瞬变电磁测探法对导电层的探测能力研究

刘春雨，柴志顺，商宇航

1.黑龙江省物探测量勘查院，黑龙江哈尔滨，150046；2.黑龙江科技大学，黑龙江哈尔滨，150020

0 引言

低阻薄层地质的精细化探测一直都是地球物理勘探的热门研究领域，如地下深层采空区、矿区煤层以及油气储层等地方地质问题，都近似薄层探测问题。因此，面对不同物质性能参数不尽相同的不同地质问题，只有选择利用科学合理的观测参数和勘探方法，才能够有效解决低阻薄层探测问题，也是实现薄层探测前所需要考虑的因素。瞬变电磁测探法[1]不仅是一种借助电磁感应原理实现对地下目标地质体预测的地球物理方法，还是一种对纯异常进行观测的方法，能够在近场源区观测。与其他测探方法对比，本测探方法拥有探测深度大、地层分辨能力高、穿透高阻能力高、受地形（侧向/体积效应）影响小以及成本低、工效高等优点，所以在煤田、地下水、油田以及金属矿等地质构造的中浅层探测方面得到了很好的应用，并取得了良好的成果。当前，国内采用中心回线装置，能够实现1.5km范围内的目标层探测。但针对瞬变电磁测探法的观测数据预处理以及测区垂向电性层的规划，受地质条件因素的影响，现有的方法在应用过程中依然存在些许问题。所以，本文以H型或KH型等常见的地电断面为例，结合中心回线装置，对视电阻率与视纵向电导对导电层的探测能力进行了相应的研究。

1 瞬变电磁测探方法原理概述

首先，本测探法的激发场源是通过人工控制的脉冲电磁场来实现的，在电磁场利用观测大地瞬变电磁响应，实现对地质问题的探测研究。不过，由于人工控制的电磁场中包含了不同种类的频谱成分，因此最终观测得到的瞬变电磁场就是大地响应不同种类频谱成分的褶积值，该积值中主要包含了大地岩层的几何形态信息与电性信息等。其次，在突然切断电磁场的瞬间，地下导电半空间的内部就会产生感应涡流场。最开始的瞬间涡流主要集中在地表上，然后会随着时间的变化，逐渐向下或者向外进行扩散。并且，瞬间涡流的扩散速度和岩层电性之间存在关系，且和岩层的电阻率平方根值之间成正比[2]。所以，通过地表能够观测到充分反映地电断面的瞬变电磁场，并以此得到反映地下岩层电性的信息。最后，将所观测到的瞬变电磁场分别换算成：视探测深度（Hτ）、视电阻率值（ρτ）以及视纵向电导（Sτ）等参数，并加以整理和解释。具体层状大地瞬变电磁场的线圈、层次配置见图1。

图1 层状大地圆形电流源中心回线装置

2 基于瞬变电磁测探数据的视纵向电导成像

2.1 全区ρτ成像的局限性

首先，回线尺寸视电阻率值（ρτ(t)）曲线两者之间呈非线性关系。因此，利用不同尺寸的回线观测数据，得到的计算结果视电阻率值也是不同的。并且，当回线边长不断缩小时，视电阻率值也会减小。所以，尽管在同一测区中，受地形因素限制的影响，一样会导致线框大小变化，会对观测的数据造成影响，甚至会造成解释误差的发生。其次，晚期道观测的精度较差，特别是在导电层所覆盖的区域上利用中心回线装置，会导致曲线发生变化。那么，利用视电阻率曲线度对野外观测，起始发生变化时，无法展现出电性层的差异，而是需要达到某个特定的值才可以展现出电性层的差异[3]。所以，全区视电阻率的成像存在一定的局限性。

2.2 视纵向电导Sτ计算

针对水平层状地电断面，利用等效导电平面法，可以得到瞬变电磁场的近似解。并且，随着时间的递增，等效导电平面的“下沉”速度与不同层介质的电导率有很大的关系。设均匀大地表面的圆形回线半径为a，那么阶跃电流为：

当电源断开时，t=0；当t＞0时，地层中就会产生涡旋电流，并通过地表上任何一点，均可以观测到这个涡流所产生的电磁场。然后，结合电磁理论，就能够求得空间任一点的瞬变电磁响应。

由式（2）可以引入视纵向电导S：

然后，利用视探测深度Hτ计算公式：

最后，将视纵向电导、视探测深度分别设为纵坐标、横坐标，进行Sτ（Hτ）曲线绘制。

2.3 Sτ成像对地层划分的方法

通过野外观测得到了归一化感应电压V(t)，经过换算可以得到对应的Sτ，并求得每个测点的Sτ（Hτ）关系数据对。利用曲线和对应的地质资料，可以实现对电性层的划分与分析。同时，根据曲线能够直观地读取到曲线转折点及其对应的深度位置，从而得到电性界面划分。不过，想要更进一步得到精准的地下目标层的参数信息，就需要对曲线进行求一阶导数，从而可以得到对应的导数曲线，接着利用一阶导数曲线，通过求导数，就可得到二阶微分曲线，具体模拟HK型的地层Sτ曲线（且本曲线经过插值光滑）[4]。

