TEM多分量響應模擬及曲線特征分析

武軍杰，劉 彬，楊 毅，張 杰，王興春

(1.長安大學 地質工程與測繪學院，西安 710054；2.中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 06500)

0 引言

定源回線裝置瞬變電磁法主要用于詳查階段，能準確地確定目標地質體的埋深、邊界等幾何參數。定源回線裝置是在地面布設邊長數百米的矩形發射回線，發射框始終固定不動，測量點可以位于發射框內也可以位于發射框外。測點位于發射框內稱為定源內回線裝置(主要針對目標體產狀較緩)，測量點位于發射框外稱為定源外回線裝置(主要針對目標體產狀較陡)。定源回線裝置可以觀測瞬變響應三個分量，有利于獲得更多的目標體幾何參數信息。由于發射源可以固定放置于靠近回線邊的某個位置，可以使用功率較大的發射裝置。因此，定源回線場源具有發射磁矩大，場較為均勻及隨距離衰減慢等特點，適合于深部礦產勘查工作[1-2]。

在澳大利亞、加拿大等國家，定源回線裝置為瞬變電磁法地面最主要的野外數據采集裝置。在應用定源回線裝置進行瞬變電磁野外數據采集時，大多根據研究目標不同而進行框內或框外測量。當目標體近于水平(產狀<20°)時，采用框內方式測量；當目標體產狀比較陡傾時，采用框外方式測量。

目前多數商品化瞬變電磁儀器可實現三分量數據采集，但是缺少相應的解釋方法。目前國內、外研究者對于定源回線瞬變電磁法研究主要為垂直分量[3-7]，多分量的相關研究較少。多分量綜合解釋可以獲得更加豐富的信息，為綜合解釋提供更可靠的依據，是提高定源回線TEM資料處理解釋水平和方法應用效果的重要研究方向[8-9]。

1 正演模擬及特征分析

為總結低阻體不同分量瞬變響應的曲線特征，建立系列理論模型進行正演模擬(正演軟件選擇EM Vision)。首先選擇定源回線裝置，建立均勻半空間模型，模擬發射框內不同位置背景場的三分量特征；其次在均勻半空間中建立不同傾角三維薄板低阻體，模擬低阻薄板的瞬變響應三分量曲線。

1.1 算例一 均勻半空間

均勻半空間電阻率為1 000Ω·m，發射框1 000 m×1 000 m。發射框內測線布置如圖1所示。三條測線(L-300、L0、L300)長度為800 m，線距為300 m，點距為50 m，起止點號均為-400～400。

圖1 發射框及測點平面布Fig．1 Tx loop and survey lines

圖2為L-300、L0、L300測線三分量剖面曲線對比圖。可以看出，X分量特征為左(西)半部分為負值，右(東)半部分為正值(這與X分量定義的正方向有關)，且關于發射框中心點對稱(X型)；Y分量剖面曲線在發射框主剖面為零值，在發射框上(北)半部分為正值，下(南)半部分為負值；Z分量剖面曲線主剖面響應值最強，發射框內均為正值。因此，對于定源回線裝置，不同分量的曲線特征各不相同，均為裝置引起。

1.2 算例二 均勻半空間中的水平低阻薄板

均勻半空間電阻率為1 000 Ω·m，發射框及測線布置同上例。低阻薄板電導率為50 S，薄板水平，尺寸為400 m×600 m，理論厚度為零，埋深為100 m。三測線分別位于低阻體的外部、邊部及靠近中心位置，如圖3所示。

圖4為L-300、L0、L300測線三分量瞬變響應剖面曲線對比圖。圖4中三種顏色分別代表不同測線。另外，將曲線按照時間采樣窗口分為三組分別繪制，使得曲線在早、中、晚期的不同特征更突出地表現出來。

首先對于X分量曲線，早期道中L-300線剖面曲線關于發射框中心對稱，無明顯異常顯示。L0和L300線曲線在異常體的邊界(-100、300)位置出現明顯異常顯示，在(0,0)位置附近也出現異常，并隨時間道增大逐漸回歸至零值附近。中期道和晚期道中L0和L300線曲線形態均為左負右正(S型)，零值點逐漸對應于異常中心位置(100)，并且正負二峰值對應薄板兩邊界位置附近。L-300線中晚期道曲線為左負右正(X型)。可以看出，X分量對于異常體的邊界反映靈敏，早期道曲線異常形態是變化的，中期道開始曲線形態趨于穩定。L300線位置更加靠近板體中心，因此其值高于L0線。

圖2 不同測線瞬變響應三分量剖面曲線對比圖Fig．2 Three component TEM curves of different survey lines

圖3 模型及測線平面布置圖Fig．3 Model and survey lines(a)模型斷面圖;(b)模型平面圖

圖4 水平薄板模型不同測線三分量瞬變響應曲線對比圖Fig．4 Three component TEM curves of different survey lines with horizontal plat model

其次對于Y分量曲線，L300線曲線為正值，L0、L-300線均為負值。這是由于Y分量的定義引起的(Y分量定義向北為正方向)。L300測線在-100～300點之間出現正異常，L-300、L0測線負異常，這與測線相對于板體中心位置有關。L300測線為正異常說明其位于板體中心北面，L-300、L0線出現負異常說明位于板體中心的南面，且由于L0線靠近板體邊緣其值最強。

對于Z分量曲線，L-300曲線基本無異常顯示。L0、L300曲線在-100～300測線段均異常明顯，異常中心對應于板體中心位置，異常對稱顯示出低阻薄板的水平狀態。L300線曲線值高于L0線，這是因為該測線更加靠近板體中心。相對于其他兩分量，Z分量的異常形態從早期到晚期是一致的。

