瞬变电磁法拟地震成像研究进展

第22卷 第3期
地 球 物 理 学 进 展Vol.22 No.32007年6月(
页码:811~816)PROGRESS 
IN GEOPHYSICSJune 2
007瞬变电磁法拟地震成像研究进展
李 貅1, 薛国强2, 郭文波3
(1.长安大学地质工程与测绘工程学院,西安710054; 2.
中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029;3.西安交通大学电子与信息工程学院,西安710049
)摘 要 瞬变电磁法是工程地球物理勘察中应用较多的一种勘探方法之一,瞬变电磁法拟地震成像方法研究是当前电磁探测理论与应用研究的热门.
文中详细叙述了瞬变电磁法拟地震成像的两种不同思路,一种是建立时间—频率转换经验公式,把TE
M数据转换成平面波数据,借鉴大地电磁法拟地震解释思路进行成像,另一种是通过积分变换,把扩散场变成虚拟波场,把电磁衰减信号变成拟地震子波,然后按照地震解释法进行解释,并分析了各自存在的的问题.
指出下一步研究的方向.关键词 瞬变电磁法,拟地震,成像,波场转换
中图分类号 P631     文献标识码 A     文章编号 1004 2903(2007)03 0811 06
犚犲狊犲犪狉犮犺狆狉狅犵狉犲狊狊犻狀犜犈犕狆狊犲狌犱狅 狊犲犻狊犿犻犮犻犿犪犵犻狀犵
LIXiu1, XUEGuo qiang2,
 GUOWen bo3
(1.犛犮犺狅狅犾狅犳犌犲狅犾狅犵狔犪狀犱犛狌狉狏犲狔犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵,犆犺犪狀犵,犃狀犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犡犻,犪狀710054,犆犺犻狀犪;2.犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犌犲狅犾狅犵狔犪狀犱犌犲狅狆犺狔狊犻犮狊,犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲狊,犅犲犻犼犻狀犵100029,犆犺犻狀犪;3.犛犮犺狅狅犾狅犳犈犾犲犮狋狉狅狀犻犮犪狀犱犐狀犳狅狉犿犪狋犻狅狀犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵,犡犻,犪狀犑犻犪狅狋狅狀犵犝狀犻狏犲
狉狊犻狋狔,
犡犻,犪狀710049,犆犺犻狀犪)犃犫狊狋狉犪犮狋 Transientelectromagneticmethod(TEM)isoneofpopularusedmethodinengineeringandgeophysicalexploration,thestudyofTEMpseudo seismicimagingisthepopularsubjectinthetheoryandapplicationofelectro magneticdetecting.Inthispaper,weintroducetwowaysofTEMpseudo seismicimaging,onewayistransformingTEMdatatoplanewavedata,andfinishingTEMpseudo seismicimagingbasingonMTpseudo seismicmethod.An otherwayistransformingdiffusionfieldintopseudo wavefield,andtransformingelectromagneticdecaysignalintopseudo seismicwavelet,andfinishTEMpseudo seismicimagingbasingonseismicmethod.Weanalysestheexistingprobleminthetwoimagingwayandguidethedirectionofnextstudy
.犓犲狔
狑狅狉犱狊 transientelectromagneticmethod,pseudo seismic,imaging,wave fieldconversion收稿日期 2006 06 07 修回日期 2007 03 20.
基金项目 国家自然科学基金重点项目(50539080),中国科学院知识创新工程重要方向资助项目(KZC2 y
w 113),中国博士后基金(2005038388
)和中国科学院王宽诚博士后奖励基金联合资助.作者简介 李貅,男,1958年生,博士,长安大学教授.研究方向为电磁探测理论与应用.(E mail:lixiu@chd.edu.cn
)0 瞬变电磁方法及特点
瞬变电磁法的测量原理是利用不接地回线(或电偶源)
向地下发送一次脉冲磁场(或电场),即在发射回线上供一个电流脉冲方波,
方波后沿下降的瞬间,将产生一个向地下传播的一次瞬变磁场,在该磁场的激励下,在地质体内产生涡流,其大小取决于该地质体的导电能力,导电能力强则感应涡流强.在一次场消失后,涡流不能立即消失,它将有一个过渡过程(衰减过程),该过渡过程又产生一个衰减的二次
场向地下传播.
