瞬变电磁法利用不完整数据进行一维反演的可行性分析

武军杰，邓晓红，张 杰，王兴春，杨 毅

（中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，河北 廊坊 065000）

瞬变电磁法利用不完整数据进行一维反演的可行性分析

武军杰，邓晓红，张 杰，王兴春，杨 毅

（中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，河北 廊坊 065000）

为充分利用已经采集获得的并不完整的瞬变电磁衰减曲线，以一维三层理论模型以及实测数据为例进行了计算，计算结果说明，在不能获得整条衰减曲线时，利用部份时段进行反演获取一定的的地质信息，是一种可行的补救措施。试验的前提是瞬变响应曲线是正常的符合衰减规律的曲线，而对于畸变的曲线是不适合的。

瞬变电磁；不完整数据；反演；可行性

0 前言

瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，TEM）是一种时间域电磁法，是以地下岩、矿石导电性差异为地球物理前提，根据电磁感应原理的观测方式，来研究电磁场时间和空间分布规律，以寻找地下良性导电矿体或解决相关地质问题的一种地球物理勘查方法。瞬变电磁法场源的激励方式有两种，即不接地回线框磁性源和接地有限长导线电性源。磁性源瞬变电磁法的工作原理是，利用不接地回线供于脉冲电流，产生一次场，在该磁场的激励下，导电地质体产生涡流。当脉冲电流从峰值跃变为零时，一次场消失，而产生的涡流并不会立即消失，其消失过程是一个瞬变过程，这个过程的快慢与地质体电性参数有关。地质体导电性越好，感应涡流热损耗越小，瞬变过程就越长。由于感应涡流在导电介质中的传播是扩散方程，其逐步向地下深部扩散，其扩散范围随时间推移也逐步扩大，并在地下半空间产生二次电磁场，该二次场随时间逐渐消失。因此对于不同地下电性结构，感应涡流产生的二次场消失过程也将有所不同，据此就有可能通过测量和分析感应涡流产生的瞬变响应，来确定地下导体的电性分布结构和空间形态［1～9］。

TEM方法特点是：

（1）把频率域法的精确度问题转换成灵敏度问题，加大功率灵敏度可以增大信噪比，加大勘探深度。

（2）在高阻围岩地区不会产生地形起伏影响的假异常，在低阻围岩区，由于是多道观测，早期道的地形影响也较易分辨。

（3）可以采用同点装置进行观测，使与探测目标的耦合最紧，取得的异常相应强，形态简单，分层能力强，有穿透低阻覆盖的能力。

目前，TEM主要应用在矿产勘查，构造探测，水文与工程地质调查，环境调查与检测，以及考古等物探工作的各个领域。近年来，在找水、市政工程、土壤盐碱化和污染调查，以及浅层石油构造填图都有良好的效果［2］。

在实际野外数据采集过程中，由于种种原因，TEM原始数据在早期或者晚期数据质量差，信噪比低，而其它时间道数据质量尚可，这些数据往往被舍弃掉，不能参与数据处理。因为只有完整的一条衰减曲线（从下降沿结束开始一直到晚期道响应接近噪声水平），才能完全展示地下介质的二次场变化规律，进而充分表达该测点下方地电断面。但是这些数据中仍然包含了地下介质部份信息，反映了地下介质某个地段的衰减规律。

为此，通过理论模型正、反演计算，来说明利用不完整衰减曲线进行处理的可行性及合理性。首先，建立理论模型，进行正演计算，将正演曲线在不同位置进行截断，对截断后的衰减曲线进行一维反演计算，与理论模型进行对比，判断计算结果是否可靠。然后，在理论模型计算的基础上，对实测数据进行处理，从而论证TEM方法充分利用不完整数据进行数据处理的可行性以及存在的问题。

1 理论模型计算结果及分析

建立一维三层H型理论模型（参数见表1），计算一维层状理论模型瞬变响应，然后进行一维反演验证其计算效果。

正演参数设置为：发射框200m×200m，发射电流1A，时间道0.054ms～15.96ms，下降沿500μs，接收面积1m2。

表1 一维三层理论模型参数表Tab.1 Parameters list of 1Dthree layer model

理论模型正、反演计算结果如图1所示（见下页）。在图1中，右图为正演计算结果，其中虚线为均匀半空间（500Ω·m）瞬变响应曲线，实线为理论模型瞬变响应曲线；左图中虚线为理论模型，实线为理论模型正演数据的反演结果，反演利用了全部31道数据。从图1中可以看出，一维反演结果与理论模型基本吻合，能够反映出三层H型理论模型的电阻率特征。

为了说明利用部份数据来进行反演的效果，对理论模型的正演数据进行了不同时间道截断，情况如下：

（1）利用1道～25道、1道～20道、1道～15道数据进行反演，结果如下页图1。

（2）利用6道～31道、11道～31道、16道～31道、21道～31道数据进行反演，结果见后面图2。

（3）利用5道～25道、10道～20道数据进行反演，结果如后面图3所示。

通过对比分析，从图1～图3中可以看出：

（1）利用前26道、前21道数据，并不影响计算的准确性，并且还能够准确地反映出低阻层位置，只是深部的信息没有反映出来。当晚期道截断后16道，只利用1道～15道进行计算时，一维反演电阻率曲线发生畸变，并不可信。

