基于可控源音頻大地電磁法的場(chǎng)源影響校正新方法

肖鵬飛， 齊文杰*， 高永才， 徐鳳嬌， 李弘， 俞建寶

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院， 南京 211103； 2.成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院， 成都 610059)

可控源音頻大地電磁測(cè)深法(controlled-source audio magnetotelluric method，CSAMT)，是在大地電磁測(cè)深法(magnetotelluric sounding，MT)和音頻大地電磁測(cè)深法(audio magnetotelluric method，AMT)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種人工源頻率域測(cè)深方法。近年來(lái)，隨著地質(zhì)找礦向縱深發(fā)展，具有探測(cè)深度大、勘探能力強(qiáng)、分辨率高等特點(diǎn)的可控源音頻大地電磁法，在油氣勘查、金屬礦普查、水文及環(huán)境地質(zhì)等多個(gè)領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景[1]。CSAMT法觀(guān)測(cè)電磁場(chǎng)的頻率、場(chǎng)強(qiáng)和方向可由人工控制，克服了因天然場(chǎng)相對(duì)較弱、人文干擾較大時(shí)觀(guān)測(cè)的困難，其極化方向明顯，信噪比高，易于觀(guān)測(cè)[2]。

但同時(shí)也帶來(lái)一些負(fù)面影響，如與場(chǎng)源相關(guān)的場(chǎng)源效應(yīng)。CSAMT的場(chǎng)源效應(yīng)主要表現(xiàn)為：由于靠近場(chǎng)源而產(chǎn)生的非平面波效應(yīng)；由于場(chǎng)源下面的地質(zhì)情況或者場(chǎng)源與測(cè)深點(diǎn)之間的地質(zhì)情況而產(chǎn)生的場(chǎng)源附加效應(yīng)；由于場(chǎng)源與測(cè)深點(diǎn)之間的地質(zhì)異常體被投射而產(chǎn)生的陰影效應(yīng)等[3]。其中，最為突出的是近場(chǎng)效應(yīng)問(wèn)題，直接制約了CSAMT法的有效探測(cè)深度，嚴(yán)重影響了CSAMT法的勘探能力[4]。底青云等[5]認(rèn)為CSAMT資料處理的質(zhì)量依賴(lài)于近場(chǎng)校正的效果。

中外學(xué)者針對(duì)CSAMT方法的近場(chǎng)校正技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。通常的近場(chǎng)校正方法有如下幾種。

一是三角形校正法。其原理是利用波區(qū)和近區(qū)公式計(jì)算的視電阻率曲線(xiàn)在中間區(qū)形成三角形，其形態(tài)與大地電阻率無(wú)關(guān)，只與收發(fā)距有關(guān)，這種方法屬于經(jīng)驗(yàn)性的，對(duì)于簡(jiǎn)單的地質(zhì)情況可以得到較好的效果，但對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)情況，其校正效果還難以評(píng)價(jià)[4]。

二是K值校正法。該法利用均勻大地表面電磁場(chǎng)的精確表達(dá)式和波區(qū)漸進(jìn)表達(dá)式的比值，計(jì)算不同收發(fā)距時(shí)的修正系數(shù)，然后對(duì)卡尼亞電阻率進(jìn)行校正，這種方法的校正效果類(lèi)似三角形校正法，對(duì)層狀介質(zhì)的理論計(jì)算也不夠完善，且增加了磁場(chǎng)垂直分量的觀(guān)測(cè)[6]。

三是山下改正法。該法也是目前CSAMT非遠(yuǎn)場(chǎng)改正中常用的方法之一，雖然改正后的曲線(xiàn)較未改正曲線(xiàn)有接近MT曲線(xiàn)的趨勢(shì)，但應(yīng)指出這種方法在過(guò)渡區(qū)改正不足，而在近場(chǎng)區(qū)又改正過(guò)頭，導(dǎo)致測(cè)深曲線(xiàn)發(fā)生畸變，分析認(rèn)為這是由于將均勻大地CSAMT非遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的改正方法應(yīng)用于層狀大地非遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的改正，由于理論前提不同而導(dǎo)致改正效果欠佳[7]。

四是遠(yuǎn)場(chǎng)因子-近場(chǎng)因子(Kf-Kn)系數(shù)校正法。該法是由加拿大鳳凰公司推出的，由于該法本身的近似性及其隨觀(guān)測(cè)條件而變化，使其校正精度也不高，在地層分布較復(fù)雜時(shí)，校正結(jié)果與MT曲線(xiàn)偏差較大，分析認(rèn)為這也是由于將均勻大地的改正方法應(yīng)用于層狀大地所致[8]。

五是全頻域視電阻率法。當(dāng)CSAMT測(cè)量不滿(mǎn)足波區(qū)條件時(shí)，運(yùn)用電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量與收發(fā)距、方位角和電極距之間的關(guān)系，對(duì)Cagniard電阻率的計(jì)算公式進(jìn)行了修正，近年來(lái)這一校正方法得到了較為廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[9]。

張凱等[2]國(guó)內(nèi)學(xué)者認(rèn)為，所有近場(chǎng)校正方法都不是最有效和最完善的，處理后的近場(chǎng)成分還是無(wú)法消除，仍然影響著對(duì)深部信息的提取和認(rèn)識(shí)。在這方面，楊毅等[10]于2009年利用積分方程法研究了CSAMT中存在的源效應(yīng)問(wèn)題，認(rèn)為源效應(yīng)問(wèn)題非常復(fù)雜，不存在簡(jiǎn)單的校正方法，實(shí)際工作應(yīng)盡量在遠(yuǎn)區(qū)。

