半航空频率域电磁倾子散度探测能力分析.pdf

第 69 卷增刊 1Vol.69Supp.12023 年6 月Jun.,2023地质论评GEOLOGICALREVIEW412半航空频率域电磁倾子散度探测能力分析一王洪伟1,2)，于生宝1,2)，郭瀛1,2)，周海根1,2)1)吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春，130061；2)地球信息探测仪器教育部重点实验室，长春，130061注：本文为国家自然科学基金资助项目（编号：42174085、41904159）的成果。收稿日期：2023-04-10；改回日期：2023-04-30；责任编辑：刘志强。DOI：10.16509/j.georeview.2023.s1.180作者简介：王洪伟，男，1999 年生，硕士研究生，主要从事地空频率域电磁方法理论研究；Email:。通讯作者：周海根，男，1990 年生，副教授，主要从事地空频率域电磁方法技术与仪器研究；Email:。关键词：关键词：地空频率域电磁探测；倾子散度；探测能力近年来，为满足经济快速发展对矿产资源的强劲需求，复杂地形区深部矿产勘查成为研究热点（滕吉文等，2022）。航空 ZTEM 系统是复杂地形区深部矿产资源快速探测的重要工具。与传统的航空电磁探测系统相比，ZTEM 具有勘探效率高、深度大、覆盖区域规则等优势。倾子散度是 ZTEM 探测中用于地下结构成像的有效参数。它具有解释直观，异常目标识别能力强，多个异常体横向边界分辨率高等特点(Legault et al.，2012)。与三维反演相比，倾子散度参数直接成像，具有成像效率高，结果唯一性强等特点，适用于大面积探测下海量数据处理。然而，由于天然场源信号的随机性、不稳定性和微弱性，ZTEM 可测量信号的频带较窄，限制了探测深度。此外，ZTEM 系统整体笨重，应用成本较高。针对上述问题，出现了一种新型可控源半航空频域电磁探测方法。它结合了地面的大功率发射，以及空中的快速便捷采集数据，更加经济、安全和便捷，成为近年来快速发展的研究方向(林君,2021)。为提升地下异常目标的分辨能力，一些学者将倾子参数引入到可控源半航空电磁探测中，开展可控源半航空倾子探测研究，并验证了方法的正确性。倾子及其相关参数在可控源半航空电磁探测中同样具有广阔的发展潜力和应用前景。然而地空频率域电磁探测能力相关内容研究较少，并且倾子散度成像没有一个定量横向边界的解释方法。本文基于三维地空模型进行数值模拟，分析异常体的电阻率、埋深等因素对倾子散度成像的影响，探讨该方法的横向分辨能力，为地空频率域电磁法的发展提供了理论基础。1方法原理地空频率倾子散度探测方法，采用地面大功率发射，在空中三分量传感器接收，基于倾子散度来分析地下电性结构。在人工场源激励时，用 2 个相互正交的接地导线源（S1 和 S2）代替天然场源 Sx和 Sy 作用。根据人工场源磁场的垂直分量和水平分量之间的关系，可以得到人工场源倾子（LiuChangsheng et al.，2020）：S1S2S2S1S1S2S1S221121212zyzyCCCzxzxrzxixyyxSSSSzxzxCCCzyzyrzyiSSSSxyyxH HHHTTTiH HH HHHHHTTTiHHHH（1）式中，1SxH,1SyH和1SzH为场源 S1 激励的三分量磁场，S2xH,S2yH和S2zH为 S2 场源激励的三分量磁场。CzxT和CzyT为人工场源两个倾子分量，上标 C表示可控源。CzxrT、CzxiT是CzxT的实部、虚部。CzyrT、CzyiT是CzyT的实部、虚部。人工源的倾子实矢量以及实散度可表示为：CCCrzxrzyrCCzyrCCzxrrTTTTDTRdivxyAxyA（2）式中x、y 为正交单位矢量，CrA为人工源倾子实矢量；CDTR为人工源倾子实散度。倾子实散度的梯度以及成像误差可表示为：地质论评 2023 年 69 卷 增刊 1413()CCCDTRDTRGrad DTRijxy（3）100LLErrorL（4）式中，()CGrad DTR表示倾子散度的梯度，1L表示成像的异常体大小，0L表示实际的异常体边界大小，Error表示成像边界的误差。2探测能力分析2.1横向分辨能力的解释方法由于实际探测过程中存在各种噪声干扰，主要关注倾子散度响应中最值以及它梯度极值的对应的位置，以便对后期野外实际探测和后期的数据处理具有指导意义。为验证倾子散度横向分辨能力的解释方法，构建三维地电模型。围岩电阻率为 100m，异常体为边长 600 m 立方体，中心坐标是（0m,0 m,-350 m)。对于低阻异常体，设置电阻率为10 m。对于高阻异常体，设置电阻率为 1000 m。发射源中心点坐标（0,-6000,0），电偶极矩 40000Am，发射频率 16 Hz。倾子散度异常识别结果如图 1 所示，图 1a 表示倾子散度的低阻成像结果,图 1b 表示 x=0 测线倾子散度值以及梯度变化曲线。其中，红色代表高阻，蓝色代表低阻；实线代表倾子散度值，虚线代表倾子散度的梯度。从图 1a 中可以看出，低阻异常成像形态为正方形，与异常体吻合较好。从图 1b 中可以看出，倾子散度最值是异常所在的中心位置，低阻对应倾子散度应最小值，高阻对应倾子散度应最大值。对于倾子散度的梯度曲线，在围岩区域近似为 0，在异常边界时，曲线产生一个极值，经过异常中心点时，梯度值为 0，然后在另一侧边界产生极值。