地-井瞬變電磁井旁板狀導體異常響應特征分析

張 杰，王興春，鄧曉紅，呂國印，武軍杰，楊 毅

(中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000)

0 引言

地-井瞬變電磁法(TEM)測量是將發(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量地下介質產(chǎn)生的感應二次場，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，在一次電磁場的激勵下，地下介質受感應產(chǎn)生渦旋電流，當發(fā)射的脈沖電流從峰值躍變到零，激發(fā)場立即消失，而地下介質中的感應渦流并不立即消失，只是有一個衰變過程，這個過程的特征與地下電性結構分布有關。通過研究井中感應二次場在空間和時間上的變化特征，可以達到研究鉆孔周圍電性分布結構的目的，從而可以發(fā)現(xiàn)井旁、井底盲礦，或推斷已見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、二次場都是矢量場，分析、研究地-井TEM響應曲線時必須先明確坐標系。按照加拿大CORNE公司地-井TEM系統(tǒng)的坐標系規(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，當鉆孔為直孔時，即為笛卡爾右手坐標系，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Z分量向上為前準。

圖2 地-井TEM坐標系Fig．2 Surface to borehole TEM coordinate system

地-井瞬變電磁法觀測的異常響應值不僅與礦體的導電性和幾何形態(tài)有關，還與發(fā)射回線、導體、接收探頭之間的位置關系密切相關，且感應二次場屬于矢量場，響應曲線的形態(tài)特征非常復雜，了解和認識典型異常響應曲線是地-井瞬變電磁資料解釋的基礎。作者利用商業(yè)化的EMVISION軟件對井旁板狀導體模型進行了數(shù)值模擬，獲取了典型響應曲線，分析研究了井旁導電薄板響應曲線特征，總結了異常規(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)射回線位于導體正上方時的四種Z分量響應典型特征，其中鉆孔A穿過導體中部，為正異常特征；鉆孔B穿過導體邊部，異常特征為在正異常中出現(xiàn)反向異常；鉆孔C穿過導電礦體外部附近，為強而陡的負異常特征；鉆孔D穿過導電礦體遠處，異常特征為弱而緩的負異常。

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

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

1.2 動態(tài)特征

動態(tài)特征(或稱時間特征)是指響應曲線的形狀及特征點(如極值、過零點等)隨采樣延時的變化特征[4]，反映導體中感應渦流隨時間的衰變及擴散規(guī)律，通常分為早、中、晚期，如圖4所示，在穿過礦體中部的A孔中，觀測到始終為正的響應值；在穿過礦體邊緣的B孔中，將觀測到中心由正變負、而兩側由負變正的響應值；位于礦體外側的C孔中，將觀測到始終為負的響應。

1.3 等效水平電流環(huán)響應特征

Dyck等[5]、Eadie等[6]描述了導體內感應渦流的建立與消失過程，導體內的電流分布可以用等效電流環(huán)表示。設邊長為30 m×30 m的水平等效電流環(huán)，在不同位置設置取樣鉆孔，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兩孔穿過電流環(huán)內部，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，極大值點與電流環(huán)深度對應。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，曲線顯示為反“S”型，在電流環(huán)上部，幅值先由弱變強，達到極大值后又逐漸變弱，在電流環(huán)深度位置(Z=0)處出現(xiàn)“過零點”；在下部，幅值變?yōu)樨撝担矣幸粯O小值。B孔位于電流環(huán)中心左側，曲線為典型的“S”型。

圖5 電流環(huán)內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，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異常。由圖可見，Z分量極小值點位置與電流環(huán)深度一致，曲線都有“過零點”，且“過零點”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“過零點”M與極值點N的距離|MN|可以從對應孔深上獲得，鉆孔與導體中心距離|NO|是需要推斷的未知參數(shù)，由圖6可見，|MN|/|NO|=tg(θ)≈0.8 為一常數(shù)，所以|NO|≈1.25|MN|，由于O點位于導體內部，則|NO|大于鉆孔與導體邊緣之間的距離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 井旁板狀導體異常響應特征

