李 論， 王 鵬

(中國煤炭科工集團(tuán) 西安研究院有限公司,西安 710077)

0 前言

早期人們在進(jìn)行瞬變電磁勘探有時(shí)會觀測到響應(yīng)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)負(fù)響應(yīng)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在理論上不符合瞬變電磁響應(yīng)按指數(shù)衰減規(guī)律。人們對負(fù)響應(yīng)的研究，并沒把這一現(xiàn)象僅僅歸咎于介質(zhì)電阻率的頻散特性(導(dǎo)電率隨頻率的增加而同相地增大)，而是對其他一些可能的原因也進(jìn)行大量研究，比如認(rèn)為是由地下介質(zhì)的某種未知特性、所使用儀器本身或者外界存在某種未發(fā)現(xiàn)的干擾因素造成的[1]。對于此國內(nèi)、外學(xué)者做了研究。最初，Buselli G[2]研究磁導(dǎo)率的頻散現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)磁導(dǎo)率的頻散效應(yīng)使重疊回線瞬變電磁響應(yīng)在晚期衰減變得更慢，在一定程度上阻止了負(fù)響應(yīng)的產(chǎn)生，因此磁導(dǎo)率的頻散性不可能引起負(fù)響應(yīng)；Lee T[3]研究了位移電流的影響，發(fā)現(xiàn)位移電流只對高阻圍巖在極早期階段產(chǎn)生影響，因此介電效應(yīng)不是實(shí)際野外工作瞬變電磁負(fù)響應(yīng)產(chǎn)生的原因；Gregory A Newman[4]指出當(dāng)導(dǎo)體遠(yuǎn)離發(fā)射端而靠近接收端時(shí)，導(dǎo)體中會產(chǎn)生與發(fā)射電流方向相反的回流電流，響應(yīng)曲線產(chǎn)生“符號反轉(zhuǎn)”，他利用響應(yīng)近似計(jì)算的視電阻率曲線特征不符合層狀地層的響應(yīng)特征，但這種現(xiàn)象僅可能在早期出現(xiàn);Andreas H?rdt等[5]研究了地形對長偏移距瞬變電磁(Long Offest Transient Electromagntic Method,LOTEM)響應(yīng)的影響，認(rèn)為地形起伏在瞬變早期階段響應(yīng)有影響，并且發(fā)現(xiàn)地形效應(yīng)雖然改變響應(yīng)曲線的形態(tài)但保留了響應(yīng)的原始特性，因此地形效應(yīng)不是瞬變電磁響應(yīng)在中晚期階段負(fù)響應(yīng)產(chǎn)生的原因。

