高频大地电磁法及应用

1、报告提纲报告提纲一、历史与发展一、历史与发展二、高频大地电磁场的场源二、高频大地电磁场的场源三、频率域电磁测深的共性问题三、频率域电磁测深的共性问题四、高频大地电磁测深的应用四、高频大地电磁测深的应用一、历史与发展一、历史与发展电磁法：以电磁法：以maxwellmaxwell方程为基础，研究天然或人工（可控）方程为基础，研究天然或人工（可控）场源在大地中激励的交变电磁场传播规律，从而分析地场源在大地中激励的交变电磁场传播规律，从而分析地下电性特征的一类地球物理方法。下电性特征的一类地球物理方法。电磁波频谱及波长结构示意图电磁波频谱及波长结构示意图一、历史与发展一、历史与发展1910: 1910

2、: 先驱者的工作先驱者的工作1932: 1932: peters,bardeen,maxwellpeters,bardeen,maxwell 方程组方程组1933:l.w.blau,eltran 1933:l.w.blau,eltran 法：层状介质上的法：层状介质上的tem:tem:石油石油19401940后后: :j.r.wait,s.h.ward,tikhonov,vanyan,cagniardj.r.wait,s.h.ward,tikhonov,vanyan,cagniard1950-1960:mt,amt1950-1960:mt,amt1970-1980:csamt1970-1980

3、:csamt，temtem1990-2000:1990-2000:连续电导率剖面连续电导率剖面一、历史与发展（一、历史与发展（mt,amtmt,amt）a.n.tikhonov(1946,1950), l.cagniard(1953):a.n.tikhonov(1946,1950), l.cagniard(1953):大地电磁大地电磁测深测深(magnetotellurics,mt),0.01-1-1000hz(100m-100km)(magnetotellurics,mt),0.01-1-1000hz(100m-100km)sims w e, sims w e, bostickbostick

4、 f x(1972): f x(1972):阻抗张量分析方法，每一阻抗张量分析方法，每一测点进行五分量观测测点进行五分量观测gamble(1979):gamble(1979):远参考测量远参考测量bostickbostick f x (1991): f x (1991):电磁阵列剖面法电磁阵列剖面法( (electrmagneticelectrmagnetic arryarry profiling profiling，emap)emap)仪器：仪器：mt-1,mt-24,v5/v6/v8/v5-2000,gdp-32.mt-1,mt-24,v5/v6/v8/v5-2000,gdp-32.集成化

5、、集成化、智能化、多功能化、分布式智能化、多功能化、分布式gpsgps同步与授时同步与授时解释：定性、半定量、定量、一维二维三维，综合化解释：定性、半定量、定量、一维二维三维，综合化一、历史与发展一、历史与发展全球电磁场强度平均振幅特征全球电磁场强度平均振幅特征(compell,1967)(compell,1967) 频率(hz)电场(mv/km)磁场(nt)一、历史与发展一、历史与发展(mt,amt)(mt,amt)优点：勘探深度大：按优点：勘探深度大：按bostickbostick深度，深度，100m-100km100m-100km模型简单：多极化平面电磁波，正演、反演解释模型简单：多极化

6、平面电磁波，正演、反演解释相对容易相对容易穿透力强：不受高阻电性层屏蔽穿透力强：不受高阻电性层屏蔽工作相对简便：无需人工场源工作相对简便：无需人工场源cagniardcagniard电阻率：抗干扰力相对强电阻率：抗干扰力相对强缺点：信噪比低，信号不稳定，预处理复杂缺点：信噪比低，信号不稳定，预处理复杂分辨率低分辨率低静态效应静态效应一、历史与发展（一、历史与发展（csamtcsamt）d.w.strangway,m.a.goldstein(1971):d.w.strangway,m.a.goldstein(1971):可控源音频大地电可控源音频大地电磁测深磁测深(controlled sour

