現(xiàn)代電磁探測(cè)技術(shù)綜述new

PAGEPAGE10現(xiàn)代電磁探測(cè)技術(shù)綜述地球物理與信息技術(shù)學(xué)院金勝B03318一、現(xiàn)代電磁探測(cè)技術(shù)方法的原理與分類(lèi)1、電磁法的基本原理電磁法（或叫電磁感應(yīng)法）是電法勘探的重要分支。該方法主要利用巖礦石的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性和介電性的差異，應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，觀測(cè)和研究人工或天然形成的電磁場(chǎng)的分布規(guī)律（頻率特性和時(shí)間特性），進(jìn)而解決有關(guān)的各類(lèi)地質(zhì)問(wèn)題。電磁感應(yīng)法多利用10-3~108Hz的諧變電磁場(chǎng)（頻率域）或不同形式的周期性電磁場(chǎng)（時(shí)間域），分別稱(chēng)為頻率域電磁法和時(shí)間域電磁法。這兩類(lèi)方法產(chǎn)生異常的原理均遵循電磁感應(yīng)定律，故基礎(chǔ)理論和野外工作基本相同，但地質(zhì)效能各有特點(diǎn)。頻率域電磁法的測(cè)深原理是利用電磁場(chǎng)的趨膚效應(yīng)，不同周期（頻率）的電磁場(chǎng)信號(hào)具有不同的穿透深度，通過(guò)研究大地對(duì)電磁場(chǎng)的頻率響應(yīng)，獲得不同深度介質(zhì)電阻率分布的信息。頻率域的電磁剖面法，是利用不同地質(zhì)體的導(dǎo)電性不同，產(chǎn)生的感應(yīng)二次場(chǎng)的強(qiáng)度不同，通過(guò)觀測(cè)二次場(chǎng)的變化來(lái)達(dá)到探測(cè)電性結(jié)構(gòu)的目的。時(shí)間域電磁法是利用接地的電極或不接地的回線建立起地下的一次脈沖場(chǎng)，在一次磁場(chǎng)間歇期間，在時(shí)間域接收感應(yīng)的二次電磁場(chǎng)。由于早時(shí)階段的信號(hào)反映淺部地電特性，而晚時(shí)階段的信號(hào)反映較深部的地電斷面，所以可以達(dá)到測(cè)深的目的。對(duì)于時(shí)間域的剖面法，由于地下介質(zhì)的導(dǎo)電性越好，感抗便越大，所以二次場(chǎng)的強(qiáng)度越大，持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)。這樣，可以用來(lái)尋找電性異常體。電磁法理論的基礎(chǔ)方程是麥克斯韋方程組，它描述了電磁場(chǎng)最根本的規(guī)律。（法拉弟電磁感應(yīng)定律）（安培-畢薩拉定律）（磁場(chǎng)無(wú)源，渦旋場(chǎng)）（電場(chǎng)有源，庫(kù)倫定律）該方程組的物理意義是：電場(chǎng)可以使由電荷密度q引起的發(fā)散場(chǎng)，也可以是由變化的磁場(chǎng)引起的渦旋場(chǎng)，磁場(chǎng)是由傳導(dǎo)電流和位移電流激勵(lì)產(chǎn)生的渦旋場(chǎng)，空間并無(wú)獨(dú)立的磁荷存在。麥克斯韋方程組建立了場(chǎng)強(qiáng)矢量、電流密度和電荷密度之間的關(guān)系。分別對(duì)1、2式兩邊取旋度：并利用矢量恒等式，可以得到H和E滿足的微分方程：該方程是電磁場(chǎng)的矢量位和標(biāo)量位所滿足的時(shí)間域波動(dòng)方程，稱(chēng)之為電極方程或電報(bào)方程。若場(chǎng)的頻率很高并對(duì)高阻介質(zhì)而言，則一階導(dǎo)數(shù)可被忽略。這時(shí)方程變?yōu)榧儾▌?dòng)性的。相反，在低頻和良導(dǎo)介質(zhì)情況下，二階可忽略，方程變?yōu)闊醾鲗?dǎo)性的（或擴(kuò)散性的）。由此可見(jiàn)，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。在頻率域中討論波動(dòng)方程同樣具有重要意義。諧變電磁場(chǎng)的基本微分方程是亥姆霍茲齊次方程式中k稱(chēng)為波數(shù)（或傳播系數(shù)）。利用上述的方程組，結(jié)合給定的邊界條件，形成定解問(wèn)題，用分離變量法求解。2、電磁法的分類(lèi)電法是所有地球物理方法中分支方法最多最復(fù)雜的方法，而電磁法又是電法中最繁雜的方法。對(duì)電磁法的分類(lèi)有很多種方法，按場(chǎng)源形式分為人工場(chǎng)源（主動(dòng)源）和天然場(chǎng)源（被動(dòng)源），按電磁場(chǎng)性質(zhì)可以分為頻率域電磁法和時(shí)間域電磁法，按觀測(cè)方式可以分為電磁剖面法和電磁測(cè)深法，按工作場(chǎng)所可以分為地面、航空、井中和海洋電磁法等。目前比較被認(rèn)可的分類(lèi)方法之一是如下分類(lèi)方法：變種方法工作場(chǎng)合頻率域電磁法頻率域電磁剖面法被動(dòng)源法音頻天然電場(chǎng)法地面航空甚低頻法主動(dòng)源法大定源回線法實(shí)、虛份量法地面航空井中振幅比-相位差法電磁偶極剖面法虛分量-振幅比法水平線圈法傾角法頻率域電磁測(cè)深法被動(dòng)源法大地電磁測(cè)深法地面音頻大地電磁法主動(dòng)源法頻率測(cè)深法可控源音頻大地電磁法時(shí)間域電磁法瞬變電磁剖面法地面航空井中瞬變電磁測(cè)深法地面二、電磁法的數(shù)據(jù)處理與正反演概述1、數(shù)據(jù)處理由于電磁法的分支方法非常繁雜，使用的參數(shù)也比較多，所以不同的電磁分支方法在數(shù)據(jù)處理方法上是有所差異的。電磁法數(shù)據(jù)處理的目的是通過(guò)觀測(cè)到的電磁場(chǎng)信號(hào)，利用數(shù)學(xué)、物理、場(chǎng)論等相關(guān)理論，計(jì)算出用于反演的視電阻率、相位等參數(shù)，進(jìn)而研究地下電性結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，雖然各種分支電磁法的具體處理方法有所差異，整理和計(jì)算的參數(shù)也各有差別，但是許多處理方法是各種分支電磁法都要使用的，比如考慮電磁場(chǎng)信號(hào)的截?cái)嘈?yīng)，濾波處理，克服噪聲影響提高信噪比，克服地形影響和靜態(tài)效應(yīng)等等。在資料處理過(guò)程中通常使用的數(shù)學(xué)、物理和信號(hào)處理方法主要有分樣理論、傅立葉變換、最小二乘法、功率譜分析、張量分解等等方法。2、電磁法的正演問(wèn)題正演問(wèn)題是按照事物的一般原理（或者說(shuō)模型）以及相關(guān)的條件（初始條件，邊界條件）來(lái)預(yù)測(cè)事物的結(jié)果，而這些結(jié)果往往是可以由觀測(cè)而得到的。正演問(wèn)題一般是先給出地質(zhì)模型，在假定的自然源或人工源的激發(fā)下，用相應(yīng)的地球物理方程求解地面或地下某處的地球物理場(chǎng)的相應(yīng)函數(shù)。正演問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是用人為的條件在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬自然界的各種地球物理現(xiàn)象，并給出相應(yīng)的觀測(cè)值或計(jì)算值。因此，求解地球物理的正演問(wèn)題也常稱(chēng)為地球物理模擬。在地球物理學(xué)中，地震、電磁、重力、地磁和地?zé)岬雀鞣N地球物理場(chǎng)遵循同一形式的方程，稱(chēng)為基本方程-阻尼標(biāo)量波動(dòng)方程（楊文彩，1997）：pu≡▽2(x,t)-h(x)-g(x)=f(x,t)式中u表示物理場(chǎng)的一種，f(x,t)為源函數(shù)，x為空間的一個(gè)點(diǎn)，t為時(shí)間，算子p為擬微分算子，當(dāng)系數(shù)h和g為常數(shù)時(shí)，退化為偏微分算子。其中h和g對(duì)不同的地球物理方法的物理含義是不同的，見(jiàn)下表：方法物理場(chǎng)uhg地震電磁法地質(zhì)雷達(dá)低頻電磁法地?zé)岱▊鲗?dǎo)類(lèi)電法、重力、磁法聲壓或位移分量磁場(chǎng)分量或電場(chǎng)分量電場(chǎng)分量電磁場(chǎng)分量地溫場(chǎng)位場(chǎng)1/c2μεμε0002α/cμσ0μσ1/a’0注：c為波數(shù)，α為波場(chǎng)衰減系數(shù)，μ為磁導(dǎo)率，ε為介電系數(shù)，a’為熱擴(kuò)散系數(shù)對(duì)于電磁場(chǎng)，對(duì)應(yīng)的關(guān)系為u~H和E，h（x）~με,g(x)~μσ,f(x,t)=0,就可以導(dǎo)出電磁場(chǎng)的矢量位和標(biāo)量位所滿足的時(shí)間域波動(dòng)方程：對(duì)于傳導(dǎo)類(lèi)電法、重力、磁法等位場(chǎng)問(wèn)題，可以簡(jiǎn)化為：求解地球物理場(chǎng)的響應(yīng)函數(shù)可以用下式表示：d=f（m），在線性條件下，d=A（m）d表示數(shù)據(jù)向量，m表示模型的參數(shù)向量，A表示線性算子或矩陣。地球物理的正演模擬主要有兩種方式，一種是用物理的手段，稱(chēng)為物理模擬，另一種是數(shù)學(xué)模擬，下面分別介紹。（1）物理模擬物理模擬是電磁法理論研究的一個(gè)重要手段。目前，從麥克斯韋方程組出發(fā)計(jì)算異常場(chǎng)，可以得到完整的嚴(yán)密的異常場(chǎng)規(guī)律，所以嚴(yán)格運(yùn)算的方法是很重要的。但是，理論計(jì)算的方法目前只能適用于簡(jiǎn)單幾何形狀的形體，對(duì)于復(fù)雜的導(dǎo)體，有數(shù)學(xué)上的困難，而主要采取物理模擬的方法。要使野外實(shí)際異常體的異常場(chǎng)與模擬所得的異常場(chǎng)具有相同的規(guī)律，對(duì)于電磁場(chǎng)的物理模擬必須遵守模擬準(zhǔn)則：頻率域電磁法：ωσμl2=常數(shù)時(shí)間域電磁法：σμl2/t=常數(shù)。（2）數(shù)學(xué)模擬數(shù)學(xué)模擬是用數(shù)學(xué)方法對(duì)物理場(chǎng)的響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，也有兩種方式：A、解析法：用建立起來(lái)的模型和給出的條件解相應(yīng)的場(chǎng)方程，求出場(chǎng)的解析解公式，再根據(jù)這個(gè)公式求出地面或地下各點(diǎn)的場(chǎng)函數(shù)值。這是解地球物理正演問(wèn)題最簡(jiǎn)捷方便的辦法，但能列出地球物理方程并求出解析解的模型是極少的。B、數(shù)值模擬對(duì)于解復(fù)雜的地球物理模型的正演問(wèn)題，目前主要的工具和手段就是數(shù)值模擬方法。數(shù)值模擬就是將描述的地球物理場(chǎng)的方程和表達(dá)式以及初始條件、邊界條件通過(guò)數(shù)值方法求出數(shù)值解。目前用于電磁法數(shù)值模擬的數(shù)值方法主要有有限差分法、有限單元法、積分方程法等等。有限差分法是以差分原理為基礎(chǔ)的一種數(shù)值計(jì)算方法。它利用各離散點(diǎn)上函數(shù)的差商來(lái)近似代替改點(diǎn)的偏導(dǎo)數(shù)，把要解的邊值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一組相應(yīng)的差分方程，然后解出差分方程組（線性代數(shù)方程組）在各個(gè)離散點(diǎn)上的函數(shù)值，便得到邊值問(wèn)題的數(shù)值解。