电性源瞬变电磁测深技术
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作者（德）Kurt M. Strack著，薛国强等译
出版社科学出版社
ISBN9787030553829
出版时间2016-01
装帧平装
开本16开
定价138元
货号9098861
上书时间2024-06-18
商品详情
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目录
序言
前言
To the Readers of the Chinese Translation
译者序
第1章 引言 1
1.1 电磁法在勘探中的作用 2
1.2 长偏移距瞬变电磁法的发展历史 3
1.3 勘探中电阻率(电导率) 6
1.4 本章小结 12
第2章 基础理论 13
2.1 物理原理 13
2.2 理论基础 15
2.3 视电阻率 16
2.4 全域视电阻率 20
2.5 数据成像 24
2.6 本章小结 29
第3章 信号的失真及其补偿 30
3.1 现场数据问题 30
3.2 系统响应的反褶积 31
3.3 递归数字滤波器 33
3.4 选择性叠加技术 37
3.5 标定因子 41
3.6 叠前和叠后数据处理 44
3.7 本章小结 46
第4章 数据解释 48
4.1 一维反演 48
4.2 分辨率分析 53
4.3 联合反演 55
4.4 剖面反演 60
4.5 Occam反演 66
4.6 畸变信号解释(反转) 68
4.7 反转问题的数值模拟 72
4.8 三维模拟 78
4.9 场源复印效应模拟 78
4.10 不同三维模拟程序的对比 82
4.11 本章小结 84
第5章 仪器系统与野外工作方法 85
5.1 系统构成 85
5.2 野外实测步骤 103
5.3 勘探技术 108
5.4 本章小结 118
第6章 勘查可行性研究 119
6.1 基于测井的探测方案设计 119
6.2 探测深部碳酸盐岩体 125
6.3 高分辨率可行性研究 127
6.4 二维结构的可行性研究 129
6.5 本章小结 130
程序 131
第7章 综合实例 134
7.1 德国鲁尔区北部野外试验 134
7.2 美国丹佛-朱尔斯堡盆地的LOTEM地质校准探测实例 144
7.3 澳大利亚悉尼盆地的**次野外试验 147
7.4 德国明斯特兰盆地的三维解释案例 152
7.5 薄板模型的结果 155
7.6 积分方程模拟的结果 157
7.7 SLDM模拟结果 158
7.8 三维解释的讨论 160
7.9 本章小结 161
第8章 实例：用长偏移距瞬变电磁法解决高阻层探测问题 162
8.1 高阻层物理概念的扩展 162
8.2 欧洲测区实例 163
8.3 澳大利亚坎宁盆地的实例 167
8.4 中国江苏泰兴地区实例 172
8.5 本章小结 176
第9章 深部探测应用实例 177
9.1 历史实例记录 177
9.2 德国的**个深部地壳探测演示试验 181
9.3 黑森林测区调查 184
9.4 乌拉赫测区地热探测 190
9.5 在南非卡普瓦尔克拉通的探测实例 194
9.6 在中国用长偏移距瞬变电磁法预测地震的探测试验 199
9.7 本章小结 205
附录 207
附录1 推导 207
附录2 数据格式标准 214
附录3 参考信息 224
附录4 正演程序MODALL的说明书 230
附录5 符号含义 236
附录6 238
参考文献 243
内容摘要
靠前章 引言
电磁法是探测地表至地下深处电阻率分布的专享技术途径，因此，在优选范围内开展了大量的地球物理电磁研究。电阻率能够很好地反映地下介质的孔隙度及孔隙中的液体类型，因而对地质解释有很大的帮助。
