淺層不均勻體對瞬變電磁法衰減曲線的影響

淺層不均勻體對瞬變電磁法衰減曲線的影響

0重疊回線時的負響應在瞬變電法中，當?shù)厍蛏嫌芯植坎痪鶆蝮w時，現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)中存在負響應值，無法正確反映地下體的情況，應在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中加以注意。雖然產(chǎn)生瞬變電磁負響應的原因有若干種,但人們通常認為是由激發(fā)極化效應(IP)所引起的。Lee［１］把均勻大地的導電率用Cole-Cole模型描述,計算了大回線裝置下的瞬變電磁響應,結果是激電效應引起的瞬變曲線最初很快衰減,反向后瞬變衰減變慢;Smith等［２］發(fā)現(xiàn),單個球體、半空間或?qū)訝畲蟮匾谥丿B回線TEM響應中產(chǎn)生可觀測到的符號變化,其極化率一般都必須具有比電磁頻率范圍內(nèi)正常測得的大得多的值;Hohmann等［３］認為,重疊回線或中心回線TEM測量中測得的正、負符號變化的畸變衰減曲線,是由近地表物質(zhì)如黏土等低極化材料激發(fā)極化引起的。除了大多數(shù)研究者認為TEM中的負響應與IP效應有關,人們對其他一些可能的原因也同時進行了研究。在位移電流影響方面,Lee［４］從Morrison等人的有關公式出發(fā),經(jīng)過傅里葉變換,得到重疊回線下無磁性均勻半空間瞬變電磁響應的感應電動勢,結果發(fā)現(xiàn),位移電流只對反映高頻響應的早期道有影響,而對反映低頻響應的晚期道的影響可以忽略。在集流效應方面,McNeil［５］等在印度Gani村用SIROTEM-Ⅱ儀器,在一傾斜導電炭質(zhì)頁巖上方,垂直巖層走向,在100m×100m的重疊回線的剖面圖中,觀測到晚延時刻顯示出了一個負響應。由于不均勻體結構的復雜性,很難準確地通過建模來計算出礦體的理論衰減曲線,而多匝密繞的閉合線圈(簡稱異常線圈)電磁信號衰減規(guī)律與不均勻體的電磁信號衰減規(guī)律相同,可采用異常線圈來模擬地下有限導體［６］。筆者采用大定源回線裝置,用不同的異常線圈模型對回線下方存在的淺層不均勻體進行模擬;擬從TEM的理論知識出發(fā),通過matlab仿真,研究發(fā)射線圈、接收線圈采用中心回線方式,當發(fā)射回線中的梯形波電流關斷之后,在電阻率不同的均勻大地中存在異常線圈模型,及位置不同時產(chǎn)生的響應曲線對接收線圈衰減曲線的影響情況。1異常圈的接收及綜合響應的可能出現(xiàn)根據(jù)瞬變電磁法基本原理,當發(fā)射回線中的電流突然下降為0A時,會在其周圍產(chǎn)生急劇變化的磁場。對于發(fā)射回線下方存在的異常體,變化的磁場會在其內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應電流,形成大致按指數(shù)規(guī)律隨時間衰減的瞬變磁場。圖1為局部不均勻體位于發(fā)射回線下方的示意圖。實際發(fā)射電流波形不可能為理想階躍,大發(fā)射回線采用的是梯形波發(fā)射電流,波形如圖2所示。發(fā)射回線中電流關斷之后,在異常線圈中產(chǎn)生的感應電動勢為其中:MＴＬ為T、A之間的互感系數(shù);IＴ(t)為發(fā)射電流。異常線圈感應電流IＡＬ(t)在晚期之后已處于穩(wěn)定狀態(tài),并按照指數(shù)規(guī)律衰減,可以用等效電感LＡＬ和電阻RＡＬ近似［７］,所以式(1)、(2)聯(lián)立可求出IＡＬ(t),則接收到的異常線圈感應電動勢為其中,式中:MＲＬ為R、A之間的互感系數(shù);I為發(fā)射電流幅值;表示0時刻選在關斷結束時刻;t1為電流上升時間;t2為電流下降時間;t3為發(fā)射電流寬度;τ為異常線圈時間常數(shù),由異常線圈的幾何形狀、大小和電性參數(shù)所決定。