不同回線瞬變電磁測(cè)深數(shù)據(jù)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(jù)不同的勘探深度選用不同的發(fā)送回線。不同發(fā)送回線測(cè)得的數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)誤差，當(dāng)兩種回線測(cè)深數(shù)據(jù)對(duì)接時(shí)，如何消除系統(tǒng)誤差，進(jìn)行定量解釋，是擺在我們面前的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。文中結(jié)合一個(gè)實(shí)例，給出了對(duì)兩種回線所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化校正的方法，對(duì)進(jìn)一步的地質(zhì)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(chǎng)源激勵(lì)大地產(chǎn)生過(guò)渡過(guò)程場(chǎng)，斷電瞬間在大地中形成渦旋交變電磁場(chǎng)，測(cè)量這種由地下介質(zhì)產(chǎn)生的二次感應(yīng)電磁場(chǎng)隨時(shí)間變化的衰減特性，從而達(dá)到解決地質(zhì)問(wèn)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(diǎn)裝置，是頻率域無(wú)法實(shí)現(xiàn)的裝置，與探測(cè)的地質(zhì)對(duì)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(yīng)曲線形態(tài)單一，異常便于解釋；但每移動(dòng)一次裝置只能測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，工作效率較低。偶極裝置是瞬變電磁法發(fā)展初期常用的裝置，由于該裝置的野外施工較繁瑣，動(dòng)源的工作要求使發(fā)送此舉的提高受到限制，更主要的是剖面曲線形態(tài)較復(fù)雜，并且受地質(zhì)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(cè)的地質(zhì)體具有最佳耦合，異常幅值大；發(fā)送磁矩大，二次場(chǎng)均勻，衰減慢，探測(cè)深度大；對(duì)鋪設(shè)回線的要求不那么嚴(yán)格，一旦鋪好回線后，可采用多臺(tái)接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)，工作效率高，是野外施工中常用裝置。

在野外工程中，經(jīng)常會(huì)碰到相鄰工區(qū)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(shí)會(huì)采用不同的回線邊長(zhǎng)采集野外數(shù)據(jù)，在后期的資料處理解釋中會(huì)發(fā)現(xiàn)，相鄰工區(qū)的連接部位不同回線的測(cè)深數(shù)據(jù)會(huì)有差別，為了消除這種差別，實(shí)現(xiàn)兩種測(cè)深數(shù)據(jù)的對(duì)接，本文據(jù)此出發(fā)對(duì)兩種測(cè)深數(shù)據(jù)歸一化校正方法進(jìn)行了探討。

不同回線裝置的探測(cè)深度

渦旋場(chǎng)在大地中主要以擴(kuò)散形式傳播，在這一過(guò)程中，由于趨膚效應(yīng)，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(kuò)大。某時(shí)刻地下渦流電場(chǎng)在地表產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以等效為一個(gè)水平環(huán)狀線電流的磁場(chǎng)，隨著時(shí)間的推移，該電流環(huán)向下、向外擴(kuò)散，并逐漸變形為圓電流環(huán)。等效電流環(huán)很象從發(fā)射回線中“吹”出來(lái)的一系列“煙圈”，因此，人們將地下渦旋電流向下、向外擴(kuò)散的過(guò)程形象地稱為“煙圈效應(yīng)”，如圖1?！盁熑Α币?7°傾斜錐面擴(kuò)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(shí)間；σ 為介質(zhì)電導(dǎo)率；μ0 為真空中的磁導(dǎo)率。

圖1 煙圈效應(yīng)示意圖

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

此式為野外工程中常用來(lái)計(jì)算最大探測(cè)深度的公式，式中：M 為發(fā)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(biāo)層幾何參數(shù)、物理參數(shù)和觀測(cè)時(shí)間段有關(guān)。

