CSAMT探测中电场EX全区视电阻率定义及应用_冯兵.pdf

第41卷第6期 2013年12月 煤田地质与勘探 COALGEOLOOY electric dipole; dipole source; Ex full-region apparent resistivity 电磁法可分为时间域电磁法和频率域电磁法两 类。磁源瞬变电磁法是一种常用的时间域电磁法， 但这种方法的勘探深度较小，对深部探测难以解决 地下2～3km以内的电阻率问题。频率域电磁法具有 勘探深度大的特点，工作中常采用MT,AMT以及 CS AMT等方法，获得卡尼亚（Cagniard）电阻率。MT 与AMT方法采用天然场源，受场源随机性的影响 较大，对浅层的分辨能力差，工作效率低；CSAMT 法借鉴了人工源的信号强及天然场源视电阻率算法 特点，以解决地下0～3灿的电阻率勘探问题。在波 区场计算的卡尼亚视电阻率是合适的；在过渡区以 及近区场计算的卡尼亚视电阻率会发生畸变，其不 能反映地下真实的电阻率变化规律，需要校正或有 新的计算方法。因此，对深部探测，CSAMT视电 阻率的定义及计算问题亟待解决。目前研究的主要 收稿日期2012-08-06 基金项目深部探测技术与实验研究专项（SinoProbe-03-03 成果有殷长春等提出的电偶源电磁测深全区视电 阻率［4］；黄蜡平等发表的水平多层大地上垂直磁偶 极频率测深全波视电阻率［5］；毛先进等提出的水平 电偶源频率域电磁测深全区视电阻率直接算法［6］；何 继善发表的广域电磁法研究[7］；汤井田发表的 CS AMT电场y方向视电阻率的定义及研究［8］；一 些学者还研究了非远区场校正问题［9-10］。笔者利用 电偶极子定义的CSAMT电场x方向全区视电阻率， 对理论模型及实测资料进行了计算，结果表明，在 过渡带及近区视电阻率明显地得到了改善，对深部 探测及资料解释具有应用价值。 1 CSAMT电场x方向全区视电阻率的定义 1.1 卡尼亚视电阻率 在CSAMT测深应用中，目前多采用卡尼亚视 作者简介冯兵（1962一），男，新疆乌鲁木齐人，博士，副教授，从事电法勘探理论及应用研究 ChaoXing 79 兵等CSAMT探测中电场Ex全区视电阻率定义及应用冯第6期 2.1 均匀半空间模型计算的全区视电阻率 设双极源长1km，垂直收发距为3恤，模型电 阻率为1001m。双极源剖分为十段，计算点与双 极源中心点的连线与双极源之间夹角为90。。从图1 中可以看出3条曲线在波区范围内重合，在过灌区 以及近区出现分离。卡尼亚视电阻率在过渡区升高， 在近区范围内，呈45。上升趋势；波区视电阻率在 过渡区降低，进入近区趋于比均匀半空间电阻率低 的某个值；而电偶极子定义的全区视电阻率不论波 区、过渡区或近区，均趋于均匀半空间电阻率，客 观反映了地电断面。 ABI 000 rJ 000 resIOO;NABIO －一－WFEM 一串』－ResEx 一一’一一Cagniard 分解为若干个小的偶极源，并满足各偶极源到测点 的收发距远大于偶极本身的长度，求取每个电偶极 子的场然后叠加，即可求得双极源的场 NAB Exll.lll源＝汇ι 式中NAB为双极源分成的电偶极子个数。式（6 为均匀半空间双极源的场。利用式（2）、式。）和式（6 可计算双极源在均匀半空间任意点的电场值。在上 述公式中，电场值与均匀半空间的电阻率是隐函数 关系，利用电偶极子视电阻率定义的方式，即可定 义CSAMT电场x方向全区视电阻率。 6 理论模型计算结果分析2 、‘，J ta re－、 电阻率的定义，通过测量电场和磁场正交分量，利 用式（1）计算得到卡尼亚视电阻率［1-2] ρ＝土｜主12＝土问12 m I Hy I m I H x I 式中μ为磁导率，Him;OJ、为谐变电流的圆频率， rad/s; Ex和Ey为直角坐标系中均匀半空间表面电 场x分量和y分量的场值，V/m; Hx和Hy为直角 坐标系中均匀半空间表面电场x分量和y分量的场 值，Alm。