頻率域電磁法勘探詳解

1、波阻抗相位（FDEM）MT/AMT/CSAMT頻率域電磁法勘探反演所用的波阻抗反演方法，測(cè)量 點(diǎn)必須位于波區(qū)（又叫做平面波區(qū)或遠(yuǎn)區(qū)）同時(shí)測(cè)量相互正交的電場(chǎng) 分量和磁場(chǎng)分量，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的比值具有阻抗的量綱，稱(chēng)為波阻抗， 用符號(hào)Z來(lái)標(biāo)示，x方向的電場(chǎng)與y方向的磁場(chǎng)比值記為Zxy。注意：Zxy:是復(fù)數(shù)K：波數(shù)，是復(fù)數(shù)：角頻率h :磁化率b :電導(dǎo)率P ：電阻率均勻介質(zhì)中電場(chǎng)相位角落后于磁場(chǎng)I，這個(gè)角度就是 MT/AMT/CSAMT勘探數(shù)據(jù)處理過(guò)程中所給出的振幅和相位曲線(xiàn)中的 相位曲線(xiàn)。視電阻率計(jì)算公式如下：_ 12_ 1 Ex 當(dāng)平面電磁場(chǎng)垂直入射均勻大地時(shí)，即使不知道場(chǎng)源強(qiáng)度，只要測(cè)量 出大地表面

2、相互正交的一對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)，便可以確定大地的電阻率， 而選用不同的頻率可達(dá)到不同的勘探深度，這就是天然場(chǎng)源MT/AMT 或人工場(chǎng)源CSAMT的波阻抗反演的理論基礎(chǔ)。大地電磁測(cè)深一般要測(cè)量相互正交的兩個(gè)水平電場(chǎng)Ex，Ey和相互正 交的兩個(gè)水平磁場(chǎng)Hx，Hy（MT測(cè)量過(guò)程中還要測(cè)量垂直磁場(chǎng)Hz）。 測(cè)量?jī)蓚€(gè)水平電場(chǎng)是用兩對(duì)不極化電極，電極距一般為100200米。 因?yàn)锳MT和MT的天然電磁場(chǎng)信號(hào)較弱，應(yīng)該采取措施避免測(cè)量電 線(xiàn)晃動(dòng)切割地球磁場(chǎng)產(chǎn)生的噪聲。測(cè)量磁場(chǎng)則是用兩個(gè)相互正交的匝 數(shù)很多的高導(dǎo)磁芯線(xiàn)圈。MT/AMT/CSAMT波阻抗反演數(shù)據(jù)處理流程電磁場(chǎng)的測(cè)量是在時(shí)間域進(jìn)行的，再用傅里葉變換將測(cè)

3、量信號(hào)轉(zhuǎn)換為 頻率域信號(hào)。測(cè)量電磁場(chǎng)信號(hào)的采樣時(shí)間間隔應(yīng)使截止頻率高于所需 的最高頻率，采樣時(shí)窗寬度應(yīng)大于所需的最低頻率對(duì)應(yīng)的周期。為了 避免數(shù)據(jù)量太大，當(dāng)需要測(cè)量的頻帶范圍較寬時(shí)，一般分為幾個(gè)頻段 采樣，并分段作傅里葉變換。測(cè)量電磁場(chǎng)的頻率范圍應(yīng)使最高頻率對(duì) 應(yīng)的穿透深度為所需探測(cè)的第一層厚度的幾分之一，最低頻率對(duì)應(yīng)的 穿透深度為最大勘探深度的數(shù)倍。為了去除局部電磁場(chǎng)的影響，現(xiàn)在 實(shí)際測(cè)量中采用所謂的“遠(yuǎn)參考系統(tǒng)”，除測(cè)點(diǎn)外，還在距離測(cè)點(diǎn)數(shù) 十公里以外的地方設(shè)立一個(gè)參考點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)中屬于 平面電磁場(chǎng)的信號(hào)應(yīng)該是互相關(guān)的，而局部干擾電磁場(chǎng)的信號(hào)是互不 相關(guān)的，根據(jù)這一原理，將測(cè)點(diǎn)

