地-井瞬變電磁井旁板狀導(dǎo)體異常響應(yīng)特征分析

張 杰，王興春，鄧曉紅，呂國(guó)印，武軍杰，楊 毅

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊 065000)

0 引言

地-井瞬變電磁法(TEM)測(cè)量是將發(fā)射回線布置在井孔上方或附近地表，用接收探頭在鉆孔中測(cè)量地下介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)二次場(chǎng)，方法原理如圖1所示[1-2]。在不接地回線中供以雙極性脈沖電流，產(chǎn)生激發(fā)電磁場(chǎng)，在一次電磁場(chǎng)的激勵(lì)下，地下介質(zhì)受感應(yīng)產(chǎn)生渦旋電流，當(dāng)發(fā)射的脈沖電流從峰值躍變到零，激發(fā)場(chǎng)立即消失，而地下介質(zhì)中的感應(yīng)渦流并不立即消失，只是有一個(gè)衰變過(guò)程，這個(gè)過(guò)程的特征與地下電性結(jié)構(gòu)分布有關(guān)。通過(guò)研究井中感應(yīng)二次場(chǎng)在空間和時(shí)間上的變化特征，可以達(dá)到研究鉆孔周?chē)娦苑植冀Y(jié)構(gòu)的目的，從而可以發(fā)現(xiàn)井旁、井底盲礦，或推斷已見(jiàn)礦體的空間分布與延伸方向。

圖1 地-井TEM法工作原理示意圖Fig．1 Schematic diagram for surface to borehole TEM

空間中的一次、二次場(chǎng)都是矢量場(chǎng)，分析、研究地-井TEM響應(yīng)曲線時(shí)必須先明確坐標(biāo)系。按照加拿大CORNE公司地-井TEM系統(tǒng)的坐標(biāo)系規(guī)定如下[3]：井軸分量A沿指向上為正，井經(jīng)分量U、V按右手定則規(guī)定正方向，當(dāng)鉆孔為直孔時(shí)，即為笛卡爾右手坐標(biāo)系，如圖2所示，并規(guī)定發(fā)射電流方向以保證發(fā)射回線中心的一次場(chǎng)Z分量向上為前準(zhǔn)。

圖2 地-井TEM坐標(biāo)系Fig．2 Surface to borehole TEM coordinate system

地-井瞬變電磁法觀測(cè)的異常響應(yīng)值不僅與礦體的導(dǎo)電性和幾何形態(tài)有關(guān)，還與發(fā)射回線、導(dǎo)體、接收探頭之間的位置關(guān)系密切相關(guān)，且感應(yīng)二次場(chǎng)屬于矢量場(chǎng)，響應(yīng)曲線的形態(tài)特征非常復(fù)雜，了解和認(rèn)識(shí)典型異常響應(yīng)曲線是地-井瞬變電磁資料解釋的基礎(chǔ)。作者利用商業(yè)化的EMVISION軟件對(duì)井旁板狀導(dǎo)體模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲取了典型響應(yīng)曲線，分析研究了井旁導(dǎo)電薄板響應(yīng)曲線特征，總結(jié)了異常規(guī)律，為井旁盲礦異常的定性定量解釋提供了依據(jù)。

1 地-井瞬變電磁典型異常特征

1.1 靜態(tài)特征

靜態(tài)特征指響應(yīng)幅值隨著接收探頭位置(深度)的變化特征，圖3展示了發(fā)射回線位于導(dǎo)體正上方時(shí)的四種Z分量響應(yīng)典型特征，其中鉆孔A穿過(guò)導(dǎo)體中部，為正異常特征；鉆孔B穿過(guò)導(dǎo)體邊部，異常特征為在正異常中出現(xiàn)反向異常；鉆孔C穿過(guò)導(dǎo)電礦體外部附近，為強(qiáng)而陡的負(fù)異常特征；鉆孔D穿過(guò)導(dǎo)電礦體遠(yuǎn)處，異常特征為弱而緩的負(fù)異常。