鑒于近場(chǎng)校正問(wèn)題的復(fù)雜性和困難程度，基于一維正演模擬，借鑒Kf-Kn系數(shù)校正法的思路，現(xiàn)從如下兩方面入手，一方面，提出視電阻率數(shù)據(jù)近場(chǎng)校正與反演處理協(xié)同聯(lián)進(jìn)的資料處理策略——即反演遞歸校正法，以往所有的近場(chǎng)校正方法都是將校正與反演分割開(kāi)來(lái)單獨(dú)進(jìn)行的，考慮到近場(chǎng)影響難以一步校正到位的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，采用分步收斂校正策略，即校正結(jié)果與反演地電模型以高度耦合的方式，在同步收斂中最終實(shí)現(xiàn)比較理想的校正和反演處理效果；另一方面，考慮到在很多工區(qū)存在一定量的測(cè)井、地震、地質(zhì)等已知信息，為降低CSAMT實(shí)測(cè)資料處理結(jié)果的非唯一性，又提出基于構(gòu)建研究區(qū)層狀背景地電模型的近場(chǎng)校正方案。最后，以一條地?zé)峥碧綄?shí)測(cè)剖面的數(shù)據(jù)處理為例，通過(guò)以上兩種校正方法的聯(lián)合運(yùn)用，驗(yàn)證方法的可行性和有效性。旨在進(jìn)一步深化對(duì)近場(chǎng)校正方法的研究，為推動(dòng)CSAMT實(shí)測(cè)資料處理技術(shù)的進(jìn)步做出探討。

1 基于均勻半空間正演模擬的查表校正法

1.1 方法原理

對(duì)CSAMT勘探，理論上只要使收發(fā)距r足夠大，就可以使觀(guān)測(cè)點(diǎn)處于遠(yuǎn)區(qū)或波區(qū)，但是在實(shí)際工作中，由于發(fā)射功率的限制，加之電磁場(chǎng)隨r的增大以高次冪而衰減，所以當(dāng)r足夠大以后，往往使電磁場(chǎng)的信號(hào)變得微弱，不能保證觀(guān)測(cè)精度。因此，在r有限大的情況下，在采用MT常規(guī)方法處理實(shí)測(cè)資料之前，需要做近場(chǎng)和過(guò)渡場(chǎng)校正處理。

均勻半空間地面水平電偶極子源的電磁場(chǎng)[8]的坐標(biāo)方位如圖1所示，設(shè)電偶極子AB與X軸方向一致，地面上任一點(diǎn)M與AB中點(diǎn)O之距離為r，OM連線(xiàn)與AB線(xiàn)(即X軸)之間的夾角為θ，均勻半空間電阻率為ρ1，在多層模型中，ρ1代表第一層電阻率。

圖1 水平偶極及坐標(biāo)示意圖Fig.1 Schematic diagram of horizontal dipoles and coordinates

在遠(yuǎn)區(qū)有

(1)

(2)

在近區(qū)有

(3)

(4)

式中：i為復(fù)數(shù)；Hy為磁場(chǎng)分量；Ex為電場(chǎng)分量；I為供電電流強(qiáng)度，A；AB為供電偶極長(zhǎng)度，m；r為場(chǎng)源到接收點(diǎn)之間的距離，km。

在近區(qū)情況下，由式(3)有|Hy|∝1/r2。

導(dǎo)入因子Kf/5，令

(5)

導(dǎo)入近場(chǎng)因子Kn，令

(6)

通過(guò)計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)因子Kf和近場(chǎng)因子Kn與fr|Hy/Ex|(發(fā)射頻率、收發(fā)距與阻抗倒數(shù)模三者的乘積，下文簡(jiǎn)稱(chēng)綜合因數(shù))的關(guān)系，如圖2所示，其關(guān)系竟出乎意料的簡(jiǎn)單，Kn在近場(chǎng)時(shí)為一常數(shù)0.63，Kf在遠(yuǎn)場(chǎng)為一常數(shù)1.0。從實(shí)際運(yùn)用的f、r和測(cè)定的|Hy/Ex|值可以把場(chǎng)分為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)、近場(chǎng)區(qū)和過(guò)渡場(chǎng)區(qū)。

在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，因?yàn)镵f=1，表明式(5)與Cagniard方程相同，而在近場(chǎng)區(qū)和過(guò)渡場(chǎng)區(qū)則必須用Kf和Kn系數(shù)進(jìn)行校正。

圖2 Kf和Kn與fr|Hy/Ex|關(guān)系曲線(xiàn)Fig.2 Kf and Kn and fr|Hy/Ex| relation curve

1.2 校正步驟

CSAMT一維正演模擬采用的是斯克里普斯海洋研究所Kerry Key公布的Dipole1D程序[11-13]。所述近場(chǎng)校正方法的研究是以赤道偶極(θ=90°)情形為例展開(kāi)的(其他θ角度值觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的校正方法是類(lèi)似的)，且僅討論應(yīng)用遠(yuǎn)場(chǎng)因子Kf對(duì)實(shí)測(cè)視電阻率進(jìn)行校正的問(wèn)題?；诰鶆虬肟臻g正演模擬的查表校正法之?dāng)?shù)據(jù)處理過(guò)程如下。

步驟1計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)因子Kf和綜合因數(shù)fr|Hy/Ex|的對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)表。

