典型地质异常体瞬变电磁响应物理模拟

几种规则形体上瞬变电磁剖面法异常特征~

在瞬变电磁剖面法工作中，一般将测量结果绘制成由发射电流归一的测量线圈感应电压值(V/I)。对于球体、水平圆柱体及薄板状体等几种典型形体瞬变电磁响应的正演问题，在不少文献中均有阐述，这里只引用正演计算或实验模拟结果。由于同点装置是目前瞬变电磁法使用较多的装置，所以下面主要讨论同点装置激励下的剖面异常特征。
4.4.6.1 球体和水平圆柱体上同点装置的异常特征
图4.4.13所示为重叠回线在水平良导圆柱体上由物理模拟得到的多道V/I异常剖面曲线。从图中可以看出，重叠回线在水平良导圆柱体上的磁场异常曲线为一正的单峰对称异常。在圆柱体正上方，发、收回线均距离圆柱体最近，与圆柱体耦合最好，形成最强异常。球体的异常剖面曲线形态与圆柱体相似，只是异常宽度不同，而随时间衰减的速度也不同。实际工作中，一般根据异常的平面分布特征分辨二者的异常。
4.4.6.2 导电薄板上同点装置的异常特征
导电薄板的异常形态和幅度以及薄板的产状有关。图4.4.14所示为重叠回线在直立薄板上的多道V/I异常剖面曲线，异常为对称于板体的双峰。在薄板正上方，虽然发、收回线距离板体最近，但它们与薄板的耦合很差，发射的磁力线平行于板面，不能激发出感应电流，也就几乎没有瞬变电磁异常了。在薄板正上方的两侧，发、收回线与薄板的耦合最好，形成异常最强。

图4.4.13 重叠回线装置在水平良导圆柱体上的多道V/I异常剖面曲线

铜柱：直径8cm，长41.7cm，h=5cm；重叠回线边长10cm；测点间距4cm

图4.4.14 重叠回线装置在直立薄板上的多道V/I异常剖面曲线

铝板70cm×40cm×0.1cm，h=5cm；重叠回线边长10cm；测点间距4cm
图4.4.15所示为重叠回线在倾斜薄板上的多道V/I异常剖面曲线。异常为不对称双峰，板体倾向一侧的峰值较强，极小值从板顶向反倾向一侧略有偏移。不同测道的V/I曲线形态略有差别。在板状体倾向一侧，由于发射回线距板状体近，因而薄板处一次场较强，更兼一次磁场的磁力线与板面夹角较大，因而能在板状体内激发出较强的感应电流，产生出较强的二次磁场；同时，在倾向一侧，接收回线距二次场源近，而且二次磁场的磁力线与接收回线所在平面的夹角也较大，因而便能测到较强的异常。而在反倾向一侧，由于发、收回线距离板状体较远，而且耦合较差，测得的异常便较弱。
倾斜薄板双峰异常的不对称程度与板状体的倾角有关。图4.4.16所示为重叠回线在不同倾角薄板上相同延迟时间的V/I异常剖面曲线。从图中可见，随倾角从90°减小到30°，主峰异常幅度逐渐增加，双峰异常的不对称性逐渐加强。