圖3 地-井TEM響應(yīng)靜態(tài)特征曲線[2]Fig．3 Surface to borehole TEM's static characteristic curve

圖4 地-井TEM響應(yīng)動(dòng)態(tài)特征曲線[2]Fig．4 Surface to borehole TEM's dynamic characteristic curve

1.2 動(dòng)態(tài)特征

動(dòng)態(tài)特征(或稱(chēng)時(shí)間特征)是指響應(yīng)曲線的形狀及特征點(diǎn)(如極值、過(guò)零點(diǎn)等)隨采樣延時(shí)的變化特征[4]，反映導(dǎo)體中感應(yīng)渦流隨時(shí)間的衰變及擴(kuò)散規(guī)律，通常分為早、中、晚期，如圖4所示，在穿過(guò)礦體中部的A孔中，觀測(cè)到始終為正的響應(yīng)值；在穿過(guò)礦體邊緣的B孔中，將觀測(cè)到中心由正變負(fù)、而兩側(cè)由負(fù)變正的響應(yīng)值；位于礦體外側(cè)的C孔中，將觀測(cè)到始終為負(fù)的響應(yīng)。

1.3 等效水平電流環(huán)響應(yīng)特征

Dyck等[5]、Eadie等[6]描述了導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)渦流的建立與消失過(guò)程，導(dǎo)體內(nèi)的電流分布可以用等效電流環(huán)表示。設(shè)邊長(zhǎng)為30 m×30 m的水平等效電流環(huán)，在不同位置設(shè)置取樣鉆孔，繪制剖面曲線(Z分量向上為正，X分量向右為正)。由于主剖面上Y分量響應(yīng)幅值為零，且X與Y分量特征具有相似性，所以只需討論X與Z分量。

A、B兩孔穿過(guò)電流環(huán)內(nèi)部，距電流環(huán)中心10 m，X、Z分量曲線如圖5所示。兩孔Z分量曲線完全一致，均為單峰正異常，極大值點(diǎn)與電流環(huán)深度對(duì)應(yīng)。兩孔X分量曲線形態(tài)完全相反，A孔位于電流環(huán)中心右側(cè)，曲線顯示為反“S”型，在電流環(huán)上部，幅值先由弱變強(qiáng)，達(dá)到極大值后又逐漸變?nèi)酰陔娏鳝h(huán)深度位置(Z=0)處出現(xiàn)“過(guò)零點(diǎn)”；在下部，幅值變?yōu)樨?fù)值，且有一極小值。B孔位于電流環(huán)中心左側(cè)，曲線為典型的“S”型。

圖5 電流環(huán)內(nèi)X、Z分量剖面曲線圖Fig．5 X and Z components profile curve inside current-carrying loop

C鉆孔、D鉆孔、E鉆孔、F鉆孔都位于電流環(huán)外部，在x軸上的坐標(biāo)位置分別為-50 m、-80 m、-110 m和-140 m，曲線如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，在不同位置的X及Z分量曲線形態(tài)相似，幅值不同，X分量曲線顯示為“S”型，Z分量曲線顯示為單峰負(fù)異常。由圖可見(jiàn)，Z分量極小值點(diǎn)位置與電流環(huán)深度一致，曲線都有“過(guò)零點(diǎn)”，且“過(guò)零點(diǎn)”均位于同一直線上(圖6中綠線)，該直線與水平夾角約為θ=37.72°。利用θ角為一常數(shù)特征可以獲取異常體的定量信息，以D孔為例，曲線“過(guò)零點(diǎn)”M與極值點(diǎn)N的距離|MN|可以從對(duì)應(yīng)孔深上獲得，鉆孔與導(dǎo)體中心距離|NO|是需要推斷的未知參數(shù)，由圖6可見(jiàn)，|MN|/|NO|=tg(θ)≈0.8 為一常數(shù)，所以|NO|≈1.25|MN|，由于O點(diǎn)位于導(dǎo)體內(nèi)部，則|NO|大于鉆孔與導(dǎo)體邊緣之間的距離r，因此，可以近似地推斷r≈|MN|，即鉆孔與導(dǎo)體之間的距離約為Z分量異常寬度的一半。

