关于频率电磁测深几个问题的探讨(六)——频率电磁测深的电磁场分布与观测参量_陈明生.pdf

第 42 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 42 No.5 2014 年 10 月 COAL GEOLOGY vertical magnetic dipole source; the electromagnetic field distribution; apparent resistivity of a single component; ratio apparent resistivity 频率电磁测深在煤田、石油、金属与非金属、 工程与水文地质勘探中都有广泛应用，并取得良好 效果。目前对水平电偶源频率测深应用的较多，应 用垂直磁偶源频率测深进行探测工作较少。本文对 两种源的频率测深加以分析，以供参考利用。 1 水平电偶极源与观测的电磁场分量 为了增大水平电偶极源的偶极距Ib，两端应接 地，以增加电流；设接地电偶极子源置于地面 x 方 向，在均匀大地面上可产生 6 个直角分量，其一般 表达式前文已列出。由于在中远区实现频率测深， 远区更理想，现将水平均匀大地远区/1r d 的简 化式分别写出 3 1 1 3cos21 4π x Ib E r q s - 1 3 1 31 sin2 4π y Ib E r q s 2 0 2 1 1 1cos 2π2 z Ib Ei r wm q s - 3 3 0 1 311 1sin2 4π2 x Ib Hi r q wm s - 4 3 0 1 11 13cos21 4π2 y Ib Hi r q wm s - 5 4 0 1 311 sin 2π z i Ib H r q wm s 6 式中 I 为发射电流；b 为偶极子长度；w为发射电 流的园频率；q是 x 轴与偏移距r方向的夹角； 1 s 为大地电导率； 0 m为空气磁导率设大地与其相等。 为了更好地理解频率测深 FEM含 CSAMT探 测方法，对以上各式可分析出水平电偶极子远区场 ChaoXing 82 煤田地质与勘探 第 42 卷 的特点 a. 电偶极子激发的 6个电磁场分量都与大地电 导率有关，但是 z E、 x H和 y H与 1 s有关，而 x E、 y E和 z H与 1 s有关， 说明后者和电导率关系更密切， 常被单分量频率测深观测。 b. 电场和磁场的水平分量以 3 1 r 衰减，电场垂 直分量以 2 1 r 衰减，磁场垂直分量以 4 1 r 衰减。 c. 比 值 x z E E 和 y z E E 具 有 1 r d 的 量 级 1 d 0 1 2 wm s ，因此比 1 小得多，而 x z H H 和 y z H H 具有 1 r d 的量级，因此比 1 大得多。这表明电场近似与地面 垂直，磁场近似与地面平行。电磁能量流动的方向 近似与地面平行，这是紧靠地面上侧的情况。越过 地面到下侧， z E有突变，是由于地面上有感应面电 荷，大部分电力线终止在地面上，致使 z E就很小； 其他分量连续不变，电场和磁场一样，基本上与地 面平行， 为 TEM 型波， 其传播方向近似与地面垂直。 因此，远区场为似平面波。 对于分层大地情况，在远区的场分量表达式只 是用 2 1G s代替 1 s即可。这里G是 k G、Gx前面文章 已有说明在远区条件下的简化G k GGx。因 此，所谈均匀半空间远区场的特点，对分层大地仍 然适用。 对各场分量在全区分布与变化态势可根据三维 模拟结果分析[1]。 模拟是在电导率为 10.002S/m s的 均匀大地半空间，频率2 kHzf，电场强度单位 μV/m，磁场强度单位μA/m。图 1 表示地面电偶极子 沿 x 方向的 x E、 y H和 y E、 x H以及 Hz分量的空间 分布。对 x E分量在地表与地下分布的主瓣沿0，y随 偏移距和深度衰减图 1a、图 1d， x E分量的副瓣沿0， x分布与衰减，强度小一半；对 y H分量有类似分布， 是因两正交分量相关。至于 y E分量在地表与地下分布 的两等量瓣沿xy；xy- 两个方向随偏移距和深 度衰减图 1b、 图 1e； x H分量类同， 并与其正交。 