1.3 算例三 均勻半空間中的傾斜低阻薄板

均勻半空間電阻率為1 000 Ω·m，發射框及測線布置同上。低阻薄板電導率為50 S，薄板傾角為30°，尺寸為400 m×600 m，頂界面埋深為100 m,位置如圖5所示。

圖6為L-300、L0、L300測線三分量瞬變響應剖面曲線對比圖。對于X分量曲線，L-300線剖面曲線無明顯異常顯示。L0和L300線早期道曲線在異常體的范圍內出現畸變，為異常顯示。中期道和晚期道中L0和L300線曲線形態均為左負右正(S型)，零值點逐漸對應于異常中心位置，并且正負二峰值對應薄板兩邊界位置附近，正峰值相對于負峰值較陡，說明薄板向小號點傾斜。對于Y分量曲線，L300線曲線為正值，L0、L-300線均為負值。L300測線為正異常說明其位于板體中心北面，L-300、L0線出現負異常說明位于板體中心的南面，且由于L0線靠近板體邊緣其值最強，Y分量曲線上也可以反映出板體的傾斜狀態。對于Z分量曲線， L0、L300曲線異常明顯，異常中心對應于薄板中心位置，且異常左面緩，右面陡，顯示出低阻薄板向小號點傾斜。因此，對于傾斜低阻板體，三個分量的綜合信息能夠清晰地反映板體的實際位置及板體的傾斜狀態。

1.4 算例四 均勻半空間中的垂直低阻薄板

均勻半空間電阻率為1 000 Ω·m，發射框及測線布置同上。低阻薄板電導率為50 S，薄板垂直，尺寸為400 m×600 m，頂界面埋深為100 m，位置如圖7所示。

圖8為均勻半空間中垂直低阻薄板模型不同測線三分量瞬變響應剖面曲線對比圖。黑色線條為L300線的響應曲線，可以看出L-300線無明顯異常顯示。L0線和L300線X分量在100點～200點早、中、晚均有異常顯示，與板體位置基本一致。而Y分量曲線僅在晚期道略有反應，但幅值很小。Z分量曲線在早、中期道曲線中無明顯異常，在晚期道有所反應。可以看出，由于直立板體位于發射框內，與發射磁場的耦合不佳，致使在剖面曲線上異常反映并不明顯。因此，在實際工作中對于產狀較陡的板狀異常體，按照前文中介紹的原則，應在框外測量以獲得最佳耦合關系及異常顯示。

圖5 模型及測線平面布置圖Fig．5 Model and survey lines graph(a)模型斷面圖;(b)模型平面圖

圖6 傾斜薄板模型不同測線三分量瞬變響應曲線對比圖Fig．6 Three component TEM curves of different survey lines with inclined plate model

圖7 模型及測線平面布置圖Fig．7 Model and survey lines graph(a)模型斷面圖;( b)模型平面圖

圖8 垂直薄板模型不同測線三分量瞬變響應曲線對比圖Fig．8 Three component TEM curves of different survey lines with vertical plat model

2 結論

通過系列模型三分量正演模擬計算，可以初步總結以下基本結論：

1)Z分量異常形態穩定，不同時間道異常形態一致，其異常中心對應于異常體的中心。X、Y分量對于邊界反映更加靈敏，在早期道中異常形態隨時間道逐步變化，從中期道開始異常形態逐步穩定。

2)X分量瞬變響應曲線可以反映地質體邊界，如算例中的薄板模型，X分量正負兩個峰值反映了板狀體兩個邊界，幅值大小變化反映了板狀體的傾向。

3)Y分量的曲線形態能夠反映異常體中心與測線的位置關系。

4)多分量綜合解釋可以更準確地反映地下異常體的位置、邊界范圍等幾何參數，為實際資料解釋提供依據。

5)發射框應根據目標地質體的產狀來布設以獲得最佳耦合，進而選擇在框內、框外測量。

通過以上分析及結論可知，在實際TEM勘查中應盡量布置面積性的工作，而且盡可能測量三個分量，這樣可以獲得更加豐富的目標地質體信息，準確判斷地質體的位置，避免旁側影響。

參考文獻：

[1] 牛之璉.時間域電磁法原理[M]．長沙：中南大學出版社,2007.

[2] 蔣邦遠.實用近區磁源瞬變電磁法勘探[M]．北京：地質出版社,1998.

[3] 武軍杰，張杰，王興春，等．基于等效磁偶極子的定源回線瞬變響應計算方法及視電阻率定義[J]．煤田地質與勘探，2013，141(3)：68-71.

[4] 薛國強，李貅，郭文波，等．大回線源瞬變電磁場響應特性[J]．石油地球物理勘探，2007，42(5)：586-590.

[5] 周楠楠，薛國強，李梅芳，等． 基于電偶極子近似的多邊形回線源瞬變電磁響應[J]． 煤田地質與勘探，2011，39(4)：49-55.

[6] 張成范，翁愛華，孫世棟，等．計算矩形大定源回線瞬變電磁測深全區視電阻率[J]．吉林大學學報:地球科學版，2009，39(4)：755-758．

[7] 翁愛華，陸冬華, 劉國興．利用連分式定義瞬變電磁法全區視電阻率研究[J]．煤田地質與勘探，2003，31(3)：56-58．

[8] 戚志鵬，李貅，郭文波，等．瞬變電磁水平分量視電阻率定義[J]．煤炭學報，2011，36(S1)：88-93.

[9] 武軍杰，王興春，鄧曉紅，等．定源回線瞬變電磁x 分量視電阻率計算方法[J]．物探與化探，2012,36(4)：684-687.