电偶源瞬变电磁测深研究

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1、电偶源瞬变电磁测深研究煤炭科学研究总院西安分院陈明生等1999年53一、本原理　　摘要　从分析瞬变电磁测深激发波形的频谱出发，进而证明瞬变电磁测深与频率电磁测深场分量间的关系，最后论述了探测地质结构的物理原理。1　引言　　瞬变电磁测深属时间域电磁感应方法，它利用接地电极或不接地回线通以脉冲电流而在地下建立起一次脉冲磁场，在一次磁场间歇期间，在时域接收感应的二次电磁场。由于早期信号反映浅部地电特征，晚期信号反映较深部地电断面，这就可以达到测深的目的。　　有关瞬变电磁测深的参考文献较多［1～6］，笔者主要研究深层电偶源瞬变电磁测深。目前

2、国内主要利用磁偶源(不接地线圈供电)瞬变电磁测深，其装置常采用共中心的重叠回线、中心回线，由于受发射功率的限制，探测深度一般为n×10～n×102m。和频率电磁测深类似，要探测更大的深度，通常应采用接地电偶极源瞬变电磁测深，实现探测n×102～n×103m的深层勘探。深层瞬变电磁测深在煤田、油气田、地热田和地壳深部勘探方面有着重要作用。它利用二次场可实现近区勘探，对地层，特别对低阻层分辨能力强；易于实现一发多收，采用类地震的施工和资料处理方法，生产效率也高。因此国外正在发展深层电偶源瞬变电磁测深，俄罗斯称其为固定源建场法，欧美称其为

3、LOTEM(LongOffsetTransientEM)。并已有相应的野外采集系统，俄罗斯有ЦЭС—3，德国DMT公司有DEMS—IV、DEMS—V(TEAMEX)，53metronix公司的GMS—06，美国Zonge公司有GDP—16、GDP—32，加拿大Phoenix公司有V—5、V—6，我国石油物探局五处有SDF—8建场法仪。　　目前西安分院也在为胜利油田改制俄罗斯建场法仪，并帮助调通俄罗斯资料处理与解释软件，另外又研制出一套适应性更强的资料解释软件，将时间窗口范围扩充到10－5～102s，对浅层、中深层和深层的电偶源瞬变电

4、磁测深都适用，资料处理与解释方法也比较多样。　　煤田勘探虽然不需要像油气田勘探深度那么大，但由于矿区电干扰大，利用电偶源瞬变电磁测深，应采用大功率发射，小偏移距(发射与接收间距离，一般用r表示)接收，以提高信噪比；并利用其分层(特别是含水层)能力强，探测高阻基底面清楚的特点，单独或和地震结合可以解决采区勘探问题，重点解决陷落柱、断层、奥陶纪灰岩基底起伏以及和水有关的地质问题。　　笔者力图从理论与实践的结合上将适于深层勘探的电偶源瞬变电磁测深方法论述清楚，以便发挥该方法的独特优点，提高应用效果。2　瞬变电磁测深一次激发波形的频谱　　瞬

5、变电磁测深利用脉冲电流供电，其波形主要有阶跃状、间断双极性方波、连续双极性方波等来激发二次电磁场。根据傅里叶频谱分析理论，任何一种脉冲都可分解成许多正弦波或余弦波成分；每个谐波成分将对导电体激励起按频率域电磁测深中的规律的电磁响应。这种响应将有对应的振幅值和相位。如果将时域中各谐波激起来53的二次场提取出来，这便是瞬变电磁信号，以此作为研究地质结构的依据。　　对瞬变电磁测深，多采用双极性脉冲为激发场源，这是为了有效地压制观测系统中直流偏移和超低频噪声干扰，为了将不同时域的相应二次场进行叠加，以消除随机干扰，提高信噪比，需采用周期性脉

6、冲序列连续激发二次场。但是观测的结果只不过是单个脉冲响应的重复，因此这里仅就单个脉冲波形及其频谱加以分析。　　求单个脉冲波形的频谱需做傅里叶变换，这里采用的傅里叶变换对为：以适应所采用的谐时变因子e－iωt。　　通过上式确定一个函数的傅氏变换，有时比较繁琐，借助狄拉克(Dirac)δ函数可以比较方便地得到同样的结果。这是因为各种脉冲波形的时间函数，一般可以求导几次直到它变成一些δ函数的叠加为止。这样就可根据傅氏变换的微分性质和时移性质对应各δ函数的变换加在一起，得到原来函数的傅氏变换。532.1　垂直阶跃函数的频谱　　假设接地电偶极

7、子的供电电流I在瞬间接通，其波形如图1a，可用时间阶跃函数表示为图1　阶跃函数(a)与δ函数(b)的关系图　　对t=0处的间断点可不加定义，这不影响分析结果，u(t)为单位阶跃函数，其导数即为δ函数图形示于图1b。　　δ函数的傅氏变换为53　　上述阶跃函数的傅氏变换为　　　　如果将供电直流电流瞬间断开，其负阶跃函数表示为　　　　很容易证明，对于超前或滞后的负阶跃函数，其傅氏变换为　　2.2　其他脉冲函数的频谱　　按照垂直阶跃脉冲函数求频谱的方法，不难求矩形脉冲函数的频谱得　　　其求解图示于图2。53图2　用δ函数方法求解矩形脉冲频谱

8、　　对于梯形脉冲函数的频谱为其求解图示于图3。图3　用δ函数方法求解梯形脉冲频谱　　对斜阶跃脉冲函数(图4)的频谱为　图4　正(a)和负(b)斜阶跃函数53　　前面所分析的几种波形都是单脉冲。实际应用中，一般采用周期性重复的双极性脉冲