地球物理勘探-電磁法

第六節(jié)地磁感應(yīng)類電法：電磁剖面法、電磁測深法1、電磁法理論基礎(chǔ)

交變電磁場中巖礦石電磁學(xué)性質(zhì)：傳導(dǎo)電流：與電阻率ρ有關(guān)。位移電流：與介電常數(shù)ε有關(guān)。磁導(dǎo)率μ:真空中4π10-7H/m介電常數(shù)ε：真空中8.8510-12F/m

均勻交變電磁場在導(dǎo)電介質(zhì)中的傳播:麥克斯韋方程組：

式中：H為磁場強(qiáng)度，E為電場強(qiáng)度，D為電位移，B為磁

感應(yīng)強(qiáng)度，j為傳導(dǎo)電流密度，q為自由電荷，dD/dt為位移電流密度。

在電法勘探中，導(dǎo)電介質(zhì)內(nèi)：可得電極方程：高頻場、高阻介質(zhì)，上式右端第一項(xiàng)可忽略。這時(shí)方程變?yōu)榧儾▌?dòng)型的。低頻場、良導(dǎo)介質(zhì)，上式右端第二項(xiàng)可忽略，方程變?yōu)闊醾鲗?dǎo)型的（或擴(kuò)散性的）。由此可見，在導(dǎo)電的強(qiáng)吸收介質(zhì)中，電磁擾動(dòng)的傳播是不按波動(dòng)規(guī)律的，而是按著擴(kuò)散規(guī)律傳播的。

2、地下交變電磁場的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)a、諧變場的傳播：

諧變場的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：諧變場是頻率域法中常用的波場。其中場強(qiáng)、電流密度以及其它量均按余弦或正弦規(guī)律變化。諧變場的傳播：其微分方程——亥姆霍茲齊次方程

式中k稱為波數(shù)（或傳播系數(shù)）。

在導(dǎo)電介質(zhì)中忽略位移電流時(shí)：在不同介質(zhì)的分界面上，即在或出現(xiàn)不連續(xù)處，滿足邊界條件：

腳標(biāo)t表示切向分量，n表示法分量。

諧變場的激發(fā)：借肋于交流電的發(fā)射裝置，如振蕩器、發(fā)電機(jī)等，在地中及空氣中建立諧變場。激發(fā)方式一般為接地式的和感應(yīng)式。接地式：與直流電法一樣利用A、B供電電極將交流電源

直接接到大地，激發(fā)出交變電磁場。感應(yīng)式：在地表敷設(shè)通有交變電流的不接地回線或者多匝

的小型發(fā)射線圈——磁偶極子，激發(fā)出交變電

磁場。諧變場激發(fā)方式

均勻大地表面上諧變偶極子場源的電磁場：x、y軸位于水平面內(nèi)，z軸向下，在電阻率為ρ的均勻大地表面上：

式中I0、K0、I1、K1為貝塞爾函數(shù)，r為收-發(fā)距，k為傳播系數(shù)，PE為電偶極距，為r方向與x軸的夾角。

b、平面電磁波的傳播：

平面電磁波的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：在無限均勻介質(zhì)中，同一相位面為平面的電磁波稱為平面電磁波。若在這一平面上場振幅為常數(shù)，則稱為均勻平面電磁波，否則為非均勻平面電磁波。

平面電磁波的傳播：在電阻率為ρ的均勻介質(zhì)中選擇X和Y軸位于波的極化平面上，Z軸位于波的傳播方向上，則電磁場的分量為：上式為復(fù)數(shù)式，且沿z軸的正方向按指數(shù)規(guī)律衰減.Ex分量振幅和相位分別為：

b為振幅衰減系數(shù)，a為相位系數(shù)。

電場沿Z軸方向前進(jìn)1/b距離時(shí)，振幅衰減為1/e倍。習(xí)慣上將距離δ＝1/b稱為電磁波的趨膚深度。趨膚深度亦可寫為：

電磁波的趨膚深度隨電阻率的增加和頻率的降低而增大。所以，為了進(jìn)行深部地質(zhì)調(diào)查應(yīng)采用較低的工作頻率。

平面電磁波傳播中的波阻抗Z：

在均勻介質(zhì)中電場在相位上落后于磁場π/4。這是通過測量相互正交的電場和磁場分量確定介質(zhì)電阻率的計(jì)算公式。如果介質(zhì)為非均勻的，則計(jì)算的電阻率為視電阻率。如果介質(zhì)電阻率為已知，則可確定介質(zhì)的磁導(dǎo)率。c、瞬變場的傳播：