首先根據(jù)生產(chǎn)施工(或正演模擬)所使用的發(fā)射—觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)模型文件設(shè)置如下幾何參數(shù)：包括發(fā)射偶極長(zhǎng)度、電偶極子計(jì)算的高斯求積積分點(diǎn)數(shù)、發(fā)射偶極XYZ坐標(biāo)及其水平角和傾角、測(cè)線(xiàn)端點(diǎn)XYZ坐標(biāo)等。測(cè)線(xiàn)端點(diǎn)的布置不僅要覆蓋實(shí)際測(cè)線(xiàn)觀(guān)測(cè)范圍，還要適當(dāng)超出一定距離，以盡量擴(kuò)大綜合因數(shù)分布區(qū)間，方便后續(xù)對(duì)Kf校正值做查表插值計(jì)算(若實(shí)際綜合因數(shù)大小超出了數(shù)據(jù)表中的區(qū)間范圍，則要采用外推方法計(jì)算Kf值，這將會(huì)導(dǎo)致校正誤差的增大)。

然后設(shè)置物性參數(shù)。均勻半空間的物性參數(shù)僅有一個(gè)，即電阻率值ρ1，但在計(jì)算Kf和綜合因數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)表時(shí)，同樣是出于盡量擴(kuò)大綜合因數(shù)區(qū)間范圍的目的，研究10、100、1 000、10 000 Ω·m由低到高幾種有代表性的均勻半空間情形。

當(dāng)模型參數(shù)文件設(shè)置完成后，執(zhí)行Dipole1D程序，對(duì)構(gòu)建好的一系列均勻半空間地電模型，分別進(jìn)行正演模擬(發(fā)射頻率采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)文件中的頻率表)，最后將這幾種模型計(jì)算得到的Kf校正值，合并成一個(gè)總表，并按綜合因數(shù)由小到大的順序排序后備用，Kf具體曲線(xiàn)形態(tài)參見(jiàn)圖2中的藍(lán)色曲線(xiàn)。

步驟2對(duì)實(shí)測(cè)視電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行場(chǎng)源影響校正處理。

首先，從實(shí)際運(yùn)用的發(fā)射頻率f、收發(fā)距r和測(cè)定的Ex和Hy電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)各頻率的實(shí)際綜合因數(shù)值；然后，通過(guò)查表經(jīng)內(nèi)插外推確定Kf值；最后，將各實(shí)測(cè)視電阻率值與求得的Kf相乘，便完成了對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的近場(chǎng)校正處理。

CSAMT法的野外觀(guān)測(cè)資料通過(guò)近場(chǎng)和過(guò)渡場(chǎng)校正以后，就得到了相當(dāng)于遠(yuǎn)場(chǎng)的視電阻率結(jié)果，于是就可以運(yùn)用目前已完善的 MT 或 AMT的所有資料處理及解釋方法，開(kāi)展后續(xù)的研究工作了。

1.3 算例分析

為驗(yàn)證上述查表法對(duì)CSAMT視電阻率數(shù)據(jù)的場(chǎng)源影響校正效果，設(shè)計(jì)了3個(gè)地電模型，各模型正演模擬數(shù)據(jù)及其校正結(jié)果如下。

1.3.1 模型一：Q型三層地電模型

模型的幾何參數(shù)和物性參數(shù)分別為h1=300 m(第一層厚度)，ρ1=10 000 Ω·m(第一層電阻率)，h2=300 m(第二層厚度)，ρ2=1 000 Ω·m(第二層電阻率)，ρ3=100 Ω·m(第三層電阻率)，發(fā)射偶極長(zhǎng)度為4 000 m，分別對(duì)收發(fā)距r為4 km和8 km兩種情形進(jìn)行了研究，模擬及校正結(jié)果曲線(xiàn)如圖3所示。

一維正演模擬結(jié)果，參見(jiàn)圖3(a)、圖3(b)中的紅色曲線(xiàn)，通過(guò)與MT參考曲線(xiàn)對(duì)比可知，當(dāng)r=4 km時(shí)，從200 Hz開(kāi)始，ρs曲線(xiàn)便進(jìn)入了過(guò)渡場(chǎng)區(qū)，并在最低頻率0.125 Hz的近場(chǎng)區(qū)，曲線(xiàn)上升至2 000 Ω·m；當(dāng)r=8 km時(shí)，ρs曲線(xiàn)則是從12.5 Hz才逐漸進(jìn)入過(guò)渡場(chǎng)區(qū)的，而在最低頻點(diǎn)曲線(xiàn)也只上升到了600 Ω·m左右?？梢?jiàn)，在其他條件不變的情況下，適當(dāng)增大收發(fā)距，便可明顯降低進(jìn)入過(guò)渡場(chǎng)區(qū)的頻率閾值及近場(chǎng)影響程度，有利于觀(guān)測(cè)到更大頻率區(qū)間的遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

查表法Kf校正結(jié)果，參見(jiàn)圖3(a)、圖3(b)中的藍(lán)色曲線(xiàn)，通過(guò)與MT參考曲線(xiàn)對(duì)比可知，兩種收發(fā)距情況下，都取得了非常理想的校正效果，而r=8 000 m時(shí)，校正曲線(xiàn)與MT曲線(xiàn)重合度更高。分析認(rèn)為，視電阻率數(shù)據(jù)校正效果上佳的原因，主要是由Kf與綜合因數(shù)關(guān)系表的適用性決定的。由本算例，可以把收發(fā)距越大校正效果越佳這一特征，作為評(píng)價(jià)過(guò)渡場(chǎng)和近場(chǎng)校正過(guò)程中，所使用上述關(guān)系表質(zhì)量?jī)?yōu)劣的一種判斷標(biāo)準(zhǔn)，即滿(mǎn)足這一特征說(shuō)明Kf與綜合因數(shù)關(guān)系表質(zhì)優(yōu)、適用性好，否則說(shuō)明質(zhì)劣、適用性差。