7、ce audio-frequency (controlled source audio-frequency magnetotellurics,mt),0.1-10000hz(nmagnetotellurics,mt),0.1-10000hz(n* *10-n10-n* *1000m)1000m)标量测量标量测量矢量测量矢量测量张量测量张量测量一、历史与发展一、历史与发展(csamt)(csamt)优点：勘探深度中：按优点：勘探深度中：按bostickbostick深度，深度，n n* *10m-n10m-n* *1000m1000m信噪比高：信号强，观测效率高，预处理简单信噪比高：信号强，观测

8、效率高，预处理简单穿透力强：不受高阻电性层屏蔽穿透力强：不受高阻电性层屏蔽cagniardcagniard电阻率：抗干扰力相对强电阻率：抗干扰力相对强缺点：过度带与近区效应缺点：过度带与近区效应阴影效应阴影效应人工场源，计算及反演复杂人工场源，计算及反演复杂分辨率低分辨率低静态效应静态效应一、历史与发展（连续电导率剖面）一、历史与发展（连续电导率剖面）k.h.lee,smith(1991):k.h.lee,smith(1991): 连续电导率剖面（连续电导率剖面（cemap),cemap),低频段低频段（1khz1khz以下），为以下），为mtmt测量方式，高频段采用双极化的水平测量方式，高频

9、段采用双极化的水平磁偶极子以补偿天然场的不足磁偶极子以补偿天然场的不足典型的典型的eh-4eh-4测站布置示意测站布置示意一、历史与发展一、历史与发展(cemap(cemap，hmt)hmt)cemapcemap的实质是：的实质是：mt+tensormt+tensor csamt+emap, csamt+emap, 它保留了它保留了mt,csamtmt,csamt的大部分优点，也兼顾了其缺点，如勘探深度的大部分优点，也兼顾了其缺点，如勘探深度范围范围10m-10km10m-10km、多极化平面电磁波，正演、反演解释容、多极化平面电磁波，正演、反演解释容易、穿透力强等，但场源的影响仍然存在。易、

10、穿透力强等，但场源的影响仍然存在。中南大学使用中南大学使用eh-4eh-4时，发现在许多地区，可以观测到高时，发现在许多地区，可以观测到高频段天然电磁场（频段天然电磁场（1hz-n1hz-n* *10khz),10khz),提出了高频（人文）大提出了高频（人文）大地电磁法，即在地电磁法，即在100khz100khz以下，分段通频带观测个以下，分段通频带观测个电磁场分量，并计算电磁场分量，并计算cagniardcagniard电阻率，保留电阻率，保留mtmt法的数据法的数据处理与解释方法。处理与解释方法。二、高频大地电磁场的场源二、高频大地电磁场的场源频率(hz)电场(mv/km)磁场(nt)频

11、率(hz)四川松潘四川松潘阿坝地区电磁场振幅频率特性图（杨生，阿坝地区电磁场振幅频率特性图（杨生，20042004）（实线（实线: :为几何平均值，虚线为几何平均值，虚线: :全球电磁场平均振幅）全球电磁场平均振幅）二、高频大地电磁场的场源二、高频大地电磁场的场源湖北某地实测大地电磁场各分量振幅特征图（席振铢，湖北某地实测大地电磁场各分量振幅特征图（席振铢，20032003） 二、高频大地电磁场的场源二、高频大地电磁场的场源可见：由于人类电磁活动的频繁和深入，如各类中、可见：由于人类电磁活动的频繁和深入，如各类中、长波广播电台、电视发射台、接地电网、微波遥感卫长波广播电台、电视发射台、接地电网