z H 的主瓣沿 y 轴，随深度和距离衰减快图 1c、图 1f。 由特点 a 可知，利用分量 x E、Ey和 z H作为频 率测深的观测量对地层的反映灵敏。 又从图 1 看出， x E分量沿y轴最强， 即90q  这是最常用的赤道观 测装置，这时 Ey0对均匀大地来说。当0q  ， 称为轴向装置， x E强度缩小一半，Ey仍为零。对 Ey沿45方向信号最强，可适当利用。标量测量 的 FEM 和 CSAMT 法，沿主瓣测量 x E、 y H是适宜 的， 如图 2 所示； 在 AB 两侧3rH≥H为设计的最 大探测深度，张角60范围内都可施工。对 FEM 法还 可更灵活，尤其可沿45方向观测 Ey、 x H。 频率电磁测深观测的场强一般要转算为视电阻 率，以便将电磁信息与地下地电性质关联起来，利 于定性或半定量解释。这里对视电阻率s仍采用均 匀半空间远区场的表示法[2-3]，例如对观测的 x E分 量，根据远区场的公式1很易写出 3 4π 3cos21 x s Er Ib r q - 7 对于 x y E H ，按式1和式2可表示为 图 1 地面电偶极的 Ex、Ey、Hz分量的空间分布 Fig.1 Spatial distribution of components Ex，Ey and Hz of the ground electric dipole x direction ChaoXing 第 5 期 陈明生 关于频率电磁测深几个问题的探讨六 83 图 2 频率测深 FEM 和 CSAMT 施工示意图 Fig.2 Schematic diagram of cution of frequency soundingFEM and CSAMT 2 0 1 x s y E H r m w 8 式8实际是MT、CSAMT的视电阻率表示，在这里 得到了统一；当处于中近区时，CSAMT还要作近 场校正，以便实现人工场可控源资料的天然场解 释法，所以称为可控源大地电磁测深。现引用一 KHK地电断面算例[4]，地电参数为 1 10m， 2 80m， 3 10m， 4 100m， 5  20m； 1 100 mh， 2 100 mh， 3 200 mh， 4 200 mh，采用赤道偶极装置，分别计算偏移距r 等于1 200 m、1 800 m、2 400 m 的单分量和比值 视电阻率，并示于图3。图3中两种视电阻率曲线 首支高频段 是重合的，此时处于远区场；曲线中 段因极距r 不同而分离， 说明随着频率降低由远区、 中区向近区靠近， 比值视电阻率曲线尾支一直上升， 到近区呈6326’上升如采用周期T为对数横坐标， 则呈45上升 ，基本反映不出大地下面的K 型断 面层次；而此时单分量Ex 视电阻率曲线仍具有K 型 断面趋势， 只是尾支渐近线呈水平状， 说明进入了近 区场。由此可见，单分量Ex 视电阻率曲线对于地层 的分辨能力强于没有近场改正的比值视电阻率曲线。 对于其他类型的地电模型也有类似的结果。产生这种 情况的原因和视电阻率定义有关，比值视电阻率曲线 经近场改正可在一定程度上反映出5 层地电断面， 但 是校正误差会给解释带来新的问题。其实，要进行反 演，就直接用场强数值即可，不必在视电阻率计算上 纠结。但是，为了定性分层，对视电阻率的表达还是 值得考虑的。这方面，有些物探工作者，像国内的殷 长春等人[5-7]就做了有益的研究，可供参考。 2 垂直磁偶极源与观测的电磁场分量 磁矩为m的垂直磁偶极子在均匀半空间远区 1r1 200 m；2r1 800 m；3r2 400 m 图 3 KHK 型 5 层大地水平电偶极子源 Ex分量 视电阻率a，比值 Ex/Hy视电阻率b Fig.3 KHK-type apparent resistivity component Ex of horizontal electric dipole source for 5 layers a and ratio apparent resistivity of Ex/Hy b /1rd的三个场强简化表达式为 4 1 31 2π m E r q s - 9 4 0 1 31 1 2π 2 r m Hi rwm s 10 5 0 1 91 2π z m Hi rwm s - 11 式中 mIs，s为发射线框的面积。