带激电效应的三维张量CSAMT在砂岩型铀矿中的正演模拟.pdf

第 69 卷增刊 1Vol.69Supp.12023 年6 月Jun.,2023地质论评GEOLOGICALREVIEW360带激电效应的三维张量 CSAMT 在砂岩型铀矿中的正演模拟一胡英才1,2,3)，王瑞廷1,2)，李貅1,2)1)西北有色地质矿业集团有限公司，西安，710054；2)长安大学地质工程与测绘学院，西安，710061；3)核工业北京地质研究院中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京，100029注：本文为西北有色地质矿业集团博士后科研项目（编号：XBDKKJ202111）和国家自然科学基金资助项目（编号：41604126）的成果。收稿日期：2023-03-23；改回日期：2023-05-06；责任编辑：郭现轻。DOI：10.16509/j.georeview.2023.s1.160作者简介：胡英才，男，1985 年生，博士，高级工程师，主要从事地球物理正反演及应用研究工作；Email：。关键词：关键词：激电效应；CSAMT；砂岩型铀矿砂岩型铀矿是我国重要的铀矿类型。频率域电磁测深法是砂岩型铀矿深部探测的主要地球物理方法之一，但在数据处理解释中，往往只考虑了电磁效应，而忽略了激电效应，这在有些条件下与实际地质情况不相符。Cole-Cole 复电阻率模型的引入很好地解释了激电效应产生的特征，该模型也是最常用的复电阻率模型之一。前人在可控源电磁正演及带激电效应方面做了较多的模拟研究(张昆等，2014；万伟等，2019)。本文基于有限元法实现了带激电效应可控源音频大地电磁三维张量正演，并对含激电效应的砂岩型铀矿地电模型进行了三维正演模拟，获得了不同程度激电效应的砂泥结构的正演响应特征，为砂岩型铀矿电磁法探测提供参考。1带激电效应的三维 CSAMT 正演1.1三维正演理论假设地下为三维各向同性介质(图 1)，电磁场传播规律满足 Maxwell 方程组，取正时谐因子(eiwt)，则方程组如公式(1)所示。fEiHiEJ（）(1)其中 E 为电场强度，H 为磁场强度，为电导率，为角频率，为介质的磁导率，为介电常数，Jf为外界电流源。将公式(1)中的第二项带入第一项得到电场总场的双旋度方程，同时也可获得散射场(二次场)满足的表达式(范翠松，2013)，如公式(2)。图 1三维张量 CSAMT 正演模型示意图ssspEiEiE(2)其中 Es为散射场的电场强度，Ep为背景场的电场强度，s为异常体电导率与背景电导率差值。加入第一类边界条件，则对应的边值问题如公式(3)：0 ssspsEiEiExEx(3)21 ,;,arctan ijijijijZix y jx yZ(4)采用矢量有限元法求解公式(3)可获得三维空间中各棱边上散射场的电场强度，背景场采用全空间层状介质中的格林函数来计算(翁爱华等，2013)。因此，各测点的电场总场可由散射电场和背景电场地质论评 2023 年 69 卷 增刊 1361叠加合成。磁场可由电场差分计算求得。其三维张量 CSAMT 对应的视电阻率()及阻抗相位()如公式(4)所示，其 Z 为阻抗张量，为电场与磁场的比值。1.2激电模型在野外的实际地质条件下，地下的岩矿石普遍存在激电效应，常用的激电模型为 ColeCole 模型(Pelton W H et al.，1978)，其表达式如公式(5)所示：01111cimi(5)其中(i)为复电阻率，0为零频电阻率，m 为极化率，c 为频率相关系数，为时间常数，为角频率，i 为复数单位。1.3三维正演结果验证为验证本文算法及程序的正确性，在层状介质模型(H 型)中与一维 CSAMT 拟解析解进行对比验证。第一、三层电阻率为 100 m。第二层为低阻体层，电阻率为 10 m，层厚 50 m。正演验证结果如表 1 所示。从对比表中可以看出，一维与三维计算结果基本一致，整体误差小于 1.5%。2砂岩型铀矿中的三维 CSAMT正演模拟王恒等在砂岩型铀矿中进行了带激电效应的可行性研究，调研发现，在铀矿中若含有少量的侵染状电子导电矿物，即可引起较高的极化率(通常大于 10%)，若砂岩型铀矿中富集金属硫化物，其极化率高达 56%以上。在进行二维大地电磁数值模拟时指出，激电效应参数影响较大的为极化率，而频率相关系数和时间常数影响非常小。因此在砂岩型铀矿中主要对极化率参数进行模拟研究，即设置频率相关系数和时间常数为较小值，且固定不变，改变极化率的大小，探索含激电效应的砂体在三维张量CSAMT 正演模型的响应特征。砂岩型铀矿主要在沉积盆地中，砂体一般在几十欧姆米，其围岩主要为泥岩，电阻率较低，一般为 10 m，基底相对较深，电阻率较大，模型参数具体如表 2 所示，模型图如图 1 所示。图 2 三维张量 CSAMT 中 XY 模式下视电阻率和阻抗相位模拟结果图。