关于频率电磁测深几个问题的探讨(四)——对频率电磁测深静态效应问题的再探讨_陈明生.pdf

第41卷第6期 2013年12月 煤田地质与勘探 Vol. 41 No.6 Dec. 2013 α）ALGEOL阳Y the boundary conditions of electromagnetic fields; static effect; generating mechanism; phase 由于静态效应对电磁法（MT、CSAMT、FEM 资料的一维解释带来较大困难，引起了国内外电磁 法工作者的关注，并开展了卓有成效的研究，发表 了一些论文，对提高静态效应的理论认识和资料处 理与解释很有帮助。有的论文在正演模拟的基础上， 分析静态效应的规律，进行处理方法对比［1-2）；有的 论文较全面的阐述了静态效应产生机理、校正方法， 并以实例说明各校正方法的效果［3］；更多的论文是 论述不同方法校正静态效应的依据与效果［4-6］。这些 论述对静态效应的界定相同，处理与校正方法各有 侧重，效果较明显。 笔者查阅部分有关电磁法“静态效应”的资料， 联想过去对该问题的认识，促使重新对频率电磁测 深静态效应问题进行再探讨，以期和同行商榷。这 收稿日期2013-01-05 里笔者主要谈静态效应的界定，静态效应产生的机 理及相关问题。当然这都是根据一维问题展开的， 对二、三维一般不成为问题。 1 静态效应的概述 何谓静态效应，已有共识，正如文献［3］所述 地表或近地表存在二维、三维局部不均匀体时，当 电磁波长比不均匀体几何尺寸大得多（对似稳场一 般都满足），不均匀体表面（侧面）可形成电荷积累， 产生附加电场，致使电场发生与频率f几乎无关的 畸变，造成视电阻率A与频率f的关系曲线在双对 数坐标中沿A轴平移，这种现象称为静态效应，或 静态位移。 图1是引用文献［6］中的二维模拟图（TM模式）， 作者简介陈明生（194守一），男，山东单县人，研究员，博士生导师，从事电磁法勘探研究． ChaoXing 第6期陈明生关于频率电磁测深几个问题的探讨（四） 75 以期形象地理解静态效应。在一维解释中，存在静 态效应的测区，可使解释的定性、定量断面呈现陡 立异常（图1中的拟断面图），似乎有直立地质体或 深断裂存在，误导地质解释，应选择适当方法校正， 使解释结果逼近实际地质存在。 2 I a l p0 Oilm/p, 100αm jι」ρ＝1000 p0 Oilm m p, Oilm p3200ilm （功地电断面 100←－一一一一一－ 日 9, 10 r｝飞头 “- 1/f I、1/f bp，测深曲线（实线有静态效应，虚线元静态效应） Fig. I CSAMT static effect when there exists a body of local low resistivity in homogeneous earth and type H geoelec创csection 由上所述，可看出静态效应涉及3个问题静 态效应是不均匀体表面积累电荷所致，是其产生的 机理；静态效应测点的Ps-f双对数曲线沿A轴平 移，断面相应部位呈现陡立异常，是其典型特征； 静态效应严重干扰了对电磁法资料的一维解释，必 需校正。 2 静态效应的产生机理 静态效应的表现特征为Ps-f双对数曲线相对正 常的一维曲线沿A轴平移，这意味着视电阻率成同倍 数变化，而基本和频率无关，体现个“静”；正如地震中 对同一道而来自不同层的反射波的静校正量是相同 的，这与层的深浅顺序无关，谓之‘帮”校正。 现试阐明电磁法中静态效应的产生机理，以得 出静态效应现象特征解释。仍借用图1所模拟的地 表二维不均匀体产生的静态效应情况为例加以分 析。由图1看出，二维低阻不均匀体所形成的静态 效应，导致Ps-f双对数曲线相对围岩的一维曲线 沿A轴向下平移，其视电阻率值为一定倍数关系， 是“静”的表现。具体说，相对均匀大地静态偏移曲 线的视电阻率值（这里等于低阻体真电阻率IOlm 是正常曲线视电阻率值（均匀大地电阻率100n-m 的l/10；对H型三层模型计算的偏移曲线视电阻率 值仍为正常曲线视电阻率值的l/10。 