由上面的公式 可分析出垂直磁偶极子远区场有如下特点 a. 水平分量Eq和 r H以1/r4衰减；垂直分量Hz 以1/r5衰减。 这种衰减速度要比电偶极子场衰减快， 因此目前探测较深的地质构造均采用电偶极源。 b. 1 2 z r H Hr d ， 说 明 在 远 区 zr HH， 当 10 mm时，跨越地面的3个场分量都连续，电磁波 仍垂直下传，类似平面波。 图4为磁偶极子在均匀导电半空间所形成的磁 场垂直断面。可以看出，随着偏移距的增加垂直磁 场 z H相对径向磁场 r H x H逐渐减弱，这是在近 区；而到了远区 zr HH。 如果是分层大地， 其表达式中的 1 s换成 2 1G s即 可， 其3个分量都可用于频率测深， 只是Eq和 z H比 r H对地电特性依赖性强。 对一维介质， 水平电偶极形成的场是面对称的， ChaoXing 84 煤田地质与勘探 第42卷 而垂直磁偶极形成的场是轴对称的。这样，在野外 观测资料可选任意角度，如图5所示，测线可围绕 发射线圈转。当然，还要根据地质需要，结合地质 地形情况布设。 图 4 垂直磁偶极子在导电半空间形成的磁场 Fig.4 Magnetic field of a vertical magnetic dipole in a conductive half-space 图 5 垂直磁偶极子源观测装置图 Fig.5 Vertical magnetic dipole source observation device 垂直磁偶极源发射的为TE型波，对地层分辨 率高。按图5观测的场分量为E、Hr、HZ，一般将 其转算为视电阻率曲线，以便进行定性解释。现举 一H型地电断面，对应的地电参数 1 20m， 2 2m， 3 20m； 1 50 mh， 2 80 mh， 采用偏移距360 mr ，对应的远区定义的视电阻率 曲线示于图6。图6上标示的E、Hr、 z H是对应该 分量的视电阻率曲线，E Hr是比值视电阻率曲线。可 以看出，4条曲线的首支平行横轴，其视电阻率等 于第一层真电阻率，标志着远区场；进而受中间低 阻层影响出现假极大后分离下降。比值视电阻率曲 线下降迟缓，但对低阻中间层反映明显，经极小 值后一直上升；单分量视电阻率曲线下降速度依 E、Hr、Hz加快，而对中间低阻层的反映出现的 扭折依次变弱，最后都以一定角度自然下倾，已和 地层无关。 前面提及水平电偶极子的电场视电阻率曲线尾 部进入近区与横轴平行，而垂直磁偶极子的电场曲 线尾部却一直下降。要知道，水平电偶极子的 z H视 电阻率曲线尾部进入近区也是一直下降在 s T 双对数坐标上呈–6326′；根据互换原理，对应垂直 磁偶极子的E，仅相差一个系数， 视电阻率曲线 尾部进入近区同样以–6326′下降。这样看来，对垂 直磁偶极子， 采用比值视电阻率更有利于定性解释， 如反演就不用转换， 直接用场分量可减小计算误差。 更可取的是仿照匈牙利MAXI-PROBE法[3]，按 RHz/Hr转换为如同测井曲线样子的视电阻率-深度 曲线，即 s H曲线，如图7。由图7看出，随着 深度纵坐标表示的加深，视电阻率横坐标表示 在不断变化，显示锯齿状；曲线的右斜段表示相对 高阻层， 曲线的左斜段表示相对低阻层，而斜率的 突变点对应岩层分界面。其具体意义是当地层 为均匀半空间时，视电阻率随深度不变，是一条 平行纵轴的直线；当深部受高阻层影响时，视电 阻率逐渐变高，遇到低阻界面后视电阻率又逐渐 变低，在界面处发生转折性突变，这就是地质解 释的基础。 图 6 垂直磁偶极源的 H 型视电阻率曲线 Fig.6 H-shaped apparent resistivity curves of vertical magnetic dipole source 图 7 转换视电阻率 s H曲线图 Fig. 7 Conversion apparent resistivity curve 3 频率电磁测深应用二例 频率测深的场源、观测的场分量和装置可供选 择的余地大，便于灵活掌握，但是必须根据场分量 分布范围与特征布极， 并适当调整极距大小和方向， ChaoXing 第5期 陈明生 关于频率电磁测深几个问题的探讨六 85 像单分量和CSAMT法在梯形面积范围接收。