不同回線瞬變電磁測深數據歸一化校正

孟紅星

瞬變電磁法是電法勘探的一種常用方法，大定源回線裝置是瞬變電磁法勘探中常用裝置，工程中根據不同的勘探深度選用不同的發送回線。不同發送回線測得的數據存在系統誤差，當兩種回線測深數據對接時，如何消除系統誤差，進行定量解釋，是擺在我們面前的一個現實問題。文中結合一個實例，給出了對兩種回線所測數據進行歸一化校正的方法，對進一步的地質解釋具有積極意義。

概述

瞬變電磁法是利用階躍波或其他脈沖電流場源激勵大地產生過渡過程場，斷電瞬間在大地中形成渦旋交變電磁場，測量這種由地下介質產生的二次感應電磁場隨時間變化的衰減特性，從而達到解決地質問題的目的。

瞬變電磁法野外施工常用裝置有重疊回線裝置、中心回線裝置、偶極裝置和大定源回線裝置。其中重疊回線和中心回線裝置屬于同點裝置，是頻率域無法實現的裝置，與探測的地質對象有最佳的耦合，具有較高的接收電平，較好的穿透深度，相應曲線形態單一，異常便于解釋；但每移動一次裝置只能測量一個點，工作效率較低。偶極裝置是瞬變電磁法發展初期常用的裝置，由于該裝置的野外施工較繁瑣，動源的工作要求使發送此舉的提高受到限制，更主要的是剖面曲線形態較復雜，并且受地質噪聲干擾大，因此，已很少使用于面積性的勘查工作。大定源回線裝置與探測的地質體具有最佳耦合，異常幅值大；發送磁矩大，二次場均勻，衰減慢，探測深度大；對鋪設回線的要求不那么嚴格，一旦鋪好回線后，可采用多臺接收機同時觀測，工作效率高，是野外施工中常用裝置。

在野外工程中，經常會碰到相鄰工區目的層埋深差別較大，瞬變電磁采用大定源回線工作裝置施工時會采用不同的回線邊長采集野外數據，在后期的資料處理解釋中會發現，相鄰工區的連接部位不同回線的測深數據會有差別，為了消除這種差別，實現兩種測深數據的對接，本文據此出發對兩種測深數據歸一化校正方法進行了探討。

不同回線裝置的探測深度

渦旋場在大地中主要以擴散形式傳播，在這一過程中，由于趨膚效應，高頻部分主要集中在地表附近，且其分布范圍是源下面的局部，而低頻部分傳播到深處，且分布范圍逐漸擴大。某時刻地下渦流電場在地表產生的磁場可以等效為一個水平環狀線電流的磁場，隨著時間的推移，該電流環向下、向外擴散，并逐漸變形為圓電流環。等效電流環很象從發射回線中“吹”出來的一系列“煙圈”，因此，人們將地下渦旋電流向下、向外擴散的過程形象地稱為“煙圈效應”，如圖1。“煙圈”以47°傾斜錐面擴散，其向下傳播深度和速度分別為：

傳播深度：

傳播速度：

其中：t 為傳播時間；σ 為介質電導率；μ0 為真空中的磁導率。

圖1 煙圈效應示意圖

瞬變電磁的最大探測深度與發送磁矩、覆蓋層電阻率及最小可分辨電壓有關，最大探測深度為：

此式為野外工程中常用來計算最大探測深度的公式，式中：M 為發送磁矩；ρ1 為表層電阻率；η 為最小可分辨電壓，它的大小與目標層幾何參數、物理參數和觀測時間段有關。

由式（3）可以看出，野外可以通過改變發送線框的磁矩來改變最大探測深度。磁矩與電流成正比，與回線邊長的平方成正比，因此，可以通過改變電流或回線邊長來達到改變最大探測深度的目的，增大回線邊長可以更明顯的增大探測深度，這也是大定源回線裝置測量深度較大的原理。通過理論計算，可以算出不同回線邊長不同電阻率最大測深結果，見表1。

表1 最大探測深度計算結果表（單位 m）

不同回線測深數據歸一化校正實例

相鄰兩工區概況

某相鄰兩工區為一單斜構造，A 工區目的層最大埋深300m，B 工區目的層最大埋深530m，兩工區分別施工，均采用大定源回線施工裝置，A 工區施工選用480×480m回線，B 工區施工選用600×600m 回線，資料解釋時，要求把數據對接統一解釋。由于兩種回線測深數據存在系統誤差，解釋時需要找到系統誤差的規律，把兩個不同發送回線測得的數據進行歸一化校正，以便進行下一步全區定量解釋。

獲取歸一化校正參數

為了獲取校正參數，野外選擇了一條測線在兩工區邊界附近的3 個點分別用480m 回線和600m 回線進行觀測，這里以該剖面為例介紹一下不同發送回線測深數據歸一化校正過程。該剖面長度960m，160～800 為480×480m回線觀測，720～1120 為600×600m 回線，720～800 為兩個回線重復觀測地段。

從反演結果看，480m 回線最大測深在450m 左右，600m 回線最大測深在600 左右，校正時把480m 回線測深數據歸一化校正為600m 回線測深數據。為了便于說明歸一化校正過程，這里選取兩種回線共有的測深深度-100m～-430m 進行討論。