排除了上述種種可能的因素，人們逐漸把中晚期瞬變電磁響應(yīng)中負(fù)響應(yīng)產(chǎn)生的原因，歸結(jié)為地下介質(zhì)電阻率的頻散性。目前，國內(nèi)、外針對回線源瞬變電磁響應(yīng)中的激電效應(yīng)影響已經(jīng)做了大量研究。Bhattacharyya[6]對極化介質(zhì)在時(shí)間域電磁響應(yīng)中研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)極化參數(shù)改變時(shí)，對瞬變電磁響應(yīng)曲線有較大的影響；Lee T[7]研究了均勻半空間極化球體模型的瞬變電磁響應(yīng)，指出了由于地下介質(zhì)的電阻率具有頻散特性，所以在某時(shí)間段內(nèi)有可能觀測到瞬變電磁響應(yīng)出現(xiàn)“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象； Gubatyeko等、Weidelt P[8-9]在理論上證明當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)導(dǎo)電率具有頻散特性時(shí)，重疊回線瞬變電磁響應(yīng)則會出現(xiàn)負(fù)響應(yīng)，響應(yīng)衰減曲線出現(xiàn)“符號反轉(zhuǎn)” ，使得響應(yīng)衰減不符合瞬變電磁響應(yīng)衰減規(guī)律。Gerald G. Walker[10]通過對回線源瞬變電磁實(shí)測響應(yīng)和正演研究，探討了響應(yīng)衰減曲線中出現(xiàn)兩次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象的機(jī)制；Raiche A P等[11]利用均勻半空間模型研究激發(fā)極化效應(yīng)對瞬變電磁響應(yīng)的影響規(guī)律與影響程度；Flis M F等[12]通過對地下極化體的充放電過程研究，闡述了激電效應(yīng)產(chǎn)生的物理機(jī)制，并且對可極化層狀大地模型和均勻半空間三維極化體進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，討論了激電效應(yīng)對瞬變電磁響應(yīng)的影響規(guī)律；Smith R S等, Elliott等[13-14]利用導(dǎo)出的重疊回線電壓響應(yīng)近似表達(dá)式，從經(jīng)驗(yàn)上探討了從受到IP效應(yīng)影響的瞬變電磁數(shù)據(jù)中消去激電效應(yīng)影響、突出目標(biāo)體電磁感應(yīng)效應(yīng)方法的可行性；Smith R S等[15]經(jīng)過研究總結(jié)出了對瞬變電磁響應(yīng)中的負(fù)響應(yīng)產(chǎn)生的三條有利的條件，即有大的激勵電流、接收線圈靠近極化異常體、感應(yīng)電流衰減應(yīng)該比極化電流衰減的快；El-Kaliouby等[16]研究了均勻半空間中泥巖介質(zhì)的Cole-Cole模型參數(shù)，并計(jì)算重疊回線裝置下可極化均勻半空間模型響應(yīng)，并給出了計(jì)算響應(yīng)中最大負(fù)值的近似公式；Descloitres M等[17]通過研究發(fā)現(xiàn)激電參數(shù)很大時(shí)，利用Cole-Cole復(fù)電阻率模型也可以使瞬變電磁響應(yīng)在早期出現(xiàn)負(fù)響應(yīng)； Hoheisel A等[18]利用含Cole-Cole復(fù)電阻率表達(dá)式的長偏移距瞬變電磁(LOTEM)正演響應(yīng)和實(shí)測數(shù)據(jù)研究了激電效應(yīng)對的響應(yīng)影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)利用復(fù)電阻率模型計(jì)算的瞬變電磁響應(yīng)與實(shí)測響應(yīng)能夠較好地吻合；Hallbauert-Zadorozhnaya等[19-22]研究了瞬變電磁響應(yīng)中的激電效應(yīng)，利用受激電效應(yīng)影響的瞬變電磁響應(yīng)檢測地下水中烴化物的污染，取得了良好的效果。

在含激電效應(yīng)的瞬變電磁響應(yīng)反演方面的研究，Kozhevnikov等[23]利用在對Western Yakutia, Russia的凍土地區(qū)瞬變電磁探測數(shù)據(jù)研究，成功的提取了響應(yīng)中的激電參數(shù)；Kozhevnikov[24-26]又對均勻半空間和兩層模型中激電信息的提取，并且對不同回線裝置、同一模型的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合反演提取激電信息；Flores C等[27]對受激電效應(yīng)影響的斑狀銅礦瞬變電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，并成功的提取激電信息和利用激電參數(shù)對研究趨于不同礦物區(qū)別；E Yu Antonov[28]研究了受激電效應(yīng)影響的回線源瞬變電磁數(shù)據(jù)反演軟件TEM-IP，并將該軟件應(yīng)用于Pyakyakhinka油田非凍土區(qū)(層間不凍層)和南西伯利亞克拉通地區(qū)油氣探測的瞬變電磁數(shù)據(jù)中，結(jié)果表明該軟件計(jì)算效率較高，計(jì)算效果好；Seidel M等[29]利用最小二乘法對受激電效應(yīng)影響的重疊回線瞬變電磁理論數(shù)據(jù)和Nakya地區(qū)的金伯利礦瞬變電磁實(shí)測數(shù)據(jù)反演提取激電信息,取得了很好的效果。