圖6 電流環(huán)外X、Z分量剖面曲線圖Fig．6 X and Z components profile curve outside current-carrying loop

2 井旁板狀導(dǎo)體異常響應(yīng)特征

2.1 板體與鉆孔位置關(guān)系變化的曲線特征

Dyck等[5]在物理和數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)利用地-井瞬變電磁三分量測(cè)量解決目標(biāo)體位置、產(chǎn)狀和埋深等問(wèn)題的可能性進(jìn)行了探討，指出同時(shí)在井中觀測(cè)三個(gè)正交分量將有助于解決解釋中的多解性問(wèn)題。

為了研究鉆孔與導(dǎo)體之間位置關(guān)系對(duì)響應(yīng)曲線的影響規(guī)律，采用EMVISION軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)模型為：自由空間內(nèi)嵌入一個(gè)200 m×200 m的水平薄板，電導(dǎo)率為50 S，深度為200 m。在與板體中心重合的300 m×300 m正方形四邊均勻地設(shè)置A—P十六個(gè)垂直鉆孔，孔深400 m。發(fā)射回線位于板體正上方，邊長(zhǎng)400 m×400 m，發(fā)射電流為1 A，接受線圈等效面積1 000 m2，采樣延遲時(shí)間見(jiàn)表1。模型示意圖及數(shù)值模擬得到各個(gè)鉆孔的三分量響應(yīng)曲線如圖7所示。

表1 取樣延遲時(shí)間表Tab.1 Sampling schedule 單位：μs

圖7 板體與鉆孔不同位置關(guān)系響應(yīng)剖面曲線圖Fig．7 Profile for plate and borehole's relative position

由響應(yīng)曲線可見(jiàn)，Z分量響應(yīng)曲線特征完全一致，均為單峰負(fù)異常，而且在與板體中心相對(duì)稱(chēng)的鉆孔中，響應(yīng)幅值均相同，如A、E、I和M孔相同；B、D、F、H、J、L、N和P孔相同，所以通過(guò)Z分量曲線只能確定板體的深度而不能確定其方位。由圖7可見(jiàn)，16個(gè)鉆孔的三分量曲線沒(méi)有完全相同的，A孔X曲線為“S”型、Y曲線為反“S”型；E孔X、Y曲線均為反“S”型；I孔X曲線為反“S”型、Y曲線為“S”型；M孔X、Y曲線均為“S”型。經(jīng)過(guò)分析可以總結(jié)出如下特征規(guī)律：以鉆孔為坐標(biāo)原點(diǎn)，若板體中心位于某水平方向(X或Y)的正方向一側(cè)，則觀測(cè)到該水平方向分量的響應(yīng)曲線為“S”型；反之，則響應(yīng)曲線為反“S”型。

所以通過(guò)分析水平分量響應(yīng)曲線，可以推斷異常中心的大致方位，方法總結(jié)如下：以鉆孔為原點(diǎn)，X、Y軸將水平面劃分為四個(gè)象限，若X、Y分量曲線為“S”型，則導(dǎo)體中心位于第一象限(L、M、N)；若X分量為反“S”型，Y分量為“S”型，則導(dǎo)體中心位于第二象限(H、I、J)；若X、Y分量曲線為反“S”型，則導(dǎo)體中心位于第三象限(D、E、F)；若X分量為“S”型，Y分量為反“S”型，則導(dǎo)體中心位于第四象限(A、B、P)，如圖8所示。而且通過(guò)對(duì)比X與Y分量響應(yīng)幅值可以判斷導(dǎo)體中心的偏向，若Y分量幅值較大，則導(dǎo)體中心離Y軸較近，當(dāng)導(dǎo)體中心正位于Y軸時(shí)，Y分量響應(yīng)幅值達(dá)到最大而X分量響應(yīng)為零，如C、K孔；若X分量幅值較大，則導(dǎo)體中心離X軸較近，當(dāng)導(dǎo)體中心正位于X軸時(shí)，X分量幅值達(dá)到最大而Y分量響應(yīng)為零，如O、G孔。