圖3 Q型三層地電模型模擬數(shù)據(jù)及場(chǎng)源影響校正結(jié)果Fig.3 Forward modeling data of Q type three-layer geoelectric model and the field source influence correction results

1.3.2 模型二：H型三層地電模型

模型的幾何參數(shù)和物性參數(shù)分別為第四系(Q)和第三系(R)地層厚度h1=300 m，電阻率ρ1=300 Ω·m；白堊系(K)地層厚度h2=300 m，電阻率ρ2=100 Ω·m；侏羅系(J)地層電阻率ρ3=500 Ω·m，發(fā)射偶極長(zhǎng)度為4 000 m，分別對(duì)收發(fā)距r為4 km和8 km兩種情形進(jìn)行了研究，模擬及校正結(jié)果曲線(xiàn)如圖4所示。

一維正演模擬結(jié)果，參見(jiàn)圖4(a)、圖4(b)中的紅色曲線(xiàn)，通過(guò)與MT參考曲線(xiàn)對(duì)比可知，當(dāng)r=4 km時(shí)，從100 Hz開(kāi)始，ρs曲線(xiàn)便進(jìn)入了過(guò)渡場(chǎng)區(qū)，然后隨頻率降低而高角度上升，并在最低頻率0.125 Hz，視電阻率值高達(dá)31 500 Ω·m以上；當(dāng)r=8 km時(shí)，ρs曲線(xiàn)則從55 Hz逐漸進(jìn)入過(guò)渡場(chǎng)區(qū)，在最低頻點(diǎn)曲線(xiàn)上升為12 500 Ω·m左右。這與模型一中所分析收發(fā)距對(duì)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響特征是類(lèi)似的。需要說(shuō)明的是，在H型地電模型的模擬曲線(xiàn)中，出現(xiàn)了“負(fù)尖峰”現(xiàn)象，這種“負(fù)尖峰”的出現(xiàn)主要是由于電場(chǎng)在過(guò)渡區(qū)的變化特點(diǎn)所致。當(dāng)電場(chǎng)由遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)入過(guò)渡區(qū)時(shí)，平面波向非平面波轉(zhuǎn)化，使得電場(chǎng)變小、曲線(xiàn)下降。當(dāng)繼續(xù)降低頻率時(shí)，由于基底高阻地層的影響，使得電場(chǎng)曲線(xiàn)形成一個(gè)極小點(diǎn)后逐漸增大。這樣相應(yīng)地就在CSAMT視電阻率曲線(xiàn)上產(chǎn)生了頻率范圍很窄的“負(fù)尖峰”[7]。

查表法Kf校正結(jié)果，參見(jiàn)圖4(a)、圖4(b)中的藍(lán)色曲線(xiàn)，通過(guò)與MT參考曲線(xiàn)對(duì)比可知，兩種收發(fā)距情況下，都取得了比較理想的校正效果，而r=8 km時(shí)，校正曲線(xiàn)的尾支與MT曲線(xiàn)重合度更高(缺點(diǎn)是對(duì)“負(fù)尖峰”畸變數(shù)據(jù)沒(méi)有起到校正作用)。根據(jù)上述對(duì)模型一校正效果的分析，可以認(rèn)為算例在過(guò)渡場(chǎng)和近場(chǎng)校正過(guò)程中，所采用的Kf數(shù)據(jù)表質(zhì)優(yōu)、適用性好，同樣體現(xiàn)了收發(fā)距越大校正效果越佳這一顯著特征。

圖4 H型三層地電模型模擬數(shù)據(jù)及場(chǎng)源影響校正結(jié)果Fig.4 Forward modeling data of H type three-layer geoelectric model and the field source influence correction results

1.3.3 模型三：電性呈“高-低-高-低”分布的四層地電模型

模型的幾何參數(shù)和物性參數(shù)分別為h1=200 m，ρ1=100 Ω·m，h2=200 m，ρ2=50 Ω·m，h3=900 m，ρ3=10 000 Ω·m，薊縣系(Jx)地層電阻率ρ4=100 Ω·m，發(fā)射偶極長(zhǎng)度為4 000 m，分別對(duì)收發(fā)距r為4 km和8 km兩種情形進(jìn)行了研究，模擬及校正結(jié)果曲線(xiàn)如圖5所示。

一維正演模擬結(jié)果，參見(jiàn)圖5(a)、圖5(b)中的紅色曲線(xiàn)，通過(guò)與MT參考曲線(xiàn)對(duì)比可知，當(dāng)r=4 km時(shí)，從300 Hz開(kāi)始ρs曲線(xiàn)便進(jìn)入了過(guò)渡場(chǎng)區(qū)，跨過(guò)“負(fù)尖峰”后，隨頻率降低而高角度上升，并在最低頻率0.125 Hz，視電阻率值高達(dá)63 000 Ω·m以上；當(dāng)r=8 km時(shí)，ρs曲線(xiàn)則是從250 Hz逐漸進(jìn)入過(guò)渡場(chǎng)區(qū)的，同樣在跨過(guò)頻帶稍寬的“負(fù)尖峰”后，隨頻率降低以稍低的斜率增大，在最低頻點(diǎn)曲線(xiàn)上升為31 500 Ω·m左右。這與模型二中所分析收發(fā)距對(duì)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)影響特征是類(lèi)似的。