卡尼亚视电阻率的计算简单，在波区能 客观反映地电断面的变．化；但是在过渡区以及近区 场计算的卡尼亚视电阻率会发生畸变。 1.2 波区视电阻率 首先，对均匀半空间水平谐变电偶极子频率域 电磁场及视电阻率做如下定义［I句，对水平谐变电偶 极子发射，均匀半空间任意一点的频率域x方向电 场为 2 ι＝丁旦ι3sin2q, e-ikr 1 ikr l 4πσr』d 式中I为电流，A;dL为电偶极子长度，m；σ为 均匀半空间的介质电导率，Sim;r为观测点距偶 极中心的距离，m。k为波数，当介电常数为ε时， 有 k2 m2＆一imσ（3 在波区，当kr→∞时，考虑到e-;1cr→∞，式（1 可以化简为 10 10‘ lo （ gα ） ＼ Ex＝主τjl-3sin呐 ..l1tσr』」 即在波区，电场值与均匀半空间的电阻率是简单的 函数对应关系。由此可得Ex定义的波区视电阻率表 达式 4 10 .fTHz 图1均匀半空间视电阻率曲线对比 Comparison of apparent resistivity curves of homoge- neous half space WFEM一电场x方向全区视电阻率；ResEx）一电场x方向波区 视电阻率；Cagniard一卡尼亚视电阻率 2.2 两层模型计算的全区视电阻率 图2a为D型模型的全区视电阻率、卡尼亚视 电阻率以及由Ex定义的波区视电阻率曲线。模型计 算参数为双极游、长1km，垂直收发距为3km，模 型第一层电阻率1001m，厚度1km，第二层电阻 率101m。计算点与双极源中心点的连线与双极源 之间夹角为90。。图2b为G型模型的全区视电阻率、 Cagniard视电阻率以及由Ex定义的披区视电阻 2πr3 叫1-3旷ψ） 1.3 电场x方向全区视电阻率 式（2）中电场值与均匀半空间的电阻率是隐函 数关系，给定实测的Ex，通过给定半空间电阻率计 算理论的Ex，当两者之间的误差满足要求时，则给 定的电阻率为地下半空间的电阻率；当地下介质不均 匀时，则给定的电阻率为地下半空间的视电阻率。 在频率域电磁法CSAMT野外工作中，由于受 工作条件和地质条件的制约，测点到场源的距离不 能大到可以视作无限远的程度，当工作频率较低时， CS AMT在过渡区和近区范围内工作时，场源不能 看作偶极源，而是双极源［11-13），此时利用卡尼亚公 式计算视电阻率会发生畸变。利用电偶极子的叠加 来解决双极源过渡区和近区场的问题，即将双极源 10- 10-2 10- JO 102 102 3 U AU l Fig. 1 5 E p x ChaoXing 80 煤田地质与勘探第41卷 reslIOO; res210 IO＇「ABI000; r3 000 NABIO; hlI 000 一－WFEM u一←－ResEx 10卡一’一Cagmard 8 s 102 、、 ,,. 101 Aυ 。υ nu fh型 MFdD nu d AU AU reslIO; r，臼2100 104 r ABI 000; r3 000 NABIO; hlI 000 --WFEM 103 L一←Res（品） 1 ---Cagniard { 巨 102 ,,. 101 。u nv du阳明 nυ 电Nυ Aυ 图2二层模型视电阻率曲线对比 Fig. 2 Comparison of apparent resistivity curves of two layers WFEM一电场x方向全区视电阻率；ResEx卜电场x方向波区视电阻率；Cagniard一卡尼亚视电阻率 率曲线。模型计算参数为双极源长lkm，垂直收 发距为3km，模型第一层电阻率lOOm，厚度 1 km，第二层电阻率1000-m。计算点与双极源中 心点的连线与双极源之间夹角为90。。 在D型、G型地电断面中，卡尼亚视电阻率在 过渡带和近区有明显的畸变，呈45上升；波区视 电阻率向下掉，趋近一个值；而全区视电阻率曲线 的尾支是一条水平渐近线，趋于某个渐近值，较真 实地反映了底部电阻率值。