分布式三维电法在激发极化法中的应用

尹　敏，陈　辉，郑燕青

(1.东华理工大学 核工程与地球物理学院，江西 南昌 330013；2.东华理工大学 放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室，江西 南昌 330013)



分布式三维电法在激发极化法中的应用

尹敏1,2，陈辉1,2，郑燕青1,2

(1.东华理工大学 核工程与地球物理学院，江西 南昌 330013；2.东华理工大学 放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室，江西 南昌 330013)

在地球物理中，二维电法经常遇到的问题是分辨率不够高，无法准确地判断地下金属矿三维形态。而三维电法能够较好地反应地质体形态，但是随着目标深度增加以及地质条件复杂化等，三维电法体现出很大的局限性，面临着采集成本高以及正反演算法不够成熟等问题。分布式电法仅需在常规三维电法中再多加入一个电极，即可多采集一倍数据，提高常规三维勘探的分辨率。以激发极化法为例，通过分析分布式电法在激发极化法中不同方向的正演结果，得出分布式电法能有效提高三维电法勘探的分辨率。

分布式；直流电法；正演；极化率；激发极化法

(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

电法勘探是地球物理勘探方法的一种，它被广泛应用于水文地质、工程物探以及矿产勘探[1]。传统的电法观测系统随着目标深度增加以及地质条件复杂化等体现出很大的局限性，但是三维电法勘探需要更加先进的仪器才能进行大面积的三维数据采集，同时需要能够更为快速的正演算法。因此，对于三维电法勘探，需要有多个接收机同时进行数据的采集[2]，提高采集效率以及降低成本。

1977年建立了第一个分布式地震采集系统GUS-BUS，并被成功商业化[3]。1985年AtlanticRichfield公司建立并测试了一个分布式电法的原型，来补充他们的24道宽频电测系统(BEMS)，在AtlanticRichfield公司之前分布式电法勘探仅仅是被简单的应用便放弃了对它的研究。20世纪80年代后期，德国MontanTechnologie公司建立了分布式电磁勘探系统——TEAMEX系统[4]，这是一个基于分布式地震勘探SEAMEX系统的方法。20世纪90年代中期，三维地震开始出现，通道容量大大增加。1997年加拿大Phoenix公司设计出基于GPS同步的MTU5数据采集器[5]。1998年MT-24大地电磁系统推出，实现了一次布极，多道同时采集。2001年QuantecGeoscienceLtd.完成了第一个Titan24系统。2005年，无线分布式地震勘探系统被普遍应用。

随着现在对勘探精度的要求越来越高，分布式电法勘探越来越受到更多人的重视[6,7]。其主要思想仍是通过多个接收机同时接收，尽可能多的记录地下三维立体空间的电场分布信息[8，9]。最后利用三维反演计算进行资料处理与解释，从而提高电法勘探的精度。分布式电法是指接收机不使用电缆连接，采用GPS同步方式记录信号，后期处理时再直接提取相同时间段内发射机和接收机的数据。因为分布式电法勘探的接收机之间不使用电缆，避免了常规勘探中大量电缆的布设问题，同时更容易布置。

2　分布式电法勘探

三维观测有伪三维和真三维之分。伪三维是通过布设多条平行测线测量，每条测线的测量是分开的，最后通过处理软件将每条测线的数据处理。伪三维观测实质上仍是二维观测，只是在后期将二维数据组合在了一起。而真三维则是在发射极发射时所有接收机都会接收。分布式三维电法就是一种真三维观测系统。分布式三维电法采用灵活的电极发射方式和分布式矢量接收方式采集数据[10]，当发射电极与测量电极平行时，可以获得最大强度的信号，正交时获得的信号强度最小。在装置方面也可以根据不同需求采用不同的装置组合，使探测深度和分辨率同时满足要求。该采集方式适合大面积高精度的矿产勘探[11]，不仅可以提高探测深度，而且还可以提高横向上的分辨率。

常用的电法勘探方法有很多，但不管用哪种方法勘探，其原理都是基于地下目标体与岩石的电性差异。本文中使用分布式电法基于激发极化法，激发极化法是以不同岩石、矿石激电效应之差为物质基础，通过观测和研究大地激电效应，来探查地下地质情况的一种分支电法。激发极化法是寻找金属矿的主要物探方法，同时在寻找地下水和石油天然气方面也有成功的应用[12-14]。