由式（3）可以看出，野外可以通過(guò)改變發(fā)送線框的磁矩來(lái)改變最大探測(cè)深度。磁矩與電流成正比，與回線邊長(zhǎng)的平方成正比，因此，可以通過(guò)改變電流或回線邊長(zhǎng)來(lái)達(dá)到改變最大探測(cè)深度的目的，增大回線邊長(zhǎng)可以更明顯的增大探測(cè)深度，這也是大定源回線裝置測(cè)量深度較大的原理。通過(guò)理論計(jì)算，可以算出不同回線邊長(zhǎng)不同電阻率最大測(cè)深結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 最大探測(cè)深度計(jì)算結(jié)果表（單位 m）

不同回線測(cè)深數(shù)據(jù)歸一化校正實(shí)例

相鄰兩工區(qū)概況

某相鄰兩工區(qū)為一單斜構(gòu)造，A 工區(qū)目的層最大埋深300m，B 工區(qū)目的層最大埋深530m，兩工區(qū)分別施工，均采用大定源回線施工裝置，A 工區(qū)施工選用480×480m回線，B 工區(qū)施工選用600×600m 回線，資料解釋時(shí)，要求把數(shù)據(jù)對(duì)接統(tǒng)一解釋。由于兩種回線測(cè)深數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)誤差，解釋時(shí)需要找到系統(tǒng)誤差的規(guī)律，把兩個(gè)不同發(fā)送回線測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化校正，以便進(jìn)行下一步全區(qū)定量解釋。

獲取歸一化校正參數(shù)

為了獲取校正參數(shù)，野外選擇了一條測(cè)線在兩工區(qū)邊界附近的3 個(gè)點(diǎn)分別用480m 回線和600m 回線進(jìn)行觀測(cè)，這里以該剖面為例介紹一下不同發(fā)送回線測(cè)深數(shù)據(jù)歸一化校正過(guò)程。該剖面長(zhǎng)度960m，160～800 為480×480m回線觀測(cè)，720～1120 為600×600m 回線，720～800 為兩個(gè)回線重復(fù)觀測(cè)地段。

從反演結(jié)果看，480m 回線最大測(cè)深在450m 左右，600m 回線最大測(cè)深在600 左右，校正時(shí)把480m 回線測(cè)深數(shù)據(jù)歸一化校正為600m 回線測(cè)深數(shù)據(jù)。為了便于說(shuō)明歸一化校正過(guò)程，這里選取兩種回線共有的測(cè)深深度-100m～-430m 進(jìn)行討論。

對(duì)兩種回線測(cè)深數(shù)據(jù)用深度參數(shù)進(jìn)行歸一化

首先把720～800 三個(gè)重復(fù)觀測(cè)點(diǎn)的兩套測(cè)深數(shù)據(jù)分別用Surfer 軟件進(jìn)行網(wǎng)格化，深度范圍選取兩套數(shù)據(jù)共有深度-100m～-430m，步長(zhǎng)為10，方法選用克里格法。然后把網(wǎng)格化生成的兩個(gè)“*.grd”文件轉(zhuǎn)化為ASCII 碼文件，最后繪制出重復(fù)測(cè)點(diǎn)的兩支測(cè)深曲線（以720 測(cè)點(diǎn)為例），如圖2。圖中橫坐標(biāo)為反演深度，單位m，縱坐標(biāo)為反演電阻率，單位Ω·m，三角形曲線為480m 發(fā)送回線的測(cè)深曲線（簡(jiǎn)稱480 曲線），圓點(diǎn)曲線為600m發(fā)送回線的測(cè)深曲線（簡(jiǎn)稱600 曲線）。從圖中可以看出，-100m～-430m 深度之間，每10m 深度對(duì)應(yīng)兩個(gè)電阻率，在-380m 以淺，兩支曲線形態(tài)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(guò)分析可知兩支曲線是非線性曲線，兩支曲線之間的關(guān)系也是非線性關(guān)系。

不同回線測(cè)深數(shù)據(jù)歸一化校正的方法

圖2 兩回線720 測(cè)點(diǎn)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(shù)，

式中R表示電阻率，h表示深度，這是一個(gè)非線性函數(shù)。為了便于數(shù)據(jù)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(guān)系，這樣就把一個(gè)復(fù)雜的非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)換為多個(gè)簡(jiǎn)單的線性問(wèn)題，大大降低了數(shù)據(jù)校正的難度。每一小段上電阻率和深度之間的函數(shù)為：