MRL和MTL與發(fā)射、異常及接收線圈的相對位置、異常線圈的幾何形狀等因素有關。當發(fā)射電流突然斷開時,發(fā)射線圈周圍的磁感線穿過異常線圈激發(fā)產(chǎn)生二次場,隨著A的幾何形態(tài)以及T、A、R三者之間相對位置的不同,產(chǎn)生的二次場方向不同,使得A與R之間的互感有正有負。根據(jù)TEM理論,這會引起電磁場矢量的疊加方向發(fā)生變化,結合式(3)、(4),可以得出結論:接收到的異常線圈感應電動勢有正有負。因此,異常線圈的存在,使得接收線圈中的綜合響應可能出現(xiàn)負響應。對于梯形波回線源發(fā)射,發(fā)射線圈、接收線圈采用中心回線方式。當發(fā)射電流關斷后,在準靜態(tài)場中,均勻大地的電磁響應為其中:N為接收線圈匝數(shù);S為接收線圈面積;B－Ｓ(t)為負階躍電流產(chǎn)生的二次場磁感應強度。為了便于matlab仿真計算,將矩形大發(fā)射回線等效成面積相等的圓形發(fā)射回線［１０－１２］。根據(jù)納比吉安［１３］的做法,單位電流切斷后,回線中心的磁場強度表達式為其中:式中:μ０為真空磁導率,值為4π×10－７H/m;a為圓形發(fā)射回線半徑;ρ為大地電阻率。發(fā)射電流關斷后,理想接收的一次場響應近似為0［１４］,接收線圈中的理想電磁響應為在研究接收線圈中的綜合響應曲線時,采用式(8)進行仿真計算。2異常線圈的仿真計算異常線圈的時間常數(shù)τ值,與異常線圈本身的材料和電氣特性有關,即與線圈的自感和電阻有關。其表達式為LＡＬ=nμ０rＡＬ[nln(8rＡＬ/rｃ)-(2n-1.25)]。式中:n為異常線圈匝數(shù);ρｃ為銅導線電阻率,值為1.75×10－８Ω·m;rｃ為導線半徑;lｃ為導線長度;sｃ為導線橫截面積。從式(9)可以看出:τ值隨n的增加而線性增大;隨rＡＬ的增加而增加;隨rｃ的增加而增加。筆者采用矩形發(fā)射回線,發(fā)射邊長為150m×150m,要研究的是在發(fā)射回線下方或者是框邊下方,反向磁通對接收線圈綜合響應的影響情況。所以,選中的異常線圈的半徑比較大,產(chǎn)生的響應值比較大,異常線圈的直徑不能超過發(fā)射回線邊長的一半,即rＡＬ不能超過150/2/2=37.5m。由于有經(jīng)濟價值的礦體的時間常數(shù)一般大于2ms,筆者對于時間常數(shù)分別為1、3、5ms的異常線圈進行研究,根據(jù)式(9),其對應的模型參數(shù)如表1所示。根據(jù)表1,用異常線圈對發(fā)射回線下方存在的局部不均勻體進行模擬,仿真計算不均勻體的電磁響應衰減曲線。結合式(9),選用導線橫截面積為8~10mm２。為了能夠明顯觀測到淺層不均勻體對衰減曲線的影響情況,在異常線圈中心點P坐標(x,y,h)的選擇方面,應考慮到由于A、R之間相對位置的變化,引起異常線圈的負響應值幅度的變化。結合上述異常線圈半徑選擇方面的情況,對于異常線圈位于發(fā)射回線下方時,設x=40m,y=0;異常線圈位于發(fā)射回線邊界下方時,x變化范圍為45~105m,y=0。3發(fā)射圈和接收圈總電阻率的確定發(fā)射回線采用圖2所示的梯形波,其中發(fā)射電流幅度為10A,上升時間為1ms,平頂時間為19ms,關斷時間為0.176ms。接收線圈的半徑為0.3m,等效面積為0.28m２。發(fā)射線圈、接收線圈采用中心回線方式。根據(jù)式(5)—(7),不同電阻率的均勻大地產(chǎn)生的響應曲線如圖3所示。由圖3可知,發(fā)射梯形波電流關斷之后,均勻大地的電阻率越高,大地電磁響應幅值越小。無異常線圈存在時的均勻大地,產(chǎn)生的響應值全為正響應。4異常圈中的響應值不同ρ的均勻大地產(chǎn)生響應不同,以及τ、r、h和P點位置中x不同的異常線圈,在接收線圈中產(chǎn)生的響應值也不同,根據(jù)式(8)可知,接收到的綜合響應衰減情況也不相同。