CSAMT中的不同激电模型效果的对比研究

代小威　严良俊　周　磊　李鹏飞　聂　松

油气资源与勘探技术教育部重点实验室（长江大学） 武汉　430100

CSAMT中的不同激电模型效果的对比研究

代小威严良俊周磊李鹏飞聂松

油气资源与勘探技术教育部重点实验室（长江大学） 武汉430100

本文主要讨论CSAMT一维正演模拟中加入不同的激电模型来观测其对电场的影响，以最具代表性的cole-cole，dias和双cole-cole激电模型为基础，对不同的地电模型来做正演研究。本文以实验室所测某地区采集的野外岩石露头电性参数为基础，分别用上述三种模型来反演其频谱参数，通过数据拟合发现双cole-cole模型拟合效果最好，dias模型居中。基于上述三种模型，以复电阻率代替不考虑地电体极化效应的直流电阻率，对CSAMT场源一维层状模型进行了正演模拟，分析其电场值变化，发现双cole-cole模型引起的异常最大，dias居中，这与我们实验室所反演的效果相吻合。

CSAMTcole-cole模型dias模型双cole模型一维正演

1.引言

电法勘探作为一种强有力的地球物理勘探方法，在中国的能源勘探方面发挥了重要的作用，一直以来，传统CSAMT法进行数据正反演时认为大地介质电阻率是与频率无关的系数，而实际上地电体对频率域电磁波激发源的响应为电磁感应和激电响应的综合响应，尤其是在中高频段这种反应更加明显，关于CSAMT中激电效应的研究，前人已做过很多工作，并取得了很好的效果。

本文主要是在前人的基础上，对不同的地电模型进行一维CSAMT进行正演研究，在地电模型中加入不同的激电模型，变化极化率，观测场值的变换，以及对比不同激电模型所产生的变化，并分析其原因。

2.模型的引入

为了能对激电观测效果进行有效的分析，人们在充分研究复电阻率机理的基础上，从等效电路理论出发建立了各种解释模型。在这些模型中，普遍反映较好的有Dias模型和cole-cole模型及其组合（复cole-cole模型）。

三种不同模型的公式及参数意义

Cole-Cole模型是目前应用最为广泛，最为成熟的一个复电阻率模型，早在1941年，K.S.Cole和R.H.Cole就提出了一个来描述介电极化效应的公式，这一数学模型也被人称为Cole-Cole模型。之后1978年Pelton提出了用Cole-Cole模型参数描述激电特性的激发极化法，也就是频谱激电法。Dias经过1968年和1972年的研究后提出一种新的复电阻率模型，之后于2000年他对该复电阻率频谱的数学模型做了详细的总结，并称之为Dias模型，他认为除了cole-cole模型以外，复cole-cole模型和Dias模型更能刻画岩矿石标本和露头的复电阻率频谱特点。式（1），（2），（3）分别表示这cole-cole，dias，双cole-cole模型的公式。

3.实验室测量岩心的三种模型的反演拟合

针对三种模型的拟合效果，以实验室实测的野外露头岩心为基础，分别用三种模型对数据进行反演，反演拟合效果图如下：

图1　不同复电阻率模型拟合结果（a）为电阻率（b）为相位

从图1可以看出不同激电模型对测量结果的复电阻率和相位曲线拟合的均方根误差为单cole-cole模型〉Dias模型〉双cole-cole模型，由此可判断三种模型都对复电阻率有很好的描述。

4.含激电参数各模型CSAM T一维正演

根据以往的CSAMT的正演公式，用上述的模型的复电阻率代替极化地电体的电阻率，用程序对CSAMT方法对无极化、极化强度变化的均匀半空间介质模型进行正演计算，在此基础对CSAMT三层、五层不极化层中含有极化层的模型做正演模拟，由此来考察激电效应对CSAMT电场场强值的响应情况。

4.1均匀大地CSAMT模型正演

本文采用CSAMT中最普遍的水平电偶极子源，在赤道方向上进行接收，4，000m，来进行CSAMT均匀半空间一维正演，设定地层电阻率为500/m，加入cole-cole模型，设定模型参数，c=0.25，m分别为0.2，0.4，0.6。

图2图3是不同极化率和不同激电模型均匀半空间电场幅值的响应情况：

图2　不同极化率cole-cole模型CSAMT一维正演电场响应

由图2可以看出当地层存在极化效应时，所产生的电场曲线与不极化电场曲线形态大致一样。当不存在极化效应时，电场值是上升顶点下降趋于一个稳定值，存在极化效应时，电场值在顶点处是随频率的增加而下降的，且当极化率越高大，下降速度越快。

图3　当m=0.2时不同模型CSAMT一维正演电场响应

由图3可以看出，当用三种不同的激电模型对均匀半空间介质做CSAMT一维正演时，三种模型都能反映出电场值的异常，极化率相同时，明显可以看出由双cole模型引起的电场值异常最大。

4.2三层介质下的CSAMT一维正演模拟

层状介质采取和均匀半空间相同的激发和接收方式，我们设定三层模型，令中间层为极化层，第一层电阻率为500欧姆米，厚度为200，第二层为极化层，厚度为100米，零频电阻率为200欧姆米，极化率分别为0.2，第三层电阻率为300欧姆米，厚度无限大。根据正演所得电场幅值曲线图4为：

图4　三层介质当m=0.2时不同模型CSAMT一维正演电场响应

由图4可看出在三层介质情况下，当只有中间层极化时，电场场值随极化率的增加而减小，且极化率越大，场强越小，在低频段电场场值不受极化率的影响，最后在高频段交叉汇合。可能造成的原因是在低频段的近场效应，在高频段由于趋肤深度很浅，所以无极化现象产生。

5.结论与建议

（1）在均匀半空间和层状介质的情况下，电场响应曲线对极化层的反映都非常灵敏。

（2）在均匀半空间介质中，极化情况下的电场曲线和无极化情况下的电场曲线形态大致一样，当不存在极化效应时，电场值是上升顶点下降趋于一个稳定值，存在极化效应时，电场值在顶点处是随频率的增加而下降的，且当极化率越高大，下降速度越快。

（3）在层状介质下，极化率相同的三种激电模型中，双cole-cole模型引起的激电异常最大。

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