有限差分法簡(jiǎn)明、快速，但只能使用矩形網(wǎng)格，因而對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造不能準(zhǔn)確地模擬。這時(shí)，有限單元法就是一種有效、靈活的計(jì)算技術(shù)，最適用于與復(fù)雜介質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)的擬微分方程邊值問(wèn)題的數(shù)值解。有限單元法以變分原理和剖分插值為基礎(chǔ)，首先利用變分原理把所要求解的邊值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為響應(yīng)的變分問(wèn)題，也就是所謂的范函的極值問(wèn)題，然后，與有限差分法相似，使連續(xù)的求解區(qū)域離散化，即按一定的規(guī)則將求解區(qū)域剖分為一些在節(jié)點(diǎn)處相互連接的網(wǎng)格單元，進(jìn)而在各單元上近似地將變分方程離散化，導(dǎo)出以各節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)值為未知量的高階線性方程組，最后求解此方程組，算出各節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)值，以表征地球物理場(chǎng)的空間分布。有限差分法、有限單元法屬于微分方程法，另一種是積分方程法，三維數(shù)值模擬多采用此方法。微分方程法的解從數(shù)字上易于建立，形成的是大規(guī)模的帶狀矩陣，由于該方法是在網(wǎng)絡(luò)上模擬整個(gè)空間，所以適用于模擬復(fù)雜的地質(zhì)情況。積分方程法涉及比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論，但優(yōu)點(diǎn)是僅需在異常區(qū)求出未知場(chǎng)，當(dāng)要模擬一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)小異常體的響應(yīng)時(shí)，采用積分方程方法比較經(jīng)濟(jì)。3、電磁法的反演問(wèn)題地球物理學(xué)中，把給定數(shù)據(jù)求解模型參數(shù)的過(guò)程稱(chēng)為反演問(wèn)題。反演問(wèn)題的研究是建立在正演問(wèn)題被解決之后的基礎(chǔ)上，如果正演問(wèn)題沒(méi)有解決，反演問(wèn)題就無(wú)法開(kāi)展。著名的反演理論學(xué)者羅伯特-伯克（R.Parker，1970）把反演問(wèn)題的研究歸納為四個(gè)方面的問(wèn)題：（1）解的存在性：給定數(shù)據(jù)d，按照物理規(guī)律，是否能找到滿足要求的模型參數(shù)m；（2）模型構(gòu)制：若解存在，如何構(gòu)制問(wèn)題的數(shù)學(xué)物理模型，使得反演問(wèn)題能迅速而準(zhǔn)確地解決；（3）解得非唯一性：若解存在，其是否唯一；（4）解得評(píng)價(jià)：若解是非唯一的，如何從非唯一解中獲取真實(shí)解的信息。在電磁法等地球物理方法中，數(shù)學(xué)物理模型有線性和非線性?xún)煞N，相應(yīng)的反演方法也有線性反演和非線性反演。如果滿足下式：G（m1+m2）=G(m1)+G(m2)G(am1)=aG(m1),G(am2)=aG(m2)稱(chēng)為線性問(wèn)題，否則為非線性問(wèn)題。假設(shè)觀測(cè)的數(shù)據(jù)的數(shù)目為M，待定模型參數(shù)數(shù)目為N，G為M×N階矩陣，其秩為r，則：M=r時(shí)，觀測(cè)資料提供了確定模型參數(shù)的不多不少的問(wèn)題，這種問(wèn)題稱(chēng)為適定問(wèn)題；M>N=r時(shí)，觀測(cè)資料提供了多于模型參數(shù)數(shù)目的信息，此問(wèn)題稱(chēng)為超定問(wèn)題；M=r<N時(shí)，觀測(cè)資料提供的信息不足以確定模型參數(shù)，此時(shí)稱(chēng)為欠定問(wèn)題；M>N>r時(shí)，雖然有足夠的觀測(cè)數(shù)據(jù)，卻仍然不足以提供確定N個(gè)模型參數(shù)的獨(dú)立信息，稱(chēng)為混定問(wèn)題。求解上述不同類(lèi)型線性反演問(wèn)題，所采用的方法是有所區(qū)別的。對(duì)于線性問(wèn)題，最常用的反演方法有最小二乘法，阻尼最小二乘法（馬夸特法），對(duì)于離散的線性反演問(wèn)題主要采用廣義逆反演算法。特別指出，對(duì)于病態(tài)方程組，奇異值分解法是最有效的方法之一。奇異值分解在求解線性方程組、廣義逆和最小二乘問(wèn)題上有著廣泛的應(yīng)用。相當(dāng)多的地球物理問(wèn)題是非線性問(wèn)題，對(duì)于非線性問(wèn)題，只要解決了非線性問(wèn)題的線性化，就可以解決非線性問(wèn)題的線性化解法問(wèn)題。最經(jīng)典的非線性問(wèn)題線性化解法就是最優(yōu)化法。所謂最優(yōu)化算法，就是尋找目標(biāo)函數(shù)極小點(diǎn)或極大點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的變量（問(wèn)題的解）的數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)過(guò)程。最優(yōu)化算法包括最速下降法、共軛梯度法、牛頓法、變尺度法（擬牛頓法）最小二乘法、阻尼最小二乘法、廣義逆算法等等。但是，用線性化算法求解非線性問(wèn)題時(shí)強(qiáng)烈依賴(lài)于初始模型。初始模型的選擇需要對(duì)模型參數(shù)的先驗(yàn)了解，即先驗(yàn)知識(shí)和先驗(yàn)信息。還有許多物理模型，我們沒(méi)有太多的先驗(yàn)信息，難以正確地選擇初始模型。這時(shí)，利用最優(yōu)化線性反演方法搜索的極值可能是局部極值，導(dǎo)致錯(cuò)誤的模型。鑒于線性化或擬線性化方法的問(wèn)題，地球物理工作者一直致力于完全非線性反演方法的研究。完全非線性反演方法不進(jìn)行問(wèn)題的局部線性近似，因此是解決非線性問(wèn)題的根本方法。最簡(jiǎn)單、最直接的非線性反演方法是徹底搜索法和窮舉法，但這在計(jì)算上是不現(xiàn)實(shí)的。一個(gè)比較現(xiàn)實(shí)的完全非線性反演方法稱(chēng)為蒙特卡洛方法，它用隨機(jī)抽樣搜索代替系統(tǒng)搜索。該方法的弱點(diǎn)在于傳統(tǒng)的蒙特卡洛反演方法不能保證搜索的徹底性。隨著研究的深入和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，非線性反演方法也得到了明顯的發(fā)展。發(fā)展的一個(gè)方向是改進(jìn)常規(guī)蒙特卡洛方法。改進(jìn)的主要思路是在蒙特卡洛反演中部再進(jìn)行盲目的、完全隨機(jī)的搜索，而是進(jìn)行再一定先驗(yàn)知識(shí)引導(dǎo)下的隨機(jī)搜索，這就是所謂的啟發(fā)式蒙特卡洛反演方法。根據(jù)啟發(fā)的思想不同發(fā)展了很多方法，目前應(yīng)用效果最好的兩種啟發(fā)式蒙特卡洛反演方法是以統(tǒng)計(jì)物理學(xué)為基礎(chǔ)的模擬退火法和以生物工程為基礎(chǔ)的遺傳算法。其它還有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完全非線性反演、非線性混沌反演等方法。這里所介紹的是地球物理反演理論方法的綜述，具體到電磁法中，各分支方法各有側(cè)重發(fā)展和運(yùn)用，將在具體方法中簡(jiǎn)單介紹。下面將簡(jiǎn)單介紹目前在資源勘查、工程物探和大陸動(dòng)力學(xué)研究中幾種常用的電磁法的基本原理、儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和資料處理解釋的方法。三、大地電磁測(cè)深法（MT）大地電磁法是一種天然源的頻率域電磁法。它以天然的平面電磁波為場(chǎng)源，通過(guò)在地表觀測(cè)相互正交的電磁場(chǎng)分量來(lái)獲取地下地電構(gòu)造信息。由于天然場(chǎng)中含有從高頻到低頻豐富的頻率成分，而不同頻率成分的電磁波具有不同的穿透（趨膚）深度，因而大地電磁法能達(dá)到測(cè)深的目的。大地電磁方法由Tikhonov（1950）和Cagniard（1953）分別獨(dú)立提出。由于大地電磁法利用天然交變電磁場(chǎng)源，不需要供電設(shè)備及有關(guān)的控制系統(tǒng)，加上在長(zhǎng)周期時(shí)天然信號(hào)比較強(qiáng)，而且可以假定成平面電磁波，因而大地電磁法資料的解釋相對(duì)人工源電磁法資料來(lái)說(shuō)被大大簡(jiǎn)化了。所以大地電磁法一被提出就很快吸引了地球物理學(xué)家的關(guān)注。從提出大地電磁方法一直到1980年，可以說(shuō)大地電磁法一直在穩(wěn)步的發(fā)展。但由于在資料采集方面儀器缺乏革新；在數(shù)據(jù)處理和解釋方面方法技術(shù)落后，因而其進(jìn)展較為緩慢。在這期間研究的主要焦點(diǎn)和取得的主要成果有：圍繞平面電磁波假設(shè)的有效性進(jìn)行討論（Wait,1954;Price,1962;MaddenandNelson,1964,etc.）；引入張量阻抗的概念（CantwellandMadden,1960）；發(fā)展遠(yuǎn)參考道數(shù)據(jù)采集技術(shù)（Gambleetal,1979a&b）；研究和應(yīng)用一維反演方法處理解釋資料（Oldenburg,1979）。從1980年以后，隨著數(shù)字電子技術(shù)的飛速發(fā)展和新的資料處理和解釋手段的研究開(kāi)發(fā)，大地電磁法進(jìn)入了快速發(fā)展的新階段。在資料采集方面，高靈敏度磁探頭和多道采集單元的問(wèn)世，大大提高了數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和效率。在資料處理解釋方面，Robust估計(jì)方法取代傳統(tǒng)最小二乘處理方法(EgbertandBooker,1986;Chave,1987)處理時(shí)間序列資料，能最大程度地壓制不相關(guān)噪聲的影響，獲得高質(zhì)量的阻抗張量元素；阻抗張量分解技術(shù)(GroomandBailey,1989,1991)能有效分析地下地電構(gòu)造的復(fù)雜程度和提供豐富的構(gòu)造信息；二維反演算法(deGroot-HedinandConstable,1990;SmithandBooker,1991)豐富多彩，并向?qū)嵱没较虬l(fā)展。近五年，大地電磁法在儀器制造方面的成果尤為突出。以美國(guó)EMI公司的MT24和加拿大鳳凰公司的V2000為代表，一種網(wǎng)絡(luò)式的三維數(shù)據(jù)采集模式取代傳統(tǒng)的單站采集模式，給大地電磁資料采集帶來(lái)了一場(chǎng)革命。其結(jié)果是：資料質(zhì)量提高、采集效率提高、信息密度提高、分辨率提高。今天，大地電磁法作為一種有效的地球物理手段，正被廣泛應(yīng)用于油氣勘探、地?zé)豳Y源勘查、深部地球物理調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘探、環(huán)境地球物理、海洋地球物理等領(lǐng)域。