王順國,熊 彬

(中南大學 信息物理工程學院,湖南長沙 410083)

層狀介質上雙頻激電的電磁耦合效應

王順國,熊 彬

(中南大學 信息物理工程學院,湖南長沙 410083)

從電偶極子諧變電磁場的基本公式出發(fā),研究了層狀介質上雙頻激電的電磁耦合特點。經研究表明,用中梯、偶極裝置觀測層狀介質,電磁耦合隨任意層電阻率值變大而減小;隨低阻層的相對變薄而變小;隨收發(fā)距的減小而減小。此外,用中梯測量時,電磁耦合在AB(供電極距)中部最強,遠離中部時耦合效應會逐漸減小;且供電極距越小、離主測線越遠,電磁耦合也越小。而用偶極測量時,供電極距的變化對電磁耦合的影響比中梯小。

雙頻激電;電磁耦合效應;層狀介質

0 前言

隨著激發(fā)極化法的不斷發(fā)展,電磁耦合這一問題越來越受到地球物理勘探工作者的重視。在電磁測深中,電磁耦合含有一定地下介質的電學信息,是電磁測深中的有用信號,但電磁耦合在雙頻激電測量中是一種很強的干擾因素,尤其在低阻覆蓋區(qū)和大極距測量時,嚴重影響了勘測深度與精度,從而阻礙了激電法的推廣[1]。為解決這一問題,對電磁耦合效應進行研究是有必要的。

二十世紀中期,國外開始深入研究激電測量中的電磁耦合效應,并得到很多可貴結論。例如:M illett[2]公布了在均勻半空間表面上,偶極裝置測量時實用電磁耦合計算對照表;Sunde[3]推導了水平層狀大地表面上接地導線間電磁耦合的理論解;W ynn等[4]改進了低阻覆蓋區(qū)的激發(fā)極化勘探技術,并提出了一種去耦的方法;Dey等[5]詳細論述了二層介質在頻率域和時間域偶極、三級裝置的電磁耦合情況;Hohm ann[6]依據(jù)偶極裝置,計算出了二層模型的電磁耦合;Zonge[7]提出高頻激電效應弱而電磁效應強,低頻則反之,據(jù)此可以利用多頻測量進行校正;Pelton[8]將感應耦合近似看作C=1的Cole-Co le模型,從觀測的總響應中去掉,以達到校正的目的。在國內,戰(zhàn)克等[9]對變頻法中電磁耦合規(guī)律進行了分析,并提出了校正方法;何繼善等[10]從電磁耦合的時域特性著手,提出利用時間特性分離并克服電磁耦合的方法;熊彬等[11]針對均勻半空間,研究了中梯測量時二種布線方式的電磁耦合效應。作者在本文從電偶極子諧變電磁場的基本公式出發(fā),用Fortran語言進行了中梯、偶極裝置下多種模型的電磁耦合計算。

1 基本理論

圖1及下頁圖2分別表示中梯、偶極裝置示意圖。AB是供電電極,ab是測量電極。發(fā)送電極和接收電極間的阻抗可以表示為式(1)[12]。

圖1 中梯裝置Fig.1 Central gradient array

在式(1)中:

σj(ω)=σ′j(ω)+iσ″j(ω),為第j層頻率為ω的復電導率,當ω=0時,有σj(0)=σ′j(0)。

對于最底層,存在Fm(g)=Lm(g)=1.0,作者在文中取m=2。

由于文中θ=0,所以公式(1)可以簡化為

可以利用阻抗的模,也可以利用相位計算視頻散率,作者選用模對電磁耦合效應進行分析,有

其中 f0表示低頻;f1表示高頻。

為了便于解釋,作者在文中用相同的頻率(低頻f0=1/13 Hz,高頻f1=1 Hz)和二層模型進行研究,上層介質的電阻率為ρ1,層厚為h1;下層介質的電阻率為ρ2。

2 中梯裝置

2.1 電阻率對電磁耦合的影響

取h1=200 m、AB=1 km、ab=50 m、ρ2=100Ωm、ρ1從10 000Ωm到10Ωm以10為倍數(shù)逐減。從圖3可以看出,當ρ2不變,而ρ1由小變大時,電磁耦合效應逐漸減小,且圖3中表明在中間位置,電磁耦合效應最強;遠離中部時電磁耦合效應會逐漸減小。反之,ρ1不變,ρ2由小變大時電磁耦合效應也減小。為

圖3 F s隨第一層介質電阻率變化的剖面圖Fig.3 Curvesof F sw ith the changesof resistivity to first layer

