分布式三維電法在激發(fā)極化法中的應(yīng)用

尹　敏，陳　輝，鄭燕青

(1.東華理工大學(xué) 核工程與地球物理學(xué)院，江西 南昌 330013；2.東華理工大學(xué) 放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013)

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分布式三維電法在激發(fā)極化法中的應(yīng)用

尹敏1,2，陳輝1,2，鄭燕青1,2

(1.東華理工大學(xué) 核工程與地球物理學(xué)院，江西 南昌 330013；2.東華理工大學(xué) 放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013)

在地球物理中，二維電法經(jīng)常遇到的問題是分辨率不夠高，無法準(zhǔn)確地判斷地下金屬礦三維形態(tài)。而三維電法能夠較好地反應(yīng)地質(zhì)體形態(tài)，但是隨著目標(biāo)深度增加以及地質(zhì)條件復(fù)雜化等，三維電法體現(xiàn)出很大的局限性，面臨著采集成本高以及正反演算法不夠成熟等問題。分布式電法僅需在常規(guī)三維電法中再多加入一個(gè)電極，即可多采集一倍數(shù)據(jù)，提高常規(guī)三維勘探的分辨率。以激發(fā)極化法為例，通過分析分布式電法在激發(fā)極化法中不同方向的正演結(jié)果，得出分布式電法能有效提高三維電法勘探的分辨率。

分布式；直流電法；正演；極化率；激發(fā)極化法

(1.School of Nuclear Engineering and Technology, East China Institute of Technology,Nanchang Jiangxi 330013, China;2.Fundamental Science on Radioactive Geology and Explovation Technology Laboratory,East China Institute of Technology, Nanchang Jiangxi 330013, China)

1　引　言

電法勘探是地球物理勘探方法的一種，它被廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)、工程物探以及礦產(chǎn)勘探[1]。傳統(tǒng)的電法觀測(cè)系統(tǒng)隨著目標(biāo)深度增加以及地質(zhì)條件復(fù)雜化等體現(xiàn)出很大的局限性，但是三維電法勘探需要更加先進(jìn)的儀器才能進(jìn)行大面積的三維數(shù)據(jù)采集，同時(shí)需要能夠更為快速的正演算法。因此，對(duì)于三維電法勘探，需要有多個(gè)接收機(jī)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集[2]，提高采集效率以及降低成本。

1977年建立了第一個(gè)分布式地震采集系統(tǒng)GUS-BUS，并被成功商業(yè)化[3]。1985年AtlanticRichfield公司建立并測(cè)試了一個(gè)分布式電法的原型，來補(bǔ)充他們的24道寬頻電測(cè)系統(tǒng)(BEMS)，在AtlanticRichfield公司之前分布式電法勘探僅僅是被簡單的應(yīng)用便放棄了對(duì)它的研究。20世紀(jì)80年代后期，德國MontanTechnologie公司建立了分布式電磁勘探系統(tǒng)——TEAMEX系統(tǒng)[4]，這是一個(gè)基于分布式地震勘探SEAMEX系統(tǒng)的方法。20世紀(jì)90年代中期，三維地震開始出現(xiàn)，通道容量大大增加。1997年加拿大Phoenix公司設(shè)計(jì)出基于GPS同步的MTU5數(shù)據(jù)采集器[5]。1998年MT-24大地電磁系統(tǒng)推出，實(shí)現(xiàn)了一次布極，多道同時(shí)采集。2001年QuantecGeoscienceLtd.完成了第一個(gè)Titan24系統(tǒng)。2005年，無線分布式地震勘探系統(tǒng)被普遍應(yīng)用。

隨著現(xiàn)在對(duì)勘探精度的要求越來越高，分布式電法勘探越來越受到更多人的重視[6,7]。其主要思想仍是通過多個(gè)接收機(jī)同時(shí)接收，盡可能多的記錄地下三維立體空間的電場(chǎng)分布信息[8，9]。最后利用三維反演計(jì)算進(jìn)行資料處理與解釋，從而提高電法勘探的精度。分布式電法是指接收機(jī)不使用電纜連接，采用GPS同步方式記錄信號(hào)，后期處理時(shí)再直接提取相同時(shí)間段內(nèi)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的數(shù)據(jù)。因?yàn)榉植际诫姺碧降慕邮諜C(jī)之間不使用電纜，避免了常規(guī)勘探中大量電纜的布設(shè)問題，同時(shí)更容易布置。

