李 论, 冯 凯, 涂 君, 李伟林, 杨 聪

(1.中国煤炭科工集团 西安研究院有限公司,西安 710077; 2.成都理工大学 地球勘探与信息技术教育部重点实验室, 成都 610059; 3.中国地质调查局 广州海洋地质调查局，广州 510760)

0 引言

目前国内、外学者先后在瞬变电磁的IP效应开展了许多研究。Lee.T.[1]研究了均匀半空间极化球体的瞬变电磁响应，并指出由于地下岩矿石的电阻率是和频率有关的复电阻率，所以瞬变电磁衰减曲线随时间的向后推移可能出现负响应；Speis.B.R.[2]注意到野外采集的瞬变电磁信号中的“符号反转”现象，并认为这一现象是激发极化效应引起的；Raiche.A.P.[3]对比了重叠回线系统，三个不同的均匀半空间地电模型的瞬变衰减曲线受激电效应的影响程度；Flis M.F.等[4]通过对地下极化体的充放电过程做了描述，进而阐述了瞬变电磁中激电效应影响的物理机制，认为瞬变电磁响应曲线中的反号现象是由激电效应作用导致，对层状极化大地和均匀半空间三维极化体应用 Cole-Cole 模型进行数值模拟，讨论了激电效应对瞬变电磁响应的影响规律；Andreas Hordt等[5]通过有限差分对LOTEM进行三维正演，模拟山形对响应的影响，认为山形是有可能产生负异常响应的，但通常在早期产生；Hoheisel A等[6]通过 Cole-Cole模型模拟极化大地上激电效应对长偏移距瞬变电磁(LOTEM)响应的影响特征及规律；Kozhevnikov.N.O.等[7]对受激发极化效应的TEM数据进行了联合反演。

在国内，殷长春等[8]在瞬变电磁三维正演加入Cole-Cole模型，来研究有IP效应引起的电磁负响应的规律；余传涛[9]分析了激电效应对重回线系统瞬变电磁信号的影响规律，并尝试通过SVD 法提取激电信息。

长导线源瞬变电磁由于其工作效率高、探测深度大，信噪比高等优点，被广泛地应用于各种领域中，然而目前针对受激电效应影响的长导线源瞬变电磁响应研究还较少。因此作者基于Cole-Cole模型，在长导线源瞬变电磁正演的基础上对含激电效应的响应进行研究，分析了激电效应对长导线源瞬变电磁影响特征，对某石墨矿区物性和长导线源瞬变电磁实测数据分析，研究激电效应对反演解释可靠性的影响。

1 理论计算方法

在频率域中,长导线源瞬变电磁产生的垂直磁场可以表示为电偶极子产生的垂直磁场沿长导线的积分[10]：

(1)

式中:(x,y,z)为接收点坐标；rn为接收点到接收电极的距离；J1(λρ)为一阶贝塞尔函数；rTE为TE模式下的反射系数：

(2)

(3)

用Cole-Cole复电阻率模型(式(4))替换频率域中的实电阻率，利用汉克尔变换得到频率域的垂直磁场响应，再利用G-S变换完成频率域到时间域的转换，得到含有激电响应的长导线源瞬变电磁场的时间域响应。

(4)

式中：ρ(ω)表示随频率改变的复电阻率;ρ0为零频率时的岩矿石电阻率；m为充电率；τ描写激发极化过程迟缓性的时间常数；c为频率相关系数。

图1 长导线源瞬变电磁响应中的符号反转象Fig.1 Sign reversal in grounded-wire transient electromagnetic response

我们计算瞬变电磁响应的采样频率范围为10-6Hz-106Hz,采样点数为100个，在时间域中采样时间范围为0.000 01 s～1 s之间取100个采样点。

2 激电效应响应影响特征

2.1 均匀半空间模型正演

可极化均匀半空间模型用来研究装置参数(发射电流(I)、导线长度(L)、偏移距(offset)和地层参数(零频电阻率(ρ0)、充电率(chargeability)、时间参数(τ)、频率相关系数(c))对瞬变电磁响应的影响。采取保持其他参数不变，改变一个参数的方法来研究其对响应的影响。可极化均匀半空间模型(ρ0=1 000 Ω·m,offset=1 000 m,I=10 A,L=1 000 m,m=0.5,τ=1 s,c=0.25)响应出现符号“符号反转(SR)”的时间和最大负值(NR)如图1所示。

通常情况，IP效应的影响与出现“符号反转(SR)”的最早时间和最大负值(NR)有关[11]，因此分别研究了装置参数和地层参数对长导线源瞬变电磁响应影响特征(图2)。