2.2 層厚對電磁耦合的影響

取AB、ab同上,ρ1=10Ωm、ρ2=100Ωm,h1從200m到500m以100m間距逐增。從圖4(見下頁)可以看出,上層為低阻介質時,隨層厚的加大,電磁耦合效應增強;反之,上層為高阻介質時,隨層厚的加大,電磁耦合效應減弱。由此可知,當層厚變化時,電磁耦合效應隨低阻層的相對變薄而變小。

2.3 供電極距AB變化對電磁耦合的影響

取h1=200m,對ρ1=100Ωm、ρ2=1 000Ωm的模型,極距AB從1 000m到1 300 m以100m間距逐增。從圖5中可以得出結論:電磁耦合效應隨極距AB的增大而明顯增大。對ρ1>ρ2的模型,可以得到相同的結論。

圖4 F s隨第一層介質厚度變化的剖面圖Fig.4 Curvesof F sw ith the changesof thickness in the first layer

圖5 F s隨極距AB變化的剖面圖Fig.5 Curvesof F sw ith the changesof power-supp ly po lar distance

2.4 AB與ab間距d y對電磁耦合的影響

取h1同上,對ρ1=100Ωm、ρ2=1 000Ωm的模型,AB與ab間距d y以20 m、30 m、40 m、50m變化。從圖6看出,隨間距d y的增大,電磁耦合效應減小。對ρ1>ρ2的模型,可以得到相同的結論。

3 偶極裝置

3.1 電阻率對電磁耦合的影響

圖6 F s隨AB與ab間距d y變化的剖面圖Fig.6 Curves of F sw ith the changes of parallel distance between AB and ab

取L=100m(如圖2,為供電極距),N=1、2、…、18(為間隔系數(shù)),h1=200m,ρ2=100Ωm,使得ρ1從10 000Ωm到10Ωm以10為倍數(shù)逐減。從圖7看出,ρ2不變,ρ1由小變大時電磁耦合效應減小;反之,ρ1不變,ρ2由小變大時電磁耦合效應也減小。并且,隨著收發(fā)距的增大,電磁耦合增大。

圖7 F s隨第二層介質電阻率變化的剖面圖Fig.7 Curvesof F sw ith the changesof resistivity in the second layer

3.2 層厚對電磁耦合的影響

取L、N同上,ρ1=10Ωm,ρ2=100Ωm,h1從200m到500m以100m間距逐增。從圖8(見下頁)看出,上層為低阻介質時,隨層厚的加大,電磁耦合效應增強;反之,上層為高阻介質時,隨層厚的加大,電磁耦合效應減弱。

3.3 供電極距AB變化對電磁耦合的影響

取h1=200m,ρ1=10Ωm,ρ2=100Ωm,極距AB以100m、200 m到300 m變化,取這三種供電極距測量時共同覆蓋的區(qū)域。從圖9可以得出結論:用偶極裝置測量時,電磁耦合效應受極距AB的影響小。當ρ1>ρ2,極距AB以同樣的方式變化,得到的結論相同。

圖8 F s隨第一層介質厚度變化的剖面圖Fig.8 Curvesof F sw ith the changesof dep th in the first layer

圖9 F s隨極距AB變化的剖面圖Fig.9 Curvesof F sw ith the changesof power-supp ly po lar distance AB

4 結論

在激電法適用的低頻范圍內,均勻半空間上的電磁耦合效應隨頻率的增大、收發(fā)距的增大,以及電阻率的降低而增大,這些規(guī)律有利于野外施工和去除電磁耦合干擾。由于層狀介質上觀測亦存在電磁耦合,所以對它的研究可以進一步去除這種干擾和指導野外施工。作者研究了二層介質時,中梯裝置和偶極裝置下多種參數(shù)變化對電磁耦合效應的影響。對于這二種裝置,若電阻率變化,電磁耦合效應隨任意層介質電阻率變大而減小;若層厚變化,電磁耦合效應隨低阻層的相對變薄而變小。在用大收發(fā)距進行激電測量時,測量結果受電磁耦合的影響較大。另外,中梯測量時,電磁耦合在AB(供電極距)中部最強,遠離中部時耦合效應會逐漸減小;且供電極距越小、離主測線越遠,電磁耦合也越小。由于裝置本身的特點,偶極裝置下電磁耦合效應受供電極距AB的影響小。綜上所述,為達到測量精度,在低阻覆蓋區(qū),不宜用過大的收發(fā)距進行激電測量。在中梯裝置測量時,還應盡量避免使用大的供電極距。

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P 631.3+25

A

1001—1749(2010)06—0617—04

國家自然科學基金項目(40974077)

2010-05-31

王順國(1987-),男,甘肅永登人,碩士,主要從事電磁法數(shù)值模擬及反演成像方面的研究。