在地表用接收线圈接收二次磁场,该二次磁场的变化,将反映地下介质的电性情况,在接收机中按不同的延迟时间测量二次感应电动势,得
到二次场随时间衰减的信号[1,2]
由于瞬变电磁测深法是在一次场断电后测量纯二次场,不存在一次场的干扰,此外,从富里叶变换可知,一个阶跃形脉冲实际上是由各种高频和低频谐波叠加而成的,产生的场是一种宽频带电磁波场,因此与频率域电磁法相比,瞬变电磁测深法具有以
下优点[3,4,5]:
地 球 物 理 学 进 展22卷
(1)断电后观测二次场,可以进行近区观测,减少旁侧影响,增强电性分辨能力;
(2)可用加大功率的方法增强二次场信号,提高信噪比,从而增加勘探深度;
(3)穿透高阻层能力强;
(4)由于采用人工源方法,随机干扰影响小;
(5)采用重叠回线装置工作,可以减小地形影响;
(6)线圈形状、方位要求相对不严格,测地工作简单,工效高;
(7)由于测量磁场,受静态位移的影响小;
(8)通过多次脉冲频号场的重复观测叠加和空间域多次覆盖技术的应用,可以提高信噪比和观测精度;
(9)可以通过选择不同的时窗窗口进行观测,有效地压制各种噪声,可以获得不同勘探深度,使剖面与测深工作与一体.
1 瞬变电磁法的发展方向
在我国瞬变电磁法的研究、开发与实践已经有三十年的历史,在方法和仪器等方面取得了很大的进步[6~12],并且在实际中得到较广泛的应用[13].但从目前看,在理论研究、仪器研制方面处于初级阶段[14].一方面理论研究虽已解决了一维正反演问题,但在二三维的研究还未达到应用程度[11].国内仪器生产的规模性和持续性较差,加之应用推广并不普遍,受市场经济的影响,国内越来越多的生产单位和科研院所都购置了国外生产的多功能、多方法仪器,使国内自成体系的方法研究和发展受到制约.因此,可以认为瞬变电磁法的发展方向可以概括为以下几个方面[15,16].
1.1 理论研究方面
近年来,瞬变电磁法的研究和应用比较活跃[17~21].在注意发展研究复杂地电条件下二三维问题正反演的同时[22],更应注意实际应用效果,对瞬变电磁拟地震的偏移成像技术,瞬变电磁法各种干扰信号的分离技术研究和解释方法是一个值得注意的研究方向.当前国内、外学者寻一个数学上的处理办法,将瞬变电磁场变换成波场,即将电磁响应中与传播有关的特征提取出来,而把电磁波传播过程中与频散、衰减有关的特征进行压制或去除.如果能够实现的话就能将瞬变电磁场的求解问题转化为大家所熟悉的波动方程的求解问题,就能将地震偏移成像技术、Born近似反演技术、脉冲谱反演技术、层
析成像反演技术等用于瞬变电磁场的反演解释中[23].基于电磁波在导电介质中的传播和地震波在弹性介质中传播的运动相似性基础上建立起来的反演解释方法这些年来有了很大发展,取得了卓有成效的研究成果,在一定程度上缩小了解的非唯一问题,扩大了电磁法的应用范围,并可希望从观测资料中提取常规反演方法得不到的更多、更准确的地下信息.
1.2 方法技术方面
瞬变电磁法拟地震的多次覆盖技术研究是十分重要的,另外,多分量、阵列式观测技术研究也不应忽视.
1.3 仪器方面
主要是发展多通道,大功率、多功能、智能化电测系统,高灵敏度,高性能探头的研制,是现代电磁仪研制开发的难点.受市场和国外仪器的冲击,国内仪器需要向高性能,高分辨方向发展,乃是当务之急.
2 瞬变电磁法拟地震成像的焦点和前沿课题
2.1 基于时 频等效转换的瞬变电磁成像技术近年来,利用瞬变电磁场勘探石油、地热源和各种矿产资源的理论和应用研究工作在不断发展,对于探测埋在地下的低阻异常体,电磁法已证明是一种有
效的方法[24,25].但是,由于在分层、有耗媒质中电磁现象的复杂性,目前对实测数据的解释水平仍很低.近年来人们正深入研究二维、三维的复杂模型,力图更准确地描述大地中的瞬变电磁现象,并设法从电磁响应中获得地下结构的局部形状和尺寸等高分辨信息[4].