在國內(nèi)目前還沒有提取瞬變電磁實(shí)測數(shù)據(jù)中激電信息的案例，多為理論方面的研究。殷長春等[30]研究含Cole-Cole 復(fù)電阻率表達(dá)式的回線源三維瞬變電磁正演響應(yīng)，探討激電效應(yīng)對瞬變電磁響應(yīng)的影響規(guī)律，研究了含激電效應(yīng)情況下電磁場在地下擴(kuò)散特征；王隆平等[31]分析了重疊回線瞬變電磁響應(yīng)中的激電效應(yīng)，認(rèn)為激電效應(yīng)是與電磁感應(yīng)效應(yīng)作用相反的一種“負(fù)效應(yīng)”，總結(jié)了一套抑制瞬變電磁響應(yīng)中這種效應(yīng)的實(shí)用方法；余傳濤[32]嘗試了通過奇異值分解法(Singular Value Decomposition，SVD)提取重疊回線瞬變電磁響應(yīng)中的激電信息；殷長春[33]研究了三維時(shí)間域航空電磁響應(yīng)中激電效應(yīng)對電磁場在空間和時(shí)間上傳播的影響規(guī)律；陳帥等[34]利用改進(jìn)的OCCAM反演方法對含激電參數(shù)的層狀模型進(jìn)行了反演試算，實(shí)現(xiàn)了重疊回線瞬變電磁響應(yīng)激電參數(shù)的提取。

可見目前對回線源瞬變電磁響應(yīng)中的負(fù)響應(yīng)研究的較多。由于導(dǎo)線源瞬變電磁場的復(fù)雜性，目前對其響應(yīng)中的激電效應(yīng)的影響研究較少，尤其是單對實(shí)測數(shù)據(jù)的研究更少，而且還不能簡單的把實(shí)測長導(dǎo)線源瞬變電磁響應(yīng)中的負(fù)響應(yīng)簡單地歸結(jié)為激電效應(yīng)引起的。筆者在展示長導(dǎo)線源瞬變電磁實(shí)測響應(yīng)衰減曲線(感應(yīng)電動勢)出現(xiàn)的多次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象的實(shí)例基礎(chǔ)上，通過引入Cole-Cole復(fù)電阻率模型的長導(dǎo)線源瞬變電磁正演響應(yīng)，探討不同參數(shù)對瞬變電磁響應(yīng)衰減曲線出現(xiàn)多次“符號反轉(zhuǎn)“現(xiàn)象特征。

1 長導(dǎo)線源瞬變電磁響應(yīng)特征

由長導(dǎo)線源瞬變電磁法理論研究可知，該方法具有對低阻異常體反映靈敏、高阻層容易穿透、信噪比高、野外施工效率高、受地形影響小、探測深度大等優(yōu)點(diǎn)，因此本次工作選擇利用長導(dǎo)線源瞬變電磁法,探測某地區(qū)石墨礦賦存狀態(tài),對拓寬瞬變電磁的應(yīng)用有重要意義。