在研究殼幔構(gòu)造方面，大地電磁法和地震方法一起被視為兩大支柱方法，兩者相互驗(yàn)證、相互補(bǔ)充，在世界范圍內(nèi)解決大陸動(dòng)力學(xué)問(wèn)題方面已有許多成功的應(yīng)用范例。在尋找油氣田構(gòu)造方面，一些構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)，地震方法難以開(kāi)展工作或工作效果不好，大地電磁法正成為此種工區(qū)一種重要的普查手段。1、方法原理電磁法理論的基礎(chǔ)方程是麥克斯韋方程組，它描述了電磁場(chǎng)最根本的規(guī)律。（法拉弟電磁感應(yīng)定律）（安培-畢薩拉定律）（磁場(chǎng)無(wú)源，渦旋場(chǎng)）（電場(chǎng)有源，庫(kù)倫定律）對(duì)于導(dǎo)電介質(zhì)低頻諧變場(chǎng)，位移電流可以忽略，導(dǎo)電介質(zhì)內(nèi)部體電荷密度為零，根據(jù)下列關(guān)系：所以麥克斯韋方程組變?yōu)椋弘姶艌?chǎng)的波動(dòng)方程亥姆霍茲齊次方程和邊界條件：（波數(shù)）邊界條件：磁場(chǎng)強(qiáng)度的切向分量不連續(xù)電場(chǎng)強(qiáng)度的切向分量連續(xù)磁感應(yīng)強(qiáng)度的法向分量連續(xù)電位移矢量的法向分量不連續(xù)電流密度的法向分量連續(xù)（1）在均勻大地介質(zhì)中平面電磁波的傳播把諧變場(chǎng)麥克斯韋方程前兩個(gè)方程展開(kāi)成分量形式，由于平面波垂直入射于均勻各項(xiàng)同性介質(zhì)，電磁場(chǎng)沿水平方向均勻，即：所以可以分解為Ex-Hy和Ey-Hx，得到下列兩組方程組（含波動(dòng)方程）E偏振波：H偏振波：可見(jiàn)，Ey只與Hx有關(guān)，Ex只與Hy有關(guān)，它們都沿Z軸傳播—線性偏振波。以場(chǎng)沿y方向的分量命名：（EyHx）—E偏振波；（HyEx）—H偏振波。從上面的討論看，我們對(duì)坐標(biāo)軸x-y的方位并沒(méi)有作任何限制。顯然，在均勻各向同性介質(zhì)中這兩組線性偏振波的分解是任意的。如果取y軸沿磁場(chǎng)H的極化方向，Hy=H，Hx=0；這時(shí)，必然Ey=0，Ex=E。所以說(shuō)，平面波在均勻各向同性介質(zhì)中E⊥H。為了研究電阻率和地面電磁場(chǎng)測(cè)量值之間的關(guān)系，引入波阻抗的概念：——波阻抗歐拉公式：故：均勻介質(zhì)中，波阻抗Zxy與Zyx振幅相同，相位不同；電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相位差為-π/4或-(π/4+π）。在均勻各向同性介質(zhì)中，波阻抗是“標(biāo)量”。（2）在水平層狀介質(zhì)中和均勻各向同性無(wú)限半空間比較：★相同點(diǎn)：a.各層內(nèi)部，介質(zhì)的電性是均勻、各向同性的。所以，垂直入射的平面波場(chǎng)在水平方向上也是均勻的；b.電磁場(chǎng)沿任意正交的測(cè)量軸也可分解成兩組線性偏振波；c.E⊥H，Ez=Hz=0；d.Z=Zxy=Zyx——標(biāo)量阻抗?！锊幌嗤c(diǎn)：a.因?yàn)槭菍訝罱橘|(zhì)，各層電阻率不一樣，復(fù)波數(shù)k不同，波阻抗也不同；b.界面上，電磁波分解為“透射波”和“反射波”，H偏振波方程：解方程得一般解：—入射波；—反射波。入射波和反射波的波阻抗：;—第m層的特征波阻抗。同時(shí)存在入射波和反射波：——隨深度z變化。c.基底上覆各層(均勻各向同性無(wú)限半空間條件下的波阻抗—介質(zhì)特征阻抗)，只有.卡尼亞電阻率（視電阻率）在層狀介質(zhì)的情況下：——定義式；—地面上實(shí)測(cè)的表面阻抗。一維條件下：（3）水平非均勻介質(zhì)中★假設(shè)介質(zhì)中任一點(diǎn)都存在彼此正交的兩個(gè)電性主軸，其電導(dǎo)率分別為，——對(duì)稱(chēng)各向異性介質(zhì)?！镏挥性陔娦灾鬏S上，；——與的方向不一致。★在非均勻介質(zhì)中與的一般關(guān)系：；主軸方位上：所以，——對(duì)稱(chēng)各向異性介質(zhì)中歐姆定律的一般表達(dá)式?！橘|(zhì)的張量電導(dǎo)率。水平均勻各向異性介質(zhì)的張量阻抗：垂直入射的平面波，，。麥克斯韋方程組中，令測(cè)量軸x–y與電性主軸重合，E偏振波：H偏振波：這兩組線性偏振波就像分別在電阻率為和的均勻各向同性介質(zhì)中傳播一樣。，，當(dāng)測(cè)量軸和電性主軸方向不一致時(shí)（對(duì)于任意方位的坐標(biāo)系）：——張量阻抗可見(jiàn)，張量阻抗元素和測(cè)量軸的取向有關(guān)。若測(cè)量軸也用表示，那么電場(chǎng)和磁場(chǎng)并不“正交”?！裼捎趯?duì)稱(chēng)各向異性介質(zhì)中，電磁波可以沿電性主軸分解成兩組線性偏振波；當(dāng)這種介質(zhì)為層狀結(jié)構(gòu)，并且各層的電性主軸方向一致時(shí)，兩組線性偏振波在介質(zhì)中的傳播相當(dāng)于在二個(gè)獨(dú)立的層狀一維介質(zhì)中傳播，可以得到二條相應(yīng)的視電阻率測(cè)深曲線，即和。（4）二維介質(zhì)中的大地電磁場(chǎng)地質(zhì)構(gòu)造—走向：y軸；傾向：x軸；Z軸垂直向下。所以，電磁場(chǎng)分量的關(guān)系：二維介質(zhì)中也只能沿走向y才能分解出兩組線性偏振波。E偏振波：H偏振波：（0，，0）（，0，）（0，，0）（，0，）波阻抗：視電阻率：★二維介質(zhì)中垂直入射平面波場(chǎng)的傳播與對(duì)稱(chēng)各向異性介質(zhì)中的情況很類(lèi)似—把構(gòu)造走向和傾向看成兩個(gè)電性主軸。兩組線性偏振波相應(yīng)的電磁場(chǎng)分量與波阻抗的關(guān)系：★對(duì)于任意坐標(biāo)系：經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)變換，得到二維介質(zhì)中電磁場(chǎng)分量的一般關(guān)系式：——張量阻抗★根據(jù)野外實(shí)測(cè)電磁場(chǎng)值，求對(duì)應(yīng)于實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)系的阻抗張量元素：至少獲得兩組“非線性相關(guān)”的電磁場(chǎng)觀測(cè)值，構(gòu)成聯(lián)立方程，求解：2、大地電磁法常用儀器設(shè)備大地電磁儀器是采集天然微弱的電磁場(chǎng)信號(hào)的儀器設(shè)備，要求具有超低頻、寬頻帶的特點(diǎn)，同時(shí)要求分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍寬、零點(diǎn)飄移小、增益穩(wěn)定等特點(diǎn)。一套儀器系統(tǒng)通常包括電磁場(chǎng)接收器、放大器、濾波器和記錄器等等。目前常用的大地電磁儀器設(shè)備主要有加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的MTU和V系列，比如V-4，V5，V5-2000，V6，V8等等；美國(guó)的EMI公司生產(chǎn)的MT系列，如Mt-1，MT-24等；德國(guó)生產(chǎn)的GMS系列儀器。大地電磁的測(cè)量?jī)x器分為寬頻和長(zhǎng)周期兩種。寬頻儀器的采集頻段范圍一般從幾百赫茲到幾千秒。而長(zhǎng)周期的大地電磁儀器能采集2-3萬(wàn)秒的低頻信號(hào)，如LIMS，NIMS，V8等長(zhǎng)周期大地電磁儀器。3、大地電磁的野外工作方法大地電磁野外測(cè)線的布置一般垂直于地質(zhì)構(gòu)造的走向，測(cè)線上測(cè)點(diǎn)的距離根據(jù)探測(cè)對(duì)象的不同而異。測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在外界電磁干擾小，地表淺部介質(zhì)電阻率比較均勻的地區(qū)。要求測(cè)量電場(chǎng)電極之間的高差與距離之比小于10%。在每一個(gè)測(cè)點(diǎn)上，必須測(cè)量彼此正交的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，除了要求測(cè)量軸x-y正交外，原則上可以隨意選取測(cè)量軸。如果已知測(cè)區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造走向，最好分別取走向和傾向方向?yàn)闇y(cè)量軸方向。當(dāng)?shù)刭|(zhì)構(gòu)造走向未知時(shí)，通常取正北為x軸，正東為y軸。電場(chǎng)的布極方式有十字型、T型和L型。電極距一般取幾百米。電極距越大，信號(hào)越強(qiáng)，表層不均勻性就越小。大地電磁的電極一般使用不極化電極，要求埋入地下30-40厘米，電極引線必須密封。野外要選擇合適的電纜，鋪設(shè)電纜時(shí)不能懸空。觀測(cè)的時(shí)候，每一個(gè)測(cè)點(diǎn)上的記錄資料都應(yīng)包含足夠的頻譜成分和足夠長(zhǎng)的記錄長(zhǎng)度。大地電磁法的勘探深度和信號(hào)的頻率、地下的電阻率有關(guān)系，一般獲得最大周期T可以由經(jīng)驗(yàn)公式T≥40D2/ρ，其中D為勘探深度，ρ為平均電阻率或等效電阻率。為了得到周期為T(mén)的振幅譜，必須克服截?cái)嘈?yīng)，這樣采集時(shí)間必須為最大周期T得8-10倍，一般要求記錄時(shí)間：Tc≥400D2/ρ，而且記錄時(shí)間越長(zhǎng)越好。為了壓制噪聲，目前普遍采用遠(yuǎn)參考測(cè)量技術(shù)。即兩個(gè)測(cè)點(diǎn)同時(shí)采集，在資料處理時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)參考處理，消除不相關(guān)噪聲。進(jìn)行遠(yuǎn)參考數(shù)據(jù)采集時(shí)，必須使用GPS衛(wèi)星對(duì)時(shí)，保證兩個(gè)測(cè)點(diǎn)同步采集。4、大地電磁數(shù)據(jù)處理方法大地電磁數(shù)據(jù)處理包括對(duì)時(shí)間域的電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行頻譜分析，求出相應(yīng)得頻譜信息，計(jì)算測(cè)量方位所對(duì)應(yīng)得張量阻抗元素，尋找地下電性主軸，計(jì)算主軸方向上的阻抗張量元素和視電阻率等。處理中還要注意對(duì)噪聲的分析，選擇最佳計(jì)算方案，壓制干擾噪聲。大地電磁的數(shù)據(jù)處理方法大致可以分為以下幾個(gè)步驟：（1）頻譜分析研究從時(shí)間序列中提取頻譜成分是一個(gè)專(zhuān)門(mén)的學(xué)科，即時(shí)間序列分析。在大地電磁的數(shù)據(jù)處理中，可以采用傅氏分析法、窄帶濾波法、相關(guān)分析法、極大熵法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法等完成由時(shí)間域到頻率域的轉(zhuǎn)換。目前國(guó)內(nèi)外使用的大地電磁數(shù)據(jù)處理軟件中普遍采用傅氏變換方法。