CSAMT一维正演可视化设计与激发极化效应

钟华，唐新功

(1.油气资源与勘探技术 教育部重点实验室(长江大学)，湖北 武汉 430100； 2.长江大学 非常规油气湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430100)

0 引言

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是一种频率域电磁测深方法[1]，它使用接地导线或不接地回线为人工信号源[2]，并通过变换频率来产生不同的电磁波信号。CSAMT采用人工源，比起天然源有更高的信噪比[1]，近年来，在油气资源、固体矿物资源、地热、工程地球物理等领域已成为主流的勘探手段之一。

目前，国内外学者已针对可控源音频大地电磁法开展过一系列研究,并开发出了一维、二维和三维的正反演程序，其中既有各向同性的，也有各向异性的，但是基本都是以高级语言直接编程实现的，具有可视化界面的不多。考虑到修改模型时，在程序中来回改变参数的方式不仅繁琐还容易出错，本文针对MATLAB编写的模拟程序，通过将其打包成Jar包，封装在Java语言编写的应用程序中，实现了在图形界面中直接进行输入输出、数值计算以及基本绘图等功能[3]。这里以CSAMT一维正演程序为例，阐述了程序功能的实现思路及使用Java语言进行界面封装以实现程序可视化的方案，最后详细讨论了激发极化效应对一维模型的影响。

1 方法原理

1.1 水平层状介质电偶极子源

电偶极子源是在有限长的接地导线中供入谐变电流，通过改变供电电流的频率，在地下建立相应频率的电磁场。水平层状介质上的电偶极子激发的地电模型如图1所示，其中N层水平层状介质中第n层的电阻率和层厚度分别记为ρn和hn[4]。取电偶极子中心为坐标原点，x轴指向偶极矩方向，z轴垂直向下。利用柱坐标和直角坐标系之间的转换关系，得到准静态条件下直角坐标系中地表电磁场各分量的表达式[1,4]：

图1 水平层状介质上的电偶极子地电模型示意Fig.1 Schematic diagram of electric dipole horizontallayered medium model

使用卡尼亚视电阻率计算公式可求得不同频率范围的视电阻率值[4]：

1.2 Cole-Cole模型的引入

在传统的可控源电磁法研究模拟中，通常认为大地电阻率是一个与频率无关的实数，实际上，由于电化学性质等因素的存在，大地各种岩(矿)石在受到激发源激发时会产生激发极化效应[5]，使得测量结果与真实值产生一定的偏差[6]。

对于前人已提出的十余种岩矿石激电响应模型，选取应用最广泛的Cole-Cole模型，以复电阻率代替直流零频电阻率，对CSAMT场源一维层状模型进行正演模拟[7-9]，考察其视电阻率曲线的变化情况。表达式如下：

式中：ρ0为零频电阻率，m为极限极化率，τ为时间常数，c表征复电阻率随频率变化程度的相关系数。

2 GUI设计

将CSAMT一维层状模型进行正演所需的数据，通过图形用户界面(graphics user interface，GUI)进行文件导入或手动输入(图2)，这样在修改模型时就不需要在MATLAB代码中来回多次改变参数，既方便了数据的输入，又降低了出错的概率。

图2 参数输入界面Fig.2 Parameter input interface

如图2所示，选择JLabel标签组件显示绘制视电阻率曲线所需参数的名称，以提示用户该输入什么类型的数据；使用JTextField文本框组件来接收单个变量，如发射电流、偶极矩等；给JButton按钮组件增加MouseEvent监听事件，当用鼠标点击“导入”，唤起JFileChooser文件选择框，如图3所示。随后就可以选择导入对应的的数据文件，如电阻率、层厚度等。

图3 导入文件选择界面Fig.3 Import file selection interface

当鼠标点击“确定”按钮时，程序先检查输入的参数是否完整，如果不完整，就会提示出错，要求修改输入的参数文件，如图4所示。

图4 错误信息提示界面Fig.4 Error message prompt interface

若输入正确，便会通过传参的方式将输入的数据传递给MATLAB核心代码，并完成计算与绘图功能[10]，如图5所示。

图5 绘图界面Fig.5 Graphic interface

3 正演试算

前人研究表明，时间常数和频率相关指数对激电效应的影响很小[9]，因此这里主要讨论使用充电率参数来模拟极化层。设置时间指数τ=1.0，频率相关指数c=0.25，极化率m=0.8；研究极化层位于浅层、中间层以及深层时，分别考虑激发极化效应前、后的正演结果[11]。