在對實(shí)測瞬變電磁響應(yīng)進(jìn)行分析時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)實(shí)測響應(yīng)中出現(xiàn)大量的負(fù)響應(yīng)，對負(fù)響應(yīng)取絕對值，瞬變電磁響應(yīng)衰減曲線就能觀察到“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。為了說明該現(xiàn)象，對同一測點(diǎn)的瞬變電磁響應(yīng)選擇不同采樣時(shí)間范圍進(jìn)行分析，采樣時(shí)間道都為三十道，本次長導(dǎo)線源瞬變電磁數(shù)據(jù)采集發(fā)射與接收均采用V8系統(tǒng)，其中工區(qū)布設(shè)長導(dǎo)線源長度為2.4 km,發(fā)射電流為15 A。測線16偏移距為1.2 km,測線19偏移距為2.1 km，所有測線均在發(fā)射長導(dǎo)線源的同一側(cè)，不存在因接收點(diǎn)在導(dǎo)線兩側(cè)帶來響應(yīng)值符號改變的情況。從圖1中可以看出，測點(diǎn)的瞬變電磁響應(yīng)衰減曲線出現(xiàn)了兩次或三次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，其中兩次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象指的是瞬變電磁響應(yīng)由正響應(yīng)變?yōu)樨?fù)響應(yīng)再變?yōu)檎憫?yīng)，或者由負(fù)響應(yīng)變?yōu)檎憫?yīng)再變?yōu)樨?fù)響應(yīng)。針對實(shí)測數(shù)據(jù)來說，三次“符號發(fā)轉(zhuǎn)”現(xiàn)象是指，瞬變電磁響應(yīng)由正響應(yīng)變?yōu)樨?fù)響應(yīng)再變?yōu)檎憫?yīng)最后在晚期變?yōu)樨?fù)響應(yīng)，這也是目前首次發(fā)現(xiàn)長導(dǎo)線源瞬變電磁存在多個(gè)“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象的案例。

對于測點(diǎn)16～1 080(圖1(a))，采樣時(shí)間范圍為0.001 232 65 ms～79.916 8 ms、0.011 785 2 ms～82.502 8 ms、0.112 839 ms～85.295 2 ms的瞬變電磁響應(yīng)曲線均出現(xiàn)兩次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，只是幅值大小在變化，并且隨著第一個(gè)采樣時(shí)間道的時(shí)間增大，正響應(yīng)逐漸占主導(dǎo)地位，采樣時(shí)間范圍為10.389 7 ms～91.565 9 ms的響應(yīng)全為正響應(yīng)，但響應(yīng)的幅值已經(jīng)變得很小。

測點(diǎn)16～1 280(圖1(b))，采樣時(shí)間范圍為0.001 232 65 ms～79.916 8 ms、0.011 785 2 ms～82.502 8 ms、0.112 839 ms～85.295 2 ms瞬變電磁響應(yīng)曲線均出現(xiàn)三次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。采樣時(shí)間范圍為1.081 96 ms～88.310 3 ms的瞬變電磁響應(yīng)曲線出現(xiàn)了兩次“符號反轉(zhuǎn)”，響應(yīng)由負(fù)響應(yīng)變?yōu)檎憫?yīng)再變?yōu)樨?fù)響應(yīng)，采樣時(shí)間范圍為10.389 7 ms～91.565 9 ms的響應(yīng)衰減曲線則只出現(xiàn)了一次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。

測點(diǎn)19～1 080(圖1(c))，采樣時(shí)間范圍為0.001 232 65 ms～79.916 8 ms、0.011 785 2 ms～82.502 8 ms、0.112 839 ms～85.295 2 ms瞬變電磁響應(yīng)曲線均出現(xiàn)兩次次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，響應(yīng)由負(fù)響應(yīng)變?yōu)檎憫?yīng)再變?yōu)樨?fù)響應(yīng)，采樣時(shí)間范圍為1.081 96 ms～88.310 3 ms，10.389 7 ms～91.565 9 ms的響應(yīng)衰減曲線則只出現(xiàn)了一次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。

根據(jù)前人研究總結(jié)，導(dǎo)線源瞬變電磁場是比較復(fù)雜的，容易受實(shí)際地形起伏影響，再加上實(shí)際地質(zhì)體是三維的，因此推測測點(diǎn)19～1 080的早期時(shí)間道就出現(xiàn)負(fù)響應(yīng)的原因，可能是山地效應(yīng)以及是石墨礦體相對于發(fā)射源與接受點(diǎn)之間特殊的位置引起的。根據(jù)工區(qū)巖(礦)石的物性測試的結(jié)果表明,石墨礦整體為低阻高極化特性，因此在該工區(qū)進(jìn)行瞬變電磁勘探時(shí)，瞬變電磁響應(yīng)可能受到嚴(yán)重的激電效應(yīng)的影響。根據(jù)瞬變電磁法中激電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制，因此可以推測測點(diǎn)16～1 080、16～1 208以及19～1 080測點(diǎn)的晚期響應(yīng)中的負(fù)響應(yīng),可能是由于激電效應(yīng)引起的。