（2）将早期道数据截断后，利用6道～31道、11道～31道、16道～31道、21道～31道数据进行计算，一维反演结果与实际情况吻合。由于早期道、中期道截掉后，也损失掉了浅部信息，所以11道以后数据反演结果只反映了低阻层下部信息。

（3）利用6道～26道数据反演的电阻率曲线所反映的主要为低阻层信息，低阻层上部、下部的信息有所缺失。

由以上计算结果可以看出，对于三层H型地电断面，适当地截断部份信号进行数据处理，仍然可以反映出地下介质相应的信息。但是，截断不当也会产生不可预计的后果，如本例中从后往前截断超过15道时，计算结果出现蹦跳。另外值得注意的是，在本次计算中，从前往后截断效果好于从后往前截断，这是因为所用的一维反演程序的计算方法中，开始是从晚期时间道开始计算的，是从层状初始模型的最底层往上推算的，因此从前往后截断的效果较好。而从后向前截断时，当截断一定的道数，剩余道数较少时，会造成算法出现较大误差，结果不可信。

通过以上对反演结果分析可知，在瞬变响应曲线上面存在一处“关键段”，该段瞬变响应曲线包含了目标体的主要信息，可以称为该曲线的“特征段”。例如在本例中，如果三层介质中的低阻层是目标层的话，那么6～15时间道就为特征道，在其它时间道损失的情况下，还能通过该段曲线反演结果反映出目标低阻层。同样地，如果目标层为低阻层下方的地层的话，那么，“特征段”就会改变，如果晚期道数据损失，就不能达到反映目标地层的目的。需要强调的是，一条完整的瞬变响应衰减曲线，是测点下方介质整体反映，其早期道是下方介质整体在早期时间道的反映，晚期道是下方介质在晚期时间道上的反映。所以，早期道并不仅仅包含浅部的信息，晚期道并不仅仅是深部的反映。但是，不同的地质体或者地层的主要信息，可以反映在其特征段内。通过特征段的反演可以获得目标地质体或地层的主要信息。另外，在本算例中低阻层的顶界面埋深为300m，其特征段主要在早期、中期时间道。而如果低阻层的埋深较深的话，那么其特征段将会主要分布在中晚期道，此时晚期道就不能截掉了。

图3 理论模型正演计算瞬变响应曲线及一维反演结果图（截掉早期、晚期数据）Fig.3 TEM response curves of theory model and 1Dinversion curves（cut off both early and late time channel data）

2 实测数据计算

图4（见下页）为某矿区实测数据利用不同时间道进行一维反演计算的结果，作者在图4中给出了实测原始瞬变曲线。

（1）图4（a）为将瞬变响应曲线晚期道截断不同道数，然后进行一维反演计算的对比图。作者在图4（a）中列出了分别使用1道～36道、1道～32道、1道～30道、1道～28道、1道～23道、1道～20道时间道数据进行一维反演计算的结果对比情况。可以看出，整条衰减曲线（1道～36道）反演的电阻率曲线为明显的K型，所反映的深度约为150m～900m。1道～32道数据计算结果与1道～36道计算结果基本相同，曲线形态为K型，只是深度略有差别。当使用1道～30道数据计算时，曲线形态仍然为K型，但是曲线尾支明显抬高。1道～28道、1道～23道数据计算结果K型曲线尾支不断抬高，而当使用1道～20道数据计算时，其结果曲线只能反映电阻率随深度增大，并不能反映下方低阻层。从图4（a）中可以看出，晚期道数据包含了深部低阻层的主要信息，当不断截掉晚期时间道后，使反演的低阻层的电阻率逐渐变高，最终不能反映低阻层的存在。所以，当晚期道数据质量不好，删掉晚期道后，反演结果中浅部信息较为可靠，所反映的深部信息仅可作为参考，可信度并不高。

（2）见下页，图4（b）为将瞬变响应曲线早期道截断不同道数进行一维反演计算的对比图。作者在图4（b）中列出了分别使用1道～36道、8道～36道、13道～36道、16道～36道、21道～36道时间道数据进行一维反演计算的结果对比情况。从下页图4（b）中可以看出，在早期道截断不同的道数后的反演结果与完整曲线计算结果是吻合的，只是所反映的浅部的信息缺失了。即使截断到21道～36道时，其反演结果所反映的信息仍然是准确的，并没有发生畸变。

