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瞬变电磁法当前的困惑和今后的出路

瞬变电磁法当前的困惑和今后的出路

作者:周安昌
作者单位:北京桔灯地球物理勘探有限公司技术顾问
中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所原地面电法室主任
教授级高级工程师、硕士生导师

回顾电测深的历程,是由当初的几何测深,发展到随后的频率测深,到现在的时间域测深的。假若要进行到达1000米深度的探测,几何测深需要多次移动多组AB和MN电极才能完成,费时又费力,频率测深也需要改变多个频率才能完成,亦相当费时,时间域测深则只要选定一个合适的频率一次采集数据就可以实现。由此可见,使用时间域测深的经济价值。

瞬变电磁法属时间域电磁法,瞬变电磁法实现了把剖面测量和测深探测一次完成,这是其他电测深法难以比拟的。尽管数十年来瞬变电磁法得到推广应用并取得不少地质效果,但是,时至今日瞬变电磁法仍被诸多问题所困扰,问题究仅在哪里?

 
一.瞬变电磁法理论上存在的问题

众所周知,瞬变电磁法的中心回线装置测量,有近带、中带和远带,又称早期、过渡期和晚期之分。近带定义τ≥3,中带无简单的表达式,远带定义τ≤0.01。τ由下式计算获得:τ(综合参数)=T(时间毫秒)ρs(欧姆·米)×10000/4/L²(米)或 τ0= t/(σμ0 a²),a为圆形回线半径(米)。τ称综合参数(无量纲),μ0=4π×10-7H/M

瞬变电磁法中心回线装置测量的中带存在双解、无解和假高阻异常等缺陷,针对这些问题,各家有各自的做法,但是都未能取得理想的效果,那是因在反演前的数据处理中,如果处理“过度”曲线过于平滑,会丢失有用信息,处理“过轻”则因曲线的起伏导致产生假异常。

二.瞬变电磁法使用过程中存在的问题

1.发射源的问题

1)回线源发射的问题

a.瞬变电磁法理论上是建立在理想半空间条件的,但是野外的实际条件往往无法满足半空间条件,特别是进入山区工作时更是如此,中心回线问题优为突出。下面这张照片是我多年前在广西南丹施工时的留影。在这种环境下施工,回线套到了半山腰,测点时而在山顶,时而又在山谷,这显然满足不了半空间条件。

图1  广西南丹施工现场地形地貌留影
 
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b.同一测线使用多个回线框出现相邻回线因框内地形地质变化等原因,不同框的延时会不同。它给野外施工和室内数据处理都带来诸多问题。

图2  新疆和山西两地的实测衰减曲线组:左图,新疆西天山南坡某工地边长500M×500M的3个方形回线圈内测得的3组衰减曲线;右图,山西王封10线200M×200M方形回线点距20M的相邻32个测点的衰减曲线。

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由图可以看出,只要发射回线移动,关断延时就有可能发生变化。在这种条件下,采用同一延时进行野外数据采集和室内进行数据处理就会有问题。如果一个一个回线框单独处理,室内工作就相当繁杂。

c.发射框内套入了低阻体,可低阻体又不在测点的下方,此时会出现假异常。如图3所示,衰减曲线前支(早期)影响不明显,中期衰变数值开始发生变化,晚期的变化就更加突出。本人1991年使用GDP16在安徽铜陵狮子山的已知勘探剖面上进行中心回线装置瞬变电磁法试验时就遇到过这样的情况,明知该地段多个钻孔的资料表明地下没有低阻矿体,可是测线上该地段的多个测点都出现明显的低阻异常,后经查看相邻勘探线得知,是因发射回线进入和移出相邻测线矿体所致。所以说只要发射回线套入有一定规模的地下低阻体,不管测点下方有无异常体存在,框内的任何位置的测点都会出现异常。

图3  测点旁侧存在低阻体时对二次场的影响。从左到右依次为早期、中期、晚期


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2.接收传感器问题

目前瞬变电磁法接收传感器多使用空心线圈或磁探头。

1)空心线圈一般等效面积都不大,例如,凤凰公司的空心线圈等效面积=100m²。接收线圈等效面积小了,探测深度就有限。

2)磁探头的等效面积相对大。如,ZONGE公司的TEM/3探头的等效面积10000m²。但是探头使用了导磁体做磁芯,等效面积是大了,但是另一个问题来了。当发射线圈边长等于或小于100M时,使用TEM/3测得的衰减曲线的首支就会发生奇变,通常是第4、5、6道幅值明显下降。图4是不同地点的衰减曲线前支的变异情况。