12、、微波遥感卫星、电信通讯网络等，地表所观测的大地电磁场的频星、电信通讯网络等，地表所观测的大地电磁场的频谱已发生了深刻的变化，在野外已经可以接收到谱已发生了深刻的变化，在野外已经可以接收到1hz-1hz-100khz100khz的高频的高频“天然天然”电磁信号，其勘探深度为地表电磁信号，其勘探深度为地表至至2000m2000m，正是人类经济活动最频繁的范围，这无疑，正是人类经济活动最频繁的范围，这无疑使得被动源高频电磁勘探的研究具有现实意义。使得被动源高频电磁勘探的研究具有现实意义。就频率而言，就频率而言，100khz100khz以下的电磁波主要是各类低频段以下的电磁波主要是各类低频段amam

13、电台、接地电网等。但人文电磁波与电离层的相互电台、接地电网等。但人文电磁波与电离层的相互作用产生的电磁信号可能是另一个因素。作用产生的电磁信号可能是另一个因素。二、高频大地电磁场的场源二、高频大地电磁场的场源半导电平面上的平面波传播半导电平面上的平面波传播 地面波能流密度示意图地面波能流密度示意图 地面波传播地面波传播: :无线电波沿地球表面传播，各类中、长波广播电台、电无线电波沿地球表面传播，各类中、长波广播电台、电视发射台、接地电网、电信通讯网络主要是地面波传播。其特点是信视发射台、接地电网、电信通讯网络主要是地面波传播。其特点是信号稳定，没有多径效应，基本上不受气象条件的影响，但随频率增

14、高号稳定，没有多径效应，基本上不受气象条件的影响，但随频率增高传输损耗迅速加大，因此特别适宜频率小于传输损耗迅速加大，因此特别适宜频率小于100khz100khz的长波和超长波的的长波和超长波的传播。它们沿地面传播可达几千至几万公里，传播。它们沿地面传播可达几千至几万公里，100khz100khz到到1500khz1500khz的中的中波可以沿地面传播几百公里波可以沿地面传播几百公里, ,具体决定于波长、功率及土壤的电性参具体决定于波长、功率及土壤的电性参数等。地面波的波前向下倾斜是其损耗与在地下传播的主要原因数等。地面波的波前向下倾斜是其损耗与在地下传播的主要原因二、高频大地电磁场的场源二、

15、高频大地电磁场的场源不同频率时电磁波的轨迹图不同频率时电磁波的轨迹图 不同入射角时电磁波的轨迹不同入射角时电磁波的轨迹 天波传播。通常指自发射天线发出的电磁波，在高空中被电天波传播。通常指自发射天线发出的电磁波，在高空中被电离层反射后回到地面的传播方式。长波、中波、短波都可以离层反射后回到地面的传播方式。长波、中波、短波都可以利用天波通信。天波传播主要特点是传播损耗小，因而可以利用天波通信。天波传播主要特点是传播损耗小，因而可以利用较小的功率进行远距离通信。被电离层利用较小的功率进行远距离通信。被电离层地表反射、地表反射、折射穿入地下的电磁波是折射穿入地下的电磁波是“人文天然人文天然”电磁场的

16、又一来源。电磁场的又一来源。三、频率域电磁测深的共性问题三、频率域电磁测深的共性问题、勘探深度：勘探深度是一个模糊的概念。以垂直入射地表勘探深度：勘探深度是一个模糊的概念。以垂直入射地表的平面电磁波的横磁模式（的平面电磁波的横磁模式（tm)tm)为例：为例：zzitioyyeeehh f5032表示表示 hoyhoy衰减到衰减到e1时，电磁波传播的距离。时，电磁波传播的距离。 称为电磁波的趋肤深度。从物理极限上说（电导率无穷大），电称为电磁波的趋肤深度。从物理极限上说（电导率无穷大），电磁波的能量集中在导体的表面，导体内的电场为。磁波的能量集中在导体的表面，导体内的电场为。对电导率有限的大地，