在远区情况下的瞬变电磁法拟地震成像方法相对容易[26].回线源瞬变电磁法是一种近区观测的电磁探测方法.由于场源的特殊性,在介质中传播的电磁场是扩散场.在研究回线源瞬变电磁法对地成像时,这一问题是不容回避的问题,这样,由扩散场向平面波场数据转换就成了问题研究的关键[27].文献[27]从大量模型计算入手,通过对两种场源测深正演数据的分析、对比,以及对两种场在地下介质中传播的特性分析,建立一种从瞬变电磁测深数据向平面波场转换的时间—频率对应关系.通过大量的理论模型正演计算、曲线对比、误差分析,结合场的特性分析,从两种场的穿透深度及反映地下电性结构一致性角度,经过详细推导,得出瞬变电磁测深视电阻率数据可以转换成平面波场视电
218
3期李 貅,等:瞬变电磁法拟地震成像研究进展
阻率数据的结论,构造了由时间到频率的转换关系式:
210犳
=狋.
(1)这一关系可以从两种场在地下介质中传播的时间、速度、深度等方面加以说明.
电磁场在地下介质中的扩散速度与地下介质的电阻率及时间有关系.在阶跃波断开后某一时间延迟,扩散深度与速度的关系如下
[27
]:
犇(狋)=∫
0犞犱(ρ,
狋′)d狋′,(2
)式中,犇(狋)是扩散深度,犞犱(ρ,狋)是扩散速度,ρ是介
质的电阻率,狋′是断电后的时间延迟.
为了推导瞬变电磁场在地下的传播速度及深度,我们分析瞬变电磁场在地下的建场机制及过程.在场源激励下,地下介质中产生涡流,在阶跃波断开后,涡流不会立即消失,而是有一个过渡过程,在这个过程中,由地下介质所产生的二次感应场经过了一个由无到有,由小到大,到极大,到衰减,再到无的过程.对于地下某一深度z,磁场微分量dB/d狋初始值为零,经过建场,到达极大值,最后衰减到零.某一频率或者某一时间的电磁场分布在地下的任何深度内.
从地球物理勘探的角度看,电磁探测深度与仪器的检测灵敏度、地电情况、围岩情况、噪声电平等因素有关.
在比较理想的情况下,也可能探测到埋深相当于几倍的趋肤深度(
或者扩散深度)的地下地质体,
在复杂地质情况下,也可能探测不到埋藏在趋肤深度(或者扩散深度)以内的地质体.但是,总的来说,对于同一介质的同一深度,扩散场的视电阻率与平面波场的视电阻率对此深度地电性结构应该有相同的反映.
在一维近似的情况下,把趋肤深度和扩散深度等效认为是电磁场的探测深度.这样,我们令两个深度相等,从而可以到频率与时间的类似公式(1)的关系式.
文献[16]提出了瞬变电磁法对地成像理论和成像数值计算方法:根据所构造的扩散场向平面波场转换时的时间
频率关系式,把时间转换成频率,这样就完成了扩散场数据向平面波场的转换.由转换后的视电阻率值求出平面波场的波阻抗,再由计算出来的波阻抗,
建立关于电性层反射系数序列的方程组,再通过线性规划法,求出反射系数序列,最终以反射系数为参数绘制成像剖面.
给出了瞬变电磁法对地成像数值计算步骤:
(1
)给出各种不同地电模型,分别进行正演计算.计算出视电阻率值,根据不同的地表电阻率,对早期道数据进行校正.
(2
)通过转换关系,把时间延迟变成频率,对理论模型正演数据或者实测视电阻率值进行域的变换,把时间域扩散场视电阻率值变成平面波场视电阻率值.
(3)由平面波场视电阻率值在频率域求出波阻抗.(4
)以波阻抗为参数,构建方程组.(5)用线性规划法求出反射系数序列.(6
)最终以反射系数为参数进行成像.2.2 基于波场转换的瞬变电磁成像技术
由于瞬变电磁场满足的微分方程事实上是一个扩散方程,因而不能采用目前大家熟悉的波动方程求解方法.所谓瞬变电磁场的波场变换是指:通过数学积分变换,将满足扩散方程的时域瞬变电磁场转换为满足波动方程的波场,
然后借助于地震中发展起来的一些比较成熟的成像方法技术,求解被探目
标体的物性和几何参数[28][29][30].