2.1 板體與鉆孔位置關系變化的曲線特征

Dyck等[5]在物理和數(shù)值模擬結果的基礎上，對利用地-井瞬變電磁三分量測量解決目標體位置、產(chǎn)狀和埋深等問題的可能性進行了探討，指出同時在井中觀測三個正交分量將有助于解決解釋中的多解性問題。

為了研究鉆孔與導體之間位置關系對響應曲線的影響規(guī)律，采用EMVISION軟件進行數(shù)值模擬，設計模型為：自由空間內嵌入一個200 m×200 m的水平薄板，電導率為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置A—P十六個垂直鉆孔，孔深400 m。發(fā)射回線位于板體正上方，邊長400 m×400 m，發(fā)射電流為1 A，接受線圈等效面積1 000 m2，采樣延遲時間見表1。模型示意圖及數(shù)值模擬得到各個鉆孔的三分量響應曲線如圖7所示。

表1 取樣延遲時間表Tab.1 Sampling schedule 單位：μs

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

由響應曲線可見，Z分量響應曲線特征完全一致，均為單峰負異常，而且在與板體中心相對稱的鉆孔中，響應幅值均相同，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，16個鉆孔的三分量曲線沒有完全相同的，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)過分析可以總結出如下特征規(guī)律：以鉆孔為坐標原點，若板體中心位于某水平方向(X或Y)的正方向一側，則觀測到該水平方向分量的響應曲線為“S”型；反之，則響應曲線為反“S”型。

所以通過分析水平分量響應曲線，可以推斷異常中心的大致方位，方法總結如下：以鉆孔為原點，X、Y軸將水平面劃分為四個象限，若X、Y分量曲線為“S”型，則導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，則導體中心位于第四象限(A、B、P)，如圖8所示。而且通過對比X與Y分量響應幅值可以判斷導體中心的偏向，若Y分量幅值較大，則導體中心離Y軸較近，當導體中心正位于Y軸時，Y分量響應幅值達到最大而X分量響應為零，如C、K孔；若X分量幅值較大，則導體中心離X軸較近，當導體中心正位于X軸時，X分量幅值達到最大而Y分量響應為零，如O、G孔。

2.2 板體傾角變化的響應特征

數(shù)值模擬條件為：回線邊長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，取樣延遲時間見表1。模型參數(shù)為：自由空間內嵌入一個200 m×200 m的薄板，電導率為20 S，頂邊埋深為300 m、距鉆孔為250 m；板體中心點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)，分別計算不同傾角情況下井中TEM響應。

由圖10可見，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，還使穿過板體的磁力線發(fā)生變化。由于板體上感應渦流的磁矩總是垂直于板面，所以不同傾角板體上感應渦流的磁矩方向，與板體傾角及一次場穿過板體方向有關。

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軸對稱的規(guī)則體，Y分量響應均為“0”值，因而只需繪制X和Z分量響應曲線。

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°。當板體水平時，Z分量曲線為單峰負異常，極小值點深度就是板體中心深度；X分量曲線顯示為反“S”型，曲線過零點深度為板體中心深度。當下傾15°時，板體中心向下移動，Z分量曲線的極下值點向下移動，響應幅值變化不明顯，異常寬度(上下過零點的距離)明顯加大，曲線遠端的正響應有明顯的變化，上端增強而下端減弱；X分量曲線的過零點也向下位移，上端的正異常響應增強，下端的負異常響應減弱。當傾角逐漸增大，上述曲線變化的規(guī)律進一步明顯，尤其當傾角增至45°時，Z分量下端正響應曲線全部變?yōu)樨撝?，使曲線形態(tài)由單峰向反“S”型過渡；同樣，X分量曲線形態(tài)也由反“S”型向單峰轉變。當傾角增大至90°時，Z分量曲線為反“S”型，曲線過零點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系圖