4、的測(cè)量數(shù)據(jù)與參考點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)做相 關(guān)分析，剔除互不相關(guān)的局部干擾電磁場(chǎng)的影響。地表偶極源電磁場(chǎng)的傳播（TFEM或廣域電 磁法重點(diǎn)參考內(nèi)容）圖1：地表偶極源電磁場(chǎng)的傳播示意圖發(fā)射源：地表電偶源 頻率測(cè)深法是指人工源頻率域電磁測(cè)深方法，其測(cè)深工作原理與大地 電磁法基本相同，探測(cè)深度都受到趨膚深度影響，即高頻電磁場(chǎng)穿透 深度淺，低頻電磁場(chǎng)穿透深度深，改變頻率就可以改變探測(cè)深度。頻 率測(cè)深法主要采用電偶極場(chǎng)源或磁偶極場(chǎng)源。利用波阻抗反演的 MT/AMT勘探方法中，由于場(chǎng)源處在離工作區(qū)域“無(wú)窮遠(yuǎn)”處，故在 所有頻段內(nèi)工作區(qū)域完全處在波區(qū)范圍（平面波場(chǎng)區(qū)域）。然而在像 CSAMT人工源頻率域電磁勘探方法中

5、，由于技術(shù)上的苦難，發(fā)射和接 收間的距離總是有限的，如圖1對(duì)偶極場(chǎng)源電磁場(chǎng)的分析可知，當(dāng)工 作頻率為高頻時(shí)可滿(mǎn)足波區(qū)條件（平面波區(qū)域），但工作頻率較低時(shí)（一般最低頻為0.2Hz左右），測(cè)點(diǎn)便可能出現(xiàn)在感應(yīng)區(qū)（平面波到非平面波過(guò)渡的區(qū)域），因?yàn)轭l率足夠低時(shí)，電偶源產(chǎn)生的場(chǎng)具有類(lèi) 似直流電場(chǎng)的性質(zhì)，即在地層中電場(chǎng)分布與該層的縱向電導(dǎo)S有關(guān)， 因此稱(chēng)為S區(qū)。如圖1所示為地表偶極源電磁場(chǎng)的傳播特性，地表的 電偶極（或者磁偶極）場(chǎng)源所產(chǎn)生的電磁波向四面八方傳播，按照其 傳播路徑可分為：天波地面波地層波因?yàn)轭l率測(cè)深用的是長(zhǎng)波和超長(zhǎng)波，故向上傳播的天波不會(huì)被電離層 反射回地面，可不予考慮，只需要考慮地面波和

6、地層波。由于地面波 和地層波的傳播速度的差異，在波區(qū)（平面波區(qū)），在地面附近的波 陣面近于水平，地層波衰減殆盡，形成一個(gè)幾乎是垂直向下傳播的水 平極化的不均勻平面波（均勻平面波指的是波陣面振幅相等且波陣面 為平面，不均勻平面波指的是波陣面上的振幅并不相等的平面波）。 對(duì)于固定發(fā)-收距的測(cè)點(diǎn)，隨著頻率的降低，逐漸由波區(qū)過(guò)渡到感應(yīng) 區(qū)。由此可見(jiàn)，在頻率測(cè)深方法中，隨著頻率的不同，由高頻到低頻， 同一觀(guān)測(cè)點(diǎn)可處在波區(qū)、中間區(qū)和感應(yīng)區(qū)，所以與只研究波區(qū)條件下 的MT/AMT/CSAMT的頻率域電磁法不同，頻率測(cè)深的正演理論及資 料解釋都很復(fù)雜。頻率域測(cè)深法與直流電測(cè)深法相比具有的 優(yōu)勢(shì)我們應(yīng)該特別注意