2　分布式電法勘探

三維觀測(cè)有偽三維和真三維之分。偽三維是通過布設(shè)多條平行測(cè)線測(cè)量，每條測(cè)線的測(cè)量是分開的，最后通過處理軟件將每條測(cè)線的數(shù)據(jù)處理。偽三維觀測(cè)實(shí)質(zhì)上仍是二維觀測(cè)，只是在后期將二維數(shù)據(jù)組合在了一起。而真三維則是在發(fā)射極發(fā)射時(shí)所有接收機(jī)都會(huì)接收。分布式三維電法就是一種真三維觀測(cè)系統(tǒng)。分布式三維電法采用靈活的電極發(fā)射方式和分布式矢量接收方式采集數(shù)據(jù)[10]，當(dāng)發(fā)射電極與測(cè)量電極平行時(shí)，可以獲得最大強(qiáng)度的信號(hào)，正交時(shí)獲得的信號(hào)強(qiáng)度最小。在裝置方面也可以根據(jù)不同需求采用不同的裝置組合，使探測(cè)深度和分辨率同時(shí)滿足要求。該采集方式適合大面積高精度的礦產(chǎn)勘探[11]，不僅可以提高探測(cè)深度，而且還可以提高橫向上的分辨率。

常用的電法勘探方法有很多，但不管用哪種方法勘探，其原理都是基于地下目標(biāo)體與巖石的電性差異。本文中使用分布式電法基于激發(fā)極化法，激發(fā)極化法是以不同巖石、礦石激電效應(yīng)之差為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過觀測(cè)和研究大地激電效應(yīng)，來探查地下地質(zhì)情況的一種分支電法。激發(fā)極化法是尋找金屬礦的主要物探方法，同時(shí)在尋找地下水和石油天然氣方面也有成功的應(yīng)用[12-14]。

均勻半空間條件下體極化場(chǎng)的計(jì)算：

(1)

其中，ρ(Ω·m)為均勻無限半空間電阻率；I(A)為電流大小，采用“等效電阻率法”：

(2)

其中，η(%)為極化率，得到體極化總場(chǎng)電位差：

(3)

其中，ΔU(mV)為電位差，兩式相減得二次電位差：

(4)

(5)

3　分布式電法勘探正演

本文正演使用的電法為激發(fā)極化法，該方法是以不同巖石、礦石激電效應(yīng)之差為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過觀測(cè)和研究大地激電效應(yīng)，來探查地下地質(zhì)情況的一種分支電法。

3.1分布式電法布極

本次模擬分布式電極如圖1所示，接收機(jī)全部為L型。B極放在無窮遠(yuǎn)，僅移動(dòng)A極。在常規(guī)采集模式下僅增加一個(gè)電極就可以多采一倍的數(shù)據(jù)。同時(shí)接受X方向和Y方向的信息，正交的兩個(gè)電極在同時(shí)測(cè)量時(shí)最終能夠得到更高的分辨率。

3.2分布式電法正演結(jié)果

使用分布式采集系統(tǒng)，在采集時(shí)能同時(shí)得到兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)，最終處理時(shí)則可以根據(jù)需要選取兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)同時(shí)處理，或者只選取一個(gè)方向的數(shù)據(jù)處理，另一個(gè)方向則做為參考。本文正演的地電模型見圖2，低阻異常體在X方向和Y方向分布一致，X和Y方向求解區(qū)域?yàn)閇-400m,400m]，Z方向?yàn)?00m，使用算法為幾何多重網(wǎng)格算法，該方法具有求解精度高、大網(wǎng)格求解速度快等特點(diǎn)。

使用Surfer軟件獲取正演主剖面的數(shù)據(jù)得到圖3。圖3(a)展示了分布式觀測(cè)系統(tǒng)在X方向上的視電阻率剖面圖。從圖中可以看出，具有典型的三極裝置相應(yīng)特征，沿著X方向，在異常體邊緣區(qū)域顯示出低阻異常。圖3(b)顯示了分布式觀測(cè)系統(tǒng)在X方向數(shù)據(jù)做出的極化率剖面圖。在圖3中，因?yàn)槭褂昧巳龢O裝置，剖面圖中的異常區(qū)域偏離了實(shí)際模型中的異常體區(qū)域。但是也正常反映出三級(jí)裝置采集的數(shù)據(jù)情況。