17、电磁波的能量集中在地表附近一定深度内，对电导率有限的大地，电磁波的能量集中在地表附近一定深度内，即趋附深度。即趋附深度。趋附深度是对均匀大地的，对层趋附深度是对均匀大地的，对层d d型断面，型断面，bostickbostick推导出推导出f3561d通常称为勘探深度。汤井田等从奇性分析也得到相似的结果。但对通常称为勘探深度。汤井田等从奇性分析也得到相似的结果。但对其它类型的断面，趋附深度相差甚远，且没有统一的计算公式。其它类型的断面，趋附深度相差甚远，且没有统一的计算公式。、静态效应：静态效应是电性不均匀体（实质是引起电流分布、静态效应：静态效应是电性不均匀体（实质是引起电流分布发生变化的因素

18、，如地形、电阻率不均匀等）边界上产生的静电发生变化的因素，如地形、电阻率不均匀等）边界上产生的静电荷（动态平衡）形成的静电场所引起的视电阻率曲线的畸变荷（动态平衡）形成的静电场所引起的视电阻率曲线的畸变 。静态效应模型（层状介质中嵌入一局部三维不均匀体）静态效应模型（层状介质中嵌入一局部三维不均匀体）3 3层均匀层状介质的电阻率分别为层均匀层状介质的电阻率分别为100,10,1000100,10,1000m m ，一、二层的厚度，一、二层的厚度分别为分别为600,1400m600,1400m。地表不均匀体平面规模为。地表不均匀体平面规模为40m40m40m40m，厚度，厚度4m4m，电阻，电阻

19、率率55m m。mtmt观测点分别位于不均匀体中心（观测点分别位于不均匀体中心（mt0mt0）、其边界内侧）、其边界内侧（mt18mt18）、边界外侧（）、边界外侧（mt25mt25）和无穷远处（）和无穷远处（mt500mt500）。）。 三、频率域电磁测深的共性问题三、频率域电磁测深的共性问题a.a.测点距不均匀体无穷远测点距不均匀体无穷远(mt500)(mt500)无静态偏移无静态偏移b.b.测点位于模型中心测点位于模型中心(mt0)(mt0)曲线明显下降曲线明显下降, ,但但te,tmte,tm重合重合c.c.测点位于模型内侧测点位于模型内侧(mt18),te,tm(mt18),te,t

20、m曲线均向下移曲线均向下移d.d.测点位于模型外侧测点位于模型外侧(mt25),te,tm(mt25),te,tm曲线分别向上曲线分别向上, ,下移下移 三、频率域电磁测深的共性问题三、频率域电磁测深的共性问题 齐岳山隧道德胜场暗河静态效应改正前的齐岳山隧道德胜场暗河静态效应改正前的eh-4eh-4电阻率剖面电阻率剖面三、频率域电磁测深的共性问题三、频率域电磁测深的共性问题静态效应校正方法：静态效应校正方法：(1)(1)电磁阵列剖面法电磁阵列剖面法(emap)(emap) (2)(2)阻抗张量分析法阻抗张量分析法 (3)(3)联合反演方法联合反演方法 (4)(4)辅助资料的静态校正法辅助资料的

21、静态校正法 (5)(5)利用相位资料的静校正方法利用相位资料的静校正方法 (6)(6)直接的二维反演方法直接的二维反演方法(7)(7)空间滤波法空间滤波法( (平移）平移）(8)(8)直接利用（浅地表勘探）直接利用（浅地表勘探）三、频率域电磁测深的共性问题三、频率域电磁测深的共性问题三、频率域电磁测深的共性问题三、频率域电磁测深的共性问题、场源效应：电法的场源是电法勘探灵活多变的重要、场源效应：电法的场源是电法勘探灵活多变的重要因素，如因素，如dc,ip,sip,duip,tem,lotem,csamt,mtdc,ip,sip,duip,tem,lotem,csamt,mt等等等等, ,从从而