从分析及解释的角度看， 电偶极子定义的全区视电阻率优于卡尼亚视电阻率 及波区视电阻率。 2.3 三层模型计算的全区视电阻率 图3为三层模型视电阻率曲线，双极源长1km, 垂直收发距为3km，计算点与双极源中心点的连线 与双极源之间夹角为90。。由图3可见，H型和A 型地电断面中卡尼亚视电阻率在过渡带和近区有明 显的畸变，尾支出现45。上升渐进线，有明显的假 极小值；波区定义的视电阻率曲线在过渡区向下掉， 在尾支趋近一个值，但是不能反映底层的真实情况； 而全区视电阻率曲线的假极小值较小，尾支是一条 水平渐近线，反映较为准确。而Q型、K型地电断 面中3种方式定义的视电阻率与H型、A型地电断 面有类似的特征，可以得到相同的结论。 3 实例分析 3.1 地层概况 勘探区位于“临汾断陷”之“理王山凸起”南部边 缘，属小秦岭一豫西成矿区（带）中的“中条山成矿亚 区（带）”。区内大面积第四系黄土覆盖，基岩零星出 露。出露地层由老至新有中太古界谏水杂岩（勘探 目标层）、古生界寒武系、奥陶系下统，新近系零星 分布。 3.2 地层电性特征 测区纵向上新生界表层视电阻率较高，向下呈 逐渐降低趋势，至新近系以冲－湖积粘土、砾岩为主， 呈低阻表现；奥陶系下统以及寒武系多以灰岩、白 云岩为主，地层电阻率较高；谏水群为片麻岩、磁 铁石英岩，地层电阻率为中高阻表现。整套地层的 电性在纵向上呈现为中一低一高一中的特征反映， 为HA型（表1）。 表1测区地层电性一览表 Table 1 Electric properties of ation in survey area 地层主要岩性电阻率 中－低 较高 高 新生界（Q、N 下古生界（0、ε） 太古界（C 砂土、粘土、砾岩 灰岩、自云岩、石英岩 片麻岩、磁铁石英岩 3.3数据采集与资料处理 CS AMT工作选用加拿大凤凰地球物理公司生 产的V8电法工作站，采用了TM模式标量测量方 法；收发距为6km，发射极距ABlkm，发射方向 平行于测线；Ex测量极距MN40m，测量点距40m, 每6个测点测量一个中间点的均F；测量频率0.125～ 8 192 Hz。 资料处理选自该区A-A’剖面的CSAMT测量成 果，共100个点，选用卡尼亚视电阻率及Ex定义的 全区视电阻率两种数据。图4为A-A’剖面372点、 556点的视电阻率曲线对比图，可见两者的曲线在 波区基本类似，在近区区别较大。电偶极子定义的 电场x方向全区视电阻率较好的反映了测区地层的 电性特征，有利于分析解释。而卡尼亚视电阻率在 波区视电阻率较低与实际情况有较大差别，在近区 出现45。上升现象，计算结果远大于真实的电阻率。 从A-A’剖面两种方法处理的视电阻率断面图可见 （图5）两者形态基本一致，纵向上表现为H型或HA ChaoXing 81 兵等CSAMT探测中电场Ex全区视电阻率定义及应用冯第6期 。 ABI 000；卢3000 res l IO; res2500; res3 I hlIOO; h2500 NABIO 一－WFEM一＋－Res（ε;r －一－cagniar, 10 101 g, 102 、、 . ABI 000; r3 000 reslIOO; res20; res31 000 hlI 000; h2500 NABIO 一→－WFEM 一←Res（ε;r 一←Cagni缸d 10 101 C 102 、 电 101 101 10-3 10 2 10 I zmu 3 HA 叫FM叮 101 to 10 103 10 1 10-2 [0 10 I jTHz a H驯 101 102 10 103 ABl 000；卢3000 reslIO; res2l00; res31 hl lOO;h2500 NABlO 一＿WFEM 一＋－－Res4x －＋一－Cagniard 10 ABI 000; r3 000 resll OOO;res2 lOO;res3lO hllOO;h2500 NABIO --WFEM 一＋－－Res（ε;r －一－Cagniard 104 .... .... .. 