2.2 板體傾角變化的響應(yīng)特征

數(shù)值模擬條件為：回線邊長(zhǎng)400 m×400 m，鉆孔位于回線中心，孔深為600 m，，發(fā)射電流為1 A，下降沿0.2 ms，接收線圈等效面積為1 000 m2，取樣延遲時(shí)間見(jiàn)表1。模型參數(shù)為：自由空間內(nèi)嵌入一個(gè)200 m×200 m的薄板，電導(dǎo)率為20 S，頂邊埋深為300 m、距鉆孔為250 m；板體中心點(diǎn)在水平面上的投影位于X軸上(圖9)。板體與水平面的夾角為板體的傾角dip(下傾為正，上傾為負(fù))，分別計(jì)算不同傾角情況下井中TEM響應(yīng)。

由圖10可見(jiàn)，雖然發(fā)射回線與鉆孔的位置不變，但板體傾角改變除了使其中心產(chǎn)生位移，還使穿過(guò)板體的磁力線發(fā)生變化。由于板體上感應(yīng)渦流的磁矩總是垂直于板面，所以不同傾角板體上感應(yīng)渦流的磁矩方向，與板體傾角及一次場(chǎng)穿過(guò)板體方向有關(guān)。

圖11、圖12是數(shù)值模擬的剖面曲線，由于板體中心位于X軸，且板體為X軸對(duì)稱(chēng)的規(guī)則體，Y分量響應(yīng)均為“0”值，因而只需繪制X和Z分量響應(yīng)曲線。

圖11是下傾板體的剖面曲線圖，傾角分別為0°、15°、30°、45°、60°和90°。當(dāng)板體水平時(shí)，Z分量曲線為單峰負(fù)異常，極小值點(diǎn)深度就是板體中心深度；X分量曲線顯示為反“S”型，曲線過(guò)零點(diǎn)深度為板體中心深度。當(dāng)下傾15°時(shí)，板體中心向下移動(dòng)，Z分量曲線的極下值點(diǎn)向下移動(dòng)，響應(yīng)幅值變化不明顯，異常寬度(上下過(guò)零點(diǎn)的距離)明顯加大，曲線遠(yuǎn)端的正響應(yīng)有明顯的變化，上端增強(qiáng)而下端減弱；X分量曲線的過(guò)零點(diǎn)也向下位移，上端的正異常響應(yīng)增強(qiáng)，下端的負(fù)異常響應(yīng)減弱。當(dāng)傾角逐漸增大，上述曲線變化的規(guī)律進(jìn)一步明顯，尤其當(dāng)傾角增至45°時(shí)，Z分量下端正響應(yīng)曲線全部變?yōu)樨?fù)值，使曲線形態(tài)由單峰向反“S”型過(guò)渡；同樣，X分量曲線形態(tài)也由反“S”型向單峰轉(zhuǎn)變。當(dāng)傾角增大至90°時(shí)，Z分量曲線為反“S”型，曲線過(guò)零點(diǎn)深度就是板體中心深度，X分量曲線為單峰正異常，極大值點(diǎn)的位置就是板體中心深度。

圖8 X、Y分量曲線特征與異常中心位置分布關(guān)系圖

圖9 板體傾角為0°時(shí)平面投影圖Fig．9 Plane projection for plate (dip=0°)

圖10 不同傾角板體及一次場(chǎng)分布圖Fig．10 Plate with different dip and primary field distribution

