不同回线瞬变电磁测深数据归一化校正

孟红星

瞬变电磁法是电法勘探的一种常用方法，大定源回线装置是瞬变电磁法勘探中常用装置，工程中根据不同的勘探深度选用不同的发送回线。不同发送回线测得的数据存在系统误差，当两种回线测深数据对接时，如何消除系统误差，进行定量解释，是摆在我们面前的一个现实问题。文中结合一个实例，给出了对两种回线所测数据进行归一化校正的方法，对进一步的地质解释具有积极意义。

概述

瞬变电磁法是利用阶跃波或其他脉冲电流场源激励大地产生过渡过程场，断电瞬间在大地中形成涡旋交变电磁场，测量这种由地下介质产生的二次感应电磁场随时间变化的衰减特性，从而达到解决地质问题的目的。

瞬变电磁法野外施工常用装置有重叠回线装置、中心回线装置、偶极装置和大定源回线装置。其中重叠回线和中心回线装置属于同点装置，是频率域无法实现的装置，与探测的地质对象有最佳的耦合，具有较高的接收电平，较好的穿透深度，相应曲线形态单一，异常便于解释；但每移动一次装置只能测量一个点，工作效率较低。偶极装置是瞬变电磁法发展初期常用的装置，由于该装置的野外施工较繁琐，动源的工作要求使发送此举的提高受到限制，更主要的是剖面曲线形态较复杂，并且受地质噪声干扰大，因此，已很少使用于面积性的勘查工作。大定源回线装置与探测的地质体具有最佳耦合，异常幅值大；发送磁矩大，二次场均匀，衰减慢，探测深度大；对铺设回线的要求不那么严格，一旦铺好回线后，可采用多台接收机同时观测，工作效率高，是野外施工中常用装置。

在野外工程中，经常会碰到相邻工区目的层埋深差别较大，瞬变电磁采用大定源回线工作装置施工时会采用不同的回线边长采集野外数据，在后期的资料处理解释中会发现，相邻工区的连接部位不同回线的测深数据会有差别，为了消除这种差别，实现两种测深数据的对接，本文据此出发对两种测深数据归一化校正方法进行了探讨。

不同回线装置的探测深度

涡旋场在大地中主要以扩散形式传播，在这一过程中，由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部，而低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。某时刻地下涡流电场在地表产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场，随着时间的推移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。等效电流环很象从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，因此，人们将地下涡旋电流向下、向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”，如图1。“烟圈”以47°倾斜锥面扩散，其向下传播深度和速度分别为：

传播深度：

传播速度：

其中：t 为传播时间；σ 为介质电导率；μ0 为真空中的磁导率。

图1 烟圈效应示意图

瞬变电磁的最大探测深度与发送磁矩、覆盖层电阻率及最小可分辨电压有关，最大探测深度为：

此式为野外工程中常用来计算最大探测深度的公式，式中：M 为发送磁矩；ρ1 为表层电阻率；η 为最小可分辨电压，它的大小与目标层几何参数、物理参数和观测时间段有关。

由式（3）可以看出，野外可以通过改变发送线框的磁矩来改变最大探测深度。磁矩与电流成正比，与回线边长的平方成正比，因此，可以通过改变电流或回线边长来达到改变最大探测深度的目的，增大回线边长可以更明显的增大探测深度，这也是大定源回线装置测量深度较大的原理。通过理论计算，可以算出不同回线边长不同电阻率最大测深结果，见表1。

表1 最大探测深度计算结果表（单位 m）

不同回线测深数据归一化校正实例

相邻两工区概况

某相邻两工区为一单斜构造，A 工区目的层最大埋深300m，B 工区目的层最大埋深530m，两工区分别施工，均采用大定源回线施工装置，A 工区施工选用480×480m回线，B 工区施工选用600×600m 回线，资料解释时，要求把数据对接统一解释。由于两种回线测深数据存在系统误差，解释时需要找到系统误差的规律，把两个不同发送回线测得的数据进行归一化校正，以便进行下一步全区定量解释。

获取归一化校正参数

为了获取校正参数，野外选择了一条测线在两工区边界附近的3 个点分别用480m 回线和600m 回线进行观测，这里以该剖面为例介绍一下不同发送回线测深数据归一化校正过程。该剖面长度960m，160～800 为480×480m回线观测，720～1120 为600×600m 回线，720～800 为两个回线重复观测地段。

从反演结果看，480m 回线最大测深在450m 左右，600m 回线最大测深在600 左右，校正时把480m 回线测深数据归一化校正为600m 回线测深数据。为了便于说明归一化校正过程，这里选取两种回线共有的测深深度-100m～-430m 进行讨论。

