电性源瞬变电磁法EX分量和HZ分量对比分析

崔江伟， 王施智， 古 瑶

(陕西省煤田物探测绘有限公司,西安 710005)

0 引言

瞬变电磁法按其装置类型可分为回线源瞬变电磁法和电性源瞬变电磁法两种，但回线源瞬变电磁法仅对低阻异常敏感，对高阻异常的探测能力较弱，且勘探深度有限。而电性源瞬变电磁法采用接地源发射，信号强度大，信噪比高，探测精度大。且其不仅可以观测磁场垂直分量还可以观测电场水平分量，所以能对低阻和高阻异常都有较好的反映。由于电性源瞬变电磁法中只有水平电场Ex和垂直磁场Hz的衰减与平面分布特征较为简单，可在实际勘探中进行推广应用[1-5]。

近年来，电性源瞬变电磁的垂直磁场分量得到了最为广泛地研究和应用。薛国强等[6]通过理论与实践证明对于电性源瞬变电磁法，当选取适当的发射波形后，随着偏移距的缩短，电性源瞬变电磁场对地层的反映变得更为灵敏，且瞬变电磁法的探测深度主要由观测时长决定，并由此提出电性源短偏移距瞬变电磁探测技术(SOTEM)，陈卫营等[7]以接地长导线源一维正演为基础分析对比了电性源瞬变电磁法垂直磁场分量对不同电阻率、不同厚度、不同埋深的薄层的探测能力；王显祥等[8]对电性源瞬变电磁法的观测参数选择进行了研究，通过对比赤道装置与偶极装置，得出赤道装置可以对地下结构取得较好的探测效果，偶极装置可以取得较高噪比的数据的结论，并对垂直磁场分量做了充分的研究；唐新功等[9]研究了电性源在层状介质中三维薄板的瞬变响应，主要论证了异常体位置的不同对垂直磁场分量电磁响应的影响。

笔者开展电场水平分量和磁场垂直分量在信号强度、探测精度和探测范围的对比分析。利用电性源瞬变电磁法电场水平分量和磁场垂直分量的计算公式，在均匀半空间情况下计算了两分量各自的响应信息，对其各自的信号强度进行了分析；在相同埋深不同厚度、不同电阻率、不同偏移距、不同发射电流情况下的两分量与均匀半空间情况下相对误差进行对比分析，进而分析两分量各自的探测精度和探测范围。进而根据电场水平分量和磁场垂直分量在信号强度、探测精度和探测范围研究结果，为实际工作选取合适的观测分量和观测范围提供了借鉴。

1 响应计算

对于电性源瞬变电磁法，目前其主要采用的工作方式为地表发射地表接收模式。电磁场的计算是通过将偶极场表达式沿源导线进行线积分得到的。在水平层状介质情况下，电性源瞬变电磁水平电磁分量和磁场垂直分量的表达式为[1-2,10-11]：

(1)

(2)

rTE和rTM分别由下二式给出。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

长导线源的场可以分为两部分，①由长导线激发而来，②两个供电点电极激发而来。对Ex沿长导线(x方向)积分：第一项的∂/∂x运算不复存在，此项为接地电极产生的场，计算时只需计算正负两个接地项；第二项为长导线部分激发的场，进行数值计算时，将沿长导线的积分变为每一小段长度为Δx、位于(xn,0,0)处的子单元所产生场得累加。因此可得到计算表达式:

(9)

(10)

2 信号强度

研究电性源瞬变电磁场随时间在地面的扩散、分布规律对分析电磁场特性、选择合适的电磁分量进行观测具有十分重要的意义。为了分析水平电场分量和垂直磁场分量的信号强度，选取如下的装置参数：发射源长度1 000 m，发射电流10 A，选择不同的偏移距进行观测，可得到其响应曲线如图1所示。

从图1可以看出，随着偏移距的增大，EX分量在早期段迅速减小，而在晚期段基本趋于一致，说明全期探测范围内EX分量响应极大值主要集中于发射源附近，离发射源越远(偏移距越大)信号强度就越低；HZ分量在早期段随着偏移距的增大而减小，在晚期段随着偏移距的增大而增大，说明全期探测范围内HZ分量响应值在早期段离发射源越远值越小，在晚期段离发射源越远响应值越大。