在進(jìn)行實(shí)測響應(yīng)與地質(zhì)資料對比分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)存在單個(gè)“符號反轉(zhuǎn)”或多個(gè)“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象的測點(diǎn)與石墨礦體的位置并沒有較好的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)然這也是因?yàn)橛绊憣?dǎo)線源瞬變電磁響應(yīng)因素較多的原因。如果進(jìn)行反演解釋時(shí)為了避免早期道的負(fù)響應(yīng)影響，只采用較晚采樣時(shí)間范圍的數(shù)據(jù)時(shí)，可能造成淺部地質(zhì)信息的丟失，而且由于晚期信號強(qiáng)度較小，容易受噪聲干擾，數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。當(dāng)直接對負(fù)響應(yīng)取絕對值、去除負(fù)響應(yīng)然后插值以及采用去除噪聲的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，都會對數(shù)據(jù)解釋造成嚴(yán)重的影響，降低了解釋成果的可靠度。因此不論是什么原因引起瞬變電磁響應(yīng)中的負(fù)響應(yīng)，都會對后期數(shù)據(jù)處理造成很大的困難。

2 正演響應(yīng)研究

相對于回線源瞬變電磁法，由于導(dǎo)線源瞬變電磁場是非常復(fù)雜的，實(shí)際接收的響應(yīng)往往與偏移距、收發(fā)距等因素有關(guān)，再加上實(shí)際地質(zhì)體是三維的，利用一維長導(dǎo)線瞬變電磁正演響應(yīng)擬合實(shí)際測量的瞬變電磁響應(yīng)是不可能的。因此不選擇工區(qū)巖(礦)石參數(shù)作為正演參數(shù)，而是通過可極化均勻半空間、可極化層狀模型響應(yīng)，對響應(yīng)衰減曲線中的多個(gè)“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象特征進(jìn)行探討。

2.1 理論計(jì)算方法

在頻率域中,長導(dǎo)線源瞬變電磁產(chǎn)生的垂直磁場可以表示為電偶極子產(chǎn)生的垂直磁場沿長導(dǎo)線的積分[10]，假定導(dǎo)線源的中心點(diǎn)位于坐標(biāo)原點(diǎn)，沿x軸向兩側(cè)延伸至L和-L：

(1)

式中:dx′表示對x微分項(xiàng)；u0為自由空間中的磁導(dǎo)率；(y,z)為接收點(diǎn)坐標(biāo)；R為接收點(diǎn)到發(fā)射線源中點(diǎn)的距離；J1(λρ) 為一階貝塞爾函數(shù)，rTE為TE模式下的反射系數(shù)。

(2)

(3)

用Cole-Cole復(fù)電阻率模型(式(4))替換頻率域中的實(shí)電阻率，利用漢克爾變換得到頻率域的垂直磁場響應(yīng)，再利用G-S變換完成頻率域到時(shí)間域的轉(zhuǎn)換，得到含有激電響應(yīng)的長導(dǎo)線源瞬變電磁場的時(shí)間域響應(yīng)。

(4)

式中：ρ{ω)為隨頻率改變的復(fù)電阻率;ρ0為零頻率時(shí)的巖礦石電阻率；m為充電率；τ為描寫激發(fā)極化過程遲緩性的時(shí)間常數(shù)；c為頻率相關(guān)系數(shù)。

