第五章 激发极化测量中的电磁感应耦合效应

激发极化测量中的电磁感应耦合效应

自J. R. Wait提出“变频法”以来，频率域激电法中电磁感应耦合效应（简称EM效应）的压制和消除便成了重要研究课题。这主要因为：⑴电磁感应耦合效应是激电异常的极大干扰，它妨碍了激电的测量，降低了它的应用效果，也严重影响了激电法的勘探深度。在低阻覆盖地区，或是在利用弱激电异常寻找油气田、煤田、地下水等项研究中影响特别严重。⑵激电异常源性质的评价日益受到重视。在用宽频谱测量或用激电非线性效应评价激电异常（如区分金属硫化矿物和碳质地层，区分块状硫化矿和浸染状硫化矿等）时，由于感应耦合效应常常使频谱测量难以应用。为此必须有效地消除电磁感应耦合效应。

国外自50年代起便开始研究在各种典型情况下（如均匀大地、层状介质）激电工作中遇到的电磁感应的基本规律。研究校正感应耦合的方法则是70年代以来的热门课题。有代表性的校正方法如K. L. Zong和W. H. Pelton等。Zonge使用了两种方法，第一种是假设激电效应和电磁效应分别满足不同的随频率变化规律，利用多频率测量进行校正。其它学者也采用了类似的方法。这方面较典型的方法有多项式拟合校正法，定指数幂函数校正法和变指数幂函数校正法。另一类方法是将野外实测数据减去层状介质的理论值作为改正，同时将改正的差值作为剩余的感应耦合效应加以利用。Pelton则将感应耦合近似地作为c=1的Cole-Cole模型，从实际值中减去。国内罗延钟、王继伦、刘崧等人都作了大量的研究工作，获得了一些成果。这些工作中都隐含着这样一种假设，即激电效应和电磁效应在总效应中是简单的代数迭加关系。

国内外已有研究取得了一定成就，但这些工作中都存在着三个共同问题：⑴所有方法都不是直接的，而是从实测数据中减去理论的感应耦合成份。⑵改正方法都是有条件的、近似的、且近似程度都不很高，特别是感应耦合效应较强甚至掩盖了弱激电效应时，这些方法是难以应

用的。⑶为校正感应耦合效应，这些方法不但增加室内计算，而且要增加观测的工作量。

针对以上情况，本书作者和同事们从理论上深入、系统地研究了激电效应（IP）和电磁效应（EM）的特征，于80年代中期提出一种直接的、在野外测量的同时消除电磁感应耦合效应的“斩波去耦”方法。以此为理论研制成功的“抗耦双频道数字激电仪”已在多个单位推广应用，效果良好。C-2微测深仪设计方案中也采用了这一方案，多年的应用证明该方法是可行的，在大多数地质情况下均可获得良好效果。利用激电效应和电磁效应在双频波测量波形上的特殊表现形态，进而提出了直接、同时、分别提取和利用激电与电磁效应的方法理论，从而使双频道激电理论得到进一步完善和发展。目前，依此方法在观测仪器中直接实现的“自相干去耦”理论处于国际领先水平。本章和第六章将对有关的内容作重点论述。另外，本章中对频域激电和时域激电的等效性与差别将作进一步的补充讨论。

第1节 EM效应和IP效应在测量波形中的表现特征目前，激发极化测量中主要使用三种供电波形，即正反向供电的单频方波（变频法）、双频波（双频道激电法）和正反向断续供电的时间域供电波形。三种波形分别如图5.1(a)~ (c)

图5.1 三种典型的供电波形

(a)-单频方波；(b)-双频波；(c)-时域供电波形

为从频率域计算EM效应和IP效应的测量波形，需要对以上三种波形作傅氏展开。

对于图5.1(a)所示单频方法，由第三章可知，其傅氏级数展开式为

(5.1.1)

(5.1.2)

式中，T为基波(n=1)周期。

对于图(b)所示的双频波，由第三章知，其，s=13，因而其傅氏级数展开式为：

(5.1.3)

(5.1.4)

对于时域供电波形，可以展开为：

(5.1.5)

(5.1.6 )

式中i表示单位虚数，。

在求出EM效应和IP效应的频率响应后，利用上述展开式，可以求出EM效应和IP效应在各测量波形上的表现形态。这种计算方法称为“波形恢复”。在计算中，我们没有对EM效应和IP效应随频率的变化规律以及两者的相互关系作任何假设。波形恢复结果列于图5.2~图5.4，下面分三种情况讨论。

1．只存在EM效应

对比图5.2可知，无论以哪种波形供电，EM效应在测量波形上的表现形式都是相似的。根据电磁感应定律， EM效应主要表现在波形的上升沿和下降沿。图中，在波形的上升与下降沿出现了很强的尖脉冲，为正常波形的幅值的2.5倍左右，并且在上升沿和下降沿的尖脉冲是完全对称的，其脉冲宽度较窄，约为方波周期的1/20（对双频波，脉冲宽约为高频周期的1/10）。

图5.2 EM效应在不同测量波形上的表现形态

(a)-方波；(b)-双频；(c)-时域供电波形

图5.3 IP效应在不同测量波形上的表现形态

(a)-方波；(b)-双频；(c)-时域供电波形

图5.4 EM效应和IP效应同时存在时的测量波形

(a)-方波；(b)-双频；(c)-时域供电波形

考虑到EM效应主要表现在波形的上升和下降沿，幅度强而宽度小，如果用斩波去耦方案，只需在测量波形的上升沿和下降沿斩去一定宽度便可较满意地消除EM效应，但它同时也部分地使IP异常衰减。另外，考虑到双频波和EM效应的表现特征，用相干方式是可以直接、分别、同时提取IP效应和EM效应的。有关的内容将在第六章中讨论。2．只存在IP效应

从图5.3可知，在三种波形上，IP效应都类似于一个阻容网络的充放电过程。在波形上升沿，首先跃变到某一值，然后以不同的充电速度充电，当供电时间足够长时，可达到某一极限值。相反地，在波形下降沿，IP效应则表现为放电过程，先跃变降至某一值，然后逐渐衰减直到完全放电（断电时间足够长时）。

对比图5.2和图5.3，IP效应和EM效应在测量波形上有相当明显的差别，IP效应表现为电容性充放电过程，而EM效应则表现为电感性，且其时间常数通常远小于IP效应的时间常数，它们所满足的衰减规律也有明显差别。正是由于这些差别，我们才可能在测量时将这二种效应直接分开。