3.1 模型一：K型断面

含激电效应的三层地层K型断面，收发距为14 km，频率范围f=100～105Hz，各地层电阻率与层厚度取值如表1所示。

表1 K型地电模型参数设置Table 1 Parameter setting of K geoelectric model

3.1.1 极化层位于浅层

由图6可以看出，当极化层位于浅层时，视电阻率曲线在有无极化层时具有显著的不同。存在浅层极化层时，视电阻率值在全频段均小于无极化时的情形，无极化时视电阻率的极大值出现在频率f=100 Hz附近，而存在极化时视电阻率极值则向低频偏移，出现在f=10 Hz附近。

图6 K型地电模型极化层位于浅层时的视电阻率Fig.6 Apparent resistivity of the K-type geoelectricmodel when the polarization layer is located in the shallow layer

3.1.2 极化层位于中间层

由图7可以看出，当极化层位于中间层时，视电阻率曲线对于有无极化层时的差异比极化层位于浅层时明显减小，极化层的影响主要体现在f=100～103Hz的范围，并且在1 000 Hz附近出现了存在极化的视电阻率值略高于无极化时的情形，而在其他频率范围内，与无极化时的视电阻率正演结果接近。

图7 K型地电模型极化层位于中间层时的视电阻率Fig.7 Apparent resistivity of the K-type geoelectricmodel when the polarization layer is located in the middle layer

3.1.3 极化层位于深层

图8是极化层位于深层时的视电阻结果，由图可见，当极化层位于深层时，极化效应主要影响低频的数值，而当f>100 Hz时，激发极化效应对模型正演结果的影响可以忽略。

图8 K型地电模型极化层位于深层时的视电阻率Fig.8 Apparent resistivity of the K-type geoelectricmodel when the polarization layer is located in the deep layer

3.2 模型二：HK型断面

含激电效应的四层地层HK型断面，收发距与频率范围均与模型一相同， 各地层电阻率与层厚度取值如表2所示。

表2 HK型地电模型参数设置Table 2 Parameter setting of HK geoelectric model

3.2.1 极化层位于浅层

由图9可以看出，HK型断面的视电阻率曲线对于浅层有无极化层存在的变化情况与K型大致相同，视电阻率值也是在全频段均小于无极化时的情形，并且存在极化的视电阻率极值向低频偏移。

图9 HK型地电模型极化层位于第一层时的视电阻率Fig.9 Apparent resistivity of HK-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the first layer

3.2.2 极化层位于中间层

图10、图11分别是极化层位于第二层、第三层时的视电阻率曲线。可以看出：视电阻率曲线对于有无极化层时的差异也与K型断面相似，极化层的影响相对浅层减小，激电效应对模型的影响主要集中在中间频段；当极化层位于第三层时，视电阻率曲线对于有无极化层时的差异比极化层位于第二层时明显减小，且影响的异常频带也相对变小。除此之外，第二层存在极化的视电阻率值高于无极化时的情形仅在1 800 Hz

图10 HK型地电模型极化层位于第二层时的视电阻率Fig.10 Apparent resistivity of HK-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the second layer

图11 HK型地电模型极化层位于第三层时的视电阻率Fig.11 Apparent resistivity of HK-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the third layer

3.2.3 极化层位于深层

图12为极化层位于最深层时的视电阻率结果。可以看出，当极化层位于最深层时，存在极化时的视电阻率值要低于无极化的情形，其差异与K型断面相似，极化效应的影响频带也主要出现在f<100 Hz的低频范围内[11]。

图12 HK型地电模型极化层位于第四层时的视电阻率Fig.12 Apparent resistivity of HK-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the fourth layer

3.3 模型三：QQ型断面

含激电效应的四层地层QQ型断面，收发距与频率范围均与模型一相同， 各地层电阻率与层厚度取值如表3所示。

表3 QQ型地电模型参数设置Table 3 Parameter setting of QQ geoelectric model

3.3.1 极化层位于浅层

由图13可以看出，QQ型断面的视电阻率曲线对于浅层有无极化层存在的变化情况与前面讨论结果一致，视电阻率值也是在全频段均小于无极化时的情形，且无极化时视电阻率的极大值出现在频率f=1 000 Hz附近，而存在无极化时视电阻率的极大值向低频偏移，出现在f=80 Hz 附近。