（3）见下页，图4（c）为将瞬变响应曲线早期、晚期道同时截断不同道数进行一维反演计算的对比图。作者在图4（c）中列出了分别使用1道～36道、6道～3 1道、1 1道～2 6道、1 6道～2 6道、6道～20道时间道数据进行一维反演计算的结果对比情况。从图4（c）中可以看出，在早期晚期同时截断不同时间道后，反演结果差别较大，曲线首支基本重合，而尾支差别较大。分析其原因，主要是因为晚期道截断造成的。损失掉晚期道数据，包含的深部主要信息也缺失，从而形成了截断时间道数据越多，其反演的电阻率曲线反映的电阻率越高的特征。

图4 某矿区实测数据不同时间道一维反演结果对比图Fig.4 Comparison of plot of field curves in some mining area and 1Dinversion curves using different time channels data

3 结语

通过理论模型以及实测曲线的一维反演计算可以说明，在特殊情况下，利用不完整数据可以获得不同程度的地下信息，但也存在一定的限制条件，使用不当会产生不可靠的信息。所以，在野外实测数据时必须严格遵守操作规范，合理选择参数，尽最大可能地获取完整的衰减曲线。以下为通过对理论数据和实测数据计算结果进行分析后总结出的初步认识：

（1）对于TEM方法，只有利用完整的衰减曲线进行反演计算，才能充分反映地下电性结构展布。在对完整数据进行截断后，无论是早期还是晚期数据，都会损失部份信息，甚至造成假象。但是在不能可靠获得整条完整衰减曲线时，利用部份时段进行反演，获取一定的地质信息，是干扰区勘查的一种可行的补救措施。

（2）对于TEM方法，地下目标地层或者目标地质体信息分布于整条衰减曲线，但是其主要信息会集中分布在某一段曲线（特征段）中，不同性质的目标体对应不同的“特征段”。一般来说，浅部地质体的“特征段”主要分布在早期道数据中；深部地质体的“特征段”主要分布于晚期道数据中，但特殊情况除外，如浅部存在较大规模低阻体，整条衰减曲线主要反映浅部信息。因此，在截掉部份曲线后，其所对应的地下信息便不能全面反映出来。在实测数据中，深部低阻体信息主要反映在晚期道数据中。在晚期道数据不断损失的过程中，其所对应的地下低阻体信息，也在反演的电阻率曲线上体现得越来越少，并且当该“特征段”完全损失掉后，将造成深部为高阻的假象。

（3）通过对TEM数据在早期截断和晚期截断对比结果可以看出，晚期截断不当会造成假象；而在早期道截掉后，反演结果不会失真，只是对应浅部信息损失掉了。

（4）以上讨论只是建立在TEM原始曲线是正常衰减曲线的基础上，如果原始曲线已经发生了畸变，衰减规律不正常，其计算结果就不可靠。如再截掉部份数据后计算，其结果就更加不可靠。

［1］ ［美］A.A.考夫曼，G.V.凯勒.频率域和时间域电磁测深［M］.北京：地质出版社，1987.

［2］ 蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探［M］.北京：地质出版社，1998.

［3］ 周凤桐.勘查地球物理勘查地球化学文集第24集.隐伏矿地球物理研究［S］.北京：地质出版社，1998.

［4］ 朴化荣.电磁测深法原理［M］.北京：地质出版社，1990.

［5］ 牛之琏.时间域电磁法原理［M］.长沙：中南大学出版社，2007.

［6］ ［美］S.H.沃德.地球物理用电磁理论［M］.北京：地质出版社，1978.

［7］ 李貅.瞬变电磁测深的理论与应用［M］.西安：陕西科学技术出版社，2002.

［8］ 邓晓红，吴广耀，王兴春，等.瞬变电磁三维异常特征反演与瞬变场可视化［M］.北京：地质出版社，2009.

［9］ 刘国兴.电法勘探原理与方法［M］.北京：地质出版社，2005.

［10］LEE T，LEWIS R.Transient EM response of a large loop on a layered ground［J］.Geophysical Prospecting，1974，22：430.

［11］MCNILL J D，EDWARDS R N，LEVY G M.Approximate calculationsof the transient electromagnetic response from buried conductorsin a conductive half－space［J］.Geophysics，1984，49（7）：918.

［12］李建平，李桐林，赵雪峰，等.层状介质任意形状回线源瞬变电磁全区视电阻率的研究［J］.地球物理学进展，2007，22（6）：1777.

［13］熊彬.大回线瞬变电磁法全区视电阻率的逆样条插值计算［J］.吉林大学学报：地球科学版，2005，35（4）：515.

［14］薛国强，李貅，底青云.瞬变电磁法理论与应用研究进展［J］.地球物理学进展，2007，22（4）：1195.

［15］吕国印.瞬变电磁法的现状与发展趋势［J］.物探化探计算技术，2007，29（增刊）：111.

P 631.3＋25

A

10.3969／j.issn.1001－1749.2012.05.10

1001—1749（2012）05—0559—07

国家危机矿山接替资源勘查专项（200699066）；公益性行业专项（200911017）

2011－12－27 改回日期：2012－06－01

武军杰（1979－），男，河北栾城人，硕士，主要研究方向为电磁法勘探研究。