在提取頻譜信息過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)截?cái)嘈?yīng)、假頻效應(yīng)等問(wèn)題，還需要壓制干擾，所以有許多處理手段。A、截?cái)嘈?yīng)：由于大地電磁信號(hào)在時(shí)間上是無(wú)限無(wú)限延伸的，而采集的時(shí)間是有限的。此時(shí)對(duì)記錄的時(shí)間序列進(jìn)行傅氏變換，得到的頻譜與真實(shí)的頻譜不同，而是真實(shí)的頻譜與門(mén)函數(shù)的褶積。這種由于截?cái)嘟剖诡l譜受到歪曲的現(xiàn)象就是截?cái)嘈?yīng)。大地電磁數(shù)據(jù)處理中采取如下措施減小截?cái)嘈?yīng)：ａ、改變時(shí)窗函數(shù)：選取主瓣能量大而邊瓣衰減快的時(shí)窗函數(shù)。大地電磁數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用成功的主要有漢寧窗口和漢明窗口。ｂ、修改原始信號(hào)的頻譜在進(jìn)行傅氏變換之前，根據(jù)對(duì)工區(qū)大地電磁頻率形狀的先驗(yàn)了解，通過(guò)一個(gè)濾波器改變它的形狀，使它盡量平坦，這種處理稱(chēng)為預(yù)白處理（預(yù)先白噪聲化），所利用的濾波器成為預(yù)白濾波器。由于各個(gè)場(chǎng)分量使用相同的預(yù)白濾波器，所以對(duì)阻抗不存在任何影響。B、假頻效應(yīng)當(dāng)連續(xù)信號(hào)中含有大于奈奎斯特頻率的信號(hào)時(shí)，離散的信號(hào)在采樣區(qū)間的頻譜和真實(shí)信號(hào)的頻譜是不一樣的。相當(dāng)于對(duì)連續(xù)信號(hào)離散化以后，使非周期的頻譜周期化了，這種現(xiàn)象叫做假頻效應(yīng)。一般一旦選定采樣的時(shí)間間隔，就必須在采樣之前濾掉高于奈奎斯特采樣頻率的頻譜成分，避免假頻效應(yīng)得出現(xiàn)，稱(chēng)為去假頻濾波。資料整理時(shí)，先對(duì)時(shí)間序列信號(hào)進(jìn)行預(yù)白處理，再把預(yù)白后的離散數(shù)值序列乘以漢寧時(shí)窗函數(shù)。經(jīng)過(guò)上述預(yù)處理后的數(shù)值序列，再做有限離散傅氏變換計(jì)算。得到電磁場(chǎng)的傅氏譜（傅立葉系數(shù)）。利用求得的傅氏譜，可以計(jì)算在各中心頻率的自功率譜和互功率譜的統(tǒng)計(jì)平均值。（2）計(jì)算測(cè)量軸所對(duì)應(yīng)得張量阻抗元素大地電磁場(chǎng)中水平電場(chǎng)和水平磁場(chǎng)分量的振幅譜滿足如下張量阻抗關(guān)系：理論上只要有兩組非線性相關(guān)的振幅譜觀測(cè)值，通過(guò)聯(lián)立方程即可求得張量阻抗元素。但是，實(shí)際電磁場(chǎng)觀測(cè)值是信號(hào)和噪聲之和，即滿足如下關(guān)系式：式中腳標(biāo)s和n分別表示信號(hào)和噪聲。顯然，只有信號(hào)滿足張量阻抗關(guān)系：而場(chǎng)的觀測(cè)值并不滿足張量阻抗關(guān)系：因此，在實(shí)際工作中，為了盡量壓制噪聲干擾，只能利用多組觀測(cè)資料估算張量阻抗。估算張量阻抗的方法主要有兩種：最小二乘法和Robust估計(jì)。最小二乘法原理：當(dāng)有多組電磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，在任一組觀測(cè)值、、、中，可以把上述不等式右邊看作是對(duì)左邊場(chǎng)值的預(yù)測(cè)值：張量阻抗最小二乘解要求滿足實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的方差最?。悍Q(chēng)為方差函數(shù)。式中帶*表示復(fù)數(shù)的共軛。方差極小值的必要條件是：均為復(fù)數(shù)，上述導(dǎo)數(shù)運(yùn)算應(yīng)分別對(duì)其實(shí)部和虛部進(jìn)行。分別對(duì)的實(shí)部和虛部求導(dǎo)并令其為零，可以求得：上式化簡(jiǎn)后得：上式可寫(xiě)成：同理，分別對(duì)的實(shí)部和虛部求導(dǎo)并令其為零，可以得到相似的結(jié)果：和的最小二乘解的法方程組聯(lián)立可求得：類(lèi)似地可求得張量阻抗元素和。注：*表示共軛最小二乘法估計(jì)的前提條件最小二乘法估計(jì)(即LS估計(jì))的有效性是基于三個(gè)假設(shè)成立的基礎(chǔ)上的。（1）場(chǎng)源是無(wú)限的平面電磁波假設(shè)；（2）噪聲與信號(hào)不相關(guān)；（3）噪聲服從高斯正態(tài)分布。當(dāng)假設(shè)中的一個(gè)不成立時(shí)，LS估計(jì)將給出嚴(yán)重畸變的估計(jì)結(jié)果。Robust估計(jì)的基本原理Robust估計(jì)實(shí)質(zhì)上同LS估計(jì)類(lèi)似，也是使預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值之間的誤差最小，所不同的是，Robust估計(jì)不允許少數(shù)異常數(shù)據(jù)或“飛點(diǎn)”在阻抗函數(shù)估算中起控制作用。張量阻抗的最小二乘解，要求滿足：在Robust估計(jì)中我們用適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)（稱(chēng)為損失函數(shù)）來(lái)定義預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值之間的不吻合：其中為尺度估計(jì)參數(shù)。這兒是一調(diào)整常量，一般?。?.5。對(duì)于給出的損失函數(shù)在小殘差時(shí)與最小化一致，在大殘差時(shí)與最小化一致。對(duì)目標(biāo)函數(shù)極小化的求解等價(jià)于求解它的一階導(dǎo)數(shù)為零(分別對(duì)和求導(dǎo))的方程，即：也即。實(shí)際求解可通過(guò)反復(fù)加權(quán)的LS算法來(lái)解決，特別地引入權(quán)函數(shù)：以LS估計(jì)得到的，和尺度估計(jì)參數(shù)開(kāi)始，計(jì)算預(yù)測(cè)值和剩余值：改進(jìn)的觀測(cè)值是：所以由權(quán)函數(shù)可知對(duì)于小剩余值時(shí)，改進(jìn)的觀測(cè)值等同于原始的觀測(cè)值，而對(duì)于大剩余值時(shí)，觀測(cè)值趨近于預(yù)測(cè)值。所以現(xiàn)在就用改進(jìn)的觀測(cè)值代替原始值，計(jì)算新的張量阻抗（用LS估計(jì)）：上述步驟重復(fù)執(zhí)行，用從第n次重復(fù)中得到的估計(jì)值，，（來(lái)代替，，）計(jì)算新的觀測(cè)值，再計(jì)算，和估計(jì)參數(shù)，如此再重復(fù)執(zhí)行。通過(guò)上述方法可以計(jì)算出測(cè)量軸上的阻抗張量元素。（3）計(jì)算主軸方位野外測(cè)量時(shí)，測(cè)量軸與電性主軸往往是不重合的。根據(jù)大地電磁方法的原理，要分解成兩組獨(dú)立的偏振波，確定TE和TM模式，必須將坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)到電性主軸方位上。尋找二維介質(zhì)的電性主軸的方法有試探法和解析法。所謂試探法是將測(cè)量坐標(biāo)逐次旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，計(jì)算相應(yīng)得阻抗張量元素，直到滿足Zxx（）=Zyy（）=0，此時(shí)的就是主軸相對(duì)于測(cè)量軸的方位角。實(shí)際工作中存在測(cè)量誤差，不為零，但是極小值。解析法是利用利用最小二乘原理求極值得方法求主軸方位角。但我們知道，二維介質(zhì)的電性主軸有兩個(gè)：走向和傾向。用上述方法只能求得兩個(gè)主軸的方位，但不能確定走向和傾向。此時(shí)可以利用傾子來(lái)確定走向和傾向。我們知道二維介質(zhì)中Hz不為零，可以寫(xiě)成Hz=AHx+BHy。式中A和B稱(chēng)為傾子。若取二維構(gòu)造走向?yàn)閄軸，則A=0，Hz=BHy。所以當(dāng)A=0時(shí)，傾子B對(duì)應(yīng)得磁場(chǎng)水平分量Hy即為二維地質(zhì)構(gòu)造的傾向。實(shí)際工作中要計(jì)算傾子必須測(cè)量Hz，然后構(gòu)成聯(lián)立方程，求得測(cè)量軸上的傾子A和B，然后旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，根據(jù)傾子變換規(guī)律方程，使得A取得最小值，此時(shí)A對(duì)應(yīng)的水平磁場(chǎng)Hy就是傾向。（4）計(jì)算主軸方位的阻抗張量元素求出主軸方位角后，可以計(jì)算主軸方位的阻抗張量元素，進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換：其中，和分別為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)前后的阻抗張量元素?！鴺?biāo)系順時(shí)針轉(zhuǎn)角。（5）計(jì)算主軸方位上的視電阻率和相位值。得到主軸方位上的阻抗張量元素后，就可以根據(jù)公式計(jì)算出兩種模式的視電阻率和相位的值，為反演做好了準(zhǔn)備。（6）數(shù)據(jù)處理中的其它幾種方法技術(shù)A、地下介質(zhì)維數(shù)的判斷：理論上，判別維數(shù)非常簡(jiǎn)單，因?yàn)椴煌S數(shù)的構(gòu)造有如下特點(diǎn)：一維介質(zhì)：Zxx=Zyy=0，Zxy=Zyx=標(biāo)量二維介質(zhì)：任意方位上存在不變量：主軸方位上：Zxx=Zyy=0，故三維介質(zhì)：Zxx+Zyy=常量≠0以上判別方法理論上很簡(jiǎn)單，但實(shí)際上不容易做到。實(shí)際工作中常用下列方法判別維數(shù)：二維偏離度（SWIFT’SSKEW）：，S<0.2時(shí)，近似為一維或二維。但當(dāng)噪聲很大或局部失真嚴(yán)重時(shí)常導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)論。橢圓率：三維介質(zhì)橢圓函數(shù)Z（）在復(fù)平面上短軸和長(zhǎng)軸的比值。為零時(shí)是二維構(gòu)造。橢圓的偏心率：二維是實(shí)數(shù)，三維是復(fù)數(shù)。阻抗分解法：利用Zxx、Zxy旋轉(zhuǎn)360度的圖形判斷，也可以用相位旋轉(zhuǎn)判斷。B、遠(yuǎn)參考處理技術(shù)野外測(cè)量信號(hào)中的噪聲分為相關(guān)噪聲和不相關(guān)噪聲。求解阻抗張量元素時(shí)，利用多組數(shù)據(jù)的頻譜統(tǒng)計(jì)值可以抑制不相關(guān)噪聲，但對(duì)相關(guān)噪聲卻無(wú)能為力。相關(guān)噪聲主要存在于自功率譜中，要減小相關(guān)噪聲，必須避免使用自功率譜，于是人們采用遠(yuǎn)參考技術(shù)。就是用遠(yuǎn)參考點(diǎn)的磁場(chǎng)和測(cè)點(diǎn)的電磁場(chǎng)計(jì)算功率譜，避免使用自功率譜，抑制相關(guān)噪聲的影響。