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

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

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

圖12 上傾板體響應剖面曲線圖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°。當上傾-15°時，板體中心向上移動，Z分量的極小值點向上移動，異常寬度增大，曲線上端正響應減弱下端增強；X分量曲線的過零點向上位移，曲線上端正響應減弱，下端負響應增強。當傾角逐漸增大，曲線變化的規(guī)律進一步明顯。當上傾-45°時，X、Z分量響應幅值已減弱至最小，且Z分量曲線變?yōu)椤癝”型，X分量曲線變?yōu)閱畏逍螒B(tài)。當傾角增大至-60°時，X、Z分量曲線均出現(xiàn)了“反轉”現(xiàn)象，即與上傾-45°時相比，相同位置的響應值產(chǎn)生了變號，Z分量曲線由“S”型變?yōu)榉础癝”型，X分量曲線由單峰負異常變?yōu)閱畏逭惓！Ｍㄟ^分析圖10可以較容易理解曲線反轉現(xiàn)象，由圖10可見，板體傾角在-45°～90°范圍內，一次場磁力線均由板體底部進入頂部穿出，而在傾角為-60°～-90°時，穿過板體的一次場磁力線由頂部進入而由底部穿出，所以板體內二次感應渦流的磁矩方向發(fā)生“反轉”，二次場反向。

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：自由空間內嵌入一個 200 m×200 m的薄板，電導率為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分布斷面圖。

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

圖14是數(shù)值模擬得到的井中TEM響應剖面曲線，由于板體關于X軸對稱，Y分量的響應值均為“0”，因此，圖中只繪制了X、Z分量響應曲線。由圖13可以直觀地看出，當板體埋深較淺(50 m)時，板體中心附近一次場以較大交角從上向下穿過板體，X分量曲線顯示為較強的單峰負異常，Z分量曲線顯示為板頂深度位置為正響應，板尾深度位置為負響應。當埋深增大時，響應曲線的特征點隨板體中心向下位移，且響應幅值也逐漸減弱，當增大至200 m時，由圖13可見，在此位置附近一次場近乎與板面平行，對板體的激發(fā)處于較差狀態(tài)，響應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，一次場穿過板體的方向變?yōu)橛上孪蛏?，得到的TEM響應曲線隨之“反轉”，如圖14所示。

圖14 不同埋深板體地-井TEM響應剖面曲線圖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：自由空間內嵌入一個200 m×200 m的薄板，電導率為20 S，傾角為45°，板體中心埋深為300 m，設計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響應剖面曲線圖Fig．16 Surface-borehole TEM profile for plate with different depth

由圖15、圖16可見，A→B→C位置板體中心與鉆孔的距離逐漸減小，由下向上穿過板體的一次場方向與板面交角增大，響應曲線幅值增強、異常范圍變窄、形態(tài)特征不變。當板體位于D位置時，雖然板體中心離鉆孔距離與C處相同，但由于板體傾斜，使其與一次場的耦合關系沒有C位置有利，所以響應幅值比C處弱，且Z分量響應曲線“反轉”。當板體位于E時，一次場方向與板面交角進一步減小，響應曲線幅值在同一比例尺下已接近零軸。當板體位于F時，由圖15可見一次場穿過板體的方向變?yōu)橛缮喜肯蛳麓┻^，響應值的符號再次“反轉”，由于響應強度較弱，使圖16中(E)→(F)曲線的符號變化無法分辨，只要將橫坐標比例尺增大就可以清晰地看出曲線的符號變化。

3 結論

地-井瞬變電磁響應特征與多種因素相關，曲線形態(tài)變化復雜，我們通過等效電流環(huán)和數(shù)值模擬，討論了簡單條件下井旁板狀導體的曲線特征，并總結了一些規(guī)律和方法，取得了主要認識和結論：

1)地-井瞬變電磁場屬于矢量場，研究表明：在相同的發(fā)射、接收條件下，地-井TEM三分量異常響應特征與異常體位置關系具有一一對應的高度相關性，在實際工作中同時觀測三個分量將有助于井旁異常位置的推斷解釋。

2)通過分析水平分量異常響應曲線的特征和幅值，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；若曲線為反“S”型，則位于該分量的負方向一側。

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

4)地-井瞬變電磁響應特征非常復雜，通過分析一次場與導體之間的耦合關系能夠清晰地了解響應特征變化的根源，所以利用一次場分布圖有助于對復雜模型的推斷解釋。

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