4.1負響應值情況由圖4可知,在電阻率不同的均勻大地中,異常線圈的存在使接收線圈的綜合響應中出現(xiàn)了負值情況,電阻率越大,負響應值出現(xiàn)的越早,早期的衰減曲線過0情況越明顯。在接下來的討論中,為了能夠明顯看出因異常線圈存在而導致的衰減曲線與真實情況的偏離程度,選擇電阻率ρ=3000Ω·m的均勻大地進行研究。4.2異常線圈對綜合響應的影響由圖5可知,異常線圈的存在使接收線圈的綜合響應值減小:在電流關斷之后2ms范圍內(nèi),時間常數(shù)越小的異常線圈,對綜合響應的影響越明顯,導致異常線圈衰減曲線中的過0幅度越明顯;在2ms之后,時間常數(shù)越大的異常線圈,對綜合響應的負值影響越明顯;時間常數(shù)越小的異常線圈衰減為0的時間越快。4.3異常圈不同半徑的接收曲線異常線圈rＡＬ半徑分別為35、30、25、15m,τ=3ms,h=5m時,接收線圈的綜合響應曲線如圖6所示。由圖6可知:對于同一時間常數(shù)的異常線圈而言,在同一位置,半徑越大,產(chǎn)生的負值響應越明顯,導致接收線圈的響應衰減曲線中過0情況越明顯;隨著半徑的減小,異常線圈產(chǎn)生的響應值變小,對接收線圈綜合響應的情況可忽略不計。無論異常線圈半徑大小如何變化,綜合響應的曲線大致在同一時間點衰減為0。4.4埋深對接收線圈的影響rＡＬ=30m,τ=3ms的異常線圈,h分別為5、10、20、30、40m時,接收線圈的綜合響應曲線如圖7所示。由圖7可知:對于同一時間常數(shù)的異常線圈,當深度不同時,異常線圈產(chǎn)生的感應電動勢強度和方向不同。埋深位置越淺,負值越小,減小了接收線圈中的綜合響應,使衰減曲線出現(xiàn)負值;隨著埋深深度的增加,感應電動勢變?yōu)檎较?增加了接收線圈中的綜合響應,使衰減曲線全為正值;當增加到一定深度時,由于異常線圈、接收線圈之間的距離較大,二者之間的互感越來越小,此時,異常線圈的存在對接收線圈的影響可忽略不計。從圖7中可以看出,在0~10m的淺層范圍內(nèi),異常線圈的存在,可導致接收線圈的綜合響應中出現(xiàn)過0情況。4.5異常線圈移動回線正下方對接收線圈響應的影響對于rＡＬ=30m,τ=3ms的異常線圈模型,當h=5m,發(fā)射回線下方的位置x分別為0、20、40、70、90m時,接收線圈的綜合響應曲線如圖8所示。異常線圈在發(fā)射回線下方,沿與x軸平行的測線移動。由圖8可知:當移動到發(fā)射回線正下方(x=0m)時,異常線圈產(chǎn)生的響應值為正,使接收線圈中的綜合響應增加,衰減為0的速度變慢;當異常線圈逐漸遠離發(fā)射回線正下方時,異常線圈的響應由正值變?yōu)樨撝?使接收線圈中的綜合響應曲線出現(xiàn)過0情況;當異常線圈移動到發(fā)射回線框邊下方,并且越來越遠離發(fā)射回線時,異常線圈產(chǎn)生的響應正值比較小,可忽略不計,此時接收線圈中的綜合響應曲線在雙對數(shù)坐標中,大致按線性規(guī)律衰減。5異常線圈模型對接收線圈的響應1)在電阻率高的均勻大地中,由于均勻大地產(chǎn)生的響應值比較小,不均勻的存在對接收線圈衰減曲線的影響比較明顯。2)對于時間常數(shù)不同的異常線圈模型來說:早期(如2ms之前),時間常數(shù)越小,衰減曲線過0情況越明顯;晚期(如2ms之后),時間常數(shù)越大,衰減曲線過0情況越明顯。對時間常數(shù)相同的異常線圈模型來說,當位于發(fā)射回線下方的位置坐標x=40m時,半徑越大、深度越淺,產(chǎn)生的負值響應幅度越大,使接收線圈的綜合響應曲線的過0程度越明顯。3)對于在發(fā)射回線下方位置變化的異常線圈模型來說,產(chǎn)生的響應值大小和方向發(fā)生變化。當位于發(fā)射回線中心點下方位置時,響應值為正,增加了接收線圈中的綜合響應;當沿測線向發(fā)射回線框邊移動時,響應值變?yōu)樨撝?當靠近發(fā)射回線框邊時,產(chǎn)生的響應值