图4.4.15 重叠回线装置在倾斜薄板上的多道V/I异常剖面曲线

铜板：80cm×20cm×0.6cm，h=5.5cm，a=45°；板顶在0号点；重叠回线边长5cm

图4.4.16 重叠回线装置在不同倾角薄板上相同延迟时间V/I异常剖面曲线

铝板70cm×40cm×0.1cm，h=5cm；重叠回线边长10cm；测点间距4cm；t=1.2 ms

严良俊　苏朱刘　胡文宝
（江汉石油学院信息工程系，荆沙　434102）
摘要　在克服了气候恶劣，地形险恶等困难之后，首次在中国南方地区油气勘探中成功地进行了长时窗瞬变电磁测深（LOWTEM）方法试验。为了对数据进行有效地解释，我们进行了数据处理与解释方法研究，文中提出了几种新的数据处理与解释方法：①基于良导薄板的瞬变电磁响应理论的全区视纵向电导法；②基于均匀半空间的瞬变电磁响应理论的全区视电阻率法；③拟地震解释法；④一维快速反演法。这些方法使得LOWTEM技术能较好地追踪地质层位、寻找局部异常体，如礁体异常体等。在南方恶劣地形条件下的LOWTEM方法试验表明，该方法与其它电磁方法相比具有较高的纵、横向分辨率和较高的生产效率，是一种在油气勘探中具有广范应用前景的电磁勘探方法。
关键词　瞬变电磁法　全区视电阻率　全区视纵向电导
1　引言
中国南方地区气候恶劣，地形险恶，地质构造复杂，大部分地区多为灰岩裸露，地表速度参数变化强烈，且往往较高，常规的地震勘探往往难以奏效。为了打开南方油气勘探的新局面，我们先后在湖北、贵州和广西等省区的恶劣山区地进行了多种电磁方法试验，其方法之一就是长时窗、长偏移距、大功率瞬变电磁测深法。为了使该方法满足南方油气勘探深度和分辨率的要求，我们从施工设计、数据采集方法技术入手，确保数据质量和可解释性。
2　数据采集

图1　LOWTEM收发系统

LOWTEM野外采集装置如图1所示。以接地长导线（长度一般约2km）作为电偶极子源，工作时，通以双极性脉冲方波，占空比一般50%，周期16s、32s或64s可调，工作电流大于30A。由V5多功能接收机在源的150°扇形区域内接收瞬变电磁信号，仅观测垂直磁场分量随时间的变化率。收发距一般在2～20km之间。正演理论结果表明，在上述装置条件下，当上覆盖层电阻率为100Ω·m时，其勘探深度可达5～10km。
3　数据处理
LOWTEM野外数据受多种因素影响而产生畸变，这些因素主要包括文化干扰、由IP引起的直流漂移、仪器系统的影响、地表复杂的2维或3维电性不均匀体的影响。针对这些不同影响因素，我们分别采用不同校正方法：以曲线平移消除直流漂移，以系统函数的反褶积消除系统响应；以时间域递归滤波和多次叠加消除文化干扰。图2是消除了直流漂移、系统影响之后的叠后感应电动势（EMF）曲线，图中明显存在50Hz交流干扰。图3是进行时间域递归滤波之后的结果，从图中可以看出，周期性的干扰很好地得到了压制。

图2　广西某区叠后EMF数据


图3　图2的时间域递归滤波结果

4　数据解释方法
4.1　全区视电阻率法
常规的早、晚期视电阻率法的弱点是过渡区无法解释。由于均匀半空间下瞬变电磁响应函数的复杂性，全区视电阻率目前尚无法以显式函数的形式表示。因此全区视电阻率的求取只能采取数值方法。注意到均匀半空间下垂直磁场的瞬变电磁响应函数是电阻率的单值函数，我们将EMF曲线沿时间轴积分，以获取垂直磁场值，然后利用数值方法求取全区视电阻率值。图4是用三层地电模型计算的早、晚期和全区视电阻率曲线。
4.2　全区视纵向电导及拟地震时间剖面
根据“良导薄板”理论[1]，可以用简单的函数表达式近似定义全区视纵向电导值。全区视纵向电导具有直观、对电性界面分辨率高等特点，因为全区视纵向电导曲线的拐点是电性界面的反应。根据这一特征，我们对全区视纵向电导曲线对时间求二次导数，然后归一化成拟地震时间曲线，其结果更直观地反应了电性分层，将一条剖面的拟地震时间曲线绘成剖面平面图形成拟地震时间剖面，利用该剖面可较好地进行地层层位追踪。图5是四层地电模型的全区视纵向电导曲线及拟地震时间曲线，两曲线均能较好地划分电性层。
4.3　一维快速反演
一维反演的快慢取决于一维正演方法，通常的余弦变换法和常规的贝塞尔变换法都较费机时，我们利用快速贝塞尔变换法改进了一维正演算法，从而提高了正演速度，实现了PC机上一维快速反演。图6是贵州某地单点曲线及其反演结果，反演模型与实际地质构造吻合较好。