图1 不同偏移距处EX分量和HZ分量响应衰减曲线Fig.1 Response attenuation curve of EX and HZ at different offset(a)EX分量;(b)HZ分量

图2 H型地电模型中间层厚度不同时EX分量和HZ分量相对误差对比曲线Fig.2 Contrast curves of relative errors of EX and HZ components in the middle layer of the H model ground electric models(a)H2=12.5 m；(b)H2=25 m；(c)H2=50 m；(d)H2=12.5 m

3 探测精度

探测精度问题一直是各种地球物理方法应用研究中所面临的重要问题，而探讨该问题的主要途径是分析该探测方法对薄层的分辨能力。对于电性源瞬变电磁法来说，所谓对薄层的分辨能力是指该装置在目标层所产生的异常场超过背景场的水平，并且依据此种方法的理论可以从异常场提取地层信息的能力。因此可通过定义相对误差的大小来分析对薄层分辨能力的高低，进而达到评估探测精度的目的[7]。

(11)

为了对EX分量和HZ分量的探测精度进行对比，选取在相同埋深不同厚度、不同电阻率、不同偏移距、不同发射电流情况下的两分量响应值与均匀半空间情况下响应值相对误差进行对比分析，进而分析两分量各自的探测精度。

图3 K型地电模型中间层厚度不同时EX分量和HZ分量相对误差对比曲线Fig.3 Contrast curves of relative errors of EX and HZ components in the middle layer of the K model ground electric models(a)H2=50 m；(b)H2=100 m；(c)H2=150 m；(d)H2=200 m

图4 发射电流和发射源长度不同时EX分量和HZ分量相对误差对比曲线Fig.4 Contrast curves of relative errors of EX and HZ components in the different currents and source length(a)发射电流；(b)发射源长度

图2为相同埋深和不同薄层厚度情况下H型地电模型响应值与均匀半空间情况下产生的响应值的相对误差对比图。其中发射源参数固定不变，发射导线长度为1 km，电流为10 A，偏移距为500 m。设三层地电模型的电阻率分别为ρ1=100 Ω·m，ρ2=10 Ω·m，ρ3=100 Ω·m；埋深h1=500 m。从图中2可以看出，HZ分量在薄层厚度仅有12.5 m时已经有很好的分辨能力了；EX分量只有在薄层厚度大于25 m时才开始有一定的分辨能力，且分辨能力较HZ分量低。说明在偏移距为500 m处HZ分量对低阻层的分辨能力比EX分量要好。

图3为相同埋深、相同薄层电阻率、不相同薄层厚度情况下的K型地电模型响应值与均匀半空间情况下产生的响应值的相对误差对比图。其中薄层电阻ρ2=1 000 Ω·m，其他参数与H型地电模型一致。从图3中可以看出，EX分量在薄层厚度为25 m时已经有一定的分辨能力了；HZ分量在薄层厚度为150 m时才有一定的分辨能力，且分辨能力较EX分量低。说明在偏移距为500 m处EX分量对高阻层的分辨能力比HZ分量要好。与其他电磁法一样，无论EX分量还是HZ分量对高阻薄层的分辨能力都没有对低阻薄层的分辨能力那么强。图4为装置参数不同时H型地电模型响应值与均匀半空间情况下产生的响应值的相对误差对比图。地电参数为ρ1=100 Ω·m，ρ2=10 Ω·m，ρ3=100 Ω·m；h1厚度为500 m，h2厚度为50 m。通过对比发现，不同发射源长度或不同发送电流情况下得到的相对误差差别较小，说明在保证信号强度的前提下装置参数的改变对分辨能力没有影响。

图5 H型地电模型不同偏移距情况下EX分量和HZ分量相对误差对比曲线Fig.5 Contrast curves of relative errors of EX and HZ components in the different offsets of the H model ground electric models(a) offset=500 m；(b) offset =1 000 m；(c) offset =2 000 m；(d) offset =4 000 m

图6 EX分量和HZ分量探测情况对比图Fig.6 Contrast diagram of detection range of EX and HZ components(a)探测精度随偏移距的变化曲线；(b)相同探测能力时偏移距与勘探深度关系曲线

