瞬变电磁法探测薄层的分辨能力与偏移距关系

雷康信，薛国强,4*，陈卫营，周楠楠

(1.中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院矿产资源研究重点实验室，北京 100029; 2.中国科学院大学 地球与行星科学学院，北京 100049; 3.中国科学院地球科学研究院，北京 100029; 4.长安大学 地球物理场多参数综合模拟实验室(中国地球物理学会重点实验室)，陕西 西安 710054)

0 引 言

薄层地质异常体的有效精细探测一直以来都是地球物理勘探面临的重要而又难以解决的问题，诸如石墨层、油储层、深部采空区以及一些薄煤层等的地质问题都可近似为薄层探测问题[1-2]。因此，针对物性参数不尽相同的各类地质问题，选择合适的勘探方法及观测参数是解决薄层探测问题首要考虑的因素。

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method, TEM)观测纯二次场，具备近区探测和穿透低阻覆盖层的能力，且垂向分辨率大、装置轻便、工作效率高[3-5]，在以往的煤田地质勘探、金属矿探测、地下水探测等领域中发挥了重要的作用[6-11]。许多学者也曾针对瞬变电磁法的薄层探测问题进行了相关研究。牛之琏结合野外实际工作讨论了瞬变电磁法中视电阻率和视电导率参数对良导层的探测能力[12-13]；唐新功等采用积分方程法计算了层状介质中三维薄板的瞬变电磁响应，并探究了异常体位置对响应的影响[14]；之后在此基础上，以埋藏于层状地层中不同位置和深度的多个三维导电薄板为例，分析了瞬变电磁法对地下多个异常的分辨能力[15]；薛国强等根据有无薄层存在时响应的相对误差分析了回线源瞬变电磁法对薄层的分辨能力，并将其与可控源音频大地电磁法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric Method，CSAMT)进行了比较，认为瞬变电磁法对薄层的分辨能力优于可控源音频大地电磁法[1]；王战军等分析了薄层与围岩电阻率比值及薄层埋深厚度比值对回线源瞬变电磁法探测能力的影响[16]；周楠楠等研究了矩形回线瞬变电磁法水平分量的响应特征，并在此基础上考虑了水平分量对低阻薄层的分辨能力[17]；陈卫营等分析了短偏移距瞬变电磁法(Short Offset Transient Electromagnetic Method,SOTEM)对薄层的探测能力，并讨论了薄层厚度与偏移距对观测结果的影响[2]；侯东洋等通过模拟过程分析了可控源音频大地电磁法与短偏移距瞬变电磁法对低阻层的探测能力，发现短偏移距瞬变电磁法对导电体的探测能力更强[18]；龙霞等研究了等值反磁通原理瞬变电磁(OCTEM)二次磁场时间导数对低阻和高阻薄层的探测能力，并进一步分析了薄层电阻率、厚度、埋深及围岩电阻率对分辨能力的影响，发现OCTEM对低阻薄层的探测能力更强，且薄层与电阻率差异越大、薄层厚度与埋深比越大，探测能力越强[19]。

综上可知，前人针对采用瞬变电磁法探测薄层的研究主要围绕其分辨能力展开，而鲜少有观测参数与分辨能力之间联系的研究。本文以电性源瞬变电磁法一维正演为理论基础，通过定义的相对异常，探究偏移距与分辨能力及观测时间之间的关系，并在此基础上研究其随薄层电阻率以及埋深的变化。

1 瞬变电磁响应计算

电性源瞬变电磁时间域响应一般是由电偶极源响应积分求得的频域解通过时频变换得到的[20-21]。目前电性源地面瞬变电磁法的实际工作中，主要观测由垂直感应电动势[22]，因此，本文主要给出垂直磁场的响应表达式。层状介质下，位于地表x方向水平电偶极源阶跃激发(不含接地项)在地表产生的垂直磁场(Hz)的频率域表达式[23]为

(1)

对于N层大地，其递推公式为

对于沿x方向布设、长为2a的接地导线源，按照偶极子叠加理论，其频率域响应[24]为

(2)

式中：z为观测点的坐标；x′为发射源的横坐标。

得到频率域响应后，利用傅里叶变换可得到时间域(f(t))响应[25]，其表达式为

(3)