文中計(jì)算瞬變電磁響應(yīng)的采樣頻率范圍為10-6Hz～106Hz,采樣點(diǎn)數(shù)為100個(gè)，在時(shí)間域中采樣時(shí)間范圍為0.00 001 s～1 s之間取100個(gè)采樣點(diǎn)。

2.2 可極化均勻半空模型響應(yīng)

均勻半空間模型為理想模型，可以研究各參數(shù)對瞬變電磁響應(yīng)的影響特征，通過改變單一變量保持其他參數(shù)不變的方法研究該單一變量的影響特征。

根據(jù)Cole-Cole復(fù)電阻率表達(dá)式，當(dāng)存在大的極化率、小的時(shí)間常數(shù)以及大的頻率相關(guān)系數(shù)對幅值產(chǎn)生較大的影響，推測當(dāng)存在大的極化率、小的時(shí)間常數(shù)以及大的頻率相關(guān)系數(shù)時(shí),也會產(chǎn)生較強(qiáng)的激電響應(yīng)。在討論發(fā)射電流對瞬變電磁響應(yīng)中,激電效應(yīng)影響時(shí)設(shè)置地層參數(shù)見表1。

表1 可極化均勻半空模型參數(shù)表

圖2 改變不同參數(shù)對激電效應(yīng)的影響Fig.2 Change the influence of different parameters on the induced voltage effect(a)改變發(fā)射電流;(b)改變極化率;(c)改變頻率相關(guān)系數(shù);(d)改變零頻電阻率;(e)改變時(shí)間常數(shù)

如圖2(a)所示,改變發(fā)射電流使得瞬變電磁響應(yīng)曲線出現(xiàn)兩次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即響應(yīng)從正響應(yīng)變?yōu)樨?fù)響應(yīng)再變?yōu)檎憫?yīng),但隨著發(fā)射電流的增大，“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間并不改變，只是正響應(yīng)與負(fù)響應(yīng)的幅值在增大，這是由于長導(dǎo)線線源瞬變電磁表達(dá)式中電流是一個(gè)常量。

改變極化率(圖(2(b))時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)極化率為0.1時(shí)，瞬變電磁響應(yīng)不出現(xiàn)負(fù)響應(yīng)，然后隨著極化率增大，出現(xiàn)負(fù)響應(yīng)的時(shí)間逐漸提前，出現(xiàn)負(fù)響應(yīng)的時(shí)間道逐漸增多，負(fù)響應(yīng)的響應(yīng)值也逐漸增大，而且整體上瞬變電磁衰減加快。當(dāng)存在較大的極化率時(shí)，可以在瞬變電磁響應(yīng)過程中產(chǎn)生較大的極化電流，當(dāng)極化電流傳播方向與感應(yīng)電流傳播方向相反使得總的響應(yīng)衰減加快，且極化電流的幅值大于感應(yīng)電流時(shí)，使得產(chǎn)生負(fù)響應(yīng)。

圖2(c)表明，當(dāng)存在較大的零頻電阻率、較大的極化率以及較小的時(shí)間常數(shù)時(shí)，改變頻率相關(guān)系數(shù)能夠以對瞬變電磁響應(yīng)產(chǎn)生較大的影響。其中當(dāng)頻率相關(guān)系數(shù)小于0.45時(shí),瞬變電磁響應(yīng)衰減曲線只出現(xiàn)一次“符號反轉(zhuǎn)“現(xiàn)象；當(dāng)頻率相關(guān)系數(shù)為0.65 時(shí)出現(xiàn)兩次”符號反轉(zhuǎn)“現(xiàn)象，其出現(xiàn)負(fù)響應(yīng)的時(shí)間道也最多；頻率相關(guān)系數(shù)大于0.65，不論是負(fù)響應(yīng)出現(xiàn)的時(shí)間還是負(fù)響應(yīng)值變化都不大。