7、，MT/AMT/CSAMT都屬于頻率域測(cè)深方法，不同的 是頻率域電磁法包含的勘探方法眾多，廣域和時(shí)頻電磁法都屬于頻率 域測(cè)深方法。頻率測(cè)深方法用改變頻率的方法代替直流電測(cè)深改變供電電極距AB的方法來(lái)改變探測(cè)深度，大大提高工作效率；在進(jìn)行大深度勘探時(shí)，直流電測(cè)深的供電電極AB之間的距離必須 很大，而頻率測(cè)深只需將供電電極AB與測(cè)量電極MN之間的距離 加大，并采用較低的頻率即可，AB之間的距離并不需要很大，野 外施工難度相對(duì)較小；頻率測(cè)深的等值原理作用范圍更窄，對(duì)地層的分辨能力更強(qiáng)。頻率域測(cè)深的波區(qū)和非波區(qū)的劃分地表電偶源產(chǎn)生的電磁場(chǎng)一部分從空氣中直接傳輸?shù)接涗浳恢茫硪?部分再通過(guò)地下介質(zhì)傳播到

8、地表記錄位置，在地下介質(zhì)中電磁場(chǎng)的振 幅隨著傳播距離呈指數(shù)衰減，電場(chǎng)分量沿著Z方向向下傳播過(guò)程中， 當(dāng)振幅衰減到初始振幅的1/e時(shí)電磁場(chǎng)所達(dá)到的深度我們稱(chēng)之為趨膚 深度。忽略Maxwell方程中的位移電流時(shí)，趨膚深度的理論經(jīng)驗(yàn)近似5。3 但-公式可表示為： 上三，一般的最大勘探深度公式=- 由此可以看出：電磁波的趨膚深度隨介質(zhì)電阻率的增加而增加，隨電 磁場(chǎng)頻率的增加而降低。對(duì)CSAMT的一點(diǎn)啟示：（1）如果勘探區(qū)背景電阻率比較大，在相同發(fā)射頻率下，意味著趨 膚深度較大，相對(duì)于在遠(yuǎn)區(qū)測(cè)量的CSAMT而言，就得增加收發(fā) 距才能盡可能的保證測(cè)量處于真正的遠(yuǎn)區(qū)；（2）當(dāng)勘探區(qū)背景電阻率一定時(shí)，如果要增

9、加勘探深度，可以通過(guò) 降低發(fā)射頻率，但是降低放射頻率會(huì)帶來(lái)趨膚深度加大的問(wèn)題， 趨膚深度加大又增加了對(duì)收發(fā)距的要求，所以降低了發(fā)射頻率 可以增加勘探深度，但是必須保證收發(fā)距處于最低頻率所要求 的遠(yuǎn)區(qū)；波場(chǎng)的波區(qū)頻率域電磁場(chǎng)的分區(qū)要根據(jù)一個(gè)地球物理勘探學(xué)家所定義的無(wú)量綱量略*三其中r：收發(fā)距，久：電磁場(chǎng)波長(zhǎng)。（1）所謂近區(qū)：也就是離場(chǎng)源距離要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于趨膚深度的區(qū)域，這 一個(gè)區(qū)域電磁波并非平面電磁波，所以不能作為CSAMT勘探測(cè) 量的區(qū)域；（2）所謂遠(yuǎn)區(qū)：也就是離場(chǎng)源的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于趨膚深度的區(qū)域，在 該區(qū)域，地下介質(zhì)對(duì)電磁場(chǎng)的衰減作用已經(jīng)充分顯示出來(lái)，地 下的電磁場(chǎng)中直接從場(chǎng)源傳播過(guò)來(lái)的電磁場(chǎng)已經(jīng)衰減殆盡，只 剩下從空中傳播到地表，再垂直入射傳播到改點(diǎn)的電磁場(chǎng)，這 個(gè)區(qū)域是CSAMT測(cè)量點(diǎn)的區(qū)域，因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)域，電磁場(chǎng)已經(jīng) 完全是平面波電磁場(chǎng)，