由图2可知，层状介质当中，曲线是由不同的电阻率分界面所引起的系列折线，其转折点对应了层面的位置。同时，在高阻层上，曲线呈现上升的趋势；在低阻层上，曲线呈快速上升的趋势，由此可知低阻层的斜率比高阻层的斜率要大。针对垂向断面电性层进行划分，若是岩层的厚度不存在明显变化，且视纵向电导曲线呈现快速上升状态，则可以判断为导电层。反之，曲线下降时，可以根据其反常现象，来判断导电层的层位发生倾斜或者不连续的情况[5]。

图2 Sτ 曲线和二阶微分曲线的对照示意图

3 对导电层的探测能力研究

3.1 视电阻率曲线对导电层的探测能力分析

一般，层状大地的视电阻率（ρτ）曲线会受地电参数（τ）、发送磁矩（Mτ）、采样时间（t）以及信号电平（最小可分辨）等因素的影响。因此，需要借助正演计算结果，实现中心回线装置对H型地电断面的探测能力进行分析。

首先，曲线主要以ρτ(t)/ρ1～τ1/h1的关系，在双对数坐标纸上进行绘制，以此来突出弱异常响应，并进一步取大于对数坐标纵轴模数的横轴。其中，为扩散参数，单位为m。

同时，为了能够实现对不同测探法对目标层的分辨能力的对比，一般利用每种方法的等值作用范围展开对比。而等值作用范围主要是由于层参数的变化，导致曲线之间差别的尺度，所以它对断面拥有较强的分辨能力[6]。此外，导电层的分辨能力要高于高阻层的分辨能力。

以南方的地电条件和金属矿为例，设ρ1=ρ3=300Ω/m，深度为200m，且h1=h2；然后，通过对ρ2的值进行改变，如ρ2=20Ω/m，在改变h2值的系列H型断面进行正演计算。并且，为了能够更进一步勘探地电阻层覆盖下的良导矿层或者煤层的可能性，还对部分HKH型、KH型的断面正演曲线进行了计算。

在对视电阻率值曲线对低电阻目标层的探测能力进行研究讨论时，需要取均方差为P≥15%，由此可以通过曲线对目标层进行分辨。均方差计算公式：

式（5）中，参加计算的取样道数、第i道视电阻率值以及假设无目标层时的视电阻率值分别由n、ρτ(ti)和ρτ'(ti)来表示，其中，数值主要取决于衰减到最小可分辨信号电平时的取样道数。此外，为了能够获得不同的S2参数变量值的H型曲线，设均方差为15%，h2/ρ2=S2。

这时可以从该曲线上分辨出低阻层的地方。通过计算结果表明，当S2/S1≥2时，就能够根据视电阻率曲线对中间低阻层进行分辨。而针对KH型的曲线来说，第三层为目标层。这时，视电阻率曲线能够对目标层进行分辨，与h3/h1以及h2/h1的值有关，并且其分辨能力会随着值的大小变化发生变化。还需要借助地质情况以及岩层电性的相关资料，利用电子计算机进行反演确定[7]。

3.2 视纵向电导对导电层的探测能力分析

根据观测值和微分值进行转换能够得到视纵向电导和视探测深度的参数。当对应高阻层的视纵向电导或者探测深度曲线发生缓慢上升趋势时，所对应的低阻层斜率会出现明显增大。同时，可以通过曲线上的转折点，对岩层界面的深度以及层位的视纵向电导值进行确定。不过，整个过程中，需要注意的是，曲线转折点对应的时间分别位于观测值响应开始受ρ2和ρ3层影响的时刻[8]。因此，还会比视电阻率曲线发生极小值以及到达渐近线时所对应的时间，要提前了10倍以上。由此说明了视纵向电导曲线利用了观测值曲线的大信号段（前端），所以其观测精度要高于视电阻率曲线。而视纵向电导对导电层的分辨能力更强。

最后，通过对视纵向电导曲线对层参数的反演结果进行分析发现，该曲线对于H型的地电断面来说，其探测深度相对偏小，而纵向导电值较大，因此需要进行校正。而视探测深度校正的系数为1.52；而纵向电导的校正系数为0.90。通过在导电层和围岩电性存在较大差异的地方进行应用发现，探测深度精度为5%～10%。由此说明了本文测探法对导电层拥有极强的探测能力[9]。

4 结语

综上所述，本文先是对瞬变电磁测探法的原理进行阐述，然后结合中心回线装置与野外测试，对瞬变电磁测探法对导电层的探测能力展开研究，并进一步对视纵向电导Sτ参数测探曲线对高阻目标层的断面电性层划分展开分析，接着和视电阻率的曲线从横向或纵向上进行分辨能力的比较，发现全区视电阻率在对地下低阻薄层的测试过程中，其分辨率较好，能够充分反映出地电断面的信息。并且，所测的视纵向电导Sτ参数更优于视电阻率值ρτ参数，由此说明了本文测探法对导电层拥有极强的探测能力。