本书旨在为初学者提供该学科全面的回顾总结，并介绍目前勘探行业中使用的优选的方法和技术。专家则可以参考本书从而设计自己的深部探测系统并进行野外测量。
为了说明瞬变电磁测深技术的实用性，本书的大部分章节都包括应用实例。这些应用实例来自世界各地，如图1.1所示。
图1.1 本书应用实例的地点分布
数字代表应用实例所在的章节
本章介绍把电阻率与实际地质情况联系起来的背景知识，以及电阻率计算中的不确定性。从麦克斯韦方程组的基本物理知识出发，指导读者把野外数据转化成视电阻率，然后分析电阻率随时间（深度）的变化。在野外采集数据时，必须要解决一个重要的问题——信噪比。这个问题可以采用第3章介绍的数据处理技术解决。数据处理之后得到理论上所需要的平滑视电阻率曲线，这些曲线可以用经典的反演方法进行解释，或者在一些实例中采用三维数值模拟技术。
本章在论述瞬变电磁测深法前，首先介绍了勘探地球物理的基本框架。另外，解释人员应该理解电阻率计算方法的局限性。
1.1 电磁法在勘探中的作用
在新能源勘查中，能够找到一个代替反射地震法的勘探方法越来越重要。非震方法在优选地球物理勘查舞台的地位逐步上升，主要是因为在地震数据质量较差的地质环境中发现了新油田。在1983~1987年发现的7个大油田中，有3个（巴西、哥伦比亚、北也门）分布在电磁技术有潜力找到新目标的区域。许多不同的技术方法都被用来改善和提高地震数据质量或者从不同角度解决勘探问题。因为石油工业主要依靠地震法，其他地球物理方法有时被称为非震方法，非震方法可以分为以下五类。
（1）重力方法：陆地、海洋、直升机、航空、钻孔重力方法探测地质结构密度差异。重力方法在勘探业中举足轻重，其成本低廉，并且对特定勘探问题的用途容易理解。
（2）磁法：陆地、海洋和航空磁法测量是勘探业的一个基本方法。该方法反映磁导率的差异，它们的用途与重力方法一样容易理解。磁法很少被用在石油勘探中，而在矿产勘探中，磁法比重力方法应用更广泛。
（3）电磁法：电磁法通常要比重力方法和磁法分辨率高，但与很多地球物理方法相比，电磁法比较难理解。这主要是由于不同电磁方法的电磁感应表现有所不同。勘探人员可以根据勘探要求选用陆地、航空或井中电磁测量方法。井中电磁测量是大多数钻探井中的常规方法；而航空电磁法是矿产和地下水资源勘查（Palacky，1983）中的一种常规技术。电磁法在石油勘探中应用不广泛，主要是勘探深度受限。陆地电磁法虽然在世界各地广泛应用，但在石油勘探中应用甚少，仅在过去的十年中，有一些大地电磁法的常规应用。虽然地球物理勘探对电磁法的需求日益增加，但是仪器设备的发展及与其他地球物理方法集成都是需要时间的。许多技术都在研讨中，其中很有希望的是瞬变电磁法，因为其操作简单，数据处理技术与地震方法相似。瞬变电磁法的优点是观测信号与地下电阻率结构耦合优选。因此，本书选择瞬变电磁法作为研究的重点。
（4）直流电阻率法：直流电阻率法很少用于碳氢化合物的勘探中。这主要是因为当勘探深度要求达到3~4km时，大电极距的体积积分效应很大，造成分辨率的缺失。所以，如果直流电阻率法应用于石油勘探中，也只能用于大尺度普查勘探。直流电阻率法主要用在成像技术，即偶极-偶极成像。
（5）激发极化法：在过去的30年中，激发极化法在石油勘探中应用有些成功的例子（Oehler and Sternberg，1984），也有些失败的教训。这种方法严重受到大量的人文因素的影响（如管道等），能产生与地下矿体相类似的激发极化响应。过去几年人们对这种方法的兴趣正逐渐减弱，甚至接近消失。
在众多的勘探问题中，有些问题特别适合用电磁法解决。下面是一些在文献中可以查到的电磁法应用实例。
冻土层：如果仅仅应用地震方法，冻土层的速度和厚度变化会造成对向斜或背斜的解释错误。瞬变电磁法被用来对地震结果进行静校正（Rozenberg et al.，1985）。