均匀半空间条件下体极化场的计算：

(1)

其中，ρ(Ω·m)为均匀无限半空间电阻率；I(A)为电流大小，采用“等效电阻率法”：

(2)

其中，η(%)为极化率，得到体极化总场电位差：

(3)

其中，ΔU(mV)为电位差，两式相减得二次电位差：

(4)

(5)

3　分布式电法勘探正演

本文正演使用的电法为激发极化法，该方法是以不同岩石、矿石激电效应之差为物质基础，通过观测和研究大地激电效应，来探查地下地质情况的一种分支电法。

3.1分布式电法布极

本次模拟分布式电极如图1所示，接收机全部为L型。B极放在无穷远，仅移动A极。在常规采集模式下仅增加一个电极就可以多采一倍的数据。同时接受X方向和Y方向的信息，正交的两个电极在同时测量时最终能够得到更高的分辨率。

3.2分布式电法正演结果

使用分布式采集系统，在采集时能同时得到两个方向的数据，最终处理时则可以根据需要选取两个方向的数据同时处理，或者只选取一个方向的数据处理，另一个方向则做为参考。本文正演的地电模型见图2，低阻异常体在X方向和Y方向分布一致，X和Y方向求解区域为[-400m,400m]，Z方向为200m，使用算法为几何多重网格算法，该方法具有求解精度高、大网格求解速度快等特点。

使用Surfer软件获取正演主剖面的数据得到图3。图3(a)展示了分布式观测系统在X方向上的视电阻率剖面图。从图中可以看出，具有典型的三极装置相应特征，沿着X方向，在异常体边缘区域显示出低阻异常。图3(b)显示了分布式观测系统在X方向数据做出的极化率剖面图。在图3中，因为使用了三极装置，剖面图中的异常区域偏离了实际模型中的异常体区域。但是也正常反映出三级装置采集的数据情况。

图1　分布式电法布极方式Fig.1　Distribute 3D DC method acquisition configuration

使用Voxler软件获取正演区域的切片图，见图4和图5。图4和图5分别反映了X方向和Y方向采集时电阻率和极化率的变化，通关观察两个方向的结果可以发现差别是很大的，X方向信号较强，完全地反映出激发极化异常体的位置。Y方向为正交方向，接收到的信号最弱，反映出了异常体的大概位置，可以使用Y方向的数据对X方向数据加以修正。当同时观测X和Y方向的数据时，更容易确定异常体的大概位置。

图6为固定极距AO时X方向和Y方向的电阻率图，从图6中可以看出，激发极化法采集时异常体的位置偏离了原本异常体最中心的位置，在异常体边缘分别表现出高低阻。同时观测X方向和Y方向的数据，能够更准确地确定异常体在X和Y方向的范围。

图2　低电阻率模型示意图Fig.2　Sketch map of the low resistivity model

图3　分布式电法主剖面视电阻率与极化率Fig.3　Main section of distributed 3D DC method(a) Apparent resistivity;(b) Polarization

图4　X方向采集数据结果Fig.4　The results of the X direction data(a) Apparent resistivity;(b) Polarization

图5　Y方向采集数据结果Fig.5　The results of the Y direction data(a) Apparent resistivity;(b) Polarization

图6　AO=15时XY平面视电阻率Fig.6　XY plane apparent resistivity of AO=15(a) X direction;(b) Y direction

4　结论与展望

通过将分布式电法应用到激发极化法中正演，可以归纳为以下几点：

1)通过正演模拟可以看出，基于激发极化法的分布式电法能够采集到比常规布极方法更多的数据，具有分辨率高、成本低等特点。

2)分布式电法采集数据全面、有效地提高了横向分辨率，更容易确定异常体的横向位置。

3)在本次正演中，还涉及到算法方面的限制，三维正演中需要对多个源的数据进行正演，普通串行程序计算速度非常慢，后期可以使用并行程序加速分布式电法在激发极化法中的正演。

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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

国家自然科学基金(编号：41164003、41404057)；国家科技支撑计划(编号：2011BAB04B03)

尹敏(1989-)，男，硕士研究生，主要从事电磁法正反演研究。E-mail:yinmin1989@foxmail.com

P631.3

A

2016-01-10