激電效應對瞬變電磁影響特征研究

徐凱軍,李桐林,劉 展

(1.中國石油大學 地球資源與信息學院,山東青島 266555;2.吉林大學 地球探測科學與技術學院,吉林 長春 130026)

激電效應對瞬變電磁影響特征研究

徐凱軍1,李桐林2,劉 展1

(1.中國石油大學 地球資源與信息學院,山東青島 266555;2.吉林大學 地球探測科學與技術學院,吉林 長春 130026)

當地下存在極化體時,在瞬變電磁測量中可能會出現負電磁響應。為了研究極化體所產生的激電效應對瞬變電磁的響應規律,以頻域電磁正演為基礎,采用余弦變換,這里重點研究了在電偶源激發下,層狀可極化大地和半空間三維極化體電場分量瞬變響應特征,總結了激電效應對瞬變電磁響應的影響規律。

瞬變電磁;余弦變換;激電效應

0 前言

巖礦石表現出的復電阻率性質早已被人們所認識。在時間域電法中,巖礦石復電阻率性質所產生的激電效應,已成為這些方法中的干擾。因此,研究激電效應對瞬變電磁響應的影響規律非常必要。M orrison等人[1]指出,激電效應在重疊回線瞬變電磁測量中有可能表現為符號反轉;Hohmann[2]對頻率域電磁測量系統的激電效應影響特征進行了理論和應用研究。接下來,還有很多學者對時間域瞬變電磁法中,激電效應影響的物理機制進行了探討[3～13]。作者在本文以頻域電磁正演為基礎,采用時頻轉換技術,重點研究了電偶源激發下層狀可極化大地,以及和半空間三維極化體電場分量瞬變響應特征和規律。

1 瞬變電磁場正演理論

時間域瞬變電磁法的正演,采取先求解相同裝置的頻率域電磁法的正演問題,然后通過余弦變換,將頻域結果轉換到時間域。

1.1 水平層狀介質頻域正演

在電偶極子發射源條件下,水平層狀大地頻率測深的電場表達式為[14]:

式中 J0(λr)為零階貝塞爾函數;J1(λr)為一階貝塞爾函數。式(1)含有零階和一階貝塞爾函數積分形式。這種積分形式的正演公式是一種漢克爾變換式,通過快速漢克爾變換可求得式(1)的電場數值解。

1.2 三維介質的頻域正演

作者利用積分方程法,計算了均勻半空間中三維極化體的頻域電磁場響應。均勻半空間中含有三維異常體時,其電場的積分方程表達式為[15]:

(2)可求得可得到空間內任意一點電場值。

2 頻時轉換方法

作者在本文中采用了余弦變換,將頻域電場轉換為時間域電場。轉換公式可以寫為:

式(3)適用于所有頻率域電磁法正演結果到時間域瞬變電磁法的轉換,并且該方法很容易在計算機上實現。

3 層狀極化大地瞬變電場響應

為了研究層狀可極化大地電場分量的瞬變響應規律,作者計算了電偶源激發的中間層為極化層典型的三層地電斷面的電場水平分量之瞬變響應。表1給出了各種不同地電斷面參數,中間極化層復電阻率參數為m2=0.5、τ2=0.5 s、c2=0.5。在計算時針對大收發距(r=1 000)和小收發距(r=100),分別計算了電場水平分量的瞬變響應。

表1 不同地電斷面類型所對應的地電斷面參數表Tab.1 The param eter tab le of d ifferen t geo-electric cross section

從圖1中可以看出,當采用小收發距時,無論在何種地電斷面上,所得瞬變曲線形態都相同,甚至數值也相近。其變化趨勢都是電場的瞬變響應在早期快速衰減,然后由正值變為負值,最后緩慢衰減到零。當用大收發距時,瞬變曲線形態比較復雜,對于地電斷面類型為H型和Q型的地電斷面,也就是第二層的電阻率相比第一層為低阻的地電斷面,其電場水平分量的瞬變曲線形態基本一致,瞬變響應早期為正值,然后由正值變為負值,其幅值較大,但經歷時間短,很快又由負值變為正值,并快速衰減。對于地電斷面類型為K型和A型的地電斷面,也就是第二層的電阻率相比第一層為高阻的地電斷面,其電場水平分量瞬變曲線和小收發距時的瞬變曲線形態類似,只是瞬變響應強度比小收發距時低一個數量級以上。

圖1 不同地電斷面瞬變響應(虛線為負值)Fig.1 The transient response of different geo-electric cross section(the dashed rep resentnegative)

4 均勻半空間中三維極化體的瞬變電場響應

為了研究半空間中埋藏三維極化體時的瞬變電磁響應的影響規律,作者計算了不同參數時的均勻半空間三維極化體正上方的時間域瞬變電磁響應。模型分布如圖2所示,異常體是長、寬、高都為100m的正方形,發收距為800m,極化體埋深h為100m。

圖3給出了三維極化體取不同極化參數時,極化體正上方瞬變電磁響應。電性參數如各圖中所示,其中ρ1表示圍巖電阻率,ρ0表示極化體零頻電阻率,m表示極化體極化率,τ表示極化體的時間常數,c表示極化體的頻率相關系數。由圖3可見,極化體極化率、時間常數、頻率相關系數越大,負電磁響應出現的越早,而且幅值也越大。但時間常數對瞬變電磁響應曲線影響相當較小。另外低阻極化體比高阻極化體的負電磁響應出現的早且幅值大。

圖2 均勻半空間中三維極化體模型Fig.2 Themodelof 3D po larized body in homogeneous half-space

圖4(見下頁)是取不同圍巖電阻率時,極化體正上方的瞬變電磁響應。由圖4可以看出,在極化體電性參數相同的條件下,圍巖的電阻率越高,瞬變響應中負電磁響應出現的越早,幅值越大。高阻圍巖中即使極化體極化率較低,但其瞬變電場響應中負電磁響應出現卻早且幅值大。由此可見,圍巖電阻率越高,極化體產生的激電效應越強。

圖3 不同極化參數時極化體正上方的瞬變響應(虛線為負值)Fig.3 The transient response of differentpo larization param eters(the dashed rep resentnegative)

圖4 不同圍巖電阻率時極化體正上方瞬變響應(虛線為負值)Fig.4 The transien t response of d ifferen t ad jacen t bed resistivity(the dashed rep resen t negative)

5 結論

通過對可極化層狀大地和均勻半空間中三維極化體的瞬變電磁響應分析可知,當地下存在一定規模的極化體時,將會對瞬變電磁響應產生很大的影響,使得瞬變電磁響應晚期變號出現負值。對于地電斷面類型為H型和Q型的層狀介質,由于極化層的存在,還出現了二次變號現象。激電效應大小與極化體的極化率、時間常數、頻率相關系數成正比,而且還受零頻電阻率,圍巖電阻率及收發距等參數的影響。另外從時間來看,早期瞬變響應以電磁效應為主,由于電磁效應隨時間衰減,激電效應在晚期占優,影響較大。

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1001—1749(2010)06—0613—04

國家油氣重大專項(2008ZX05020-006)

2010-05-31 改回日期:2010-09-17

徐凱軍(1979-),男,安徽固鎮人,博士,講師,主要從事地球物理正反演研究。