對兩種回線測深數據用深度參數進行歸一化

首先把720～800 三個重復觀測點的兩套測深數據分別用Surfer 軟件進行網格化，深度范圍選取兩套數據共有深度-100m～-430m，步長為10，方法選用克里格法。然后把網格化生成的兩個“*.grd”文件轉化為ASCII 碼文件，最后繪制出重復測點的兩支測深曲線（以720 測點為例），如圖2。圖中橫坐標為反演深度，單位m，縱坐標為反演電阻率，單位Ω·m，三角形曲線為480m 發送回線的測深曲線（簡稱480 曲線），圓點曲線為600m發送回線的測深曲線（簡稱600 曲線）。從圖中可以看出，-100m～-430m 深度之間，每10m 深度對應兩個電阻率，在-380m 以淺，兩支曲線形態類似，480 曲線電阻率高于600 曲線電阻率；-380m～-430m 之間，480 曲線電阻率低于600 曲線電阻率。通過分析可知兩支曲線是非線性曲線，兩支曲線之間的關系也是非線性關系。

不同回線測深數據歸一化校正的方法

圖2 兩回線720 測點深度歸一化后反演電阻率曲線

為了把480 曲線歸一化校正為600 曲線，我們可以將電阻率看成深度的函數，

式中R表示電阻率，h表示深度，這是一個非線性函數。為了便于數據校正，我們可以把曲線在深度方向分成n 小段，在每一小段上，兩支曲線可以看成線性曲線，兩支曲線之間可以近似成線性關系，這樣就把一個復雜的非線性問題轉換為多個簡單的線性問題，大大降低了數據校正的難度。每一小段上電阻率和深度之間的函數為：

其中，h 表示深度，R（h）為h 對應的電阻率，kn為第n 段曲線的斜率，Cn 表示第n 段曲線的初始常數。

480 曲線可以表示為：

600 曲線可以表示為：

由式（6）、（7）可以推出：

利用式（8），把480 曲線和600 曲線統一按照反演深度分成n 段，通過第n 段的起止深度和起止深度對應的電阻率可以計算出第n 段曲線的斜率k1n、k2n，第n 段起點的電阻率為C1n、C2n，兩支曲線上每個深度都對應到不同的深度區間，不同深度區間調用不同的校正參數k1n、k2n、C1n、C2n，利用程序計算，可以把相同深度的480m 回線測得的電阻率歸一化校正為600m 回線測得的電阻率，這樣就消除了因回線不同而產生的系統誤差，為下一步整條剖面校正奠定了基礎。

圖3 為720 測點兩回線歸一化校正后的反演電阻率曲線，可以看出，經歸一化校正后，兩支曲線幾乎完全重合，說明該校正方法有效可行。圖中有個別點不重合，是因為該區間分段長度過大的緣故，只要n 足夠大，即分段區間足夠小，就可以達到更好的校正效果。

重復觀測點歸一化校正后，可以獲得一系列的校正參數，即n、k2n、C2n 及區間分段深度，利用這些參數可以把其它480m 回線測得的電阻率據歸一化校正為600m回線測得的電阻率，從而達到整條剖面乃至全區歸一化校正的目的，為整條剖面和全區的量化解釋掃清了系統誤差的障礙，在實際工作中具有重要意義。

圖3 兩回線720 測點歸一化校正后反演電阻率曲線

圖4 歸一化校正前反演電阻率斷面圖

圖5 歸一化校正后反演電阻率斷面圖

歸一化校正前后成果對比

圖4 是歸一化校正前生成的反演電阻率斷面圖，160～720 之間為480m 回線測得的斷面，720～1120 為600m 回線測得的斷面，從斷面上可以看出，720 測點左右電阻率曲線有明顯差異，橫向出現一個“臺階”，如果不加以校正，該處容易解釋出假斷層。另外，480m 回線測得的電阻率整體上明顯高于600m 回線測得的數據，這是由于不同回線裝置系統誤差引起的，如果不加以校正，平面定量解釋時容易出現假異常。從剖面上還可以看出600m 回線測得深部數據比480 回線測得的深部數據穩定，這說明600m 回線的信噪比要比480m 回線高。

圖5 是經過歸一化校正后的反演電阻率斷面圖，160～720 之 間 為480m 回線所測數據做了歸一化后的斷面，720～1120 為600m回線測得的斷面，從圖中可以看出，720 測點左右的電阻率等值線消除了“臺階”現象，整條斷面看上去更加平滑，消除了兩種回線所測數據的系統誤差，避免了出現假異常，更利于整條剖面乃至全區數據的解釋。

結語

本文通過一個實例，分析了不同發送回線測深數據的系統誤差，說明在兩工區數據對接前做歸一化校正的必要性。在深入分析測深數據規律的基礎上，提出了把一個非線性問題轉化為多個線性問題的工作思路，最終利用程序計算，完成了不同回線重復觀測點的歸一化校正工作，從而取得了系統誤差歸一化校正的參數，利用這些參數就可以完成對其他測點的歸一化校正。從實例剖面可以看出，通過歸一化校正，消除了不同回線測深數據的系統誤差，校正效果良好，說明該校正方法具有很強的實用性和可操作性。