从图2中可见，增大发射电流最大负值增加但不改变“符号反转”现象出现的时间；改变偏移距使得最大负值减小且更晚的出现“符号反转”现象。增大零频电阻率的值，同时增大最大负值和更早地出现“符号反转”现象；增大极化率，不仅增大最大负值而且更早地出现“符号反转”现象；增大频率相关系数和时间常数都使得更晚地出现“符号反转”现，并使得最大负值的值减小。综合考虑各参数对最大负值的值和出现“符号反转”现象最早时间的影响，发现零频电阻率和极化率对二者的影响较大。

同样采取统计最大负值和“符号反转”现象出现时间 的方法，来研究同时改变偏移距(offset)和发射电流(I)以及地层参数中的零频电阻率(ρ0)和充电率(chargeability)对长导线源瞬变电磁响应影响特征(图3)。

图2 装置参数和地层参数对瞬变电磁响应的影响Fig.2 Influence of device parameters and formation parameters on transient electromagnetic response(a)改变发射电流;(b)改变偏移距;(c)改变零频电阻率;(d)改变极化率;(e)改变频率相关系数;(f)改变时间常数

图3(a)表明保持偏移距不变，激电效应产生的最大负值随电流增大而增大，而对于同一电流，最大负值随偏移距增大而减小；分析“符号反转”出现的时间发现，保持偏移距不变，“符号反转”出现的时间不会改变，但对于同一发射电流，“符号反转”出现的时间随偏移距增大而延迟。

图3(b)表明当极化率小于0.5、电阻率较小时在早期不会产生“符号反转”现象。保持零频电阻率不变，最大负值随极化率增大而增大，而且对于同一极化率，最大负值基本呈现随电阻增大而增大的趋；当极化率小于0.5时，保持零频电阻率不变，“符号反转”出现的时间随极化率增大而提前，但对于同一极化率，当极化率小于0.5时，“符号反转”出现的时间随零频电阻率增大而提前，当极化率大于0.5时，符号反转”出现的时间随零频电阻率增大先延迟后提前。

图3 同时改变两个参数对长导线源瞬变电磁响应影响特征Fig.3 Simultaneously changing the influence of two parameters on transient electromagnetic response(a)同时改变偏移和发射电流;(b)同时改变零频电阻率和充电率

图4 中间层为极化层和不极化层对瞬变响应影响Fig.4 The effect of polarized layer and non-polarized layer on transient electromagnetic response in intermediate layer(a)中间层为极化层;(b)间层为不极化层响应

图5 IP 效应与极化层埋深关系Fig.5 The relationship between IP effect and depth of polarizable layer(a)H型模型;(b)K型模型

图6 IP效应与极化层厚度的关系Fig.6 The relationship between IP effect and thick of polarizable layer(a)H型模型;(b)K型模型

因此对于研究均匀半空间模型瞬变电磁响应特征过程中发现，增大发射电流以及合适的偏移距，以此保证有较大的极化电流对于出现“符号反转(SR)”现象有利,以及较高的零频电阻率使得感应电流衰减较快，而极化电流衰减较慢，从而较早时间就会出现“符号反转(SR)”现象。

2.2 三层模型正演

保持其他参数不变(offset=1 000 m,I=10 A,L=1 000 m,τ=1 s,c=0.25)，对于三层模型(H型模型(ρ1=1 000 Ω·m、ρ2=10 Ω·m、ρ3=1 000 Ω·m)，(h1=100 m、h2=100 m))(K型模型(ρ1=10 Ω·m、ρ2=1 000 Ω·m、ρ3=100 Ω·m)，(h1=100 m、h2=100 m))，分别研究了当中间层为极化层(m2=0.5,m1=m3=0)和中间层为不极化层(m2=0,m1=m3=0.5)时对瞬变电磁响应的影响。

图4(a)表明，当H型模型中间层为极化层时，对瞬变电磁响应影响最大；对于 (图4(b)) 中间层为不极化层对瞬变电磁响应影响较小，因此表明在极化层中含有不极化夹层的情况下，区别极化异常是不利的。

而且可以看出晚期激电效应的影响更大，这是因为在晚期，此时极化电流和涡流电流方向相反，激发极化效应占主导地位，出现负瞬变电磁响应，因此激电响应的影响程度更大。

3 IP效应与极化层特征关系

3.1 IP 效应与极化层埋深关系

其他参数与三层模型参数相同，当三层模型(H型模型和K型模型)中间层为极化层时，极化层的埋深为(h1=5 m，50 m,100 m,500 m,1 000 m;h2=100 m)造成的相对误差(图5)。

对于H模型和K模型，极化层埋深为5 m时对瞬变电磁响应的影响最大，而且两者随着埋深增加对瞬变电磁响应影响都有降低的趋势。但K模型有无极化层造成响应的相对误差值远远小于H模型。

3.2 IP效应与极化层厚度的关系

图7 IP效应与极化层电阻率关系Fig.7 The relationship between IP effect and resistivity of polarizable layer

图8 IP效应与极化层充电率的关系Fig.8 The relationship between IP effect and chargeability of polarizable layer

