海洋电磁法原理

1、海洋电磁法原理摘 要由于海水具有高导电性，对不同频率的波都有屏蔽作用，从而导致海底信号强度很小，为了弥补海洋天然源大地电磁法的弱点, Charles Cox1960年在国际上首次提出了海洋可控源电磁法简称（MCSEM）。MCSEM在常规海洋大地电磁方法的基础上，增加了人工发射源，采用拖拽式海底发射，从而增强接收机场强度。尽管最近几年，海洋可控源电法有关的研究和讨论文章数量在减少。但海洋可控源勘探的成效已经受到业界的广泛关注, MCSEM可以说是海洋地球物理勘探中最重要的工具。可控源电磁法对高电阻率的碳氢化合物特别敏感,这用于海洋油气勘探，能起到很好的效果；同时具有势场方法（如重力测量、磁测）更

2、好的固有分辨率。海洋可控源电磁法可以提高海上钻探成功率, 大大降低钻探风险，现已经扎根于海洋勘探事业，成为海上勘探非地震方法主要采集技术。目前主要面对的挑战是海洋仪器设备，许多海洋设备尚处于起步阶段。但随着科技的进步，仪器可靠性和仪系统噪声均有所改善。目前研究方向包括通过应用时域方法在浅水区解决空气波问题，利用可控源电磁法进行油藏监测。关键词： MCSEM 采集技术 处理解释 油藏监测第1章 绪 论1.1 引 言地球表面71%都被海洋所覆盖着，从外空间可以看到一个蓝白相衬、缀以橙黄、晶莹的星体，这美丽的蔚蓝色就来自于海洋。海洋总面积达3.6亿多平方公里，海洋资源丰富，海水中锰结核富集成矿，海底

3、又蕴藏着丰富的石油、天然气以及各种各样的资源，至今很多海洋资源处于未被探明和开发的状态。所以全球很多国家对海底地质研究和资源探测开发都具有很大的兴趣。我国海洋面积广阔，其总面积占我国陆地总面积的三分之一，特别是南海地区，资源储量非常丰富。伴随着人类社会的进步，人口的膨胀，人们对资源不断索取，乱踩乱挖，造成环境污染、生态破坏，资源严重浪费，资源日渐枯竭。工业转向残余矿，深部矿的同时，着手进军海洋资源的开发和利用。海洋资源对我国经济发展、国家综合实力的提升等具有重大而深远的意义。1.2 研究背景和意义20 世纪 70 年代, 来自 Scripps 海洋研究所( SIO) 的 Co x 为 10,

4、11海洋电磁法从理论到实际应用经历了一个漫长的时间，最早的研究开始于20世纪60年代（Cox et al. 1961）。而进入石油工业开始商用则是 2000 年以后的事情。主要标志是数字仪器成功研制和采集数据处理算法与解释方法成功应用。2000年以来，几家大型石油公司做了大量海洋电磁实验，海洋电磁很快走向成熟并商业化，海洋电磁法的运用给世界能源企业带来了丰厚的利润，其大大降低了钻探风险，提高出油率，成为油公司打井决策的最后一个砝码。有的油公司甚至提出没有海洋电磁勘探，不得在海上打井。我国人口众多，而且正处在高速发展的阶段，对资源和能源的需求更加迫切，党和国家都已经充分认识到问题的严重性和紧迫性

5、，90年代末连续推出几期关于海洋资源和能源开发的863和973重大项目,全国多家企业和科研院所投入大量的科研力量，并已取得了很多突破性成果。我国地球物理探测重大装备长期依赖进口，关键技术掌握在外国人手中。近年来我国逐步开始重视地球物理探测仪器的研发，特别是电磁法仪器的发展，在国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020年）中，明确提出了要发展海洋电磁探测技术以及很多其他方法的探测技术，表明了海洋可控源电磁探测技术的发展迫在眉睫。本文结合国家高技术研究发展计划（863 计划）“海洋可控源电磁勘探发射关键技术研究”，开展可用于海洋可控源电磁探测的发射关键技术研究。海洋CSEM测深的历史和海洋