对两种回线测深数据用深度参数进行归一化

首先把720～800 三个重复观测点的两套测深数据分别用Surfer 软件进行网格化，深度范围选取两套数据共有深度-100m～-430m，步长为10，方法选用克里格法。然后把网格化生成的两个“*.grd”文件转化为ASCII 码文件，最后绘制出重复测点的两支测深曲线（以720 测点为例），如图2。图中横坐标为反演深度，单位m，纵坐标为反演电阻率，单位Ω·m，三角形曲线为480m 发送回线的测深曲线（简称480 曲线），圆点曲线为600m发送回线的测深曲线（简称600 曲线）。从图中可以看出，-100m～-430m 深度之间，每10m 深度对应两个电阻率，在-380m 以浅，两支曲线形态类似，480 曲线电阻率高于600 曲线电阻率；-380m～-430m 之间，480 曲线电阻率低于600 曲线电阻率。通过分析可知两支曲线是非线性曲线，两支曲线之间的关系也是非线性关系。

不同回线测深数据归一化校正的方法

图2 两回线720 测点深度归一化后反演电阻率曲线

为了把480 曲线归一化校正为600 曲线，我们可以将电阻率看成深度的函数，

式中R表示电阻率，h表示深度，这是一个非线性函数。为了便于数据校正，我们可以把曲线在深度方向分成n 小段，在每一小段上，两支曲线可以看成线性曲线，两支曲线之间可以近似成线性关系，这样就把一个复杂的非线性问题转换为多个简单的线性问题，大大降低了数据校正的难度。每一小段上电阻率和深度之间的函数为：

其中，h 表示深度，R（h）为h 对应的电阻率，kn为第n 段曲线的斜率，Cn 表示第n 段曲线的初始常数。

480 曲线可以表示为：

600 曲线可以表示为：

由式（6）、（7）可以推出：

利用式（8），把480 曲线和600 曲线统一按照反演深度分成n 段，通过第n 段的起止深度和起止深度对应的电阻率可以计算出第n 段曲线的斜率k1n、k2n，第n 段起点的电阻率为C1n、C2n，两支曲线上每个深度都对应到不同的深度区间，不同深度区间调用不同的校正参数k1n、k2n、C1n、C2n，利用程序计算，可以把相同深度的480m 回线测得的电阻率归一化校正为600m 回线测得的电阻率，这样就消除了因回线不同而产生的系统误差，为下一步整条剖面校正奠定了基础。

图3 为720 测点两回线归一化校正后的反演电阻率曲线，可以看出，经归一化校正后，两支曲线几乎完全重合，说明该校正方法有效可行。图中有个别点不重合，是因为该区间分段长度过大的缘故，只要n 足够大，即分段区间足够小，就可以达到更好的校正效果。

重复观测点归一化校正后，可以获得一系列的校正参数，即n、k2n、C2n 及区间分段深度，利用这些参数可以把其它480m 回线测得的电阻率据归一化校正为600m回线测得的电阻率，从而达到整条剖面乃至全区归一化校正的目的，为整条剖面和全区的量化解释扫清了系统误差的障碍，在实际工作中具有重要意义。

图3 两回线720 测点归一化校正后反演电阻率曲线

图4 归一化校正前反演电阻率断面图

图5 归一化校正后反演电阻率断面图

归一化校正前后成果对比

图4 是归一化校正前生成的反演电阻率断面图，160～720 之间为480m 回线测得的断面，720～1120 为600m 回线测得的断面，从断面上可以看出，720 测点左右电阻率曲线有明显差异，横向出现一个“台阶”，如果不加以校正，该处容易解释出假断层。另外，480m 回线测得的电阻率整体上明显高于600m 回线测得的数据，这是由于不同回线装置系统误差引起的，如果不加以校正，平面定量解释时容易出现假异常。从剖面上还可以看出600m 回线测得深部数据比480 回线测得的深部数据稳定，这说明600m 回线的信噪比要比480m 回线高。

图5 是经过归一化校正后的反演电阻率断面图，160～720 之 间 为480m 回线所测数据做了归一化后的断面，720～1120 为600m回线测得的断面，从图中可以看出，720 测点左右的电阻率等值线消除了“台阶”现象，整条断面看上去更加平滑，消除了两种回线所测数据的系统误差，避免了出现假异常，更利于整条剖面乃至全区数据的解释。

结语

本文通过一个实例，分析了不同发送回线测深数据的系统误差，说明在两工区数据对接前做归一化校正的必要性。在深入分析测深数据规律的基础上，提出了把一个非线性问题转化为多个线性问题的工作思路，最终利用程序计算，完成了不同回线重复观测点的归一化校正工作，从而取得了系统误差归一化校正的参数，利用这些参数就可以完成对其他测点的归一化校正。从实例剖面可以看出，通过归一化校正，消除了不同回线测深数据的系统误差，校正效果良好，说明该校正方法具有很强的实用性和可操作性。