回顾静态效应产生机理的一般解释当地面存 在电性不均匀体时，电流经过不均匀体表面并在其 上形成“积累电荷”，由此产生与外电流场成正比而 与频率无关的附加电场，使实测各频率的视电阻率 较不存在不均匀体时变化一个常倍数，导致绘在双 对数坐标的ρs-f曲线沿A轴平移。 我们已经知道，由电磁场边界条件可推出边界 面积累电荷密度qs总体“积累电荷”产生的附加电场 可表示为 Ea,1-VU-V I l 刷品4π＂olrl 式中＂o是空气的介电常数（地中也认为如此）; qs是 面电荷密度；lrl是积分元ds到场点的矢距模。 由式（l）看出，附加电场的确与频率无关，与面 电荷密度qs成正比；而面电荷密度qs是与外电流场 EP （这里是不存在不均匀体的正常场）成正比，可知 附加电场Ead与正常场成正比。于是，有表达式 守主叶数）ω 这样，就解释了存在不均匀体的视电阻率较正常视 电阻率扩大或缩小一个常倍数，才使其双对数坐标 的Ps-f曲线沿A轴平移。 这里有一个问题，用上述推理难以得出如图1 模拟结果所示的对应式（2）的cl/10。如直接根据边 界条件解释（7），可能更简单、直观。按图1所示， 在二维断面的侧面法向如有电流通过，依边界条件， 法向电流密度JD连续，即 Joi Joo 3 而电流密度Jo等于电导率与电场强度之积，便有 σ1Eo1 Eooσ。（4 Eooρ。 或 01 式中σ为电导率。 （ρ＝土） σ 根据频率测深水平分量E的视电阻率算式 pJ＝ι｜｜ 5 6 式中KE为装置系数，在界面两侧几乎相等。将式 5）和式（6）结合分析，正好解释了图1中相对均匀大 地静态偏移曲线的视电阻率值是正常曲线视电阻率 值的l/1010/100）。这说明按CSAMT模拟的结果对 ChaoXing 76 煤田地质与勘探第41卷 单分量频率测深同样适用。 一些模拟资料显示，对TM模式的静态偏移量， 无论向上平移（不均匀体相对围岩呈高阻）或向下平 移（不均匀体相对围岩呈低阻），基本符合式（5）表达的 规律。引用文献［I］中的二维TM模式模拟资料（图2 作为佐证。图2中模型A是三层均匀介质，其参数 由表层向下电阻率为50Om , 20 Om , 200 Om , 厚度为75m, 350 m, oom；其表层分别在同一局部 植人二维不均匀体，电阻率按模型C为5Om 、模 型D为200m、模型E为1250-m、模型F为 5000m依次改变，模拟结果如图2所示。可见，图 中各曲线的高频渐近值，基本和模型体的电阻率相 同；这当然有误差，考虑是其中有计算的问题，像 不均匀体靠900m处（模型长I000 时，边界效应会 有影响，而且高阻影响会更大，也有绘图的问题。 据上分析，用边界条件比用面积累电荷解释静 态效应更简捷、明确。 I 000 [100 c 高10 lE 击F 。模型c咱’模型DA模型EI模型Fo模型A 0.1 I 。lI 10 100 1000 10 000 频率/Hz 图2不同地电模型计算视电阻率曲线图 Fig.2 Calculated apparent resistivity curves for different geoelectric models 3 静态效应的校正 既然静态效应的特征是Ps-f双对数曲线沿A 轴平移，可采用相应的办法予以校正；对多种校正 方法，更倾向采用几个简单的有效方法平移法、 斜率法、相位法。 . a.平移法将测线各测点的Ps-f曲线复制在 同一双对数坐标上，分出正常曲线与异常曲线，找 出变化系数，用以校正异常曲线的数据；如测线较 长可分段划分几个曲线组，提出组内异常曲线与正 常曲线对比系数并加以校正。 b.斜率法由于带静态效应曲线与正常曲线 在Ps-f双对数坐标上沿A轴平移一个常数，而斜 d In o. 率相等，因此可直接取一进行定性定量解释。 dln f c.相位法这里指的相位是视相位，为叙述简 单就直接称作相位。静态效应的特征是Ps-f双对 数曲线沿A轴平移，而相位不变，这既是辨认静态 效应的标志，也是利用相位消除静态效应的依据与 方法。相位不受静态效应的影响，可直接利用相位 解释，也可采用相位与视电阻率联合反演解释。但 是，有的仪器不具有测量相位功能或观测相位的质 量不好（特别对应高频的相位），可将视电阻率转换 为相位。 