图 2ac 为不同极化率下视电阻率(xy)结果，图 2df 为不同极化率下阻抗相位(xy)结果，每图中从上到下分别为 1024 Hz、512 Hz、256 Hz、128 Hz、64 Hz 和 32 Hz 计算结果平面图，分别代表从浅到深的模拟结果。从图中可以看出，观测区域中，砂体相对围岩，整体呈现相对高阻特征(256 Hz 和 128 Hz 中的红色部分)，低相位特征(256 Hz 和 128 Hz 中的蓝色、绿色部分)，正演视电阻率及阻抗相位分别显示了砂体的三维分布特征，沿 x 正方向可以看出砂体分布逐渐变少，分辨率较高，随着极化率的增大，其目标体砂体的视电阻率逐渐降低，阻抗相位逐渐增大，异常响应特征越不明显、特别是高频计算结果，其结果与围岩几乎相当。图 3 为三维张量 CSAMT 中 YX 模式下视电阻率和阻抗相位模拟结果图。从视电阻率与阻抗相位计算结果来看，其响应特征与 XY 模式下基本相同，但 y 方向分辨能力较好。因此对砂岩型铀矿来说，采用三维张量 CSAMT 能较准确探测砂体的三维分布特征，但探测相对高阻的砂泥结构受激电效应影响较大，因此，在砂岩型铀矿中开展频域电磁探测时，需开展正演模拟研究，了解激电效应的影响大小。3结论(1)基于 Cole-Cole 模型实现了的带激电效应CSAMT 三维张量正演，通过与解析解验证，表明其计算精度较高，可对砂岩型铀矿地电模型进行精细模拟，同时采用三维张量 CSAMT 能准确模拟异常体的三维分布特征。(2)通过带激电效应三维张量 CSAMT 在砂岩型铀矿中的正演模拟，表明极化率对砂岩型铀矿中的目标体(砂泥结构)影响较大，随着极化率的增大，砂体的视电阻率异常响应逐渐降低，异常特征越不明显。因此在开展砂岩型铀矿电磁探测时，对于侵染状的和含硫化物的岩性，需进行正演模拟研究，评价极化率的影响大小，较大时需带激电效应进行反演计算，防止探测的目标砂体丢失。参考文献/References范翠松.2013.基于有限元法的复电阻率正反演研究及应用.长春,吉林大学博士学位论文.万伟,唐新功,黄清华.2019.陆地可控源电磁法三维勘探的激电效应影响研究.地球物理学进展,34(6):23282335.翁爱华,刘云鹤,贾定宇,殷长春.2013.基于电场不连续边界条件的层状介质电磁格林函数计算.吉林大学学报(地球科学报),43(2):603631.地质论评 2023 年 69 卷 增刊 1362张昆,严加永,吕庆田,陈向斌.2019.安徽泥河玢岩铁矿电磁法探测试验.地质学报,88(4):496506.Pelton W H,Ward S H,Hallof P G,Still W R,Nelson P H.1978.Mineraldiscrimination and removal of inductive coupling with multifrequencyIP.Geophysics,43(3):588609.HU Yingcai，WANG Ruiting，LI Xiu：Forward simulationofthree-dimensionaltensorCSAMTwithinducedpolarization effect in sandstone type uranium depositsKeywords：IP effect；CSAMT；sandstone type uraniumdeposit表 1层状介质模型一维与三维正演响应计算结果对比表频率(Hz)一维视电阻率(m)三维视电阻率(m)视电阻率误差(%)一维阻抗相位(m)三维阻抗相位(m)阻抗相位误差(%)8192.0098.6098.240.36742.5342.680.3512048.00135.31134.980.24544.8644.840.035256.0071.7072.180.66437.4037.460.173128.0094.0794.690.66923.8424.091.05164.00153.23154.620.91014.5114.650.9838.001040.101048.590.8162.272.301.058表 2不同极化率的二维正演模型参数表名称埋深(m)电阻率(m)极化率(%)频率相关系数时间常数(s)泥岩-10.00.00.00.0砂岩10040.0无极化/0.3/0.70.210.0基底2000200.00.00.00.0图 2三维张量 CSAMT 中 XY 模式下正演响应结果图(a)xy(无极化)；(b)xy(m=0.3)；(c)xy(m=0.7)；(d)xy(无极化)；(e)xy(m=0.3)；(f)xy(m=0.7)图 3三维张量 CSAMT 中 YX 模式下正演响应结果图(a)yx(无极化)；(b)yx(m=0.3)；(c)yx(m=0.7)；(d)yx(无极化)；(e)yx(m=0.3)；(f)yx(m=0.7)