对于电磁法来说，所谓对地层的分辨能力是指某种方法装置在目标层(异常体)所产生的异常场超过背景场的水平，并且依据此种方法的理论可以从异常场提取地层信息的能力。相对异常(P)的计算公式为

(4)

式中：Fa为存在异常时的瞬变电磁响应；Fh为不存在异常时的瞬变电磁响应。

一般而言，相对异常越大表示异常体产生的响应越强，异常越容易被识别。

2 分辨能力与偏移距关系

考虑到瞬变电磁法对低阻体的分辨能力较强，研究中以低阻薄层异常为例。为了研究瞬变电磁法对低阻薄层的分辨能力与偏移距之间的关系，及电阻率和薄层埋藏深度对上述关系的影响，设计了如图1所示的三层地质模型。其中，ρm和hm分别为第m层(m=1,2,3)介质的电阻率和厚度。采用的装置参数为：发射导线1 000 m，发射电流10 A，偏移距200～4 000 m，间隔25 m。

阴影部分表示薄层异常

图2给出了偏移距为1 000、2 000、3 000、4 000 m时的感应电压衰减曲线及相对异常曲线。从图2可以看到，不同偏移距下的感应电压衰减曲线形态一致，早期感应电压随着偏移距的增大逐渐减小，但当超过一定时间(图中显示约为0.02 s)时，偏移距较大时候的响应较强。而对于相对异常来说，最大相对异常随着偏移距的增加而减小，且出现的时间随着偏移距的增大逐渐推迟。这与电磁波传播距离的增大有关，也与以往的结论[26]一致。

图2 瞬变电磁法对低阻薄层的响应

图3给出了薄层电阻率为10、20、50 Ω·m时的最大相对异常及其出现的时间随偏移距变化曲线。从图3(a)可以看出，随着薄层电阻率与背景层电阻率差异的减小，其最大相对异常逐渐减小。对于某一给定的地电模型,其最大相对异常随着偏移距的增大先呈线性递减后趋于稳定，且随着与背景层电阻率差异的减小，衰减速率逐渐变慢。从图3(b)可以看出，随着薄层电阻率与背景层电阻率差异的减小，其最大相对异常出现的时间逐渐向前提早。对于某一给定的电阻率,其最大相对异常出现的时间随着偏移距的增大先增大后减小，且拐点随着与背景层电阻率差异的减小向小偏移距方向移动。尽管在偏移距较大的时候，其最大相对异常出现的时间变早，可以缩短数据采集的时间，提高工作效率，但由于其最大相对异常较小，仍不建议在实际数据采集过程中采用该偏移距范围进行观测。

图3 不同电阻率条件下最大相对异常及其出现时间随偏移距变化的曲线

图4给出了低阻薄层埋藏深度(h)为1 000、800、500、250 m时的最大相对异常及其出现的时间随偏移距变化曲线。图4与图3的曲线形态类似，最大相对异常的衰减速率随着埋藏深度的增大逐渐减缓，而其出现的时间逐渐向后推迟，同样地，拐点的出现也朝大偏移距延迟。

图4 不同埋深条件下最大相对异常及其出现时间随偏移距变化的曲线

综上所述，在偏移距较小的范围内进行数据采集，更有利于对薄层异常体的探测，且有助于减少观测时间，提高勘探效率。

3 结 语

(1)瞬变电磁法对薄层的分辨能力在小偏移距时较强，且所需的观测时间范围较小，有利于提高观测效率。

(2)随着薄层与背景层之间的差异减弱(增大电阻率或加大埋深)，瞬变电磁法对其探测能力也逐渐减弱，所需的观测时间范围也进一步增大。

(3)在实际的数据采集工作之前，可根据已有的地质资料设计地质模型进行简单的正演，然后依据正演结果选择合适的偏移距及观测时间，这有利于提高野外的工作效率。

(4)本文只考虑了垂直磁场分量的探测能力与偏移距之间的关系，对其他分量与偏移距之间的关系以及薄层的埋藏深度等物性参数与偏移距之间的关系未作考量，今后有必要综合研究多分量探测技术，以寻求对薄层探测能力的最佳参数。