图4　三层模型的早期、晚期和全区视电阻率（ρs）

厚度：h1=2000m,h2=500m；
电阻率：ρ1=500Ω·m，ρ2=100Ω·m，ρ3=1000Ω·m

图5　上部为全区视纵向电导曲线，下部是归一化的时间曲线（拟地震时间曲线）


图6　单点LOWTEM数据一维反演结果

实线：反演结果；点线：实测数据
4.4　实例
利用上述反演解释方法，我们对广西某地工区进行了反演电阻率平面成图，图7中圈出了5个高阻异常体，其结果与该地区地震资料所圈出的透镜体异常（图8）对比基本吻合，根据礁体的电性特征，这些异常体可解释为礁体的反应。

图7　广西某地D2—T1地电层LOWTEM反演电阻率异常平面图


图8　地震解释的构造及透镜体异常分布图与图7工区相同

5　讨论
在南方地区的试验结果表明，LOWTEM方法不失为复杂地区的一种有效的勘探方法。应该指出的是，我们的试验和研究工作还处于探索阶段，要使该方法成熟、完善，尚需进一步的试验与研究，诸如进行三维物理模拟和数值模拟以研究地形和地表三维电性不均匀体的影响和源的影响等等。
由于大功率的可控源，LOWTEM早期信号的信噪比要强于MT，就目前我们所使用的场源的功率，4s以后的信号仪器无法分辨，这个时窗范围还不足以满足某些深部勘探的需要。为了改善晚时信号的信噪比，必须有强大功率的场源。在中国南方山区，布设可提供100A的大功率车载发射机是可行的，这样可大大提高采集数据的质量和工作效率。
参考文献
[1]　朴化荣．电磁测深原理．北京：地质出版社，1991.
[2]　严良俊，胡文宝．瞬变电磁测深一维快速反演方法及应用效果．江汉石油学院学报，1994,12．

在电磁法勘探中，物理模拟是研究野外条件下电磁响应特征的重要手段。由于野外地质地理以及人文条件较为复杂，岩（矿）石物理性质变化很大，很多目的物的响应无法用数学解析式表示，使用高性能的电子计算机，采用有限元、有限差分等近似数值解法，虽然大大提高了解题的范围，但仍存在一些不易解决的问题。另一方面由于无严格的解析解与近似解作对比，因此还需要借助于物理模拟的方法来验证近似解的正确性和近似程度。

瞬变电磁超前探测在井下巷道空间中进行，巷道空间的存在改变了瞬变电磁场全空间分布特征，使其不再是严格意义上的全空间场。本章使用盐水充当巷道空间围岩介质，使用玻璃槽充当巷道空间，建立了瞬变电磁超前探测含巷道全空间物理模型，根据目前瞬变电磁井下实际超前探测方法，对不同异常体的超前探测响应特征进行了物理实验模拟。

1.实验模型系统设计

（1）地质模型

典型的矿井地质模型为水平层状，相对顶、底板来说煤层可视为高电阻率介质。掘进巷道位于煤层当中，如图6－8所示。一般采煤工作面掘进巷道断面的宽度为2～4m，高度为2～4m。本章主要研究巷道空间对矿井瞬变电磁场分布的影响规律。因此，假设巷道位于均匀全空间介质当中，即顶板、底板和煤层具有相同的电阻率值100Ω·m。在矿井瞬变电磁法实际工作当中，因巷道空间的限制常选用多匝小回线作为发射、接收装置，线圈边长通常为2m，同时，按照矿井防爆措施要求，发射电流应小于10A。