在上篇有关视电阻率与相位的文献中［9］给出了 如下的相位与视电阻率的关系式，也就是由视电阻 率转换为相位的表达式 俨InIPa, m I Im＋吗L ψ（ l}k ）丁［dm h际计ω7 由式（7）看出，在双对数坐标中相位响应ψ（叫）和振 幅（jpa,mj）响应曲线的斜率（导数）成正比，这说明相 位不受静态效应使视电阻率平移的影响。式中积分 虽是在整个频率范围进行，实际是靠近的的视电阻 率曲线斜率较远离该频率的视电阻率曲线斜率对转 换相位贡献大的多。这样，在利用上述公式求转换 相位ψ（吗）时，只要取靠近均一定范围的有限频率 的视电阻率曲线斜率，就可保证转换相位φ（吗）的 计算精度。 图3是山东某煤矿探测第四系的频率测深1测 线电场分量视电阻率转换为相位的解释断面。图3a 是实测视电阻率曲线；图3b是分别用视电阻率与相 月／r,r A / ｝｜讪［｝｜｝ 区司 －t ／／ / ＼飞 ’ tJU川M \ 。 点号 a 5/1 6/1 7/1 8/1 911 10/1 MN∞mN∞mm － 斗斗JJ gMm隧 600 400 200 le离Im b 图3实测电场分量视电阻率曲线与转换相位解释层界 面对比断面 Fig. 3 Apparent resistivity curves of measured electric field com- ponent and layer interface interpreted from transed phase a一实测视电阻率曲线；护－细线表示视电阻率解释层面，粗线 表示相位解释层面 ChaoXing 第6期陈明生关于频率电磁测深几个问题的探讨（四） 77 位解释第四系层面对比断面。测区1川线接收点几 乎全在沙滩上，视电阻率数值或多或少都偏高。区 内其他测线上的测点最高频点的正常视电阻率值都 低于200-m，而该测线上的各测点最高频点的视电 阻率值都高于250m。如按照这样的实测视电阻率 曲线反演解释，其第四系各层厚度很不稳定，正像 图3b细实线表示的层界面，不符合实际地质情况， 这是静态效应影响结果。如按任何一种低通滤波方 法校正静态位移，预计不会有好结果。这是因为空 间滤波是将局部的静态效应校正过来，对这种整条 测线测点的视电阻率曲线差不多都沿纵轴向上平移 是校正不过来的。因此，选用转换相位反演，拟合 度提高、解释厚度稳定、层界面平缓，符合该区新 地层赋存状态。尽管这种地表不均匀性导致的静态 效应从这条测线看似乎是一个电性层，但从测区看 仍是局部不均匀体对接收点观测结果的影响。 4 问题补充 a.极化模式影响［8]前面谈的是二维不均匀体 处于H极化模式（TM模式）的电场E受静态效应的 影响，对于E极化模式（TE模式）的电场不受静态效 应影响，因为后者的横边界不存在。对于三维不均 匀体，可分解为两个二维体，两种极化模式的电场 都受静态效应影响。 b.边界效应影响这里说的边界效应是不均 匀体的侧边界因感应存在面电荷，使得靠边界两侧 的电场发生跃变，致使静态偏移幅度更大。 c.磁导率影响［7]一般将地层介质的磁导率看 成和空气的磁导率的相等，当地表存在高磁导率不 均匀体时，按照边界条件，垂直界面的磁场H分量 也会存在静态效应。 d.地形影响［7]由于地形对视电阻率影响和频 率相关，不具“静”的特征；而且随频率降低影响变 弱，与静态效应的概念有些不符。另外，地形是一 种形态，由于界面起伏导致电磁波的传播发生变化 而影响电磁场的分布。因此，不将此归为静态效应 的范畴。 当然，实际情况很复杂，不均匀介质对视电阻 率影响和频率相关，就归为地质体的影响。如按一 维方法解释，可采用滤波等方法压制，提高资料解 释质量。 5结论 a.根据静态效应的概念，通过电磁场的边界条 件及其推得的面电荷，用来解释静态偏移的产生机 理及一些相关现象既简捷、又明确。 b.对静态偏移的视电阻率曲线，采用保持视电 阻率曲线斜率不变的方法进行静校正，可不受异常 点出现的频数和位置的限制。 c.和静态效应概念不符的表面不均质对一维 视电阻率资料的影响，可考虑空间滤波等方法加以 剔除。 d.地形对一维视电阻率资料的影响和频率相 关，而且随频率降低变弱，与静态效应的概念不相 符，另作别类。 参考文献 川杨妮妮，王志宏.CSAMT测量的静态效应研究［月．河南科 学，2009,274 433-436. 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