C、Rhoplus分析對(duì)于一維地電斷面和二維地電斷面的TM模式，其大地電磁響應(yīng)視電阻率和相位總存在一個(gè)由一系列函數(shù)組成的數(shù)學(xué)模型與之相對(duì)應(yīng)。把上述的理論稱(chēng)為Rhoplus理論。對(duì)實(shí)測(cè)資料利用Rhoplus理論尋找由一系列函數(shù)組成的數(shù)學(xué)模型的過(guò)程稱(chēng)為Rhoplus分析。對(duì)于實(shí)際測(cè)量得到的一組數(shù)據(jù)和，通過(guò)對(duì)積分表達(dá)式（1）離散化，用加權(quán)的最小二乘法求解，若可以找到一個(gè)由一系列函數(shù)組成的數(shù)學(xué)模型，其響應(yīng)可以擬合給定的一組數(shù)據(jù)和，則說(shuō)明所給定的這一組數(shù)據(jù)和間是一致的；否則說(shuō)明這一組數(shù)據(jù)和間是不一致的。這是應(yīng)用Rhoplus理論的重要根據(jù)。Rhoplus理論的應(yīng)用，主要有以下幾個(gè)方面：（a）檢查實(shí)測(cè)視電阻率和相位資料的一致性在理論上，對(duì)于任意的一維地電斷面和二維地電斷面TM模式，其對(duì)應(yīng)的視電阻率和相位資料都嚴(yán)格具有一致性。對(duì)于實(shí)測(cè)資料，當(dāng)受干擾噪聲或其他因素影響嚴(yán)重時(shí)，這種一致性很難保證，因而有必要對(duì)實(shí)測(cè)資料應(yīng)用Rhoplus理論進(jìn)行這種一致性檢查。（b）估算任意頻點(diǎn)的視電阻率或相位值及其上下限對(duì)于實(shí)測(cè)資料（由相位和至少一個(gè)頻點(diǎn)的視電阻率值組成），應(yīng)用Rhoplus理論可估算任意頻點(diǎn)的和值，在給定置信度時(shí)，還可確定任意頻點(diǎn)和值相應(yīng)的上下限。這一點(diǎn)在決定是否取舍某受干擾頻點(diǎn)的值，或給定其合理的值時(shí)是重要的依據(jù)，因而是很有用處的。（c）對(duì)不同儀器系統(tǒng)的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行合理的拼接或比較（d）發(fā)現(xiàn)或校正由儀器或預(yù)處理軟件引起的問(wèn)題在有些情況下，由儀器或處理軟件引起的問(wèn)題表現(xiàn)在視電阻率或相位曲線上是很難識(shí)別的。但經(jīng)過(guò)Rhoplus分析，有時(shí)是可以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的，甚至有時(shí)還可以對(duì)問(wèn)題進(jìn)行校正。（7）大地電磁數(shù)據(jù)的反演與解釋大地電磁測(cè)深的最終目標(biāo)是獲取盡可能接近真實(shí)的研究區(qū)電性結(jié)構(gòu)模型。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過(guò)一系列正、反演計(jì)算，來(lái)尋求反演模型理論響應(yīng)與實(shí)測(cè)資料的最佳擬合。但是，由于地球物理場(chǎng)反演的多解性，達(dá)到“最佳擬合”的反演模型并不一定最接近巖石圈真實(shí)的導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)，這給大地電磁反演模型的解釋造成了很大困難。實(shí)測(cè)資料的反演、解釋被看成是大地電磁測(cè)深至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，而反演技術(shù)則在某種程度上反映出大地電磁研究的水平。（A）一維反演早先，國(guó)內(nèi)對(duì)大地電磁實(shí)測(cè)資料的反演，基本是采用一維反演方法。常用的反演技術(shù)包括：Bostick反演、高斯—牛頓法、梯度法、廣義逆反演、馬夸特法、連續(xù)介質(zhì)反演等等。1-D大地電磁測(cè)深反演方法通常是參數(shù)化后的線性化反演。由于線性化的一系列缺點(diǎn),更多的人開(kāi)始注意非線性化反演和聯(lián)合反演方法。由于不完全數(shù)據(jù)造成反演的非唯一性,對(duì)大地電磁測(cè)深資料利用非線性方程結(jié)合邊界條件,求得局部平均的1-D電導(dǎo)率模型和反演參數(shù)的上下限。參數(shù)化反演以Bostick方法為基礎(chǔ)。Bostick反演無(wú)需有關(guān)的先驗(yàn)信息或假設(shè),但由于該方法只是利用單個(gè)頻點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,受噪音影響很大,因此所得到的反演曲線不光滑。Trevino采用兩點(diǎn)平均同時(shí)參考相位給出了相近的求解方法,但是這種方法受所采用的頻點(diǎn)周期間距影響較大。這些非線性反演方法的意義在于為地下電性的描述提供了較為快速、簡(jiǎn)單而又有效的方法。（B）二維反演目前，反演的方法已從早期的一維反演發(fā)展到目前的二維反演。大地電磁二維數(shù)據(jù)反演已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化的程度。反演的問(wèn)題主要有三個(gè),首先是反演參數(shù)的選擇,其次是靈敏度矩陣的計(jì)算,最后則是大型矩陣方程的求解。國(guó)內(nèi)對(duì)實(shí)測(cè)MT資料進(jìn)行二維反演時(shí)，常用的方法有二維OCCAM反演、二維快速松弛反演(RRI)、共軛梯度反演（CG）、非線性共軛梯度反演（NLCG）和REBOCC反演等。大地電磁二維OCCAM反演實(shí)際是求一個(gè)層狀地球模型的最光滑解，即在一定的擬合誤差標(biāo)準(zhǔn)下使模型的粗糙度最小，用關(guān)于線性化高斯-牛頓方法求取約束函數(shù)的最小值，對(duì)于每次迭代，必須計(jì)算靈敏度矩陣，使所有大地電磁反演方法中速度最慢的；大地電磁二維快速松弛反演（RRI）是一種近似法，即用計(jì)算近似靈敏度矩陣來(lái)搜索約束函數(shù)的最小值，即通過(guò)計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)近似靈敏度矩陣變成每個(gè)點(diǎn)下電阻率變化，把二維反演轉(zhuǎn)化為一系列一維反演，通過(guò)一系列一維反演和水平插值，模型更新，形成二維電阻率模型，是反演速度最快的；大地電磁二維REBOCC反演，則是通過(guò)把反問(wèn)題從模型空間（M）轉(zhuǎn)化到數(shù)據(jù)空間(N)，把解表示為經(jīng)過(guò)模型協(xié)方差光滑過(guò)的靈敏度矩陣行線性聯(lián)合，對(duì)數(shù)據(jù)空間逼近，這樣沒(méi)有必要用所有的靈敏度作為基函數(shù)。一個(gè)子集對(duì)構(gòu)造函數(shù)特別有效，不會(huì)丟失主要信息，應(yīng)用這種近似，不必計(jì)算所有的靈敏度，這樣大大減少了方程系大?。ㄒ话愕豈>>N）。）從光滑過(guò)的靈敏度子集中構(gòu)造解，然后尋找標(biāo)準(zhǔn)最小模型，使之適合所有的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)最小構(gòu)造反演。四、瞬變電磁法1、基本原理瞬變電磁法（Timedomainelectromagneticmethod）（或者稱(chēng)時(shí)間域電磁法，簡(jiǎn)稱(chēng)TEM）是一種基于電磁感應(yīng)原理，利用不接地回線或者接地導(dǎo)線進(jìn)行強(qiáng)功率電脈沖激發(fā)，在脈沖的間歇期間，利用線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)。瞬變電磁法工作過(guò)程可以分為發(fā)射、電磁感應(yīng)和接收三部分。當(dāng)發(fā)射回線中的穩(wěn)定電流突然切斷后，根據(jù)電磁感應(yīng)理論，發(fā)射回線中電流突然變化必將在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)稱(chēng)為一次磁場(chǎng)。一次磁場(chǎng)在周?chē)鷤鞑ミ^(guò)程中，如遇到地下良導(dǎo)電的地質(zhì)體，將在其內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流，又稱(chēng)渦流或二次電流。由于二次電流隨時(shí)間變化，因而在其周?chē)之a(chǎn)生新的磁場(chǎng)，稱(chēng)為二次磁場(chǎng)。由于良導(dǎo)電礦體內(nèi)感應(yīng)電流的熱損耗，二次磁場(chǎng)大致按指數(shù)規(guī)律衰減，形成瞬變磁場(chǎng)。二次磁場(chǎng)主要來(lái)源于良導(dǎo)電礦體內(nèi)的感應(yīng)電流，因此它包含著與礦體有關(guān)的地質(zhì)信息，二次磁場(chǎng)通過(guò)接收回線觀測(cè)，并對(duì)所觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，據(jù)此，解釋地下礦體及相關(guān)物理參數(shù)。理論研究表明地下感應(yīng)二次場(chǎng)的強(qiáng)弱、隨時(shí)間衰減的快慢與地下被探測(cè)地質(zhì)異常體的規(guī)模、產(chǎn)狀、位置和導(dǎo)電性能密切相關(guān)。被探測(cè)異常體的規(guī)模越大、埋深越淺、電阻率越低，所觀測(cè)的二次場(chǎng)越強(qiáng)；尤其當(dāng)異常體的電阻率越低時(shí)，二次場(chǎng)隨時(shí)間的衰減速度越慢，延續(xù)時(shí)間也越長(zhǎng)。因此，通過(guò)研究二次場(chǎng)的時(shí)間和空間分布便可獲得地下地質(zhì)異常體的電性特征、形態(tài)、產(chǎn)狀和埋深。此外，從付里葉變換可以知道，時(shí)間域和頻率域信號(hào)是可以互換的，當(dāng)我們?cè)谝粋€(gè)固定測(cè)點(diǎn)上觀測(cè)二次場(chǎng)隨時(shí)間的變化時(shí)，所觀測(cè)的早期信號(hào)即相當(dāng)于頻率域的高頻信號(hào)，而晚期信號(hào)則相當(dāng)于低頻信號(hào)；如果與頻率測(cè)深類(lèi)比，那么早期信號(hào)反映的是地下淺層的信息，而晚期信號(hào)則反映深部信息；通過(guò)對(duì)這測(cè)點(diǎn)上所觀測(cè)的二次場(chǎng)時(shí)間響應(yīng)曲線的反演計(jì)算，可以獲得地下各巖性層的參數(shù)。這即說(shuō)明，瞬變電磁測(cè)量既包含有剖面測(cè)量技術(shù)，又包含了測(cè)深技術(shù)，可以用于解決各種不同的地質(zhì)問(wèn)題。瞬變電磁法具有如下特點(diǎn)：（1）穿透高阻能力強(qiáng)；（2）采用人工源，隨機(jī)干擾??；（3）斷電后觀測(cè)純二次場(chǎng)，可以進(jìn)行近區(qū)觀測(cè)，減少旁側(cè)影響，增強(qiáng)電性分辨能力；（4）可以用加大發(fā)射功率的方法增強(qiáng)二次場(chǎng)，提高信噪比，從而增加勘探深度；（5）通過(guò)多次脈沖激發(fā)，場(chǎng)的重復(fù)測(cè)量疊加和空間域擬地震的多次覆蓋技術(shù)，可以提高信噪比和觀測(cè)精度；（6）通過(guò)選擇不同的時(shí)間窗口進(jìn)行觀測(cè)，有效地壓制噪聲。