两个极值点对应异常的左右边界。对于低阻异常，极值先负后正；对于高阻异常，极值先正后负。倾子散度梯度极值点分别为-300.05 m 和300.05 m,成像误差只有 0.017%，证明了解释方法的正确性。2.2倾子散度成像的影响因素为了便于分析，定义了 3 个参数：1相对电阻率：异常体为低阻时，相对电阻率是围岩与异常体电阻率的比值。2绝对电阻率：相对电阻率一致的情况下，异常体与围岩区域不同的电阻率。3埋深是指异常体上表面与地面间的距离。以上述的三维地空模型为基础，改变相对电阻率、绝对电阻率、异常体埋深、接收高度四个参数，模型参数设置如表 1 所示。由表中序号 1,2,3 的模型可知，随着埋深的增加，倾子散度最值减小，成像误差增加，变化率较大，埋深对倾子散度成像影响较大.埋深 1000 m 时，成像误差是 43.6%，不超过 50%,可以有效识别异常体，证明该方法识别异常体埋深可以达到 1000 m。由表中序号 1,4,5 的模型可知，相对电阻率分别为10,5,2。随着相对电阻率的增加，倾子散度值减小，成像效果越明显，边界误差基本不变。由表中序号1,6,7 的模型可知，相对电阻率为 10，围岩电阻率分别为 100,200,500 m，倾子散度值增加，边界误差变化不大，均不超过 5%。由表中序号 1,8,9,10的模型可知，接收高度分别为30,v 100,500,1000 m,随着接收高度的增加，倾子散度最值开始增加，增加速率越来越缓慢，成像误差增加，增加速率越来越快，如果保证成像效果良好，控制飞行高度最好不高于 100 m。3结语针对半航空频率域电磁倾子散度的探测能力，本文首先从理论上分析了倾子散度横向分辨能力的解释方法，然后对三维模型进行数值模拟，分析了其可行性。在此基础上，分析异常体的电阻率、埋深等因素对倾子散度成像的影响，研究结果表明：（1）对异常倾子散度值求取梯度可以有效识别异常体的边界，证明了倾子散度横向分辨能力的解释方法的可行性。（2）绝对电阻率和相对电阻率对异常的倾子散度最值影响较大，但基本不影响边界的识别。（3）埋深、接受高度对异常的倾子散度最值以及边界的识别都有很大影响。埋深越深，识别效果越差，成像误差越大。在一定条件下，从数值模拟角度地空频率域电磁探测深度可达到 1 km。接收高度越小，成像效果越好。接收高度在 100 m 以内，对成像误差影响不大。参考文献/References林君,薛国强,李貅.2021.半航空电磁探测方法技术创新思考.地球物理学报,(9):29953004.地质论评 2023 年 69 卷 增刊 1414滕吉文,薛国强,宋明春.2022.第二深度空间矿产资源探查理念与电磁法找矿实践.地球物理学报,65(10):39753985.Legault J,Wilson G A,Gribenko A V,Zhdanov M S,Zhao S,Fisk K.2012.An overview of the ZTEM and AirMt airborne electromagneticsystems:A case study from the Nebo-Babel Ni-Cu-PGE deposit,WestMusgrave,Western Australia.Preview,(158):2632.Liu Changsheng,Zhang Ming,Ma Jinfa,Zhou Haigen,Liang Jie,Lin Jun.2020.Divergence of tipper vector imaging for groundairbornefrequency-domain electromagnetic method with orthogonal sources.Journal of Electromagnetic Waves and Applications,34(3).WANG Hongwei,YU Shengbao,GUO Ying，ZHOU Haigen:Analysis of the detection capability of electromagnetictipper divergence in the semi-airborne frequency domainKeywords：semi-airbornefrequencydomain;tipperdivergence;detection capability图 1 倾子散度异常识别结果（a）低阻倾子散度成像（b）测线 x=0 倾子散度值以及梯度随区域变化曲线表 1 模型参数设置和倾子散度最值以及成像误差序号异常体埋深(m)围岩电阻率(m)异常体电阻率(m)接收高度(m)倾子散度最值成像误差(%)11001001030-5.35*10-40.01725001001030-8.08*10-516310001001030-3.61*10-643.641001002030-3.74*10-42.0651001005030-1.539*10-42.161002002030-3.889*10-42.171005005030-2.947*10-42.1810010010100-3.907*10-42.1910010010500-8.775*10-531.210100100101000-2.631*10-664.6