4 探测范围

图5为不同偏移距H型地电模型响应值与均匀半空间情况下产生的响应值的相对误差对比图。其中发射源参数固定不变，发射导线长度1 km，电流为10 A；地电参数为ρ1=100 Ω·m，ρ2=10 Ω·m，ρ3=100 Ω·m；h1厚度为500 m，h2厚度为50 m。从图5中可以看出，随着偏移距的增大EX分量对薄层的分辨能力增强，HZ分量对薄层的分辨能力减弱。为了更清楚的显示EX分量和HZ分量对薄层分辨能力的强弱，将其相对误差最大值做成随偏移距变化的曲线(图6(a))。从图6(a)中可以看出随着偏移距的增大，电场水平分量的探测精度升高，垂直磁场分量探测精度降低。在偏移距约等于4倍的薄层埋深时二者的探测精度相等，为此通过不断改变薄层埋深和薄层厚度，可以得出不同的勘探深度下水平电场分量和磁场垂直分量分辨能力相同时的偏移距大小，如表1所示。

表1 不同的勘探深度下水平电场分量和磁场垂直分量分辨能力相同时的偏移距大小对比表

图7 L3视电阻率断面图Fig.7 Apparent resistivity section of L3 line(a)HZ分量；(b)EX分量

由表1可得：

offset≅4.134H

(12)

式中:H为勘探目的层深度;offset为偏移距。

由式(12)可得，当偏移距大于目的层深度的4.134倍时，EX分量对薄层的分辨能力大于HZ分量; 当偏移距小于目的层深度的4.134倍时，EX分量对薄层的分辨能力小于HZ分量;当偏移距约等于目的层深度的4.134倍时，EX分量对薄层的分辨能力与HZ分量相当。

5 实例分析

为了对理论计算结果进行验证，在山西某煤矿区进行了电性源瞬变电磁勘查试验工作，该区域地层由上而下有第四系，三叠系下统刘家沟组，二叠系上统石千峰组、上石盒子组、下石盒子组、山西组，石炭系太原组、本溪组。采用V8多功能电法仪和SB-7k型探头(有效接收面积4×105m2)进行测试；选取发射线长度为1.2 km、发射电流为17 A、偏移距为1 km、点距为20 m、发射方向平行于测线方向、发射波形为TD50，发射频率为2.5 Hz。分别测量了水平电场分量和垂直磁场分量。处理资料选自该区3号测线的测量结果，共13个测点，分别计算水平电场分量和垂直磁场分量的视电阻率，进行绘制成电阻率断面(图7)。

从图7中可以看出，电场水平分量和磁场垂直分量所构成的视电阻率断面在浅部几乎没有差别，虽然所计算的电阻率值上有细微差别，但是整体地电结构比较吻合，且都能很好地反映出地层所在深度，断层F1的位置也对应较好。而在900 m以深位置处，电场水平分量所刻画出的断面图中没能反映出F2断层。这是由于此时选择的偏移距为1 km，而勘探深度为1 km左右，根据公式(12)可知,此时的电场水平分量的探测精度小于磁场垂直分量。后经钻孔zk-1验证，所揭露的地电结构与HZ所显示的地电结构基本吻合。

6 结论

1)全期探测范围内EX分量响应极大值集中于发射源附近，离发射源越远(偏移距越大)信号强度就越低；HZ分量响应值在早期段离发射源越远值越小，在晚期段离发射源越远响应值越大；且EX分量的探测精度随偏移距的增大而增大，HZ分量探测精度随偏移距的增大而减小。

2)EX分量对高阻层的分辨能力比HZ分量要好，但是无论是EX分量还是HZ分量对高阻薄层的分辨能力都没有对低阻薄层的分辨能力那么强。

3)当偏移距大于目的层深度的4.134倍时，EX分量对薄层的分辨能力大于HZ分量; 当偏移距小于目的层深度的4.134倍时，EX分量对薄层的分辨能力小于HZ分量;当偏移距约等于目的层深度的4.134倍时，EX分量对薄层的分辨能力与HZ分量相当。

4)在实际应用中，尽可能的测量多个电磁场分量，进而可以综合分析，相互印证，提高解释成果的可靠性。