當(dāng)零頻電阻率(圖2(d))較小時(shí)，瞬變電磁響應(yīng)中不出現(xiàn)負(fù)響應(yīng)；隨這其增大，瞬變電磁響應(yīng)衰減曲線出現(xiàn)兩次“符號反轉(zhuǎn)”，并且負(fù)響應(yīng)出現(xiàn)的時(shí)間越來越早，負(fù)響應(yīng)也逐漸占主導(dǎo)地位，但是隨著零頻電阻率的增大，負(fù)響應(yīng)值逐漸減小。

當(dāng)改變時(shí)間常數(shù)(圖2(e))為0.001 s時(shí)，瞬變電磁響應(yīng)衰減曲線出現(xiàn)兩次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。時(shí)間常數(shù)為0.000 01 s和10 s，時(shí)瞬變電磁響應(yīng)不出現(xiàn)負(fù)響應(yīng)，而當(dāng)時(shí)間常數(shù)為0.01 s、0.1 s、1 s時(shí)，瞬變電磁響應(yīng)衰減曲線只出現(xiàn)一次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。

通過對可極化均勻半空間模型響應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，改變地層參數(shù)(電阻率、極化率等)對瞬變電磁響應(yīng)中激電響應(yīng)的影響要大于裝置參數(shù)(發(fā)射電流、偏移距等)。大的極化率、較小的時(shí)間常數(shù)以及較大的頻率相關(guān)系數(shù)，不僅對瞬變電磁響應(yīng)產(chǎn)生較大影響，而且有利于兩次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象的出現(xiàn),但實(shí)測的瞬變電磁響應(yīng)中的負(fù)響應(yīng)往往是地層參數(shù)和裝置參數(shù)的綜合影響，因此還需結(jié)合地質(zhì)背景綜合分析負(fù)響應(yīng)出現(xiàn)的原因。

圖3 改變覆蓋層厚度對激電效應(yīng)的影響Fig.3 Effect of changing the thickness of the cover layer on the IP effects

2.3 兩層模型

根據(jù)可極化均勻半空間模型響應(yīng)結(jié)果研究結(jié)果，對于兩層模型，設(shè)置參數(shù)為：發(fā)射電流I=10 A；偏移距Offset=1 000 m; 導(dǎo)線源長度L=1 000 m; 第一層ρ1=10 000 ohm.m,m1=0.8,τ1=0.1,c1=0.25， 第二層ρ2=10 ohm.m,m2=0.8,τ2=0.1,c2=0.25，。由于改變地層的電阻率、極化率、時(shí)間常數(shù)以及零頻電阻率研究比較困難，因此筆者只研究改變第一層厚度對瞬變電磁響應(yīng)的影響，厚度依次改變?yōu)椋篽1=10 m、100 m、500 m、1 000 m、2 000 m、5 000 m。

由圖3可知，當(dāng)?shù)谝粚雍穸容^小為10 m和100 m時(shí)，對瞬變電磁響應(yīng)中的激電響應(yīng)的影響不大，當(dāng)改變第一層厚度為500 m、1 000 m、2 000 m時(shí)，瞬變電磁響應(yīng)衰減曲線出現(xiàn)兩次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，第一層厚度為5 000 m時(shí)，瞬變電磁響應(yīng)衰減曲線只出現(xiàn)一次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象?？梢钥闯觯貙拥牡谝粚訛楦咦杩蓸O化層，底層為良導(dǎo)體層并且第一層地層厚度為合適的值時(shí)，對瞬變電磁響應(yīng)曲線中出現(xiàn)兩次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象有利?？偟膩碚f，第一次符號反轉(zhuǎn)是由于表層高阻高極化體產(chǎn)生的激電效應(yīng)引起的，第二次符號反轉(zhuǎn)由于當(dāng)表層的負(fù)向極化電流幅值衰減到遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正向的感應(yīng)電流的程度時(shí)，非極化基底層的正向感應(yīng)電流占主導(dǎo)地位，使得響應(yīng)從負(fù)響應(yīng)又變?yōu)檎憫?yīng)。