6、大地电磁的历史息息相关，这两项技术都是研究海底电阻率，依靠海底电场和磁场的记录。实际的海底测量困难重重，这就意味着理论明显先于实践。Cagniard (1953）明确考虑海洋测量，但他写的未能明显认识到实际问题。提出海洋CSEM测量第一个出版物可能是Bannister (1968)，他提出了频率域理论，海底发射-接收的偶极子方法来确定海底电阻率。Bannister可能认识到磁力仪振动或移动噪音问题，推荐用水平电偶极子，目前仍然在使用。Brock-Nannestad（1965) 提出类似于用MT估计海底电阻率的垂直梯度法。Coggon and Morrison（1970）提出了一个相对高频垂直磁

7、偶极子源以此来估计海底浅层结构。在1960年代早期，Charles Cox and Jean Filloux 团队开发第一个适合深海底大地电磁和CSEM测深的设备。在1961年末，Cox and Filloux已经在加利福尼亚近海水深1000到2000米的地方部署了电场和磁场的接收器。1965年,他们在4000米水深、离海岸650公里的距离部署了类似的工具。1965年的实验没有产生海底电场和磁场同步记录，但通过引用磁测量海底MT响应，在他的记录中，磁力计被使用。在1966年，手稿描述了由1000米长的海底电缆连接到放大器和采集系统组成的电场接收装置，已被提交到海洋研究杂志，但没有出版 。Fil

8、loux（1967b）很好记录了这个设备，Cox et al.（1971）也简短的做了笔记，同时提交了从深海海底站点采集的MT数据，Filloux（1974）建立了一套更容易地电场仪将部署合并系统，通过扭转了两个电极和3-m salt bridges（3-m salt bridgesthat formed the antennas形成了天线）之间的接触，从而消除电极补偿和漂移 。对于长周期,深海海底MT测深该仪器广泛使用。自1970年代以来，海洋电磁法学术研究比较稳定。最近十年海洋电磁测深的用处越来越有意义，海洋CSEM探测和海洋MT测深学术发展成研究海洋岩石圈地幔的工具。尽管使用海洋CSEM

9、探索环境潜在的认为非常早，但是还没有到进入深海探索。可以看出在这些探索深处始于90年代末,开始生产深水技术开发只在21世纪初。在深水中，海洋CSEM效果比MT好，海洋CSEM勘探促进着水深处大于1000米开发碳氢化合物的能力，深水钻井的高成本也从侧面促进使用相对昂贵非地震方法。如何加快海洋油气勘探步伐已经成为我国能源战略的重点解决的问题。随着 STATOIL 在西非安哥拉(ANGOLA)的已知油田区进行了首次海上海洋可控源电磁技术CSEM勘测。其结果表明海洋CSEM技术已经成熟，可以用于商业油气勘探。继那次试验后 STATOIL 公司在西非和 NORWAY 等地进行了几个 CSEM 勘探工作，

10、其结果表明CSEM 非常有效。在我国海洋CSEM仍处于起步阶段。海洋CSEM 的勘探效果受多个因素影响，如海水深度、海底电阻率、地层厚度、海底地形、排列方式及其发射频率等。总结这些因素与响应结果之间的影响规律对于资料处理、反演、解释具有积极的指导作用，能为准确的处理解释资料提供帮助。1.3 海洋电磁环境的地球物理特点海洋环境不同于陆地环境，从目前研制的仪器设施来看看，地球物理方法扩展到海底一直具有挑战性，进行任何电磁测量之前必须了解海洋环境的特点并予以认识。1.3.1 海洋电磁场在陆地上观测的磁场强度一般比传感器噪音高一到两个量级，海洋表面同陆地上磁场近似。但在海底情况大不相同，随着海水深度的

11、增加，频率越高，衰减的越多，一种解释就是：大地电磁阻抗同水平电场和磁场之比成正比，这阻抗接近海底岩石电阻率或者和海底岩石电阻率相同；由于电场的连续性，相应的磁场也必须减小。磁场值很弱的同时，电场值同样很小，电场值在10-9V/mHz 。对于海洋可控源探测，在接收发射距离6km范围内比较敏感，电场场值衰减到10-14V/Am2,磁场大约是10-17T/Am。如果使用大型发射偶极子，比如接收发射距离是100km，这就要求信噪比了，这对仪器要求是一个大的考验。1.3.2 海洋温度海水温度日变化很小，变化水深范围从0-30米，而年变化可到达水深350米。在水深350米左右处，有一恒温层。随深度增加，水