2、野外施工方法瞬變電磁法包括瞬變電磁剖面測(cè)量和瞬變電磁測(cè)深技術(shù)。（1）常用技術(shù)裝置剖面測(cè)量裝置形式，見(jiàn)下表瞬變電磁剖面裝置裝置名稱(chēng)裝置形式及其特點(diǎn)裝置參數(shù)選擇工作方法同點(diǎn)裝置重疊回線：見(jiàn)圖4.3.1-2(a),發(fā)送回線（Tz）與接收回線（Rz）相重合敷設(shè)的裝置，也可采用收-發(fā)共用一個(gè)回線。它與被探測(cè)地質(zhì)體有最佳的耦合，觀測(cè)信號(hào)強(qiáng)，穿透深度大，響應(yīng)曲線形態(tài)簡(jiǎn)單，時(shí)間特性不發(fā)生變號(hào)，異常便于解釋。回線邊長(zhǎng)L≈H（探測(cè)深度），依據(jù)探測(cè)深度，回線邊長(zhǎng)在20m×20m至1500m×1500m之間選擇。測(cè)線垂直被探測(cè)地質(zhì)體的走向布置，保持發(fā)射與接收回線中心點(diǎn)重疊，沿測(cè)線逐個(gè)測(cè)點(diǎn)移動(dòng)Tz-Rz,進(jìn)行觀測(cè)中心回線：見(jiàn)圖4.3.1-2(a),Rz尺寸較小，置于Tz中，兩者中心重合。具有與重疊回線相似的特點(diǎn)，但觀測(cè)信號(hào)較弱。Tz回線邊長(zhǎng)L≈H（探測(cè)深度），依據(jù)探測(cè)深度，回線邊長(zhǎng)在20m×20m至1500m×1500m之間選擇。Rz為多匝的空心線圈。磁偶源裝置見(jiàn)圖4.3.1-2(b),Tz與Rz通常為水平線框（或線圈），尺寸均較小，收-發(fā)距r固定，沿測(cè)線布置。輕便、靈活，對(duì)被探測(cè)地質(zhì)體有較好的分辨率；但探測(cè)深度小，觀測(cè)的時(shí)間特性發(fā)生變號(hào)，曲線復(fù)雜，資料解釋困難。發(fā)射線圈Tz多用直徑為10-20m的多匝圓形回線，接收線圈Rz為多匝的空心線圈。測(cè)線垂直被探測(cè)地質(zhì)體的走向布置，保持r固定不變，沿測(cè)線逐個(gè)測(cè)點(diǎn)移動(dòng)Tz-Rz,進(jìn)行觀測(cè)大定回線源裝置見(jiàn)圖4.3.1-2(c),Tz采用水平敷設(shè)的矩形大回線，Rz為小尺寸的線圈或磁探頭。探測(cè)深度大，可采用多臺(tái)接收機(jī)同時(shí)工作，效率高、成本低。大回線外（測(cè)量）組合，發(fā)射回線的邊長(zhǎng)，依據(jù)探測(cè)深度，在100m×100m至1000m×2000m之間選擇?；鼐€長(zhǎng)邊應(yīng)平行被探測(cè)地質(zhì)體的走向敷設(shè)，供電電流一般為10A。測(cè)線應(yīng)垂直長(zhǎng)邊布置，在發(fā)送回線內(nèi)、外，沿測(cè)線逐個(gè)測(cè)點(diǎn)移動(dòng)輕便的接收線圈Rz觀測(cè)dBx/dt和dBz/dt。大回線內(nèi)（測(cè)量）組合，發(fā)射回線的邊長(zhǎng)，依據(jù)探測(cè)深度，在400m×400m至1000m×1000m之間選擇。測(cè)深裝置形式，見(jiàn)下表瞬變電磁測(cè)深裝置裝置名稱(chēng)裝置形式及其特點(diǎn)裝置參數(shù)選擇工作方法電偶源裝置見(jiàn)圖4.3.1-3(a),用AB接地電極向地下發(fā)送一次脈沖電流場(chǎng)，用線圈Rz接收二次磁場(chǎng)，收-發(fā)距r固定，r>>AB。裝備較輕便、靈活，中等探測(cè)深度。當(dāng)r≤H（探測(cè)目的層深度）時(shí)，為“近區(qū)”觀測(cè)；依據(jù)探測(cè)深度選擇AB極距的大小，一般AB≤H。在固定測(cè)點(diǎn)上，r一定，用Rz觀測(cè)dB/dt,并換算成視電阻率的時(shí)間響應(yīng)ρS（t），進(jìn)行反演、解釋。磁偶源裝置見(jiàn)圖4.3.1-3(b),Tz與Rz通常為水平線框（或線圈），尺寸均較小，收-發(fā)距r固定。裝備較輕便、靈活，但發(fā)射功率小，因此能達(dá)到的探測(cè)深度較小。發(fā)射線圈Tz多用直徑為10-20m的多匝圓形回線，接收線圈Rz為多匝的空心線圈。r≤H（探測(cè)目的層深度）與電偶源裝置類(lèi)似。長(zhǎng)導(dǎo)線源裝置見(jiàn)圖4.3.1-3(c),用AB接地電極向地下發(fā)送一次脈沖電流場(chǎng)，用線圈Rz接收二次磁場(chǎng)，收-發(fā)距r固定，AB>>r。通常采用大極距、大功率發(fā)送，一次場(chǎng)覆蓋范圍大，能達(dá)到的探測(cè)深度也大，可實(shí)現(xiàn)面積性測(cè)深工作，效率高?！ァァB長(zhǎng)度的選擇應(yīng)根據(jù)設(shè)備的實(shí)際條件，采用合理的配置，使源矩達(dá)到最佳值。當(dāng)源矩M≈5×105A?m，接收線圈有效面積q≈7×104m2時(shí)，r可在5-20km內(nèi)選擇。AB垂直被探測(cè)地質(zhì)體走向布置，固定不動(dòng)；從A，B分別以300和1500夾角，引射線所限定的范圍內(nèi)，平行AB方向，布置測(cè)線和測(cè)點(diǎn)，用Rz觀測(cè)dB/dt,并換算成視電阻率的時(shí)間響應(yīng)ρS（t），進(jìn)行反演、解釋。中心回線裝置見(jiàn)圖4.3.1-3(d),Rz尺寸較小，置于大回線Tz中，兩者中心重合。常用于1km以?xún)?nèi)淺層的測(cè)深工作，具有與重疊回線相似的特點(diǎn)。發(fā)送回線邊長(zhǎng)L可參照H=0。55（L2Iρ1/η）1/5估計(jì)，η-最小可分辯電壓，I-發(fā)送電流，ρ1-覆蓋層電阻率。接收回線邊長(zhǎng)小于（1/5-1/10）L。在固定測(cè)點(diǎn)上，保持發(fā)射與接收回線中心點(diǎn)重疊，用Rz觀測(cè)dB/dt,并換算成視電阻率的時(shí)間響應(yīng)ρS（t），進(jìn)行反演、解釋。需要說(shuō)明，表中所列的“電偶源裝置”和“長(zhǎng)導(dǎo)線源裝置”屬于電性源類(lèi)的瞬變電磁法，是中等和大探測(cè)深度的方法；由于方法自身的特點(diǎn)（主要是發(fā)射系統(tǒng)不如磁性源輕便），這類(lèi)方法目前在工程勘測(cè)方面的應(yīng)用不多，但在強(qiáng)干擾地區(qū)工作它們有較大的優(yōu)勢(shì)。(2)觀測(cè)參數(shù)的選擇瞬變電磁測(cè)量是在一次場(chǎng)的間歇期間，測(cè)量二次場(chǎng)及其隨時(shí)間的衰減，即測(cè)量二次場(chǎng)的時(shí)間響應(yīng)曲線。因此，瞬變電磁法的觀測(cè)必須在比較長(zhǎng)的延時(shí)范圍內(nèi)，從早期到晚期，按一定間隔剖分時(shí)間段，依次逐段采樣，即進(jìn)行多道采樣。顯然，“采樣道數(shù)”的多少，將直接影響所觀測(cè)二次場(chǎng)時(shí)間特性的質(zhì)量。一般地說(shuō)，在實(shí)際工作中希望“采樣道數(shù)”盡可能多些，以便完整地記錄下二次場(chǎng)的有用信號(hào)，獲得比較深的地質(zhì)信息。但過(guò)多的“采樣道數(shù)”，將造成不必要的浪費(fèi)，明顯影響瞬變電磁測(cè)量的工作效率；所以，必需選擇合適的“采樣道數(shù)”。另一方面，在野外觀測(cè)時(shí)各種干擾信號(hào)都將疊加在有用的二次場(chǎng)信號(hào)上。為了壓制干擾，提高觀測(cè)精度，通常采用多次疊加的方法。理論上講，“疊加次數(shù)”越多，隨機(jī)干擾的總和越小；但“疊加次數(shù)”越多，觀測(cè)時(shí)間也必然越長(zhǎng)，這又將影響野外工作效率。因此，同樣必需選擇合適的“疊加次數(shù)”。實(shí)際上，無(wú)論是“采樣道數(shù)”或“疊加次數(shù)”的選擇，都主要取決于測(cè)區(qū)的信噪比和儀器的靈敏度。為此，建議在測(cè)區(qū)開(kāi)工之前，首先進(jìn)行觀測(cè)參數(shù)選擇試驗(yàn)。試驗(yàn)方法：取采樣道數(shù)為16，疊加次數(shù)為10（即210=2048次），如發(fā)現(xiàn)最后幾道的讀數(shù)接近儀器噪聲電平，這說(shuō)明二次場(chǎng)有用信號(hào)已完整地記錄下來(lái)了，采樣道數(shù)和疊加次數(shù)的選擇是合適的。如果最后幾道的讀數(shù)都大于噪聲電平，那么應(yīng)增加道數(shù)；如果最后幾道發(fā)生振蕩，即使大于或接近噪聲電平，這都說(shuō)明觀測(cè)誤差大，應(yīng)增加疊加次數(shù)及減少采樣道數(shù)，直到最后幾道的信號(hào)接近噪聲電平為止。（3）布設(shè)測(cè)網(wǎng)的原則原則上講，測(cè)網(wǎng)網(wǎng)度的確定要求能基本得出異常特征和范圍，而這首先取決于回線的邊長(zhǎng)，所以實(shí)際上點(diǎn)、線距是按回線邊長(zhǎng)選取，并適當(dāng)考慮經(jīng)緯儀測(cè)量的工作量和鋪線是否方便。a）一般地說(shuō)，對(duì)重疊回線和中心回線，線距等于回線邊長(zhǎng)（L）的整數(shù)倍；點(diǎn)距等于（0.5-1）L。在巖溶區(qū)常用20m×5m或10m×5m,有時(shí)也用5m×5m的網(wǎng)度；探測(cè)斷層破碎帶等工程，多采用50m×50m或100m×10m的測(cè)網(wǎng)，小測(cè)區(qū)也可用20m×10m的網(wǎng)度。b）對(duì)大回線，線距和點(diǎn)距可比上述密一倍。c）磁偶源裝置的點(diǎn)、線距要求與電剖面法基本相同。敷設(shè)回線時(shí)要使導(dǎo)線盡可能遠(yuǎn)離金屬物3-5m，剩余的導(dǎo)線應(yīng)按“之”字形鋪開(kāi)。在不能避開(kāi)金屬障礙物時(shí)應(yīng)在野外記錄上做詳細(xì)備注，供資料解釋時(shí)參考。為提高效率，敷設(shè)大回線時(shí)，可放寬對(duì)回線形狀的要求。（4）保證觀測(cè)質(zhì)量的措施影響瞬變電磁觀測(cè)質(zhì)量的主要因素有：裝置和觀測(cè)技術(shù)參數(shù)選擇不當(dāng)，回線敷設(shè)太不規(guī)范，發(fā)送電流不穩(wěn)，人文、風(fēng)和靜電等外界因素的干擾。a)實(shí)地試驗(yàn)是保證觀測(cè)質(zhì)量的最基本方法；b)提高經(jīng)緯儀測(cè)量精度；c)嚴(yán)格按?規(guī)范?規(guī)定的技術(shù)要求敷設(shè)回線；d)發(fā)現(xiàn)發(fā)送電流波形、幅度變化時(shí)應(yīng)立即檢查發(fā)射機(jī)工作是否正常，或?qū)Ь€是否懸空、未鋪放完的導(dǎo)線是否仍繞在線架上、線架是否靠近導(dǎo)線；e)在干燥多風(fēng)的天氣，發(fā)現(xiàn)讀數(shù)偏差，可改變接收線圈極性在讀數(shù)，求平均值，以消除靜電干擾；（5）觀測(cè)質(zhì)量評(píng)價(jià)質(zhì)量檢查，以重復(fù)觀測(cè)和重新布置回線的檢查觀測(cè)兩種方式進(jìn)行。首先對(duì)比各檢查點(diǎn)原始觀測(cè)與檢查觀測(cè)值的符號(hào)、強(qiáng)度和時(shí)間譜衰減規(guī)律是否一致；然后，按（4.3.1-1）式計(jì)算百分相對(duì)誤差：（4.3.1-1）式中，N—參加統(tǒng)計(jì)的實(shí)際檢查點(diǎn)數(shù)；j—觀測(cè)道數(shù)；i—測(cè)點(diǎn)號(hào)；Vji—第i號(hào)點(diǎn)，第j道的原始觀測(cè)值；Vjiˊ—第i號(hào)點(diǎn)，第j道的重復(fù)觀測(cè)值。