Weidelt[31]于1972年,Kunetz[32]
于1972年,
以及Levy[33
]等于1
988年,Lee[34]等于1989年的一些研究成果,都揭示了在层状大地介质中,电磁扩散方程与地震波动方程间存在有趣的数学对应形式,但他们研究问题的着眼点都是将对应地电模型的波场模拟结果变换成时域电磁响应.
但是更能激起学者们研究兴趣的与此恰相反,即采用波场逆变换,将已知时域场转换为波场,这将有利于偏移以及更加复杂的成像技术的应用.
从波场到时域场的波场正变换式[
34
]犎犿(狋)=1∫
∞0
τe-τ
狋犝(τ)d狋,(3)这一变换过程称为正问题(directproblems).
如果反过来,已知时域场求波场,则称为反问题(in verseproblems).众所周知,反问题往往和不适定性(ill posedn ess
)紧密相联,各种各样的反问题,不仅出现于地球物理问题中,而且出现于数学本身.波场正变换式是典型的第一类Fredholm型算子方程,而它的反问题有一个重要的特征,就是所谓的“不适定性”.关于“适定”(well posedness)和“不适定”(ill posedness)的概念是Hadamard为了描述数学物理问题与定解
条件的合理搭配,于20世纪初引入的[35].
瞬变电磁场所满足的扩散方程主要刻画电磁涡流场的感应扩散特征,而基于扩散方程的偏移成像
18
地 球 物 理 学 进 展22卷
及反演方法,一般对电性界面的分辨能力较差,如何寻到一个数学上的处理办法,将瞬变电磁场变换成“
波场”,即提取出电磁响应中与传播有关的特征,压制或去除电磁波传播过程中与频散、衰减有关的特征.
将瞬变电磁场的求解问题转化为波动方程的求解问题,就能将地震偏移成像技术;Born近似反演技术;层析成像反演技术等用于瞬变电磁场的反
演解释中[36].
文献[37]提出了从瞬变电磁场到波场的优化算法.
在波场的正变换中,在保证瞬变电磁场的计算精度的同时,应用两步最优化算法,成功地控制和减少了积分系数个数和离散数字积分的采样点个数,解决了在波场反变换式中,由于积分系数过多而产生的欠定方程组的问题,同时改善了第一类算子方程的不适定性.
在波场反变换中,将正则化算法用于逆变换过程的计算中,通过采用偏差原理和Newton
迭代格式选出最优的正则化参数,使得反变换所得到的波场稳定、可靠.通过对数值计算结果与已知波场函数对比,证明了该方法的有效性和实用性.大量的理论计算表明:
这种变换得到的虚拟波场,不仅满足波动方程,而且还类似于地震子波一样,具有传播、反射、透射特征.
通过理论研究已经解决了瞬变电磁场的波场变换问题,
这就为瞬变电磁场的偏移成像创造了条件.但瞬变电磁场偏移成像问题与地震勘探中的弹性波偏移成像问题有相似之处,但也不完全相同,需要指出:TEM虚拟波场是经过数学变换得到的,不是客观存在,
因此,还有其特殊性.2.3 逆时偏移成像方法2.3.1 stratton chu积分偏移成像方法
Zhdanov等
郑州广电宽带客户端
[38~40]
人,借鉴了地震勘探中的逆时
偏移概念,经过十余年来的系统研究,对时间域的瞬变电磁场进行了逆时偏移成像的深入研究,提出了偏移电磁场的概念,并且建立在逆时偏移电磁场基础上对二,三维反演问题也展开了最新的研究.瞬变电磁场的偏移应用的是stratton chu积分:
绝对值电路
-14π∫狋′
Γ
{(狀·犈)Δ
犌 +(狀×犈)×Δ犌
  +(狀×犎)σ犌 }·d狊d狋=犎(狉′,狋),(4)其中
=(μ0σ)1/22π1/2(
狋′-狋)3/2
exp-μ0σ狘狉′-狉狘4狘狋′-狋狘狌(狋′-狋).(5)这里
狌(狋′-狋
=1 狋<狋′
草地晚餐
0 狋>{
狋′
,(6
)G 是引入的格林函数,犈和犎是地表Γ上的电磁场,狀是Γ的外法线方向的单位矢量.(4)式表明,可以通过将地表观测到的电磁场值向下延拓,得到地下电磁场的分布,
延拓后的电磁场值在界面处发生突变,由此可以确定出地下介质的地电构造.Zh danov等人主要对孤立和多个电性异常体的模型做了实验研究,成像效果较好.2.3.2 k
irchhoff积分偏移成像方法将瞬变电磁场利用2.2中所述的算法进行波场变换得到“
波场”,将波场分析的原理即地震波场从地面向地下反向外推进行偏移成像的方法用于对瞬变电磁场的解释,形成瞬变电磁场的偏移方法.也就是对观测电磁数据向下延拓,构建产生响应的地下电阻率图像.