瞬變場的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：瞬變場是指那些在階躍電流源作用下，地中產(chǎn)生的過渡過程感應(yīng)電磁場。因?yàn)檫@一過渡過程的場具有瞬時(shí)變化的特點(diǎn)，故取名為瞬變場。

瞬變場的激發(fā)：與諧變場情況一樣，其激發(fā)方向也有接地式和感應(yīng)式兩種。在階躍電流（通電或斷電）的強(qiáng)大變化磁場作用下，良導(dǎo)介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生渦旋的交變電磁場，其結(jié)構(gòu)和頻譜在時(shí)間與空間上均連續(xù)地變化。諧變場和瞬變場渦旋電流結(jié)構(gòu)

瞬變場的參數(shù)：瞬變電磁場狀態(tài)的基本參數(shù)是時(shí)間。這一時(shí)間依賴于巖石的導(dǎo)電性和收－發(fā)距。研究瞬變電磁場隨時(shí)間的變化規(guī)律，可探測具有不同導(dǎo)電性的地層分布縱向電導(dǎo)。也可以發(fā)現(xiàn)地下賦存的較大的良導(dǎo)礦體。

在頻率域中電場強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減。均勻大地表面上階躍偶極子場源的電磁場（瞬變電磁法的理論基礎(chǔ)）遠(yuǎn)區(qū)（早期）的瞬變電場規(guī)律：波區(qū)范圍內(nèi)電場強(qiáng)度與介質(zhì)電阻率成正比近區(qū)（晚期）的瞬變電場規(guī)律：

3、電磁剖面法電磁剖面法：主要應(yīng)用于礦床普查、地質(zhì)填圖、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查。可分為人工主動(dòng)源電磁剖面法和被動(dòng)源方法兩類：

a、人工主動(dòng)源電磁剖面法：

研究深度為幾十米到一、二百米。包括不接地回線法、電磁偶極剖面法、航空電磁法

等。

這些方法既可在頻率域中采用，也可在時(shí)間域中采用。航空電磁法：在實(shí)際工作中，航空電磁法不局限于直找礦，應(yīng)用范圍較廣。

b、被動(dòng)源電磁剖面法：主要有甚低頻法和大地電磁法。

甚低頻法：世界上許多國家為了潛艇通訊及導(dǎo)航目的，設(shè)立了強(qiáng)功率的長波電臺(tái)。其發(fā)射頻率在15～25kHz范圍內(nèi)，甚低頻電臺(tái)發(fā)射的電磁波，在遠(yuǎn)離電臺(tái)地區(qū)可視為典型的平面波。這種電磁波適合做電導(dǎo)率填圖，還可用于探測大的斷層、破碎帶、石墨化地層和礦化帶，在有利條件下還可探測浸染和塊狀硫化礦。

大地電磁剖面法：研究深度可達(dá)到結(jié)晶基底，可提供研究區(qū)域的基礎(chǔ)資料。4、

電磁測深法：根據(jù)電磁感應(yīng)原理研究天然或人工（可控）場源在大地中激勵(lì)的電磁場分布，由觀測到的電磁場值來研究地電參數(shù)沿深度的變化。目前常用方法包括：天然大地電磁測深方法、人工源頻率電磁測深方法（簡稱頻率測深法）、人工源瞬變電磁測深方法（簡稱瞬變測深法）。天然大地電磁測深方法、人工源頻率電磁測深方法（簡稱頻率測深法）、可控源音頻大地電磁測深法（CSAMT）屬于頻率域方法，通過改變頻率來控制探測深度。人工源瞬變電磁測深方法（簡稱瞬變測深法）為時(shí)間域方法。應(yīng)用方向：在我國，電磁測深方法主要用于觀測地殼和上地幔物質(zhì)結(jié)構(gòu)、普查石油天然氣、煤田、地?zé)崽?、尋找地下水和金屬礦產(chǎn)過程。大地電磁測深法：設(shè)平面電磁波垂直射入地面，n層水平層狀介質(zhì)的層厚度為hn，電阻率n，界面深度dn，每層波數(shù)kn。對(duì)于任意層，場變量的基本方程為：根據(jù)均勻場的特點(diǎn)，由亥姆霍茲方程得電磁場的解為：對(duì)于任意層，阻抗為：設(shè)第推函數(shù)Rn為：

則第一水平層阻抗Z1、電阻率1和地表阻抗Z10關(guān)系可寫為：

由上式，得出大地電磁法所測得的視電阻率的模或振幅具有以下形式：按這種方法確定的視電阻率稱為卡尼亞視電阻率。大地電磁測深兩層曲線大地電磁測深三層曲線頻率電磁測深法：采用電或磁偶極場源，用改變頻率的方法來控制探測深度，而不用增加供電電極距AB。對(duì)地層的分辯力強(qiáng)；勘探深度較大等。近年來，頻率深法已成為國內(nèi)外應(yīng)用較廣的一種測深方法。