查表法Kf校正結(jié)果，參見(jiàn)圖5(a)、圖5(b)中的藍(lán)色曲線(xiàn)，通過(guò)與MT參考曲線(xiàn)對(duì)比可知，兩種收發(fā)距情況下，校正效果均較差，特別是低頻段偏差較大，r=4 km時(shí)，在最低頻點(diǎn)偏差約0.7個(gè)對(duì)數(shù)單位；而r=8 km時(shí)，這一偏差則達(dá)到了0.85，同樣對(duì)“負(fù)尖峰”畸變數(shù)據(jù)沒(méi)有起到校正作用。據(jù)此，可以認(rèn)為算例在過(guò)渡場(chǎng)和近場(chǎng)校正過(guò)程中，所采用的Kf數(shù)據(jù)表質(zhì)良差、適用性欠佳，出現(xiàn)了隨著收發(fā)距增大而校正偏差亦隨之增大的異?，F(xiàn)象。為解決這一問(wèn)題，又提出了如下兩種校正方法：反演遞歸校正法和設(shè)計(jì)層狀背景模型校正法，希望能在一定程度上改進(jìn)Kf數(shù)據(jù)表的質(zhì)量，從而達(dá)到提高場(chǎng)源影響校正效果的目的。

圖5 四層地電模型模擬數(shù)據(jù)及場(chǎng)源影響校正結(jié)果Fig.5 Forward modeling data of four-layer geoelectric model and the field source influence correction results

2 反演遞歸校正法

基于均勻半空間正演模擬的查表校正法所列算例表明，簡(jiǎn)單的三層地電模型取得了比較理想的校正效果，而對(duì)稍為復(fù)雜的四層模型，則校正效果欠佳，分析認(rèn)為出現(xiàn)這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因，主要是由Kf數(shù)據(jù)表的質(zhì)量，亦即其對(duì)所論地電模型的適用性所造成的。為了提高對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的校正效果，重點(diǎn)應(yīng)在改進(jìn)Kf數(shù)據(jù)表的質(zhì)量，基于這種認(rèn)識(shí)，提出并開(kāi)展了反演遞歸校正法的研究。

2.1 校正步驟

所謂反演遞歸校正，就是以均勻半空間Kf視電阻率校正結(jié)果為基礎(chǔ)，通過(guò)一維OCCAM反演[14-15]，用層狀介質(zhì)取代均勻半空間來(lái)重新計(jì)算Kf數(shù)據(jù)表，從而對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展進(jìn)一步場(chǎng)源影響校正的方法，具體數(shù)據(jù)處理過(guò)程如下。

步驟1對(duì)均勻半空間Kf校正結(jié)果做一維MT反演，需要說(shuō)明的是，對(duì)于H型曲線(xiàn)，由于校正后的視電阻率仍然存在“負(fù)尖峰”，要對(duì)這種畸變數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯預(yù)處理后再做MT反演。

步驟2采用一維反演結(jié)果，建立CSAMT層狀地電模型，即形成Dipole1D程序所需要的模型參數(shù)控制文件，然后進(jìn)行正演計(jì)算，得到模擬的電磁場(chǎng)各分量場(chǎng)值和視電阻率等數(shù)據(jù)。

步驟3采用一維迭代反演的擬合數(shù)據(jù)，作為地電模型響應(yīng)理論數(shù)據(jù)，用于標(biāo)定計(jì)算Kf值，從而得到新的校正系數(shù)數(shù)據(jù)表。

步驟4使用該Kf數(shù)據(jù)表，對(duì)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)再次進(jìn)行近場(chǎng)和過(guò)渡場(chǎng)校正。

步驟5如果需要，可以繼續(xù)對(duì)校正結(jié)果進(jìn)行一維MT反演，然后重復(fù)步驟2～步驟5，直至獲得滿(mǎn)意的校正結(jié)果或者校正結(jié)果已基本不再變化為止。

2.2 算例分析

對(duì)于模型二，按上述介紹的數(shù)據(jù)處理步驟，對(duì)模型二的模擬數(shù)據(jù)做了進(jìn)一步的近場(chǎng)校正處理，如圖6所示。可以看出，新的校正結(jié)果較均勻半空間Kf初步校正結(jié)果效果更佳，表現(xiàn)在中頻段和低頻段與MT參考曲線(xiàn)偏差更小，特別是在曲線(xiàn)尾支，反演遞歸校正結(jié)果較均勻半空間Kf校正結(jié)果，在降低偏差方面取得了明顯的效果，缺點(diǎn)仍然是對(duì)“負(fù)尖峰”畸變數(shù)據(jù)沒(méi)有起到校正作用。

由此可初步認(rèn)為，這種場(chǎng)源影響校正與MT反演緊密結(jié)合的CSAMT資料處理策略是可行且有效的。當(dāng)然，這種有效性是建立在初步校正時(shí)，Kf數(shù)據(jù)表的基本適用前提下的。