10 IO 飞 电 103 102 （ E － C）飞龟 101 101 10 101 10 10 10- 10 2 10』 10 fl Hz d K型 101 102 ,o- 10」10-1 101 10 fl Hz c Q型 102 103 图3三层模型视电阻率曲线对比图 Fig. 3 Comparison of apparent resistivity curves of three layers WFEM一电场x方向全区视电阻率；ResEx卜电场x方向波区视电阻率；Cagni缸d一卡尼亚视电阻率 556 point 一’＿WFEMEx- －一＋－－Cagniard 10 372 point 一噜一－WFEMEx －－－－←一Cagni町d to IO S 103 \ . 102 104 102 S 103 、、 . 10 10 102 101 .flHz b 101 101 10 102 101 .flHz a 101 101 10 图4372点（a）与556点b）视电阻率曲线图 Fig. 4 Curves of apparent resistivity of points 372 a and 556 b WFEMEx卜电场x方向全区视电阻率；Ca胆ard一卡尼亚视电阻率 定义的视电阻率异常较清楚；下部高阻异常的展布 2 7协--6400 ilm）反映了凉水杂岩的分布状况。高阻异 常区域与磁测资料的高值异常区具有良好的对应关系。 可见，CSAMT电场x方向全区视电阻率计算结 果形态刻画得更为细致，计算结果更真实地反映了 型，符合测区地电特征。频率8192-512 Hz对应第四 系地层，电阻率变化幅度大，存在局部不均匀体； 512～32Hz对应新近系，电阻率较低；32Hz以下进入 奥陶系、寒武系、楝水层，电阻率升高，局部存在电 阻率较低区域。对比下部的低视电阻率特点可知，Ex ChaoXing 82 煤田地质与勘探 第41卷 8192 2 048 型512 128 二32 町8 5在2 。.5 0.125 I 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000 8 000 8 192 2 048 .., 512 占128 “ 32 捺j 0.5 0.125 距离Im a I 000 2000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000 8 000 距离Im b 图5A-A’线资料处理结果对比 Fig. 5 Comparison of data processing results for line A-A’ a一卡尼亚视电阻率断面等值线图；b一电场x方向全区视电阻率等值线图 地下介质的相对电阻率变化。故在CSAMT实测过 程中，可以考虑利用该处理方法，该方法对消弱磁 道由于不是每个点均测而造成的分辨率下降及磁道 观测误差问题具有重要意义。 4结论 由均匀半空间，二层及三层地电断面计算的电 偶极子定义的CSAMT电场x方向全区视电阻率和 卡尼亚视电阻率以及电场x方向波区视电阻率的对 比结果，均可得出电偶极子定义的CSAMT电场x 方向全区视电阻率优于卡尼亚视电阻率以及电场x 方向波区视电阻率。 在过渡区及近区，由于电磁场分量随距离r变 化而具有不同的变化规律，因而卡尼亚视电阻率形 成了假高阻现象。利用电偶极子定义的CSAMT电 场x方向全区视电阻率可较好地解决该问题。利用 较低频率的CSAMT数据对深部探测及资料解释具 有应用价值。 在CSAMT野外工作中，可以考虑仅观测电场 x分量，这对简化野外工作方法，减轻野外数据采 集的强度具有重要意义。 参考文献 ［］朴化荣电磁测深法原理协句北京地质出版社，1990. 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