要求檢查工作量占總工作量的5%，平均百分誤差小于10%。3、國(guó)內(nèi)常用的瞬變電磁儀器下表列出幾種國(guó)內(nèi)常用的進(jìn)口瞬變電磁儀的技術(shù)指標(biāo)。幾種常用的國(guó)外專(zhuān)用瞬變電磁儀廠家及型號(hào)工作裝置發(fā)射波形發(fā)射回線邊長(zhǎng)發(fā)射電流測(cè)量時(shí)間范圍加Crone公司PEM偶極裝置大回線裝置雙極性梯形波9m直徑軟框100-500m方框20A或30A0.15–12.8ms美Newmont公司EMP大回線裝置200-1000m100A0.5-160ms加多倫多大學(xué)UTEM大回線裝置雙極性三角波200-1000m5A0.05-25ms加Geonics公司EM-37大回線裝置雙極性方波40×40m—300×600m30A0.08-80ms加Geonics公司PROTEM（EM-57c）大回線裝置中心回線裝置雙極性方波5×5m—300×600m20A0.78-80ms加Geonics公司PROTEM（EM-47）大回線裝置中心回線裝置雙極性矩形波5×5m—100×100m3A0.00685-7.04ms澳Geometrics公司SIROTEM重疊回線裝置雙極性方波10-200m10A0.4-165ms工程物探中使用的儀器是采樣時(shí)間比較早，并且比較輕便型的儀器，如：UTEM系統(tǒng)、PROTEM（EM-57、47）系統(tǒng)、PEM系統(tǒng)等。此外，國(guó)外一些著名公司生產(chǎn)的多功能電磁系統(tǒng)也包含了時(shí)間域的功能，如：加拿大鳳凰公司（PHOENIX）生產(chǎn)的V5、V6和V8，還有美國(guó)Zonge公司生產(chǎn)的GDP-12、GDP-16和GDP-32。這些儀器的時(shí)間域參數(shù)都與EM-37相近，主要用于探測(cè)深部地質(zhì)體。國(guó)內(nèi)關(guān)于瞬變電磁儀器的研制起步比國(guó)外晚，但近些年發(fā)展較快，目前已用于實(shí)際生產(chǎn)的儀器型號(hào)有：國(guó)土資源部物化探研究所的WDC-2智能化瞬變電磁系統(tǒng)；西安物化探研究所的LC-1、EMRS-2A瞬變電磁系統(tǒng)；長(zhǎng)沙智通新技術(shù)研究所和中南大學(xué)合作的SD-1、SD-2、SD-40瞬變電磁系統(tǒng)；有色總公司北京礦產(chǎn)地質(zhì)研究所的TEMS-3S瞬變電磁系統(tǒng)；吉林大學(xué)的ATEM-1瞬變電磁系統(tǒng)。4、數(shù)據(jù)處理瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理包括：瞬變電磁剖面資料處理和瞬變電磁測(cè)深資料處理。由于瞬變電磁測(cè)量在每個(gè)測(cè)點(diǎn)上都觀測(cè)若干個(gè)時(shí)間道的數(shù)據(jù)（即多時(shí)間窗口離散取樣），因此每個(gè)測(cè)點(diǎn)都可獲得一條瞬變測(cè)深曲線。如果測(cè)量是沿剖面進(jìn)行的，那么每一道都有一條沿剖面變化的二次場(chǎng)振幅曲線；把各道數(shù)據(jù)繪在同一個(gè)坐標(biāo)系里，即構(gòu)成了瞬變電磁多道剖面曲線圖。實(shí)際上，對(duì)于沿剖面測(cè)量的瞬變電磁數(shù)據(jù)通過(guò)不同處理既可得到瞬變電磁剖面的結(jié)果，又可得到瞬變測(cè)深的結(jié)果。但對(duì)于落在剖面外的一些測(cè)點(diǎn)，瞬變電磁數(shù)據(jù)只能做測(cè)深資料處理。（1）瞬變電磁法資料的圖示瞬變電磁場(chǎng)剖面圖：橫軸-測(cè)點(diǎn)；縱軸-觀測(cè)數(shù)據(jù)；不同衰減時(shí)間。橫軸一般采用算術(shù)坐標(biāo)，縱軸可以采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)和算術(shù)坐標(biāo)。瞬變場(chǎng)衰減曲線：橫軸-時(shí)間道號(hào)；縱軸-觀測(cè)場(chǎng)值；雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)和單對(duì)數(shù)坐標(biāo)均可視電阻率擬斷面圖：橫軸-測(cè)點(diǎn)，縱軸-時(shí)間，視電阻率為記錄值。瞬變場(chǎng)等值線平面圖：將同一時(shí)間道的觀測(cè)值標(biāo)在對(duì)應(yīng)得測(cè)點(diǎn)旁，通常繪制早期、中期和晚期三個(gè)時(shí)間道的等值線平面圖。（2）瞬變電磁測(cè)深視電阻率計(jì)算：由于瞬變電磁法中電磁場(chǎng)與介質(zhì)電阻率之間為復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，無(wú)法求得計(jì)算視電阻率的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)表達(dá)式，所以只能取得早期及晚期視電阻率表達(dá)式。下列表達(dá)式式中，—發(fā)射線圈磁矩；；—發(fā)送回線面積；—發(fā)射電流；—測(cè)量道時(shí)間；—發(fā)送回線的匝數(shù)；—空氣磁導(dǎo)率；—收發(fā)距；—接收線圈面積；—接收線圈的匝數(shù)；；—二次場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。磁性源：早期（遠(yuǎn)區(qū)）視電阻率表達(dá)式，晚期（近區(qū)）視電阻率表達(dá)式，電性源：觀測(cè)磁場(chǎng)，早期（遠(yuǎn)區(qū)）視電阻率表達(dá)式，觀測(cè)磁場(chǎng)，晚期（近區(qū)）視電阻率表達(dá)式，式中，—供電極距；—與X軸的夾角。觀測(cè)電場(chǎng)，早期（遠(yuǎn)區(qū)）視電阻率表達(dá)式，觀測(cè)電場(chǎng)，晚期（近區(qū)）視電阻率表達(dá)式，式中，—測(cè)量電極距；—之間的二次電場(chǎng)信號(hào)。用早期和晚期定義的視電阻率計(jì)算是比較簡(jiǎn)單的。但一旦極限條件不滿足，則將使視電阻率曲線的首支和尾支不能反映介質(zhì)的真電阻率，影響定量分層的正確性。近年來(lái)有學(xué)者提出全區(qū)視電阻率定義。其基本思想是直接由均勻半空間場(chǎng)的表達(dá)式求取電阻率對(duì)場(chǎng)量的反函數(shù)。均勻半空間場(chǎng)的表達(dá)式中電阻率與場(chǎng)量間為復(fù)雜的隱函數(shù)關(guān)系，故通常首先將隱函數(shù)進(jìn)行級(jí)數(shù)展開(kāi)，并采用數(shù)值逼近技術(shù)來(lái)求取視電阻率。5、應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)（1）應(yīng)用條件被探測(cè)目標(biāo)體與圍巖之間存在明顯電性差異,并且呈低阻特征；要根據(jù)探測(cè)深度和被探測(cè)目標(biāo)體的規(guī)模，結(jié)合測(cè)區(qū)地下導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)特征、周?chē)刭|(zhì)噪聲、人文干擾水平等條件進(jìn)行分析，具體確定所使用儀器的靈敏度、功率和技術(shù)措施；解決第四系分層問(wèn)題，必需盡可能掌握測(cè)區(qū)內(nèi)2-3個(gè)鉆孔分層結(jié)果和地層電性變化特征；不僅可以在陸地上進(jìn)行工程勘測(cè)，而且可用于水上工程和水陸兩棲工程。但水上測(cè)量時(shí)，測(cè)點(diǎn)布置受水流、海浪、風(fēng)速和船速等條件的制約，需視具體條件而定。（2）應(yīng)用范圍（A）確定覆蓋層厚度及第四系分層；在有一定已知條件的地區(qū)，用于劃分基巖的風(fēng)化層，提出各層的等厚度圖及基巖面等深度圖。（B）探測(cè)基底斷裂、破碎帶、巖溶等地質(zhì)構(gòu)造。（C）在水域覆蓋區(qū)，用于探測(cè)水下基巖面起伏和基底斷裂、破碎帶、巖溶等地質(zhì)構(gòu)造輪廓；可提供水下第四系厚度及分層結(jié)果。（D）在灘涂地區(qū)（淤泥、沙灘覆蓋區(qū)）解決上述地質(zhì)問(wèn)題。（E）在沙漠等干旱地區(qū)找水。（F）海岸帶調(diào)查，圈定海水浸入帶。（3）發(fā)展趨勢(shì)理論方面：復(fù)雜二、三維的正、反演；電磁擬地震的偏移與成像技術(shù)；瞬變電磁法的激電效應(yīng)特征、分離技術(shù)和解釋方法等。方法技術(shù)方面：類(lèi)似與CSAMT方法的雙極源瞬變電磁法；擬地震的工作方法技術(shù)，如時(shí)間域多次疊加和空間域多次覆蓋等技術(shù)。儀器方面：大功率、多功能、智能化，高溫超導(dǎo)磁探頭。五、可控源音頻大地電磁法1、方法概述可控源音頻大地電磁法（CSAMT）是在大地電磁法（MT）和音頻大地電磁法（AMT）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種人工源頻率測(cè)深方法。我們知道，大地電磁法（MT）的觀測(cè)頻率很低（n×10-4-n×104Hz）所以勘探深度很大，可達(dá)一百公里以上。但由于頻率偏低，所以對(duì)淺層的分辨率較差，而且生產(chǎn)效率也比較低。為了更好地研究幾十米到幾千米深度范圍內(nèi)的地電結(jié)構(gòu)，在MT方法的基礎(chǔ)上，形成了音頻大地電磁法（AMT）。音頻大地電磁法的工作方法、觀測(cè)參數(shù)與MT方法相同。不過(guò)該方法主要觀測(cè)由于雷電作用產(chǎn)生的音頻（n×10-1-n×103Hz）大地電磁場(chǎng)。但由于音頻大地電磁法的觀測(cè)頻段內(nèi)，天然大地電磁場(chǎng)的強(qiáng)度較弱，人文干擾大，所以信噪比很低，野外數(shù)據(jù)采集十分困難，需要長(zhǎng)時(shí)間采集并采用多次疊加技術(shù)。為了克服上述困難，70年代初，加拿大多倫多大學(xué)的D.W.Strangway教授和他的學(xué)生提出沿用AMT的觀測(cè)方式，觀測(cè)人工供電產(chǎn)生的音頻電磁場(chǎng)。由于所觀測(cè)電磁場(chǎng)的頻率、強(qiáng)度和方向可以由人工控制，而其觀測(cè)方式又與AMT法相同，所以叫可控源音頻大地電磁法。CSAMT采用的人工場(chǎng)源有磁性源和電性源兩種。磁性源是在不接地的回線或線框中供以音頻電流，產(chǎn)生相應(yīng)頻率的電磁場(chǎng)。磁性源產(chǎn)生的電磁場(chǎng)隨距離衰減較快，為保持較強(qiáng)的觀測(cè)信號(hào)，場(chǎng)源到觀測(cè)點(diǎn)的距離（收發(fā)距）r一般較小（n×102米），所以其探測(cè)深度較?。?lt;1/3r），主要用于解決水文、工程或環(huán)境等淺層地質(zhì)問(wèn)題。電性源是在有限長(zhǎng)（1-3KM）的接地導(dǎo)線中供音頻電流，產(chǎn)生相應(yīng)頻率的電磁場(chǎng)，通常稱(chēng)其為電偶極或雙極源。根據(jù)供電電源功率（發(fā)送功率）的不同，電性源CSAMT的收發(fā)距可以達(dá)到幾到幾十公里，因而探測(cè)深度較大（可以達(dá)到2KM），主要用于地?zé)帷⒂蜌?、煤田以及固體礦產(chǎn)的勘探中。目前，電性源CSAMT方法應(yīng)用較多。