對(duì)于模型三，同樣的，也對(duì)模型三的模擬數(shù)據(jù)做了進(jìn)一步的校正處理，如圖7所示?？梢钥闯觯碌男ＵY(jié)果較均勻半空間Kf初步校正結(jié)果有所改進(jìn)，主要表現(xiàn)在中頻段與MT參考曲線(xiàn)偏差有所減小，但這種減小幅度有限，總體上改進(jìn)效果不明顯，而且對(duì)“負(fù)尖峰”畸變數(shù)據(jù)沒(méi)有起到校正作用。本算例沒(méi)有取得同模型二相近的改進(jìn)效果，分析認(rèn)為這主要是由初步校正時(shí)，Kf數(shù)據(jù)表的質(zhì)量差、不適用造成的。

兩個(gè)算例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，反演遞歸校正法是建立在均勻半空間Kf校正有效性基礎(chǔ)之上的，即初步校正時(shí)所采用的Kf數(shù)據(jù)表適用性若較好，則反演遞歸校正效果將會(huì)進(jìn)一步提高；反之，若初步校正時(shí)所采用的Kf數(shù)據(jù)表質(zhì)量較差，則會(huì)對(duì)后續(xù)校正效果，產(chǎn)生比較嚴(yán)重的制約作用，這也是本方法在處理實(shí)測(cè)資料時(shí)應(yīng)予以注意的一個(gè)局限性。

圖6 模型二校正結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of correction results in Model 2

圖7 模型三校正結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of correction results in Model 3

3 設(shè)計(jì)層狀背景模型校正法

反演遞歸校正法所列算例表明，與均勻半空間Kf校正結(jié)果相比，效果有所改進(jìn)，特別是當(dāng)初步校正所采用Kf數(shù)據(jù)表質(zhì)量較好時(shí)，這種改進(jìn)效果還是較為顯著的；但情況相反時(shí)，則改進(jìn)效果不明顯。為了進(jìn)一步提高對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理能力，需要提高校正所用Kf數(shù)據(jù)表的質(zhì)量，提出了設(shè)計(jì)層狀背景模型的校正方法。

3.1 校正步驟

所謂設(shè)計(jì)層狀背景模型校正法，就是根據(jù)研究區(qū)以及鄰區(qū)所掌握的各種已知資料，通過(guò)整理、分析等建立起區(qū)內(nèi)的層狀背景地電模型，以計(jì)算出適用于本區(qū)的、質(zhì)量較高的Kf數(shù)據(jù)表，從而促進(jìn)對(duì)CSAMT實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)場(chǎng)源影響校正效果的提高，具體步驟如下。

步驟1根據(jù)研究區(qū)和鄰區(qū)已經(jīng)掌握的地質(zhì)、物性、測(cè)井、地震等各種資料，對(duì)研究區(qū)探測(cè)深度范圍內(nèi)的主要地層開(kāi)展各地層代表巖性物性資料的整理、分析工作，當(dāng)所收集資料不充足時(shí)，要補(bǔ)充一定量的野外樣品采集和實(shí)驗(yàn)室物性測(cè)試數(shù)據(jù)，以結(jié)合區(qū)內(nèi)各主要地層所統(tǒng)計(jì)的平均厚度等成果，完成區(qū)內(nèi)層狀背景地電模型的構(gòu)建工作。

步驟2采用上述構(gòu)建完成的層狀背景地電模型，形成Dipole1D程序所需要的模型參數(shù)控制文件，然后進(jìn)行正演計(jì)算，得到模擬的電磁場(chǎng)各分量場(chǎng)值和視電阻率等數(shù)據(jù)。

步驟3采用上述層狀背景地電模型的MT一維正演視電阻率數(shù)據(jù)，來(lái)標(biāo)定計(jì)算Kf值，形成適用于研究區(qū)的校正系數(shù)數(shù)據(jù)表。

步驟4使用該Kf數(shù)據(jù)表，對(duì)區(qū)內(nèi)實(shí)測(cè)的CSAMT視電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理。

3.2 算例分析

為近似驗(yàn)證，通過(guò)設(shè)計(jì)層狀背景模型的方式，對(duì)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的校正效果，對(duì)模型三的地電參數(shù)做了一些調(diào)整，將調(diào)整后的地電參數(shù)作為設(shè)計(jì)層狀背景模型的參數(shù)(表1)，以從理論角度初步研究這種校正方法的有效性和可行性。

表1 模型三真實(shí)地電參數(shù)與設(shè)計(jì)層狀模型參數(shù)對(duì)比表Table 1 Real geoelectric parameters of Model 3 and design layered background model parameters

由表1中的設(shè)計(jì)地電參數(shù)，標(biāo)定計(jì)算并形成Kf數(shù)據(jù)表后，對(duì)模型三的模擬數(shù)據(jù)，校正處理的結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，設(shè)計(jì)背景模型校正結(jié)果與MT模擬數(shù)據(jù)，在曲線(xiàn)形態(tài)上有很好的可比性，特別是在高頻段和中頻段兩者重合性較好，僅尾支偏差較大(這與設(shè)計(jì)模型給定的ρ4偏大有很大關(guān)系)，而且對(duì)反演遞歸校正結(jié)果基本沒(méi)有改正的“負(fù)尖峰”畸變數(shù)據(jù)，也給出了很好的校正結(jié)果。

值得說(shuō)明的是，算例僅是通過(guò)對(duì)真實(shí)地電參數(shù)做了有限幅度的調(diào)整，來(lái)作為設(shè)計(jì)模型開(kāi)展近似研究而得到的校正結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用中，具體校正效果如何，將完全取決于所構(gòu)建層狀背景模型對(duì)研究區(qū)真實(shí)地電分布的近似程度，毫無(wú)疑問(wèn)近似程度越高則近場(chǎng)校正效果越好，反之亦然。