其中，h 表示深度，R（h）為h 對(duì)應(yīng)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(shù)。

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(tǒng)一按照反演深度分成n 段，通過(guò)第n 段的起止深度和起止深度對(duì)應(yīng)的電阻率可以計(jì)算出第n 段曲線的斜率k1n、k2n，第n 段起點(diǎn)的電阻率為C1n、C2n，兩支曲線上每個(gè)深度都對(duì)應(yīng)到不同的深度區(qū)間，不同深度區(qū)間調(diào)用不同的校正參數(shù)k1n、k2n、C1n、C2n，利用程序計(jì)算，可以把相同深度的480m 回線測(cè)得的電阻率歸一化校正為600m 回線測(cè)得的電阻率，這樣就消除了因回線不同而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，為下一步整條剖面校正奠定了基礎(chǔ)。

圖3 為720 測(cè)點(diǎn)兩回線歸一化校正后的反演電阻率曲線，可以看出，經(jīng)歸一化校正后，兩支曲線幾乎完全重合，說(shuō)明該校正方法有效可行。圖中有個(gè)別點(diǎn)不重合，是因?yàn)樵搮^(qū)間分段長(zhǎng)度過(guò)大的緣故，只要n 足夠大，即分段區(qū)間足夠小，就可以達(dá)到更好的校正效果。

重復(fù)觀測(cè)點(diǎn)歸一化校正后，可以獲得一系列的校正參數(shù)，即n、k2n、C2n 及區(qū)間分段深度，利用這些參數(shù)可以把其它480m 回線測(cè)得的電阻率據(jù)歸一化校正為600m回線測(cè)得的電阻率，從而達(dá)到整條剖面乃至全區(qū)歸一化校正的目的，為整條剖面和全區(qū)的量化解釋掃清了系統(tǒng)誤差的障礙，在實(shí)際工作中具有重要意義。

圖3 兩回線720 測(cè)點(diǎn)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(duì)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(cè)得的斷面，720～1120 為600m 回線測(cè)得的斷面，從斷面上可以看出，720 測(cè)點(diǎn)左右電阻率曲線有明顯差異，橫向出現(xiàn)一個(gè)“臺(tái)階”，如果不加以校正，該處容易解釋出假斷層。另外，480m 回線測(cè)得的電阻率整體上明顯高于600m 回線測(cè)得的數(shù)據(jù)，這是由于不同回線裝置系統(tǒng)誤差引起的，如果不加以校正，平面定量解釋時(shí)容易出現(xiàn)假異常。從剖面上還可以看出600m 回線測(cè)得深部數(shù)據(jù)比480 回線測(cè)得的深部數(shù)據(jù)穩(wěn)定，這說(shuō)明600m 回線的信噪比要比480m 回線高。

圖5 是經(jīng)過(guò)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(cè)數(shù)據(jù)做了歸一化后的斷面，720～1120 為600m回線測(cè)得的斷面，從圖中可以看出，720 測(cè)點(diǎn)左右的電阻率等值線消除了“臺(tái)階”現(xiàn)象，整條斷面看上去更加平滑，消除了兩種回線所測(cè)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差，避免了出現(xiàn)假異常，更利于整條剖面乃至全區(qū)數(shù)據(jù)的解釋。

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)一個(gè)實(shí)例，分析了不同發(fā)送回線測(cè)深數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差，說(shuō)明在兩工區(qū)數(shù)據(jù)對(duì)接前做歸一化校正的必要性。在深入分析測(cè)深數(shù)據(jù)規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了把一個(gè)非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為多個(gè)線性問(wèn)題的工作思路，最終利用程序計(jì)算，完成了不同回線重復(fù)觀測(cè)點(diǎn)的歸一化校正工作，從而取得了系統(tǒng)誤差歸一化校正的參數(shù)，利用這些參數(shù)就可以完成對(duì)其他測(cè)點(diǎn)的歸一化校正。從實(shí)例剖面可以看出，通過(guò)歸一化校正，消除了不同回線測(cè)深數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差，校正效果良好，說(shuō)明該校正方法具有很強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性。