2、儀器設(shè)備目前CSAMT的儀器種類(lèi)很多，我國(guó)使用比較多的是加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的系列產(chǎn)品v-4、V-5、v-8等，還有美國(guó)ZONGE工程和研究機(jī)構(gòu)生產(chǎn)的GDP-16、GDP-32等儀器系統(tǒng)。3、野外數(shù)據(jù)采集與施工我們以電性源為例來(lái)說(shuō)明CSAMT的野外測(cè)量方法。CSAMT的野外測(cè)量方式分為標(biāo)量測(cè)量、矢量測(cè)量和張量測(cè)量。標(biāo)量測(cè)量：通過(guò)沿一定方向（一般設(shè)為x方向）布置的接地導(dǎo)線AB向地下供入某一音頻f的諧變電流，在其一側(cè)或兩側(cè)60度張角的扇形區(qū)域內(nèi)，沿X方向布置測(cè)線，逐個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)沿測(cè)線（X方向）的相應(yīng)頻率的電場(chǎng)分量Ex和與之正交的磁場(chǎng)分量Hx，進(jìn)而計(jì)算卡尼亞視電阻率。實(shí)際測(cè)量中，通常用多道儀器同時(shí)觀測(cè)沿測(cè)線布置的6-7對(duì)相鄰測(cè)量電極間的Ex和位于這組測(cè)量電極（簡(jiǎn)稱(chēng)排列）中部一個(gè)磁探頭的Hy。由于磁場(chǎng)沿測(cè)線的空間變化一般不大，所以用這個(gè)磁場(chǎng)分量代表整個(gè)排列各個(gè)測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)分量。這樣，一次測(cè)量能完成整個(gè)排列6-7個(gè)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)。矢量測(cè)量：同樣是沿一個(gè)方向布設(shè)發(fā)送源，但在每個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)相互正交的兩個(gè)電場(chǎng)分量和三個(gè)磁場(chǎng)分量，與MT觀測(cè)相同。張量測(cè)量：用相互正交的兩組雙極源供電，對(duì)每一個(gè)場(chǎng)源依次觀測(cè)兩個(gè)電場(chǎng)分量和三個(gè)磁場(chǎng)分量。矢量測(cè)量與張量測(cè)量能夠提供地下二維和三維的地電特征的詳細(xì)信息，適用于詳細(xì)研究復(fù)雜地電結(jié)構(gòu)，但生產(chǎn)效率很低，生產(chǎn)中很少使用。在CSAMT的野外工作中，一般是在音頻范圍內(nèi)逐次改變供電電流，并增大電極距，使觀測(cè)的信號(hào)強(qiáng)度足夠強(qiáng)，達(dá)到必要的信噪比。野外一般完成一整套測(cè)量頻率的測(cè)量大概需要一個(gè)小時(shí)左右，生產(chǎn)效率較高。一般CSAMT的點(diǎn)距選得比較小，常常與測(cè)量電極距相同（n×10-n×102米），所以這種測(cè)量同時(shí)具有測(cè)深和剖面測(cè)量的雙重性質(zhì)，橫向和縱向的分辨率都很高，適用于電性結(jié)構(gòu)的立體填圖。4、資料處理可控源音頻大地電磁法的場(chǎng)也分為近區(qū)、過(guò)渡區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)，近區(qū)：，r<<δ；遠(yuǎn)區(qū)：，r>>δ，過(guò)渡區(qū)—：。由于近區(qū)的阻抗是與頻率無(wú)關(guān)的，所以不能起到測(cè)深的目的。過(guò)渡區(qū)的阻抗與頻率的關(guān)系比較復(fù)雜。遠(yuǎn)區(qū)的視電阻率表達(dá)式與大地電磁法完全一樣，為卡尼亞電阻率。磁偶源裝置遠(yuǎn)區(qū)：過(guò)渡區(qū)：—校正系數(shù)（在均勻半空間介質(zhì)的條件下推導(dǎo)出來(lái)的。是個(gè)很復(fù)雜的系數(shù)，與地下各層之間的電阻率比值、信號(hào)的頻段有關(guān)—校正誤差很難估計(jì)）電性源裝置遠(yuǎn)區(qū)：★標(biāo)量測(cè)量：★矢量測(cè)量：在實(shí)際測(cè)量中，在保證信號(hào)有一定強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量在遠(yuǎn)區(qū)測(cè)量。但穿透深度（趨膚深度）不只與地下介質(zhì)的電阻率有關(guān)，而且與電磁波的頻率有關(guān)，實(shí)際工作時(shí)很難保證一個(gè)測(cè)點(diǎn)的所有頻率都有平面波的特性，即都處于遠(yuǎn)區(qū)。所以，實(shí)際工作中如果出現(xiàn)了在過(guò)渡區(qū)進(jìn)行測(cè)量的情況，將引起曲線的畸變，必須加以校正?？煽卦匆纛l大地電磁法的校正可以分為以下幾種：（1）靜校正地表或淺部的電性不均勻體會(huì)使CSAMT的視電阻率曲線發(fā)生沿縱軸的移動(dòng)，當(dāng)非均勻體為低阻體（或山脊）時(shí)，向下平移，反之（或山谷），向上平移。而相位曲線卻保持不變。在CSAMT中常用的靜位移校正方法有：相位積分法（Zonge等，1988），歸一化校正（Zonge等，1988）、空間濾波法（即EMAP觀測(cè)方法）、利用相位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作靜校正等方法，這里不再一一詳細(xì)介紹。（2）地形校正研究表明，如果地形起伏小于趨膚深度，地形影響與靜位移是等價(jià)的。如果在野外采集時(shí)，盡量使電場(chǎng)和磁場(chǎng)探測(cè)器水平放置，可大大減小地形影響。但如果不能水平放置，需要進(jìn)行地形校正。地形校正的前提是要知道地形的起伏，還要計(jì)算地形對(duì)視電阻率曲線的影響。而計(jì)算地形對(duì)視電阻率曲線的影響只能借助于數(shù)值模擬的方法，目前只限于二維情況。（3）場(chǎng)源校正只有遠(yuǎn)區(qū)的電磁場(chǎng)才與大地電磁場(chǎng)相似，具有平面波的性質(zhì)。這是用卡尼亞公式計(jì)算的卡尼亞電阻率才是有意義的。其實(shí)場(chǎng)源校正，就是消除非平面波的影響。目前比較好的校正方法是由實(shí)測(cè)的卡尼亞視電阻率計(jì)算全頻域視電阻率。全頻域視電阻率的近場(chǎng)校正法設(shè)：非磁性、均勻大地。地面水平電偶源場(chǎng)?？醽嗠娮杪时磉_(dá)式：式中，分別為第一和第二類(lèi)虛宗量貝塞爾函數(shù)，其宗量為（）?！袘?yīng)數(shù)；—趨膚深度—均勻大地的電阻率歸一化視電阻率：式中，的宗量為★由實(shí)測(cè)的——均勻大地的電阻率（全域）非均勻條件下，定義視電阻率：——是把卡尼亞電阻率按均勻大地作過(guò)近場(chǎng)校正的視電阻率。（用數(shù)值逼近法逐段將表示為的冪指數(shù)多項(xiàng)式）★近場(chǎng)校正的步驟：取不同的，劃分區(qū)間，由歸一化視電阻率的表達(dá)式計(jì)算相應(yīng)的冪指數(shù)和系數(shù)。a)由實(shí)測(cè)的計(jì)算。b)根據(jù)選取相應(yīng)區(qū)段的冪指數(shù)多項(xiàng)式，計(jì)算感應(yīng)數(shù)c)由計(jì)算出的值，計(jì)算經(jīng)過(guò)近場(chǎng)校正的全域視電阻率。得到校正后的視電阻率和相位資料后，資料的反演和解釋與大地電磁方法類(lèi)似，這里就不再詳細(xì)介紹。六、甚低頻法（VLF）1、方法概述甚低頻（VLF）是在60年代中期發(fā)展起來(lái)的一種電磁方法。它利用分散在全球各地?cái)?shù)十個(gè)頻率為15-25KHz的長(zhǎng)波電臺(tái)作為場(chǎng)源，進(jìn)行地質(zhì)礦產(chǎn)以及水文勘探。這些長(zhǎng)波電臺(tái)是為潛艇的導(dǎo)航及通信而建立的，功率強(qiáng)大（500-1000KW），信號(hào)穩(wěn)定。由于VLF方法無(wú)需發(fā)射設(shè)備，因此裝備輕便，工作效率高，成本低。需要指出，這里的所謂甚低頻是相對(duì)概念。在無(wú)線電工程中，通常把頻率為15-25kHz的電磁波信號(hào)稱(chēng)為“甚低頻”，這顯然不是一般電法勘探中“低頻”的概念。在甚低頻法（Verylowfrequencymethod）中被利用做為工作場(chǎng)源的電磁波信號(hào)是由長(zhǎng)波通訊臺(tái)高達(dá)數(shù)百英尺的垂直輻射天線發(fā)射的，所以相當(dāng)于垂直諧變電偶極子場(chǎng)，它可以穩(wěn)定、可靠的傳播到很遠(yuǎn)的地方。據(jù)電磁波場(chǎng)的傳播理論知道，在遠(yuǎn)離場(chǎng)源（r>>λ）的測(cè)點(diǎn)上，一部分VLF電磁波場(chǎng)被看成是垂直地面向下傳播的，因此在地面水平的均勻大地中只存在相互正交的電場(chǎng)(EX)和磁場(chǎng)(HY)水平分量；其趨膚深度()為：式中，—地下介質(zhì)的電阻率；—電磁波場(chǎng)的周期。均勻大地的波阻抗（）為：由此得到在非均勻大地的情況下，視電阻率（即Cagniard電阻率）（）的定義式為：式中，—X軸方向的電場(chǎng)水平分量（v/m）；—Y軸方向的磁場(chǎng)水平分量（A/m）；—電磁波場(chǎng)的圓頻率（Hz）；—地下介質(zhì)的磁導(dǎo)率。圖4.3.15為甚低頻電磁波場(chǎng)空間分布的示意圖。圖中D1、D2表示地下被探測(cè)導(dǎo)體的分(b)圖4.3.15甚低頻電磁波場(chǎng)空間分布的示意圖（a）平面分布俯視圖（b）平面分布側(cè)視圖布，D1的走向與VLF場(chǎng)的方向近于正交，而D2則基本與VLF場(chǎng)的方向平行。從電磁剖面法的物理實(shí)質(zhì)知道，當(dāng)?shù)叵麓嬖陔S時(shí)間變化的電場(chǎng)或磁場(chǎng)（即一次場(chǎng)）時(shí)，地下良導(dǎo)地質(zhì)體在它們的激勵(lì)下將發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象而產(chǎn)生二次場(chǎng)。二次場(chǎng)的強(qiáng)弱和空間分布規(guī)律與一次場(chǎng)的大小、激勵(lì)方向，以及地下目標(biāo)體的導(dǎo)電性、形狀、埋深、規(guī)模、產(chǎn)狀等因素有關(guān)。因此，通過(guò)在空中、地面或水下觀測(cè)感應(yīng)二次場(chǎng)的信息即可以推斷地下被探測(cè)目標(biāo)體的導(dǎo)電性和它的空間賦存狀態(tài)。顯然，這也正是甚低頻法的工作原理。相比之下，D1受甚低頻磁場(chǎng)的激勵(lì)最強(qiáng)，可以產(chǎn)生較大的感應(yīng)二次場(chǎng)信號(hào)；而D2所受的激勵(lì)最弱，感應(yīng)二次場(chǎng)最小。所以，開(kāi)展甚低頻法野外觀測(cè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際任務(wù)選擇合適方向上的長(zhǎng)波電臺(tái)（見(jiàn)表4.3.4所示），才能取得較好的應(yīng)用效果。長(zhǎng)波通訊臺(tái)及分布表電臺(tái)名稱(chēng)位置停播或維修時(shí)間（UT）頻率kHz功率kW備注NDT日本愛(ài)知縣依佐美每月第一周四/五2300-090017.4500中國(guó)可以收到NWC澳大利亞西北角每周三0000-080022.3100