圖8 模型三校正結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of correction results in Model 3

4 實(shí)例效果分析

以河北省廊坊市地?zé)豳Y源CSAMT勘探實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例介紹場(chǎng)源影響校正的效果。CSAMT法選用的儀器為美國(guó)Zonge公司生產(chǎn)的GDP-32系統(tǒng)，發(fā)射機(jī)為Zonge公司的GGT-10大功率發(fā)射機(jī)，選用頻段為0.125～8 192 Hz。所處理L03測(cè)線(xiàn)數(shù)據(jù)，施工參數(shù)為：發(fā)射電偶極AB長(zhǎng)3 km，收發(fā)距r為7 km，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)4.2 km，點(diǎn)距為50 m。工作目的是了解勘探區(qū)段內(nèi)斷裂構(gòu)造的分布狀況及其位置，同時(shí)對(duì)地層進(jìn)行劃分。工區(qū)為第四系地層所覆蓋，地形平坦，交通便利，人文干擾相對(duì)較小。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)編輯平滑、靜態(tài)校正、空間濾波等預(yù)處理后，視電阻率等值線(xiàn)擬斷面圖如圖9所示。

可以看出，經(jīng)各項(xiàng)預(yù)處理后的CSAMT數(shù)據(jù)，當(dāng)頻率低于10 Hz時(shí)，卡尼亞視電阻率等值線(xiàn)分布密集，且量值隨頻率降低呈高梯度迅速增大趨勢(shì)，這便是典型的場(chǎng)源影響特征。對(duì)此，采用如下步驟，對(duì)場(chǎng)源影響予以校正。

步驟1根據(jù)所收集到的鄰區(qū)地?zé)峋?、前人物性統(tǒng)計(jì)研究成果等資料，經(jīng)綜合分析，構(gòu)建工作區(qū)層狀背景模型如下：第四系(Q)和第三系(R)地層厚度h1=500 m，電阻率ρ1=30 Ω·m；白堊系(K)地層厚度h2=700 m，電阻率ρ2=50 Ω·m；侏羅系(J)地層厚度h3=900 m，電阻率ρ3=100 Ω·m；薊縣系(Jx)地層電阻率ρ4=200 Ω·m。其中，K、J兩地層為熱儲(chǔ)層Jx的蓋層，Jx為本工區(qū)的熱儲(chǔ)層。

步驟2采用該層狀背景地電模型，先后通過(guò)Dipole1D程序和MT一維正演的模擬計(jì)算，形成適用于工作區(qū)的初始校正系數(shù)Kf數(shù)據(jù)表，并對(duì)圖9所示的CSAMT視電阻率數(shù)據(jù)逐測(cè)點(diǎn)進(jìn)行場(chǎng)源影響初步校正處理。

步驟3對(duì)校正結(jié)果做MT一維OCCAM單次迭代反演，由反演結(jié)果建立CSAMT層狀地電模型，然后使用Dipole1D程序正演模擬結(jié)果和迭代反演的擬合數(shù)據(jù)，來(lái)逐測(cè)點(diǎn)標(biāo)定計(jì)算更新后的Kf數(shù)據(jù)表，并采用該質(zhì)量?jī)?yōu)化后的校正系數(shù)表對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)逐測(cè)點(diǎn)進(jìn)行場(chǎng)源影響遞歸校正處理。

步驟4重復(fù)步驟3，直至各測(cè)點(diǎn)反演迭代滿(mǎn)足如下條件則終止迭代：①均方根擬合差小于0.1；②相鄰兩次迭代擬合差相對(duì)變化小于1.0%；③迭代次數(shù)達(dá)到最大值10。

經(jīng)上述遞歸校正和迭代反演處理，最終的卡尼亞視電阻率場(chǎng)源影響校正結(jié)果和電阻率反演斷面分別如圖10和圖11所示。

由圖10可知，經(jīng)遞歸校正后，在擬斷面中頻率低于10 Hz時(shí)，卡尼亞視電阻率等值線(xiàn)分布密度明顯降低，且量值隨頻率降低的增大梯度趨于平緩——即場(chǎng)源對(duì)CSAMT數(shù)據(jù)的近場(chǎng)影響特征已基本消失，亦即比較理想的將CSAMT數(shù)據(jù)校正到了平面波場(chǎng)數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)就可以采用MT成熟的資料反演技術(shù)來(lái)處理了。

圖9 CSAMT視電阻率擬斷面圖Fig.9 CSAMT apparent resistivity pseudo-section

圖10 場(chǎng)源影響校正結(jié)果視電阻率擬斷面圖Fig.10 Field source influence correction result apparent resistivity pseudo section diagram

圖11 地電—地質(zhì)綜合解釋斷面圖Fig.11 Geoelectric-geological comprehensive interpretation section