油水界面：许多碳氢化合物产地都蕴含富盐原生水或卤水，它们储存在碳氢化合物底部或边缘部位。石油和卤水饱和的储层，地震速度并不总是有太大区别，但导电率差异却很大。瞬变电磁法在美国和俄罗斯成功地应用于解决这种类型的勘探及生产问题（Spies，1983；地球技术公司，1985）。
火山岩盖层：地震波会出现散射，特别是高频散射问题。同时，大的波阻抗差异会产生地震波反射。许多不同的非震方法都曾应用到火山岩勘探中，其中包括重力方法、磁法和电磁法（Prieto et al.，1985；Keller et al.，1984）。
逆冲断层：会造成地震波的散射。很多不同的非震方法应用于此，包括地面重力、井中重力和电磁法。结果令人振奋却不能有效解决问题。
严重风化的覆盖层：在一些实例中会给反射地震法静校正带来严重问题。几乎所有的非震地球物理方法都用来解决不同情况下遇到的该类问题（Christopherson，1990）。
与上述任一情形有关的复杂地形，同样造成静校正问题，由于体积效应大，非震方法在这些例子中仅作为有效的普查手段。
孔隙度成像：在一些地方虽然地震数据很好，但地震法不能确认孔隙变化，而电磁法有时候很好有效。即使孔隙变化能够凭借地震数据得到解释（应用S波）（Robertson，1987），但电磁法依然能够提供补充信息。例如，一旦有了可用的测井和地震数据，就可以通过对地震数据进行反演确定构造，利用测井数据得到电阻率和孔隙度（或者砂岩和页岩的比）的校正曲线，并将数据转化成电阻率。然后可以转变成孔隙度图以帮助勘探人员进行地质解释（Strack et al.，1989b）。因为世界上大约40%的石油储存于碳酸盐岩内，而这些地方地震法往往不能提供足够的信息来解释其孔隙度，所以这可能是今后电磁法很重要的应用领域。
深部地壳研究：为了研究地壳，深部地震剖面测量在优选范围内得到应用。在许多例子中，低速体常常出现在地壳上部10km以上的剖面中。有时候，低速带与低阻带相关联（Strack et al.，1990；DeBeer et al.，1991）。在此特定深度范围内，长偏移距瞬变电磁法能够有效地探测电阻率结构。
块状硫化物矿化：自然界大多数的铅、锌和铜等金属都产于低阻的块状硫化物矿床，直接勘探铅、锌和铜等金属硫化物矿已成为包括瞬变电磁法在内的电磁技术发展的主要推动力。
1.2 长偏移距瞬变电磁法的发展历史
在开始探讨电性源瞬变电磁测深方法技术前，根据本书的需要分类介绍瞬变电磁法的发展历程。关于理论基础的详细内容可以参考Kaufman和Keller（1983）出版的一本专著。直流电测量起始于Wenner（1912）和Schlumberger（1922）的早期工作；而交流电法的应用由一个德国专利（322040，1913年，K.Schilowsky）和一个美国专利（1211197，H.Conklin）记载。靠前个电磁测深是由I.W.Blau（美国专利1911137，1933年）进行的，使用一个电偶极子作为发射装置，通过接地导线向地下发射电脉冲并测量电场的变化。对于采矿业的应用，读者可参考Wait（1951a，1951b）发表瞬变电磁勘探的基本理论及随后纽蒙特矿业公司申请的专利（Wait，1956；美国专利1735980）（Nabighian and Macane，1991），纽蒙特矿业公司开发并成功地应用于多个系统（Dolan，1970）。靠前个航空TEM系统（INPUT）是由Barringer于1958年开发的（Barringer，1962）。同一年，苏联莫斯科地质勘探学院开始研究并开发了MPPO￣1瞬变电磁观测系统。1968年苏联专利MPPO在澳大利亚（澳大利亚专利415022）得到应用，这在当时是一种很有前途的瞬变电磁前沿技术，因为瞬变电磁能穿过澳大利亚的导电覆盖层。