瞬变电磁积分方程法正演模拟研究

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实际各种复杂的地电条件使得三维瞬变电磁响应变得十分复杂。研究一种有效和快速的三维正演模拟方法对于识别各种因素的影响具有重要意义,也为三维反演奠定了理论基础。积分方程法只对异常体区域进行剖分和计算,具有速度快和占用内存少等优势,故近年来愈受到人们的关注和重视,并取得较快的发展。我们整理和修正了前人所推导的层状介质背景下电磁张量格林函数,同时引进三种计算加速技术即QWE法、三维牛顿插值和群变换理论,形成了磁性源瞬变电磁三维正演程序。最后我们模拟了不同地电模型的三维瞬变响应特征。数值模拟结果表明:(1)高阻异常体无显著异常瞬变响应;异常体电阻率越低,感应电压衰减越慢且幅值越大,异常体影响时窗越宽。埋深增加会缓慢降低信号幅度,使得衰减曲线与均匀半空间的衰减曲线分离点延后。随着线圈尺寸的增加,全程段感应电压幅值均增大。导电性覆盖层使得衰减曲线与背景场的衰减曲线分离时间更晚。(2)导电性覆盖层影响。导电性覆盖层使得异常体可探测时窗变窄。基岩电阻率较高时,可从总的瞬变响应直接减掉覆盖层响应并用均匀半空间模型来解释确定异常体的参数。覆盖层厚度较小时,矿体与覆盖层直接接触可显著增强异常响应;覆盖层厚度较大时,即使矿体与覆盖层直接接触,亦无显著异常。(3)水平多异常体模型。大定源回线装置无法分辨多异常体。采用动源观测系统做进一步勘探工作消除多异常体造成的反演解释不确定性。对于中心回线装置,水平方向上分辨两个异常体的必要条件是其间隔不小于线圈尺寸的一半。当异常体间隔小于线圈尺寸的一半时,多测道剖面曲线的中间单个极小值反映的是两个异常体水平方向上的中间位置;当异常体间隔大于线圈尺寸的一半时,多测道剖面曲线的两个极小值可准确反映异常体的水平位置。(4)浅部低阻体电导率影响。浅部相对低阻体(相对于目标体)对早期段有显著影响,对晚期段几乎无影响;浅部相对高阻体(相对于目标体)在早期段影响很大,随后迅速减小,晚期段甚至出现负值;与异常体电阻率相同的浅部不均匀体虽然在早期段贡献不如浅部相对高阻体,但是在晚期段超过了浅部相对高阻体。(5)浅部低阻体规模影响。在早期段,浅部低阻体对瞬变响应影响较大,曲线形态变化较为复杂,对深部目标体的屏蔽效应显著;在晚期段,小规模低阻体对曲线形态影响不大,只是响应幅值发生变化,能判断异常体的范围,较大规模浅部低阻体完全破坏了目标体的瞬变响应特征。(6)激发极化效应的影响。IP效应使瞬变响应出现负值;较之一维,三维IP效应的正响应较弱,而负响应出现更早和幅值更大;IP响应随着异常体埋深的增加而急剧推迟和减弱。同时存在浅部低阻极化体和深部导电性基底时,瞬变响应衰减曲线出现二次变号现象。(7)含极化效应的瞬变曲线包含正响应(PR)和负响应(NR),负响应与极化异常体属性有关。随着发射线圈半径的增加,NR极值增大并在线圈尺为异常体水平尺寸1/2或1/3时达到极值。极化参数变化对PR的影响可忽略不计;NR极值随着极化率m或频率相关系数c的增加而增加,随着时间常数τ的减少而增加。PR幅值随着线圈尺寸增加而增大,当线圈尺寸接近异常体的水平尺寸时,PR增长速率变缓慢,几乎达到饱和值;继续增大时,有微弱的减小,因为感应电压越来越受到高阻围岩的影响。PR随着异常体水平尺寸的增加而增大,对于大线圈尺寸时尤为明显;对于小尺寸异常体,NR极值随线圈尺寸变化的曲线具有一个显著的最大值点,而对于较大的异常体,NR极值曲线在一定的线圈尺寸范围内出现“最大值平台”。异常体厚度对PR和NR极值影响不大。NR极值随着异常体埋深的增加而迅速减小,而PR受其影响较小。当线圈接近异常体边缘时,NR极值迅速下降1至2个量级,PR随偏移距的增大缓慢衰减,且随发射线圈尺寸整体呈线性关系。围岩电阻率减小,NR极值显著减小,PR几乎无影响;异常体电阻率增大,PR和NR显著减小。
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