在山 区、水系障碍多，交通不便地区可因地制宜地选择 合适装置施工。 频率测深的探测深度范围大。该法所用的一般 频率范围上限f＜100 000 Hz，下限f＞0.01 Hz，当 然频率不能太高，要避免位移电流影响；也不能太 低，趋于直流既造成观测困难，也达不到定距测深 的目的。采用适当的仪器，选择合适的频率范围和 适宜的偏移距，可探测203 000 m的深度范围。 尽管水平电偶源产生的为TE型和TM型混合 波， 穿透高阻层和分辨率不如垂直磁偶源产生的TM 型波强，但是前者场分量衰减较后者慢一个级次， 而且功率也较易提高，这就决定了水平电偶源频率 测深较垂直磁偶源频率测深可探测更大的深度。因 此，探测203 000 m的深度选择水平电偶源频率测 深； 探测＜500 m的深度可选择垂直磁偶源频率测深。 图8是根据河南嵩县地区油气构造探测时所得 频率测深资料绘制的综合剖面图。施工采用偏移距 r10 000 m，AB2 000 m，发射电流15 A；探测深度 近3 000m。所采集的资料经过去“静态效应”处理、 图 8 河南嵩县某一凹陷的频率测深综合解释剖面图 Fig.8 Comprehensive interpretation profile of frequency sounding at Songxian depression in Henan ChaoXing 86 煤田地质与勘探 第42卷 一维反演得到定性定量综合解释图。由图8看出，地 质断面显示的地层和构造与电性变化规律协调一致。 图9a、图9b是在焦作某矿测制的两条垂直磁 偶源频率测深剖面。剖面测点距50 m，偏移距 r375 m；根据所得视电阻率 s H转换曲线，解 释的地电断面如图9所示。 由于该区的地质情况基 本已知，主要是确定断层，所以仅将解释的断层突 出表示在图上，其他从略。图9a的断层断点连线 右倾，倾角在80左右，为一高角度正断层；图9b 的断层断点连线右倾，仍为高角度正断层。两剖面 解释结果与已掌握的信息和钻探揭露的地质资料 相符。 图 9 磁偶源频测转换 a H曲线及断层解释图 Fig.9 Trans curves s Hof magnetic dipole source frequency sounding and fault interpretation 4 结 论 a. 水平电偶源发出的电磁场在均匀半空间大 地中呈面对称分布，只有在地面一定方位观测场分 量才能取得满意效果；垂直磁偶源发射的电磁场在 均匀半空间大地中呈轴对称分布，观测场分量可按 任意方位。 b.为了定性解释，一般将场分量计算为单分量 视电阻率或比值视电阻率；做定量解释时，可直接 采用场强进行反演，以减小换算误差。 c. 基于当前电偶源与磁偶源的发射功率和与 源有关的电磁场衰减规律，在实际应用中，水平电 偶源可用于更大深度3 000 m探测， 垂直磁偶源探 测浅部500 m。 参考文献 [1] 闫述. 基于三维有限元数值模拟的电与电磁探测研究[D]. 西 安西安交通大学，2003. [2] 陈明生，闫述. 论频率测深应用中几个问题[M]. 北京地质 出版社，1995. [3] 李毓茂. 电磁频率测深方法与电偶源电磁频率测深量板[M]. 徐州中国矿业大学出版社，2012. [4] 陈明生，闫述，陶冬琴. 电偶源频率电磁测深中的Ex分量[J]. 煤田地质与勘探，1998，26660–66. [5] 殷长春， 朴华荣. 电磁测深法视电阻率定义问题的研究[J]. 物 探与化探，1991，154290–298. [6] 汤井田， 何其善. 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，1994，374543–552. [7] 罗延钟，周玉冰，万乐. 一种新的CSAMT资料校正方法[C]//勘查 地球物理勘查地球化学文集. [出版地不详][出版者不详]，1996. ChaoXing