22、使电法勘探可以适用于不同的地质目标。但电法的场而使电法勘探可以适用于不同的地质目标。但电法的场源是双刃剑，它同样也带来了负面效应，主要有：源是双刃剑，它同样也带来了负面效应，主要有：（）近区及过渡带效应：非平面波效应（）近区及过渡带效应：非平面波效应（）阴影效应及场源迭加效应：非平面波与互换原理（）阴影效应及场源迭加效应：非平面波与互换原理（）工作效率的降低（）工作效率的降低（）正演计算及反演解释的复杂化（）正演计算及反演解释的复杂化三、频率域电磁测深的共性问题三、频率域电磁测深的共性问题 110100100010000100010000100000 检查数据 观测数据 过渡带低谷 近场数据

23、云雾山隧道云雾山隧道csamtcsamt法测点法测点243243视电阻率曲线视电阻率曲线三、频率域电磁测深的共性问题三、频率域电磁测深的共性问题125 ohm-m250 ohm-m500 ohm-m1000 ohm-m1500 ohm-m2000 ohm-m10000 ohm-m50000 ohm-m100000 ohm-m500000 ohm-m1000000 ohm-m2000000 ohm-m? ? ? ? 00m100m200m300m400m30 个旧矿区个旧矿区t4t4线线csamtcsamt卡尼亚电阻率拟断面图卡尼亚电阻率拟断面图三、频率域电磁测深的共性问题三、频率域电磁测深的共

24、性问题 没没有有低低阻阻异异常常 个旧矿区个旧矿区t4t4线线eh-4eh-4卡尼亚电阻率拟断面图卡尼亚电阻率拟断面图三、频率域电磁测深的共性问题三、频率域电磁测深的共性问题场源效应的校正：从理论上场源效应是无法校正的，但场源效应的校正：从理论上场源效应是无法校正的，但努力是必要的。努力是必要的。（）全区视电阻率计算：统一近区、过渡带、远区（）全区视电阻率计算：统一近区、过渡带、远区（）各种近区校正方法（）各种近区校正方法（）多场源卷积：阴影及场源跌加（）多场源卷积：阴影及场源跌加（）多种方法联合（）多种方法联合（）发展无源电法：改正场源的最佳方案是放弃场源，（）发展无源电法：改正场源的最佳方

25、案是放弃场源，如如mt,amt,hmt,mt,amt,hmt,但必须解决弱信号检测与处理等但必须解决弱信号检测与处理等三、频率域电磁测深的共性问题三、频率域电磁测深的共性问题、分辨率：横向与纵向横向取决于测量偶极子长度，电磁波勘探、分辨率：横向与纵向横向取决于测量偶极子长度，电磁波勘探的纵向分辨率主要受大地电阻率、电磁波频率及频点抽样密度影响。的纵向分辨率主要受大地电阻率、电磁波频率及频点抽样密度影响。一般情况下，电磁波频率越低、电阻率越高，勘探深度就越大，纵向一般情况下，电磁波频率越低、电阻率越高，勘探深度就越大，纵向分辨率则越低。以分辨率则越低。以300300欧姆米、欧姆米、3hz3hz的

26、电磁波为例，其勘探深度为的电磁波为例，其勘探深度为3560m,3560m,如果频率抽样间隔为如果频率抽样间隔为1hz,1hz,则则4hz4hz的勘探深度为的勘探深度为30803080米，即在米，即在3080-35603080-3560米深度内的地质构造是无法详细分辨的；但如果频率抽样间隔为米深度内的地质构造是无法详细分辨的；但如果频率抽样间隔为0.1hz0.1hz，则则3.1hz3.1hz的勘探深度为的勘探深度为35023502米，可见纵向分辨率将大大提高。同样条件米，可见纵向分辨率将大大提高。同样条件下，下，30hz30hz电磁波的勘探深度为电磁波的勘探深度为11251125米，采用频率抽样