頻率測深視電阻率：s為接收線框面積，n為匝數(shù)。K型斷面頻率測深曲線A型斷面頻率測深曲線H型斷面頻率測深曲線

瞬變電磁測深法

即時(shí)間域瞬變電磁測深法，是近年來發(fā)展很快的電法勘探的分支方法。應(yīng)用方法：在階躍脈沖作用下，良導(dǎo)地層中產(chǎn)生的瞬變渦流電磁場持續(xù)時(shí)間較長，所以在沉積巖地層內(nèi)尋找和確定良導(dǎo)地層空間狀態(tài)時(shí)可給出較好的結(jié)果。因此，瞬變測深法主要用于用于解決油天然氣、煤系以及地?zé)峥碧降鹊刭|(zhì)問題。

瞬變場的參數(shù)：瞬變電磁場狀態(tài)的基本參數(shù)是時(shí)間。這一時(shí)間依賴于巖石的導(dǎo)電性和收－發(fā)距。研究瞬變電磁場隨時(shí)間的變化規(guī)律，可探測具有不同導(dǎo)電性的地層分布縱向電導(dǎo)。也可以發(fā)現(xiàn)地下賦存的較大的良導(dǎo)礦體。

在頻率域中電場強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減。水平層狀大地的瞬變電磁測深法計(jì)算公式：

對(duì)于水平多層介質(zhì)的瞬變電磁測深計(jì)算公式，多采用余弦變換或逆拉氏變換方法求解。三層瞬變電磁測深曲線(a)H型斷面測深曲線;(b)K型斷面測深曲線;(c)A型斷面測深曲線;(d)Q型斷面測深曲線瞬變電磁測深法的特點(diǎn)(1)由于TEM是在無一次場背景情況下觀測二次場，即觀測的是純異常，自動(dòng)消除了FEM中的主要噪聲源——裝置耦合噪聲，從而提高了探測精度。(2)裝置形式靈活多樣，可隨不同工程任務(wù)的要求和施工場地的條件來選擇合適的裝置。具有施工方便、測地工作簡單、工作效率高及地質(zhì)效果好等優(yōu)點(diǎn)。使用同點(diǎn)裝置工作，與欲探測的地質(zhì)對(duì)象能達(dá)到最佳的耦合，取得的異常幅度強(qiáng)、形態(tài)簡單、分層能力強(qiáng)，從而具有較高的探測能力，并且受到旁測地質(zhì)體的影響也是最小的。(3)對(duì)于受到導(dǎo)電圍巖及導(dǎo)電覆蓋層等地質(zhì)噪聲干擾的“礦異常”的區(qū)分能力優(yōu)于FEM。在高阻圍巖條件下，不存在地形起伏引起的假異常；低阻圍巖起伏地形引起的異常也比較容易識(shí)別。(4)在TEM測量中，對(duì)于線框鋪設(shè)的點(diǎn)位、方位及形狀等的要求相對(duì)于FEM可以放寬，測地工作簡單，工效高。(5)由于采用不接地回線，不存在接地電阻問題，在基巖出露區(qū)、凍土帶、沙漠、水泥路面、河湖海水面上均可進(jìn)行測量。具有施工方便、工作效率高及地質(zhì)效果好等優(yōu)點(diǎn)。(6)在剖面測量中，由于采集不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理可以得到同一點(diǎn)的測深資料，從而在剖面測量中完成了相應(yīng)區(qū)域的測深測量，提供的地電信息豐富，便于資料的解釋；(7)可通過選擇不同的時(shí)間窗口進(jìn)行觀測，有效地壓制地質(zhì)噪聲，可獲得不同勘探深度?？捎眉哟蟀l(fā)射功率的方法增強(qiáng)二次場，從而增加勘探深度。有穿透低阻覆蓋能力，探測深度大。在目前的技術(shù)條件下，勘探范圍淺可至幾米、深可達(dá)幾千米；隨著采集儀器、資料處理解釋方法的進(jìn)步，勘探深度范圍還能進(jìn)一步的擴(kuò)大。(8)TEM的應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)更加廣泛。瞬變電磁法可以解決的地質(zhì)問題有：能源、礦產(chǎn)勘查、水文、工程、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、考古探測等。

山東科技大學(xué)可控源音頻大地電磁測深法可控源音頻大地電磁測深法原理

CSAMT法是可控源音頻大地電磁法的簡稱。該方