激电效应对瞬变电磁影响特征研究

徐凯军,李桐林,刘 展

(1.中国石油大学 地球资源与信息学院,山东青岛 266555;2.吉林大学 地球探测科学与技术学院,吉林 长春 130026)

激电效应对瞬变电磁影响特征研究

徐凯军1,李桐林2,刘 展1

(1.中国石油大学 地球资源与信息学院,山东青岛 266555;2.吉林大学 地球探测科学与技术学院,吉林 长春 130026)

当地下存在极化体时,在瞬变电磁测量中可能会出现负电磁响应。为了研究极化体所产生的激电效应对瞬变电磁的响应规律,以频域电磁正演为基础,采用余弦变换,这里重点研究了在电偶源激发下,层状可极化大地和半空间三维极化体电场分量瞬变响应特征,总结了激电效应对瞬变电磁响应的影响规律。

瞬变电磁;余弦变换;激电效应

0 前言

岩矿石表现出的复电阻率性质早已被人们所认识。在时间域电法中,岩矿石复电阻率性质所产生的激电效应,已成为这些方法中的干扰。因此,研究激电效应对瞬变电磁响应的影响规律非常必要。M orrison等人[1]指出,激电效应在重叠回线瞬变电磁测量中有可能表现为符号反转;Hohmann[2]对频率域电磁测量系统的激电效应影响特征进行了理论和应用研究。接下来,还有很多学者对时间域瞬变电磁法中,激电效应影响的物理机制进行了探讨[3～13]。作者在本文以频域电磁正演为基础,采用时频转换技术,重点研究了电偶源激发下层状可极化大地,以及和半空间三维极化体电场分量瞬变响应特征和规律。

1 瞬变电磁场正演理论

时间域瞬变电磁法的正演,采取先求解相同装置的频率域电磁法的正演问题,然后通过余弦变换,将频域结果转换到时间域。

1.1 水平层状介质频域正演

在电偶极子发射源条件下,水平层状大地频率测深的电场表达式为[14]:

式中 J0(λr)为零阶贝塞尔函数;J1(λr)为一阶贝塞尔函数。式(1)含有零阶和一阶贝塞尔函数积分形式。这种积分形式的正演公式是一种汉克尔变换式,通过快速汉克尔变换可求得式(1)的电场数值解。

1.2 三维介质的频域正演

作者利用积分方程法,计算了均匀半空间中三维极化体的频域电磁场响应。均匀半空间中含有三维异常体时,其电场的积分方程表达式为[15]:

(2)可求得可得到空间内任意一点电场值。

2 频时转换方法

作者在本文中采用了余弦变换,将频域电场转换为时间域电场。转换公式可以写为:

式(3)适用于所有频率域电磁法正演结果到时间域瞬变电磁法的转换,并且该方法很容易在计算机上实现。

3 层状极化大地瞬变电场响应

为了研究层状可极化大地电场分量的瞬变响应规律,作者计算了电偶源激发的中间层为极化层典型的三层地电断面的电场水平分量之瞬变响应。表1给出了各种不同地电断面参数,中间极化层复电阻率参数为m2=0.5、τ2=0.5 s、c2=0.5。在计算时针对大收发距(r=1 000)和小收发距(r=100),分别计算了电场水平分量的瞬变响应。

表1 不同地电断面类型所对应的地电断面参数表Tab.1 The param eter tab le of d ifferen t geo-electric cross section

从图1中可以看出,当采用小收发距时,无论在何种地电断面上,所得瞬变曲线形态都相同,甚至数值也相近。其变化趋势都是电场的瞬变响应在早期快速衰减,然后由正值变为负值,最后缓慢衰减到零。当用大收发距时,瞬变曲线形态比较复杂,对于地电断面类型为H型和Q型的地电断面,也就是第二层的电阻率相比第一层为低阻的地电断面,其电场水平分量的瞬变曲线形态基本一致,瞬变响应早期为正值,然后由正值变为负值,其幅值较大,但经历时间短,很快又由负值变为正值,并快速衰减。对于地电断面类型为K型和A型的地电断面,也就是第二层的电阻率相比第一层为高阻的地电断面,其电场水平分量瞬变曲线和小收发距时的瞬变曲线形态类似,只是瞬变响应强度比小收发距时低一个数量级以上。

图1 不同地电断面瞬变响应(虚线为负值)Fig.1 The transient response of different geo-electric cross section(the dashed rep resentnegative)

4 均匀半空间中三维极化体的瞬变电场响应

为了研究半空间中埋藏三维极化体时的瞬变电磁响应的影响规律,作者计算了不同参数时的均匀半空间三维极化体正上方的时间域瞬变电磁响应。模型分布如图2所示,异常体是长、宽、高都为100m的正方形,发收距为800m,极化体埋深h为100m。

图3给出了三维极化体取不同极化参数时,极化体正上方瞬变电磁响应。电性参数如各图中所示,其中ρ1表示围岩电阻率,ρ0表示极化体零频电阻率,m表示极化体极化率,τ表示极化体的时间常数,c表示极化体的频率相关系数。由图3可见,极化体极化率、时间常数、频率相关系数越大,负电磁响应出现的越早,而且幅值也越大。但时间常数对瞬变电磁响应曲线影响相当较小。另外低阻极化体比高阻极化体的负电磁响应出现的早且幅值大。

图2 均匀半空间中三维极化体模型Fig.2 Themodelof 3D po larized body in homogeneous half-space

图4(见下页)是取不同围岩电阻率时,极化体正上方的瞬变电磁响应。由图4可以看出,在极化体电性参数相同的条件下,围岩的电阻率越高,瞬变响应中负电磁响应出现的越早,幅值越大。高阻围岩中即使极化体极化率较低,但其瞬变电场响应中负电磁响应出现却早且幅值大。由此可见,围岩电阻率越高,极化体产生的激电效应越强。

图3 不同极化参数时极化体正上方的瞬变响应(虚线为负值)Fig.3 The transient response of differentpo larization param eters(the dashed rep resentnegative)

图4 不同围岩电阻率时极化体正上方瞬变响应(虚线为负值)Fig.4 The transien t response of d ifferen t ad jacen t bed resistivity(the dashed rep resen t negative)

5 结论

通过对可极化层状大地和均匀半空间中三维极化体的瞬变电磁响应分析可知,当地下存在一定规模的极化体时,将会对瞬变电磁响应产生很大的影响,使得瞬变电磁响应晚期变号出现负值。对于地电断面类型为H型和Q型的层状介质,由于极化层的存在,还出现了二次变号现象。激电效应大小与极化体的极化率、时间常数、频率相关系数成正比,而且还受零频电阻率,围岩电阻率及收发距等参数的影响。另外从时间来看,早期瞬变响应以电磁效应为主,由于电磁效应随时间衰减,激电效应在晚期占优,影响较大。

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P 631.3+25

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1001—1749(2010)06—0613—04

国家油气重大专项(2008ZX05020-006)

2010-05-31 改回日期:2010-09-17

徐凯军(1979-),男,安徽固镇人,博士,讲师,主要从事地球物理正反演研究。