圖11 下傾板體響應(yīng)剖面曲線圖Fig．11 Profile for descend plate

圖12 上傾板體響應(yīng)剖面曲線圖Fig．12 Profile for updip plate

圖12是上傾板體的剖面曲線圖，傾角分別為0°、-15°、-30°、-45°、-60°和-90°。當(dāng)上傾-15°時(shí)，板體中心向上移動(dòng)，Z分量的極小值點(diǎn)向上移動(dòng)，異常寬度增大，曲線上端正響應(yīng)減弱下端增強(qiáng)；X分量曲線的過(guò)零點(diǎn)向上位移，曲線上端正響應(yīng)減弱，下端負(fù)響應(yīng)增強(qiáng)。當(dāng)傾角逐漸增大，曲線變化的規(guī)律進(jìn)一步明顯。當(dāng)上傾-45°時(shí)，X、Z分量響應(yīng)幅值已減弱至最小，且Z分量曲線變?yōu)椤癝”型，X分量曲線變?yōu)閱畏逍螒B(tài)。當(dāng)傾角增大至-60°時(shí)，X、Z分量曲線均出現(xiàn)了“反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即與上傾-45°時(shí)相比，相同位置的響應(yīng)值產(chǎn)生了變號(hào)，Z分量曲線由“S”型變?yōu)榉础癝”型，X分量曲線由單峰負(fù)異常變?yōu)閱畏逭惓！Ｍㄟ^(guò)分析圖10可以較容易理解曲線反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，由圖10可見(jiàn)，板體傾角在-45°～90°范圍內(nèi)，一次場(chǎng)磁力線均由板體底部進(jìn)入頂部穿出，而在傾角為-60°～-90°時(shí)，穿過(guò)板體的一次場(chǎng)磁力線由頂部進(jìn)入而由底部穿出，所以板體內(nèi)二次感應(yīng)渦流的磁矩方向發(fā)生“反轉(zhuǎn)”，二次場(chǎng)反向。

2.3 板體埋深變化的曲線特征

數(shù)值模擬條件為：回線邊長(zhǎng)400 m×400 m，鉆孔位于回線中心，孔深為600 m，發(fā)射電流為1 A，下降沿0.2 ms，接收線圈等效面積為1 000 m2。模型參數(shù)為：自由空間內(nèi)嵌入一個(gè) 200 m×200 m的薄板，電導(dǎo)率為20 S，傾角為45°，板體中心在水平面上的投影位于(200，0，0)，板體中心埋深ho分別設(shè)為100 m、150 m、200 m、250 m、300 m和400 m六種情況，圖13為不同埋深板體與一次場(chǎng)分布斷面圖。

圖13 不同埋深板體及一次場(chǎng)分布圖Fig．13 Plate with different depth and primary field distribution

圖14是數(shù)值模擬得到的井中TEM響應(yīng)剖面曲線，由于板體關(guān)于X軸對(duì)稱(chēng)，Y分量的響應(yīng)值均為“0”，因此，圖中只繪制了X、Z分量響應(yīng)曲線。由圖13可以直觀地看出，當(dāng)板體埋深較淺(50 m)時(shí)，板體中心附近一次場(chǎng)以較大交角從上向下穿過(guò)板體，X分量曲線顯示為較強(qiáng)的單峰負(fù)異常，Z分量曲線顯示為板頂深度位置為正響應(yīng)，板尾深度位置為負(fù)響應(yīng)。當(dāng)埋深增大時(shí)，響應(yīng)曲線的特征點(diǎn)隨板體中心向下位移，且響應(yīng)幅值也逐漸減弱，當(dāng)增大至200 m時(shí)，由圖13可見(jiàn)，在此位置附近一次場(chǎng)近乎與板面平行，對(duì)板體的激發(fā)處于較差狀態(tài)，響應(yīng)曲線在同一比例尺下已變的很弱。埋深繼續(xù)增大為250 m、300 m和400 m時(shí)，一次場(chǎng)穿過(guò)板體的方向變?yōu)橛上孪蛏希玫降腡EM響應(yīng)曲線隨之“反轉(zhuǎn)”，如圖14所示。

圖14 不同埋深板體地-井TEM響應(yīng)剖面曲線圖Fig．14 Surface-borehole TEM profile for plate with different depth