图4  使用ZONGE公司TEM/3在3个不同地点测得的衰减曲线。


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3.干扰问题

当前,绝大多数瞬变电磁仪都是使用对数窗口取样和存储观测结果的,而瞬变电磁法是宽带接收,各种干扰都会进来,尽管一些仪器采用了发射频率与工频相匹配,减少了工频干扰的影响,但是其中、晚期讯号还是被噪音淹没。为了凸显干扰的存在与影响程度,下面列举3个用GDP-32的不同频率和不同取样窗口宽度的算术等间隔实测曲线加以说明。

1)微秒级窗口的干扰现象

图5-1  广东高明,发射频率32Hz,取样窗口1.6μS的算术等间隔取样的衰减曲线。左图:单个数据块的衰减曲线(注意:由于使用双对数坐标,负值无法显示);右图:95~128μS时段的曲线。

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2)十微妙级窗口的干扰现象

图5-2  河北阳泉,发射频率1Hz,取样窗口宽度30.52μS的算术等间隔取样的衰减曲线。左图:单个数据块的衰减曲线;右图:0.00325~0.00775Sec时段的衰减曲线。

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3)毫秒级窗口的干扰现象

图5-3  江苏油田,发射频率0.125Hz,取样窗口宽度1mSec,算术等间隔取样的衰减曲线。左图:单个数据块的衰减曲线;右图:0.1~0.5Sec时段的衰减曲线。

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由图5-1、5-2和5-3可知,除早期信号足够强外,中、晚期都存在不同程度的干扰,晚期甚至有效信号已被淹没。如果用的是对数窗口,哪怕是使用多种滤波手段进行处理,也因数据量太少而很难获得满意的效果,算术间隔取样结果则不然。

4)工业电力线的干扰现象

图5-4  山西某煤矿采用240M×240M方形回线铺设,在1个回线框内测8个测点,其中的1个回线框地面有电力线通过,造成该回线框内的8个测点的衰减曲线(深蓝色线)出现明显的波动(下左图)。相同测点,线源(电偶源)装置(下右图)的电力线干扰就小得多。


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4.分辨力问题

虽然现今电磁法测深中,对大深度电性体的分辨力,时间域测深要比频率域测深相对好一些,即便如此,人们也很难获得大深度较小电性体的信息。怎样才能做得好一些,本人提出一个解决方案(见下文)。

三.本人对源影响的探索

1.大定源和中心回线装置结果比较

1)中心回线装置与矩形回线装置比较

图6  山西某煤矿方形回线装置与矩形回线装置比较
由图5-4已示出多个发射回线与矩形线圈衰减曲线影响的差异。
图6  山西某煤矿方形回线装置与矩形回线装置反演电阻率剖面比较
左图  240m×240m方形线圈数据反演的电阻率剖面;右图  120m×800m矩形线圈数据反演的电阻率剖面。


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由图6可以看出,方形回线测量结果在跨越煤层采空区时无显示。矩形回线装置跨越煤层采空区(高阻异常)有较好的显示。

2)中心回线装置与线源(电偶源)装置比较

a)海口海滨公园20m×20m中心回线装置与AB=1000m,偏移距500m线源装置实测结果比较

图7-1  左图中心回线装置衰减曲线组,右图线源装置衰减曲线组。


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图7-2  上图  中心回线装置数据反演的电阻率剖面;下图  线源装置数据反演的电阻率剖面。

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此处测线内无地形变化,二者结果相对一致。

b)新疆伊犁100m×100m中心回线装置与AB=1000m,偏移距200m的线源装置实测结果比较

图8-1  左图  中心回线装置多测点衰减曲线;右图  线源装置多测点衰减曲线。



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图8-2  上图  中心回线装置数据反演的电阻率剖面,下图  线源装置数据反演的电阻率剖面。

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同样,测线内无地形影响,结果也比较一致。

这里顺便提一句,线源测量的工作效率问题,新疆伊犁采空区探测项目共设计4600个测点,点距20米,野外施工时间25天(含实验时间)完成,使用线源装置最高日台班完成256个观测点,这样的速度是中心回线无法达到的。

c)山西老窑头200m×200m中心回线装置与AB=1000m,偏移距200m线源装置实测结果比较

图9-1  左图  中心线圈的多点衰减曲线;右图  线源装置多点衰减曲线。由两组曲线可以看出,线源的有效时长远超200m×200m中心回线装置的时长,也就是说线源的有效探测深度大于200m×200m方形回线装置。


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图9-2  左图  中心回线装置反演的电阻率剖面;右图  线源装置反演的电阻率剖面。

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由图9-2可知,二者有一定的对应关系,但是线源测量得到的信息要丰富得多,特别线源在26-35点的150米深处显示出该处存在煤层采空区,回线源无显示。