当三层模型(H型模型和K型模型中间层为极化层时，改变极化层厚度(h1=100 m;h2=5 m，50 m,100 m,500 m,1 000 m)造成瞬变电磁响应相对误差如图6所示。

图6表明，H型模型中间极化层厚度为50 m的情况，对瞬变电磁影响最大，厚度为100 m时的影响次之；而K型模型改变极化层厚度对瞬变电磁响应影响很小。因此极化层在一定厚度的情况下对瞬变电磁响应影响较大。

3.3 IP效应与极化层电阻率关系

对于三层模型(ρ1=1 000 Ω·m,ρ2=100 Ω·m,ρ3=1 000 Ω·m)，当ρ2=1 Ω·m、100 Ω·m、1 000 Ω·m、10 000 Ω·m时，其他参数保持不变，造成瞬变电磁响应相对误差见图7。

从图7可见，当中间极化层电阻率为10 Ω·m和100 Ω·m，对瞬变电磁响应影响较大。进行研究发现当中间极化层为低阻层，围岩为高阻层且极化层电阻率在一定范围内，IP效应对瞬变电磁响应影响最大。

3.4 IP效应与极化层充电率的关系

对于三层模型(ρ1=ρ2=ρ3=1 000 Ω·m,h1=h2=100 m)，当m2=0.1、0.3、0.5、0.7、0.9时，对瞬变电磁响应影响特征,如图8所示。

图8表明，随着极化层的极化率增大，对瞬变电磁响应的影响也逐渐增大。这是由于随着极化率的增大，极化电流也随之增强。

4 IP效应对实测数据的影响

某石墨矿区区域出露地层主要为前震旦系元古界会理群盐边组总厚为6 710 m，岩性可分三段。第一段为变质的基性火山岩夹板状硅质板岩，厚为1 460 m。岩性为绿片岩相的变质玄武岩、钠长绿泥片岩、绿帘阳起石片岩等。局部有相变，如在惠民一带变质中酸性火山岩增多，为变质流纹安山岩及变质流纹斑岩夹透镜状蔷薇辉石岩及铁质碧玉岩；第二段为炭质绢云板岩、绢云板岩、千枚岩夹炭质板岩、砂质板岩等，厚为3 980 m，田坪石墨矿即位于该段地层中；第三段为绢云板岩、白云质灰岩等，厚为1 270 m。盐边组地层变质程度为绿片岩相。矿区地层主要为前震旦系的变质岩地层，另有零星第四系。工作范围内除高家村大岩体基性岩外，几乎全为前震旦系变质岩地层，属会理群盐边组第二段，主要岩性为绿泥绢云板岩、碳质板岩夹凝灰粉砂质板岩、钙质粉砂质板岩、含凝灰质硅质板岩、绢云母千枚岩，云母石英片岩等组成。对测区采集的标本进行物性测试，获得岩(矿)石的物性参数(表1)。

从表1可以看出，石墨矿表现为低阻高极化特征，这为使用长导线源瞬变电磁勘探奠定了物性基础，同时高极化特性也对长导线源瞬变电磁响应产生了严重影响。利用该测区测线18原始数据所做拟断面图与视电阻率拟断面图(图8)。

从测线18可以看出，长导线源瞬变电磁实测数据的晚期出现了大量的负值，这些负值使得反演结果出现假的低阻异常，使得反演结果的可靠性降低。而且石墨矿的极化率测试结果最大值为34%，比在笔者研究IP效应对瞬变电磁响应影响所使用的极化率值小，但造成了严重的影响，这表明造成IP效应出现的因素是复杂的，需要一定条件(如石墨矿矿体处于特殊的空间位置之中)。

虽然激电效应对数据影响严重，但是由地下介质产生的，在一定程度上能够反映地下介质信息，因此提取激电信息是有意义的。下一步工作为尝试提取激电信息并利用它来反映地下介质信息。

表1 岩(矿)石物性参数

图9 测线18原始数据拟断面图与视电阻率拟断面图Fig.9 Line18 raw data pseudo-section and apparent resistivity pseudo-section(a)原始数据拟断面图;(b)视电阻率拟断面图

5 总结

通过研究，得到以下结论：

1)在均匀半空间的情况下研究激电参数对瞬变电磁响应的影响，发现零频电阻率和极化率的影响最大。

2)用相对误差表示激电效应的影响程度，对层状模型研究得出结论：当围岩为高阻极化层在一定埋深深度和厚度的情况下，激电效应的影响程度较大；而且对于极化层中间含不极化层的模型分析发现此情况对区别IP效应不利。从相对误差的变化和值的大小来分析，可以看出，IP效应在瞬变电磁响应晚期影响较大。

3)对于实测数据进行分析，在解释受激电效应影响的长导线源瞬变电磁资料时，会出现假低阻异常，这严重影响了解释的可靠性。