1973年，Lazenby和Wondergem（美国专利3737768）获得“利用电磁波的不连续性远程检测导电体的装置”专利授权。加拿大的瞬变电磁系统主要是为了寻找矿体。在澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）工作的Buselli研发了靠前个计算机化的瞬变电磁系统，并在1981年获得专利（美国专利4247821）。他的SIROTEM开发重点放在了系统的噪声补偿。1960~1980年，这一段时间的瞬变电磁专利大多是针对矿产勘查的。Rocroi（1985）在CGG公司的专利Transiel系统（美国专利4535293，以及有关的法国专利1979，7917766和1980，8003159）主要是用来观测激发极化。专利中申明解释仅是定性的。由于系统也适用地震勘探的需要，专利可以看出与地震方法的几个相似之处。专利申请涵盖了大量的应用和硬件配置。现今，只有采用新概念的新一代实用硬件才可能申请专利。
迄今为止，除了硬件和采集方面，初始的野外技术本身并没有发生太大的变化，很主要的改进是对物理现象的理解和如何把观测数据转换成有用的信息来帮助地质人员。在早期，电磁法应用存在的问题是人们误以为观测信号是由电磁波的反射产生的，因此电磁法在石油勘探中得到了关注。直到人们接近明白了电磁法理论（Yost，1952；Orsinger and Van Nostrand，1954），认识到在地球表面观测的数据并不是电磁波反射的时候，石油勘探业才对电磁法失去了兴趣。从早期到现在，一些缺乏经验的咨询公司在没有正确理解方法的物理原理的情况下，就为石油勘探提供相似的技术，导致石油工业对各类电磁法产生严重的质疑。直到现在，随着对电磁法（特别是MT方法）的深入细致研究和计算机技术对地球物理强有力的支撑，人们才可以看到全新一代经济、高效的勘探方法，即使这样，在实际应用中，对电磁法的质疑声依然存在。
在过去的几十年中，大多数电磁法在石油工业接受它们之前，都已经被科研机构认可并应用在科研工作中。Vozoff（1972，1991）回顾总结了优选范围内的大地电磁法的测量工作。Geoscience公司在美国抢先发售尝试该技术20年之后，确立了大地电磁法在勘探业中的地位。由于瞬变电磁法的应用实例少并且至今其理论还未被接近理解，所以瞬变电磁法在石油勘探中的应用历史不长。几篇关于矿产资源勘探的综述文章介绍瞬变电磁法，并将其视为多年来矿产勘探有效的电磁方法[见Geophysics瞬变电磁法专辑49（7）]（Macnae and Spies 1989）。人们对可控源电磁法兴趣的不断上升，使得可控源电磁设备大量增加。几乎所有的电磁设备制造商都有或者都准备研发深部瞬变电磁系统。
时间域和频率域的主要区别在于时间域系统观测一次场源不存在时的信号，而频率域系统测量时一次场信号始终存在。所以时间域信号的观测和解释要容易些。时间域和频率域的源和接收信号的基本模式如图1.2所示。在图中，频率域一次场是比较实用的方波，接收装置接收的是一次场与二次场叠加的信号，而时间域在电流关断之前是没有二次场的，只有电流关断之后一次场不存在时才能观测到二次场信号。
过去的几年中，瞬变电磁法很有希望的两种系统分别是多伦多大学电磁系统（UTEM）和长偏移距瞬变电磁法（LOTEM）。UTEM主要由加拿大Lamontagne地球物理公司在加拿大和全世界范围内应用。从系统概念和解释方法上来讲，它也许是世界上优选和很全面的系统。现在，这种系统用于石油勘探的专享缺点是在良导环境下勘探深度有限，UTEM采用的感应源只能分辨导电目标体。所以，UTEM主要应用在矿产勘探中；LOTEM是两种勘探方法中探测深度较大的一种。需要
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