四.瞬变电磁法算术等间隔测量

瞬变电磁法算术等间隔测量是本人1995年向美国ZONGE公司前总裁ZONGE博士提出的,并给ZONGE公司提供了5000美元研发费用,ZONGE公司1996年完成仪器研制。1996年至2001年本人在江苏、广东等多地进行了瞬变电磁法算术等间隔测量应用性研究实验,2003年研究成果以“算术等间隔密集采样技术的应用及其对瞬变电磁(TEM)法探测结果的影响”为题,在“第六届中国国际地球电磁学术讨论会上首次公开发表。

下面是ZONGE对数格式测量与算术等间隔测量的结果对比。

1. 瞬变电磁法算术等间隔取样可延长有效窗口时间,加大有效探测深度。

图10-1  广东高明B-B’测线4920点电压衰减曲线:a 单次算术等间隔窗口数据曲线(蓝色);b 单次算术等间隔窗口数据滤波后曲线(绿色);c 5次观测算术等间隔数据分别滤波后再叠加的曲线(红色)。由图可知,算术等间隔测量显然延长了有效时段。由于采用双对数坐标成图,负值无法显示,下同。


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图10-2  广东高明A—A′线2540点电压衰减曲线对比图:a  ZONGE对数间隔窗口数据进行向左平移后的曲线(黑色);b  单次算术间等隔窗口数据滤波后的曲线(蓝色);c  5次观测算术间隔窗口数据,滤波和叠加后的曲线。由图可知,对数窗口的最晚时间最多200uS,算术间隔5次测量分别滤波后再叠加的可用时达300uS,也就是说算术等间隔测量的结果的有效时间增加了50%。

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2.瞬变电磁法算术等间隔取样可提高分辨率和获得更加丰富的有用信息

a)广东北江TEST 1试验点NanoTEM探测反演电阻率剖面比较:

图11-1.左图  常规窗口(ZONGE公司NanoTEM窗口)反演电阻率剖面;右图  1.6uS算术等间隔窗口反演电阻率剖面。由图可知,ZONGE模式对数间隔窗口测量的结果,仅仅显示深部电阻率等值线向左倾斜,而算术间隔窗口测得的数据结合ZK6孔揭露地质资料,说明埋深5米以下存在基岩界面,并指示基岩顶界面向左倾斜,同时在560点的基岩中的局部低阻异常与该处钻孔揭露的两处小溶洞相吻合。


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图11-2  广东北江TEST 1的十字剖面反演的电阻率剖面:左图,显示基岩顶界面向小号点方向倾斜,右图,表明基岩顶界面延走向无大变化。

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b)江苏油田甲1-发1线实验,测线长10km,点距200m,共完成51个测点。实验使用美国ZONGE公司的GDP32接收机和GGT-30发射机施工。发射频率0.125Hz,占空比100%,AB=2000m,偏移距2000m,发射电流27A;接收使用方形线圈,线圈面积=75000m²(50m×50m×30砸),算术等间隔格式记录,采集窗口宽度1mSec,窗口个数4096个。

图13  江苏油田甲1-发1线的反演电阻率剖面
由图13可知,
算术等间隔测量即使在地电阻率较低的环境下,仍然可以取得大深度的信息,此处最大探测深度达5500米。

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图14  江苏油田甲1井和发1井电阻率测井与井口位置瞬变电磁法测量的反演电阻率二阶导数曲线对比。
左图-甲1井,右图-发1井。浅蓝色电阻率测井实测曲线,深蓝色电阻率测井数据5点园滑曲线,红色瞬变电磁法测量反演电阻率二阶导数曲线(注:二阶导数数值向左表示为高阻,方向与电阻率测井结果方向相反。)由图12-3可知,即使在深部的薄高阻层,二阶导数曲线也有较好的对应。


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图14  江苏油田甲1-发1线反演电阻率二阶导数剖面

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图15  江苏油田甲1-发1线反演电阻率二阶导数剖面和同比例尺地震波阻抗剖面叠合图及地质解析图。彩色-反演电阻率二阶导数剖面,黑色地震波阻抗剖面。由图12-4可知,线源瞬变电磁法算术等间隔取样的结果与地震结果无论是地层的起伏变化还是断层的出现位置都有较好的对应。相比之下,进入深部,瞬变电磁法探测效果甚至优于地震。

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五.瞬变电磁法今后的出路

1.为了减少源影响和有足够的信号强度,建议使用小偏移距线源装置,不使用大偏移距线源(LOTEM)。

2.为了获得更晚时段的有效信号和提高分辨率,建议采用算术等间隔采集和存储数据格式。窗口最好用整数窗口,如,1uS,10uS,100uS和1mS等等。

3.采用100%占空比状态进行工作,100%占空比比用50%占空有更大优势。 

4.有可能的话,采用超导探头和进行3分量测量。