由圖11可知，從電阻率反演斷面成果圖來(lái)看，共顯示出4個(gè)大的電性層，結(jié)合鄰區(qū)鉆孔資料，推測(cè)了各電性層的地質(zhì)屬性。第一層：電阻率介于30～130 Ω·m，其深度為0～700 m，推測(cè)為第四系(Q)地層和第三系地層(R)的反映，該層電阻率變化較大，與淺表電性不均勻有關(guān)。第二層：電阻率介于50～120 Ω·m，其深度為450～1 700 m，推測(cè)為白堊系(K)的反映。第三層：電阻率介于100～140 Ω·m，其深度為830～2 700 m，推測(cè)為侏羅系(J)的反映。第四層：電阻率大于130 Ω·m，推測(cè)為薊縣系地層(Jx)的反映，頂板埋深1 050～2 700 m。同時(shí)，根據(jù)反演結(jié)果電阻率梯級(jí)帶的分布，對(duì)斷層構(gòu)造進(jìn)行了推測(cè)，在圖11中分別標(biāo)示為F1、F2和F3，3條斷層將CSAMT地電斷面分成4個(gè)斷塊。對(duì)熱儲(chǔ)層薊縣系來(lái)講，地層頂板埋深起伏較大，總的趨勢(shì)是小號(hào)點(diǎn)方向高、大號(hào)點(diǎn)方向低。

通過(guò)以上對(duì)CSAMT視電阻率數(shù)據(jù)的場(chǎng)源影響遞歸校正和迭代反演處理，基本查明了勘探區(qū)各地層的賦存情況和斷裂構(gòu)造的空間展布特征，為區(qū)內(nèi)后續(xù)地?zé)豳Y源的勘探提供了可靠的物探依據(jù)。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)CSAMT勘探，為了保障觀(guān)測(cè)精度，人工場(chǎng)源與接收點(diǎn)的距離不可能達(dá)到無(wú)窮遠(yuǎn)，這樣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)難免受到過(guò)渡場(chǎng)與近區(qū)場(chǎng)的影響，為簡(jiǎn)化、且有效地處理解釋CSAMT資料，非遠(yuǎn)場(chǎng)視電阻率數(shù)據(jù)的校正方法研究，目前而言仍然是解決實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題所不可忽視、且亟待提高的一項(xiàng)重要實(shí)用技術(shù)。

(2)實(shí)現(xiàn)的基于均勻半空間正演模擬的Kf查表校正法，對(duì)于簡(jiǎn)單的地電模型模擬數(shù)據(jù)，取得了比較理想的校正效果，分析認(rèn)為這主要是由Kf數(shù)據(jù)表對(duì)所論模型的適用性決定的，即當(dāng)所用Kf數(shù)據(jù)表適用性好、質(zhì)量?jī)?yōu)良時(shí)，就會(huì)取得好的校正效果，反之亦然。

(3)反演遞歸校正法是在均勻半空間Kf初步校正基礎(chǔ)上，希望以層狀大地介質(zhì)代替均勻半空間，為進(jìn)一步提高校正效果而提出來(lái)的，理論算例表明，這種策略是可行且有效的，特別是當(dāng)初步校正所用Kf數(shù)據(jù)表質(zhì)量較好時(shí)，校正效果的改進(jìn)還是比較顯著的，當(dāng)然若情況相反，則改進(jìn)不明顯。

(4)設(shè)計(jì)層狀背景模型校正法是希望以層狀大地介質(zhì)代替均勻半空間，為進(jìn)一步提高Kf數(shù)據(jù)表的適用性而提出的另外一種場(chǎng)源影響校正策略，這種校正方法是建立在對(duì)工區(qū)所掌握的各種地質(zhì)、物性等資料綜合研究成果基礎(chǔ)之上的，即所掌握的已知資料越充分、綜合研究程度越高，所構(gòu)建的研究區(qū)層狀背景模型對(duì)真實(shí)的大地電性分布近似性越好，則對(duì)實(shí)測(cè)視電阻率數(shù)據(jù)的校正效果就會(huì)越佳，反之亦然。

(5)對(duì)CSAMT實(shí)測(cè)資料場(chǎng)源影響校正方法的研究是在一維正演模擬的基礎(chǔ)上開(kāi)展的，場(chǎng)源影響校正問(wèn)題并不是一個(gè)孤立的問(wèn)題，而應(yīng)把它放在CSAMT勘探理論與實(shí)踐這個(gè)整體之中來(lái)加以系統(tǒng)考慮，譬如將研究區(qū)層狀背景模型構(gòu)建以及MT一維反演等環(huán)節(jié)與場(chǎng)源影響校正問(wèn)題結(jié)合起來(lái)加以系統(tǒng)研究的思路，就是希望將場(chǎng)源影響校正問(wèn)題以更高的鍥合度，通過(guò)系統(tǒng)整體的思路，來(lái)促進(jìn)這一實(shí)用技術(shù)研究水平及解決實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題能力的協(xié)同提高。

(6)通過(guò)CSAMT地?zé)峥碧綄?shí)例，簡(jiǎn)要介紹了設(shè)計(jì)層狀背景模型校正法和反演遞歸校正法在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的聯(lián)合運(yùn)用，并初步驗(yàn)證了場(chǎng)源影響校正與迭代反演協(xié)同處理策略的可行性和有效性。需要說(shuō)明的是，所提出的場(chǎng)源影響校正方案僅適用于因觀(guān)測(cè)靠近場(chǎng)源而產(chǎn)生的非平面波效應(yīng)。然而，可控源音頻大地電磁測(cè)深法受場(chǎng)源影響因素較多，比如由場(chǎng)源下面的地質(zhì)情況或者場(chǎng)源與測(cè)深點(diǎn)之間的地質(zhì)情況而產(chǎn)生的場(chǎng)源附加效應(yīng)、由場(chǎng)源與測(cè)深點(diǎn)之間的地質(zhì)異常體被投射而產(chǎn)生的陰影效應(yīng)等。因此，所提出的場(chǎng)源影響校正方法的實(shí)用性與可行性仍需進(jìn)一步的探討和實(shí)驗(yàn)研究。