ω·m，厚度300 m，下伏地层电阻率200 Ω·m.对于三层模型，A型地层第一层电阻率50 Ω·m，厚度200 m，中间层电阻率200 Ω·m，厚度100 m，底层电阻率为500 Ω·m.Q型地层第一层电阻率500 Ω·m，厚度200 m，中间层电阻率200 Ω·m，厚度100 m，底层电阻率为50 Ω·m.K型地层模型第一层和底层电阻率均为50 Ω·m，中间高阻层电阻率为500 Ω·m，厚度50 m，顶界面埋深200 m·H型地层模型第一层和底层电阻率为500 Ω·m，中间低阻层电阻率为50 Ω·m，厚度50 m，顶界面埋深200 m.

表 1 (Table 1)

表 1 一维层状模型参数表 Table 1 Parameters of 1D layers

表 1 一维层状模型参数表 Table 1 Parameters of 1D layers

图 5中列举了D、G、Q、A、H、K六种模型计算结果，图中曲线显示的是0.50~5.0 ms时间道的响应曲线.对于D型模型，X、Y分量曲线幅值在界面以上随深度逐渐增大，深度超过界面后幅值急剧增大并出现正异常，而Z分量在界面附近出现极值异常.Q型模型的两个界面分别在-200 m和-300 m深度，水平分量曲线类型类似于D型曲线，在两界面处分别出现拐点，而在深部出现正异常，Z分量异常范围变宽，但与界面无明显对应关系.可以看出，对于D、Q型模型电阻率随深度逐渐变小的情况，TEM水平分量响应曲线在界面处有所反应，垂直分量受装置因素影响规律不明显.对于H型模型，X、Y分量正负极值分别对应低阻层的上下界面，Z分量极值对应低阻层中间位置.

图 5

Figure 5

图 5 一维模型地-井三分量瞬变响应曲线 Figure 5 Three component TEM response curves in borehole of 1D model

G型模型界面位置为-300 m，其三分量曲线可以看出，自地表以下开始随深度增加，曲线幅值先增大后减小(装置影响)，在界面附近急剧减小，并在-300 m以下测点趋向于零值.A型曲线形态类似于G型，X分量分别在-200 m、-300 m两界面处均出现拐点，Y分量曲线在第一层界面下便趋于零值.对于K型模型，两水平分量曲线均有异常显示，X分量在两界面处出现拐点，而Y分量曲线则出现零值.

以上曲线特征中还包含了电性源装置、收发距以及背景电阻率等因素影响产生的背景场，因此，大多曲线形态复杂.正演计算可以通过减掉背景场的方式来提取异常场.异常场曲线形态中能够清楚显示与地层界面位置的关系.本文中仅讨论总场的异常形态，以对野外实测资料提供可以参照的曲线特征.

三维模型选择均匀半空间中赋存块体模型.发射源AB=110 m，AB中心点坐标设为(0, 0)，三个钻孔孔口坐标分别为(150, 0)、(200, 0)、(300, 0)，钻孔为直孔，深度为300 m，接收点沿钻孔测量.三维块体尺寸为100 m×100 m×20 m，电阻率1 Ω·m，顶界面埋深200 m，均匀半空间电阻率为100 Ω·m，如图 6.

图 6

Figure 6

图 6 三维正演模型图 Figure 6 3D forward model map

图 7为穿过异常体的钻孔Hole 1三分量瞬变响应剖面曲线图.由于瞬变响应信号跨越数个数量级，并在不同时间道反应不同的信息，本文将各个分量曲线分成三组绘制，以区分不同时间道的曲线，其中1-8时间道为0.01~0.0818 ms，9-16时间道为0.11~0.669 ms，17-24时间道为0.904~9.98 ms.异常体上界面为-200 m，下界面为-220 m.首先1-8道信号在该时间段内主要信号集中在-200 m以浅，-200 m以深信号相对较弱.因此能够从早期信号中显示异常体顶界面.中期道(9-16) 曲线特征与早期不同，水平分量在界面处出现极值，尤其是Y分量在不同时间道上出现了异常极性反转现象，极值点均对应低阻体的界面.晚期道(17-24) 曲线中异常形态稳定而突出.X分量在界面处出现拐点，Y分量曲线则在两界面深度处出现正负极值，Z分量呈正异常，曲线单峰极值对应低阻体垂向中心.

图 7

Figure 7

图 7 Hole 1钻孔感应电动势三分量曲线 Figure 7 TEM curves along drill hole 1

图 8为异常体附近钻孔Hole 2三分量曲线图.图中可以看出，早期信号中主要显示-200 m以浅信息，中期道中开始出现异常显示.三个分量曲线在-200 m处均出现异常，尤其是Y分量最为明显.晚期道中X分量无明显异常显示，Y分量在-200 m和-250 m深度出现正负极值.Z分量则在-220 m深度出现较缓正异常.

图 8

Figure 8

图 8 Hole 2钻孔感应电动势三分量曲线 Figure 8 TEM curves along drill hole 2

图 9为距离异常体较远钻孔Hole 3三分量曲线图.钻孔3距离板体边界100 m，在该钻孔三分量曲线上无明显异常显示.曲线呈现的特征均为背景场的特征.

图 9

Figure 9

图 9 Hole 3钻孔感应电动势三分量曲线 Figure 9 TEM curves along drill hole 3

三幅图中可以看出，早期道信号中背景场占主导地位，异常信息淹没在背景中，不能突出.而在中期道中，随着时间的增加，异常体的信息逐渐突出出来.到了晚期，背景场衰减殆尽，曲线主要反应异常体信息，而且晚期曲线特征稳定.三分量所反映的信息各有重点，水平分量对于异常体的界面反映灵敏，而垂直分量则主要反映异常体的中心.因此，在实际资料分析中应侧重于晚期信号.

本文通过FDTD计算方法获得了电性源地-井TEM装置均匀半空间中三分量瞬变场的分布特征.

本文针对一维二层、三层介质以及三维模型进行了正演计算，结果表明电性源条件下三分量瞬变响应曲线形态复杂，不同时间道曲线形态不同.对于界面信息、低阻三维体反应灵敏.

三维理论模拟结果表明，瞬变响应曲线早期道信号中装置、钻孔位置、地层产生的背景场占主导地位，异常场信号淹没其中.而随着时间道增加，背景场衰减较快，在晚期道信号中主要反映界面、异常体信息，曲线形态稳定.

计算结果表明，对于电性源地-井瞬变电磁方法水平分量信号强于垂直分量，对于界面反应灵敏，而垂直分量主要反映异常中心.