2.4 板體與鉆孔距離變化的曲線特征

數(shù)值模擬條件為：回線邊長(zhǎng)400 m×400 m，鉆孔位于回線中心，孔深為600 m，發(fā)射電流為1 A，下降沿0.2 ms，接收線圈等效面積為1 000 m2。模型參數(shù)為：自由空間內(nèi)嵌入一個(gè)200 m×200 m的薄板，電導(dǎo)率為20 S，傾角為45°，板體中心埋深為300 m，設(shè)計(jì)了六種板體與鉆孔不同距離的情況，如圖15所示，數(shù)值模擬曲線如圖16所示。

圖15 不同水平位置板體及一次場(chǎng)分布圖Fig．15 Plate with different horizontal position and primary field distribution

圖16 不同埋深板體地-井TEM響應(yīng)剖面曲線圖Fig．16 Surface-borehole TEM profile for plate with different depth

由圖15、圖16可見(jiàn)，A→B→C位置板體中心與鉆孔的距離逐漸減小，由下向上穿過(guò)板體的一次場(chǎng)方向與板面交角增大，響應(yīng)曲線幅值增強(qiáng)、異常范圍變窄、形態(tài)特征不變。當(dāng)板體位于D位置時(shí)，雖然板體中心離鉆孔距離與C處相同，但由于板體傾斜，使其與一次場(chǎng)的耦合關(guān)系沒(méi)有C位置有利，所以響應(yīng)幅值比C處弱，且Z分量響應(yīng)曲線“反轉(zhuǎn)”。當(dāng)板體位于E時(shí)，一次場(chǎng)方向與板面交角進(jìn)一步減小，響應(yīng)曲線幅值在同一比例尺下已接近零軸。當(dāng)板體位于F時(shí)，由圖15可見(jiàn)一次場(chǎng)穿過(guò)板體的方向變?yōu)橛缮喜肯蛳麓┻^(guò)，響應(yīng)值的符號(hào)再次“反轉(zhuǎn)”，由于響應(yīng)強(qiáng)度較弱，使圖16中(E)→(F)曲線的符號(hào)變化無(wú)法分辨，只要將橫坐標(biāo)比例尺增大就可以清晰地看出曲線的符號(hào)變化。

3 結(jié)論

地-井瞬變電磁響應(yīng)特征與多種因素相關(guān)，曲線形態(tài)變化復(fù)雜，我們通過(guò)等效電流環(huán)和數(shù)值模擬，討論了簡(jiǎn)單條件下井旁板狀導(dǎo)體的曲線特征，并總結(jié)了一些規(guī)律和方法，取得了主要認(rèn)識(shí)和結(jié)論：

1)地-井瞬變電磁場(chǎng)屬于矢量場(chǎng)，研究表明：在相同的發(fā)射、接收條件下，地-井TEM三分量異常響應(yīng)特征與異常體位置關(guān)系具有一一對(duì)應(yīng)的高度相關(guān)性，在實(shí)際工作中同時(shí)觀測(cè)三個(gè)分量將有助于井旁異常位置的推斷解釋。

2)通過(guò)分析水平分量異常響應(yīng)曲線的特征和幅值，可以推斷異常中心的大致方位，若曲線為“S”型，則異常中心位于該分量的正方向一側(cè)；若曲線為反“S”型，則位于該分量的負(fù)方向一側(cè)。

3)垂直分量異常響應(yīng)曲線能反映異常中心與鉆孔之間的距離，鉆孔穿過(guò)異常中部，垂直分量異常曲線為正異常；穿過(guò)異常體邊緣，早期道反映為正異常，中晚期道變?yōu)樨?fù)異常；井旁異常曲線為負(fù)異常特征，且異常半寬度約等于異常體與鉆孔的距離。

4)地-井瞬變電磁響應(yīng)特征非常復(fù)雜，通過(guò)分析一次場(chǎng)與導(dǎo)體之間的耦合關(guān)系能夠清晰地了解響應(yīng)特征變化的根源，所以利用一次場(chǎng)分布圖有助于對(duì)復(fù)雜模型的推斷解釋。

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