圖1　分布式電法布極方式Fig.1　Distribute 3D DC method acquisition configuration

使用Voxler軟件獲取正演區(qū)域的切片圖，見圖4和圖5。圖4和圖5分別反映了X方向和Y方向采集時(shí)電阻率和極化率的變化，通關(guān)觀察兩個(gè)方向的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)差別是很大的，X方向信號(hào)較強(qiáng)，完全地反映出激發(fā)極化異常體的位置。Y方向?yàn)檎环较?，接收到的信?hào)最弱，反映出了異常體的大概位置，可以使用Y方向的數(shù)據(jù)對(duì)X方向數(shù)據(jù)加以修正。當(dāng)同時(shí)觀測(cè)X和Y方向的數(shù)據(jù)時(shí)，更容易確定異常體的大概位置。

圖6為固定極距AO時(shí)X方向和Y方向的電阻率圖，從圖6中可以看出，激發(fā)極化法采集時(shí)異常體的位置偏離了原本異常體最中心的位置，在異常體邊緣分別表現(xiàn)出高低阻。同時(shí)觀測(cè)X方向和Y方向的數(shù)據(jù)，能夠更準(zhǔn)確地確定異常體在X和Y方向的范圍。

圖2　低電阻率模型示意圖Fig.2　Sketch map of the low resistivity model

圖3　分布式電法主剖面視電阻率與極化率Fig.3　Main section of distributed 3D DC method(a) Apparent resistivity;(b) Polarization

圖4　X方向采集數(shù)據(jù)結(jié)果Fig.4　The results of the X direction data(a) Apparent resistivity;(b) Polarization

圖5　Y方向采集數(shù)據(jù)結(jié)果Fig.5　The results of the Y direction data(a) Apparent resistivity;(b) Polarization

圖6　AO=15時(shí)XY平面視電阻率Fig.6　XY plane apparent resistivity of AO=15(a) X direction;(b) Y direction

4　結(jié)論與展望

通過將分布式電法應(yīng)用到激發(fā)極化法中正演，可以歸納為以下幾點(diǎn)：

1)通過正演模擬可以看出，基于激發(fā)極化法的分布式電法能夠采集到比常規(guī)布極方法更多的數(shù)據(jù)，具有分辨率高、成本低等特點(diǎn)。

2)分布式電法采集數(shù)據(jù)全面、有效地提高了橫向分辨率，更容易確定異常體的橫向位置。

3)在本次正演中，還涉及到算法方面的限制，三維正演中需要對(duì)多個(gè)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行正演，普通串行程序計(jì)算速度非常慢，后期可以使用并行程序加速分布式電法在激發(fā)極化法中的正演。

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The Applications of Distributed 3D Electrical in Induced Polarization Method

Yin Min1,2,Chen Hui1,2,Zheng Yanqing1,2

InGeophysics, 2Delectricalproblemfrequentlyencounteredisthattheresolutionisnothighenoughanditcannotaccuratelydeterminethe3Dshape. 3Delectricalresponsecanbettergeologicalmorphology.Butwiththegoalofincreasingdepthandcomplexgeologicalconditions,facinghighacquisitioncostsandtheforwardandinversionalgorithmalgorithmsisnotmatureenough.Indistributed3Delectrical,onlyaddedoneelectrodecancollecttwiceasmuchdatatoimprovetheresolutionofconventional3Dsurveys.Thepaperbasedontheinducedpolarizationmethod,analyzeddifferentdirectionsdistributedelectricalforwardresults.Distributedelectricalmethodcanimprovetheresolutionof3Delectricalprospecting.

distributed;DCmethod;forward;chargeability;IP

1672—7940(2016)03—0289—05

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.03.006

國家自然科學(xué)基金(編號(hào)：41164003、41404057)；國家科技支撐計(jì)劃(編號(hào)：2011BAB04B03)

尹敏(1989-)，男，碩士研究生，主要從事電磁法正反演研究。E-mail:yinmin1989@foxmail.com

P631.3

A

2016-01-10