文献[15]中给出了克希霍夫积分法进行电磁波场偏移成像处理的数值计算方法.波场在地下传播可以用波动方程描述,其方程为:Δ
狌-1狏2 2狌
2=犉
上述方程的克希霍夫积分解为:
狌(狓,狔,
狕,狋)=-14π
[狌]  狀1()狉-1狉 狌 []{狀-1狏狉 狉 狀 狌 []}狋d犙+犉狉
,(7)
对于狌(狓,狔,狕,狋),当把狋改变-狋时,既是狑(狓,狔,狕,狋)=狌(狓,狔,狕,-狋)时,狑(狓,狔,
狕,狋)仍可满足同样的波动方程.对于狑是时间向前的问题,对于狌就是时间“倒退”的问题.可以把反射界面的各点看为同时激发上行波的源点.这样,我们可以把地面上的接收点作为二次发射源,将这些信息值时间“倒退”到原来状态,寻反射界面的波场函数,以确定反射界面.
设自激自收的上行波为犌(狓,狔,狕0,狋),它是地下反射界面作为源点发射的波场犵(狓,狔,狕,狋)在地面上狕=狕0上的值,
由(7)式可得:犵(狓,狔,
狕,狋)=-14π 犙
狀1()狉-1狉 狌 {狀  -1狏狉 狉 狀  }狋犌ξ,η,ζ0,狋+狉()
狏d犙+犉狉0
,(8
)上式中:犌ξ,η,ζ0,狋+狉(
狏取狋+狉狏
,是由于现在考虑的是波动的逆过程;事实上是由犵(狓,狔,
狕,狋)在地表4
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3期李 貅,等:瞬变电磁法拟地震成像研究进展
面上的值犌ξ,η,ζ
0,
()
狋求出地下的波场值,从而确定反射界面,这即是波场的向下延拓.
将三维边界元技术引入到克希霍夫积分计算中来,其最大的好处是能够实现三维曲面延拓计算,这在地震勘探中是很难实现的,这是由于公式(8)中存
论钢琴表演艺术在 犌
项,地震勘探中无法进行地表垂向梯度测量,相反瞬变电磁法利用梯度探头可以很容易地实现地表垂向梯度测量.另外,在速度分析中,可将瞬变电磁法中的反演技术融入其中,一方面,实现连续速度分析;另一方面,也可将反演与偏移成像相结合,提高解释的可靠程度.
通过对时间域的瞬变电磁场进行了逆时偏移成像的深入研究,将瞬变电磁虚拟波场从地面向地下反向外推进行偏移成像,建立了有瞬变电磁法特点的偏移成像方法.
3 结 论
提高探测精度是研究瞬变电磁法对地成像的目的.文中分析了瞬变电磁法的发展方向及拟地震解释研究的焦点问题.详细叙述了瞬变电磁法拟地震成像的几种不同思路.
当前研究中存在的问题是:拟地震解释中的速度分析研究不完善,两种转换方法的成像结果是一种近似解释方法,对复杂界面的成像有待于进一步研究,在实用性方面及应用推广方面还需要做更多的工作.律师法全文
低频电磁数据经数值计算转换成虚拟波动场数据时,虚拟波场波形随着偏移距和地层电导率的增大,存在严重的波形展宽效应.使得计算得到的虚拟波场数据分辨能力不足,对多个界面的多个反射分辨不理想.所以瞬变电磁法拟地震解释技术还要做更多的研究.
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