2.4 三層模型

在進(jìn)行正演模擬時(shí)，發(fā)現(xiàn)瞬變電磁響應(yīng)曲線中出現(xiàn)三次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，三次“符號發(fā)轉(zhuǎn)”現(xiàn)象指的是瞬變電磁響應(yīng)由正響應(yīng)變?yōu)樨?fù)響應(yīng)再變?yōu)檎憫?yīng)最后在晚期變?yōu)樨?fù)響應(yīng)。設(shè)置模型參數(shù)為：ρ1=10 000 ohm.m,m1=0.2,τ1=0.01 s,c1=0.25,ρ2=1 ohm.m,m2=0.8,τ1=0.01 s,c2=0.25,ρ3=1 000 ohm.m,m3=τ1=c2=0。發(fā)射電流I=10 A；偏移距Offset=1 000 m; 導(dǎo)線源長度L=1 000 m。

圖4 瞬變電磁響應(yīng)衰減曲線中三次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象Fig.4 Three "symbol reversal" phenomena in transient electromagnetic response decay curve

第一次和第二次符號反轉(zhuǎn)是由于層厚較厚的高阻極化體引起的，第三次符號反轉(zhuǎn)出現(xiàn)的原因可能是由于中間低阻高極化層引起的。

通過對可極化均勻半空間模型以及可極化層狀模型研究，發(fā)現(xiàn)激電效應(yīng)是作為引起野外實(shí)測響應(yīng)衰減曲線中多次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象出現(xiàn)的可能原因之一,但瞬變電磁實(shí)測響應(yīng)中由負(fù)響應(yīng)變?yōu)檎憫?yīng)再到負(fù)響應(yīng)的現(xiàn)象還需要進(jìn)行三維正演，證明石墨礦長導(dǎo)線源瞬變電磁響應(yīng)曲線中的這種情況是否為激電效應(yīng)產(chǎn)生或其他原因產(chǎn)生的。

3 結(jié)論

通過對于長導(dǎo)線源瞬變電磁實(shí)測數(shù)據(jù)以及正演模擬響應(yīng)曲線中的多次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象研究，得出以下結(jié)論：

1)長導(dǎo)線源瞬變電磁野外實(shí)測響應(yīng)中的負(fù)響應(yīng)出現(xiàn)的原因很復(fù)雜，不能簡單地認(rèn)為出現(xiàn)負(fù)響應(yīng)是由激電效應(yīng)引起的。不同的采樣時(shí)間范圍只影響負(fù)響應(yīng)的幅值，而且負(fù)響應(yīng)對數(shù)據(jù)預(yù)處理和反演解釋造成很大地影響。

2)通過正演模擬發(fā)現(xiàn),較大的極化率和零頻電阻率、較小的時(shí)間常數(shù)以及較大的頻率相關(guān)系數(shù)有利于兩次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3)對于層狀模型響應(yīng)，第一層為高阻可極化層且厚度一定、底層為相對低阻體層時(shí)對瞬變電磁響應(yīng)曲線中出現(xiàn)多次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象有利。

這里雖然得出了一些規(guī)律性的信息，當(dāng)然也存在對于長導(dǎo)線源瞬變電磁實(shí)測數(shù)據(jù)以及正演模擬響應(yīng)曲線中的多次“符號反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象研究是不夠深入的情況，還需要通過三維正演研究長導(dǎo)線源瞬變電磁場的變化規(guī)律、地形起伏以及異常體相對于收發(fā)裝置位置變化的影響規(guī)律，這樣才能和激電效應(yīng)影響規(guī)律對比，得出能夠識別激電效應(yīng)影響的響應(yīng)特征。而且激電信息作為能夠反映異常體的有用信息，因此怎樣利用激電效應(yīng)引起的負(fù)響應(yīng)也是一個(gè)值得研究的課題。