27、间隔为米，采用频率抽样间隔为10hz10hz，40hz40hz电磁波的勘探深度约为电磁波的勘探深度约为11061106米，可见提高频率抽样密度是提高电米，可见提高频率抽样密度是提高电磁勘探纵向分辨率的有效手段。在同样的纵向分辨率要求下，频率越磁勘探纵向分辨率的有效手段。在同样的纵向分辨率要求下，频率越高，频率抽样间隔可以越大。但频率抽样密度又受仪器性能、勘探成高，频率抽样间隔可以越大。但频率抽样密度又受仪器性能、勘探成本等制约，最佳的设计是根据勘探的需要由软件灵活地控制仪器的发本等制约，最佳的设计是根据勘探的需要由软件灵活地控制仪器的发射频率和频率分布密度，而不是采用固定的频率间隔，如射频率和

28、频率分布密度，而不是采用固定的频率间隔，如2 2进制方式递进制方式递增或递减。增或递减。 三、频率域电磁测深的共性问题三、频率域电磁测深的共性问题0.512481632641282565121024204840968192163840.00.51.0freq. am plitude 10.2879 20.2879 40.2879 80.2879 160.2878 320.2878 640.2877 1280.2874 2560.287 5120.28610240.284320480.28140960.275281920.2667163840.2667amplitudeam plitude sp

29、ectrumw aveform-1.00.01.0t15-frequency pseudo-random signalamplitudetlog2f电磁发射波形电磁发射波形自动控制、多极化伪谱的设计自动控制、多极化伪谱的设计（频率域与时间域：分段同频带）（频率域与时间域：分段同频带）三、频率域电磁测深的共性问题三、频率域电磁测深的共性问题、反演与解释：在数学上，偏微分方程的反演是病态问题、反演与解释：在数学上，偏微分方程的反演是病态问题除非除非已知信息是完备的。但即使如医学已知信息是完备的。但即使如医学ct,ct,已知信息也不是完全完备的，已知信息也不是完全完备的，其解释仍有赖于医生的经验由于

30、地球物理信息天然的不完备性，其其解释仍有赖于医生的经验由于地球物理信息天然的不完备性，其反演解释必然是病态的，其主要体现是它的非唯一性。反演解释必然是病态的，其主要体现是它的非唯一性。减少非唯一性的策略是：与地质紧密结合、钻孔及测井等先验信息、减少非唯一性的策略是：与地质紧密结合、钻孔及测井等先验信息、多方法联合等，对盲解释的任何要求都是不科学的和无可奈何的。多方法联合等，对盲解释的任何要求都是不科学的和无可奈何的。地球物理解释中最重要的是物性的变化及其趋势。没有物性的变化就地球物理解释中最重要的是物性的变化及其趋势。没有物性的变化就没有地球物理，均匀大地假设虽然提供了一种参考模型，但没有任何

31、没有地球物理，均匀大地假设虽然提供了一种参考模型，但没有任何实际意义。因此地球物理最重要的价值不是它是否能提供真实的物性实际意义。因此地球物理最重要的价值不是它是否能提供真实的物性参数，而是在于它提供的物性变化趋势及其背后的地质含义。参数，而是在于它提供的物性变化趋势及其背后的地质含义。计算机正演与反演研究确有理论与实际意义，但对其过分的追求与依计算机正演与反演研究确有理论与实际意义，但对其过分的追求与依赖将导致地球物理的衰亡。理论、工程、地质的结合是地球物理成功赖将导致地球物理的衰亡。理论、工程、地质的结合是地球物理成功的必由之路，也是地球物理人才培养的正途。的必由之路，也是地球物理人才培养

32、的正途。四、高频大地电磁测深的应用四、高频大地电磁测深的应用650700750800850900950100010501100115056635495532851604934428136292976232416721019798661528446652165714151328139117881487118688559425770559953704680399032992609191912298987495995034152037166515531376213718071478114861395963559548704145342026951970124595879563253844623651

33、924177216292296195016041258632959185160440236452887212913711043867690590496279522922081164723962039168213259696387560148144028324224551669117298179066356931462946253119932186211117451379101462065394458337712959214713511146942755663191735493090260318912138181214461081716629354604628379529622130140811

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