图6－8 矿井地质模型示意图

（2）水槽模型

水槽空间充当全空间，全空间尺寸即为水槽尺寸，水槽尺寸：长195cm，宽130cm，深90cm；使用一端封闭的玻璃槽充当独头巷道空间，底部封闭面为巷道掌子面，玻璃槽尺寸：长45cm，宽20cm，高20cm。为避免干扰，采用全塑质支架，凳子高45cm。巷道围岩介质用盐水代替，水槽中注水2.2815m³，加入食盐30kg，使用SYSCAL—R2型电法仪，采用小极距对称四极装置形式测定该盐水电阻率约2Ω·m。

模拟时将玻璃槽直立于水槽中央（图6－9（a）），顶、底板距水槽壁均为55cm。为避免水槽底部出水口处滤水罩影响，将玻璃槽尽量远离出水口处放置，保证玻璃槽左右帮距离水槽壁均大于55cm。水槽注水后，为防止玻璃槽在浮力作用下移动，使用盖板压实固定（图6－9（b））。

图6－9 含巷道全空间模型实体图

井下巷道一般水平布置，为便于模拟，将巷道进行了90°的旋转，采用了上述直立式模型，玻璃槽下方可视为巷道掌子面正前方，此模型中长度45cm，玻璃槽左右侧可视为巷道的左右帮，玻璃槽上下侧可视为巷道的顶底板。

（3）模拟方法

模拟时完全按照井下超前探测方法，在玻璃槽封闭端（相当于巷道掌子面）处按不同角度布置测点，采用重叠回线装置形式对掌子面前方进行11个方向的扇形扫描（图6－10），最后绘制多测道剖面图进行异常分析。这种数据采集方式称扇形扫描或环形探测。

图6－10 探测示意图

2.掌子面正前方

超前探测主要解决掌子面正前方地质异常体的探测问题，异常体在瞬变电磁超前探测特有的数据采集方式与相应的图示方法中的响应规律尚需研究。在进行物理模拟时，设置了两个模型，两导柱体采用前面提到的长9.5cm、直径6cm的铁柱，分别放置于距掌子面25cm与42cm的位置处。

图6－11、图6－12分别为异常体位于掌子面正前方时超前探测的多测道剖面图，图中从上到下依次为0.2，0.275，0.375，0.475，0.575，0.725，0.925，1.125，1.325，1.625，2.025，2.425，2.825，3.425，4.225，5.025ms测道。对于图8－1－19中模型，1，2，10，11号探测方向的响应强度与不含异常体时的强度基本一致，也就是这4个探测方向探测不到掌子面正前方的异常体。从3号与9号探测方向开始，响应幅值开始增强，5，6，7号探测方向上的响应幅值最强。根据这一表现，可以断定3～9号探测方向均能探测到掌子面正前方的异常体，响应幅值的强弱决定于线圈与异常体的耦合程度，当线圈法线方向垂直指向异常体时，一次场与异常体的耦合最强，此时激发的二次场响应也最强，如5，6，7号探测方向；当线圈旋转，其法线方向开始偏离异常体时，一次场与异常体的耦合程度减弱，相应接收到的二次场响应幅值减弱，如3，4，8，9号探测方向。

3.充水巷道瞬变电磁响应特征

在矿井瞬变电磁超前探测目标体中，经常会遇到探测废弃巷道充水问题。选取了长1m、直径8cm的钢管作为充水巷道，实验时放置于迎头正前方，其走向与巷道走向垂直。图6－13为模拟结果，该图说明，对于废弃充水巷道，瞬变电磁超前探测时迎头处测点响应幅值要高于其他测点，而拐角处测点在晚延时段响应较低。

图6－11 超前探测多测道剖面图（异常位于迎头正前方25cm处）

图6－12 超前探测多测道剖面图（异常位于迎头正前方42cm处）

图6－13 超前探测多测道剖面图（异常位于迎头正前方）

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