图13 QQ型地电模型极化层位于第一层时的视电阻率Fig.13 Apparent resistivity of QQ-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the first layer

3.3.2 极化层位于中间层

从图14和图15可以看出，前面出现的规律也同样适用于QQ型断面。当极化层位于第二层时，视电阻率曲线对于有无极化层时的差异比极化层位于第三层时大，且影响的异常频带也相对变大。除此之外，第三层存在极化的视电阻率值高于无极化时的频带小于在第二层时的情形，呈现向低频偏移的趋势。

图14 QQ型地电模型极化层位于第二层时的视电阻率Fig.14 Apparent resistivity of QQ-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the second layer

图15 QQ型地电模型极化层位于第三层时的视电阻率Fig.15 Apparent resistivity of QQ-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the third layer

3.3.3 极化层位于深层

由图16可以看出，当极化层位于QQ型断面最深层时，视电阻率曲线对于有无极化层时的差异也与前面的模型相似，极化效应的影响频带主要出现在f<10 Hz的低频范围内[11]，而在其他频率范围内，与无极化时的视电阻率正演结果接近。

图16 QQ型地电模型极化层位于第四层时的视电阻率Fig.16 Apparent resistivity of QQ-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the fourth layer

3.4 模型四：HAK型断面

含激电效应的五层地层HAK型断面，收发距与频率范围均与模型一相同， 各地层电阻率与层厚度取值如表4所示。

表4 HAK型地电模型参数设置Table 4 Parameter setting of HAK geoelectric model

3.4.1 极化层位于浅层

由图17可以看出，当极化层位于浅层时，HAK型断面的存在极化时的视电阻率曲线也是在全频段均小于无极化时的情形，且存在极化时视电阻率极值向低频偏移。

图17 HAK型地电模型极化层位于第一层时的视电阻率Fig.17 Apparent resistivity of HAK-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the first layer

3.4.2 极化层位于中间层

图18和图19分别是极化层位于第二层、第三层时的视电阻率曲线，可以看出极化层的影响相对于浅层减小，激电效应对模型的影响主要集中在100Hz

图18 HAK型地电模型极化层位于第二层时的视电阻率Fig.18 Apparent resistivity of HAK-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the second layer

图19 HAK型地电模型极化层位于第三层时的视电阻率Fig.19 Apparent resistivity of HAK-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the third layer

随着极化层深度的增加，视电阻率曲线对于有无极化层时的差异逐渐减小，且影响的异常频带也相对变窄。除此之外，第三层存在极化的视电阻率值高于无极化时的频带范围也小于极化层位于第二层时的情形，且同样呈现出向低频偏移的趋势，与前面的研究结果具有相似性。

3.4.3 极化层位于深层

由图20可以看出，当极化层位于HAK型断面深层时，能观察到由极化效应产生的视电阻率差异的频带范围变得更窄，主要体现在f<10 Hz的低频范围内[11]。

图20 HAK型地电模型极化层位于第四层时的视电阻率Fig.20 Apparent resistivity of HAK-type geoelectricmodel when the polarization layer is locatedin the fourth layer

4 结论

本文基于Java语言的GUI图形用户界面，开发了一套CSAMT一维数据正演可视化软件，界面友好，自动化程度高，绘图功能与通用性强。通过理论模型的正演计算，验证了软件的正确性与便利性。通过使用Cole-Cole模型，研究了一维层状介质极化层分别位于不同深度时的视电阻率曲线的变化特征，研究发现极化层埋藏深度越浅，极化效应对CSAMT的影响频段越宽，有无极化的差异也越明显。当极化层存在并且位于中间层和深层时，视电阻率值会出现先高于然后再低于无极化的现象，特别是当极化层位于第二层时这种现象尤为明显。随着极化层埋藏深度的增加，出现视电阻率差异的位置越向低频偏移，并且这种差异越来越小。这些结论对于认识含极化效应的CSAMT方法的电磁响应特征，提高野外工作效率和资料处理与解释精度都有较大的意义。