12、温逐渐下降(每深1000米左右，约下降1-2），在水深3000-4000米处，温度达到2-1。总的来看，海水温度变化平稳，在深水处，水温变化少于0.1，这无疑相对陆地而已是个很好的优势，因为传感器对温度敏感，在陆地上很难消除温度变化带来的影响，有的地方昼夜温差超过40，所以如果长时间测量，电极必须埋的很深。海水温度虽然变化比较平稳，但是海水低温也同样带来问题。目前，地球物理勘探一般用磁盘储存数据，但是大多数磁盘的额定温度是5-50，所以在低温环境中可能会失效，特别是打开的时候。目前寻找的方法就是测试各种仪器，找出性能最好的设施。此外有时仪器放在船上比较潮湿的环境中，温度比较高，电子元件中带有水

13、蒸汽，在冷的环境中凝结，这也可能造成电子元件的问题。处理办法就是，放置干燥剂，在压力下用惰性气体充填电子元件内部。此外，低温环境对电池也会造成影响。1.3.3 海水电导率海洋具有不同于陆地的独特环境，海洋环境最大的特点是海底上覆盖着一层海水。海水里面富含各种矿物质，矿物质电解形成离子，从而形成良导电体。它的导电能力取决于离子的浓度和活跃度，具体地来说，忽略压力效应，海水电导率主要取决于温度和含盐度。海水的温度和含盐度比较稳定，除了地中海和地球两极，可以认为电导率都在35S/m之间变化。常用的电导率和温度的关系如下：=3.0+0.1T s/mKey and Lewis (2009)修改了这个公式

14、，在高温段更精确：=2.903916（1+0.0297175T+0.00015551T2-0.00000067T3 s/m 水的高导电率意味着输入电场的阻抗放大器不需要比陆地上高。同样,天线发射器的阻抗也可以减少，从而减少电量消耗。1.3.4 海水压力和腐蚀性海水具有巨大的压力，海面往下水深每增加10米，压力就增加一个大气压。比如，在1000米深处，压力就增加到100个大气压。在这样的压力下，海水能将木块压缩到它原来体积的一半。这种情况下如果内爆，可能会摧毁临近的设备。所以即使是制作一个简单的电缆连接线和浮标，也不是一个简单任务，需要做好防压措施。海洋环境同时是一种复杂的腐蚀环境。在这种环境中

15、，海水本身是一种强的腐蚀介质，同时波、浪、潮、流又对金属构件产生低频往复应力和冲击，加上海洋微生物、附着生物及它们的代谢产物等都对腐蚀过程产生直接或间接的加速作用。海洋腐蚀主要是局部腐蚀，即从构件表面开始，在很小区域内发生的腐蚀，如电偶腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀等。此外，还有低频腐蚀疲劳、应力腐蚀及微生物腐蚀等 。腐蚀能造成电场噪音，不同材料的接触形成低噪声传感器。 第2章 海洋电磁勘探基本原理前面讲海洋环境中，提到海水是良导体，对电磁波具有屏蔽作用，但这种屏蔽只是对高频而言，低频电磁波可以穿透海水到达海底。海洋电磁法的基本原理是,在海底表面发射电磁场,电磁场在海水和海底介质中传播,并感生二次场,

16、二次场的大小与介质的电导率密切相关。海洋电磁探测是利用海水中电场或磁场与海底电导率之间的关系来获取海底介质信息的, 总场与介质电导率的具体关系由海洋地电模型和发射接收装置类型决定。通过相应数学模型,可以由测量的总场反演出海底介质的电导率。可用于研究海底地质构造、工程环境和油气储层等。为了满足海底探测的需要,人们提出了多种探测方法,如磁性源电磁法、电性源电磁法、时间域电磁法、频率域电磁法等。2.1 基本原理海洋电磁法探测是利用海水中电磁场与海底电导率之间的相互关系来获取海底地层信息的，而海底电导率与海底地层及其结构特点有关，利用这一特性可用来研究分析海底地质结构、油气储层等。其工作原理是，首先在

17、海底表面发射电磁场信号，信号在海水和海底传播，并感生二次场，二次场的大小与介质的电导率密切相关。所以根据这一特性，当获得海底某一点测量的总场的数据时，通过分析计算就能够获取该海底所含介质的电导率的信息。总场与介质的电导率的关系由探测设备的收发装置类型来决定。通过一定的方法，就可以利用获取的数据进行反演，从而推测出海底地层的信息。海洋探测的方法有很多种，目前采用的比较多的方法包括海洋大地电磁法（MT）和海洋可控源电磁法(CSEM)。本文主要讨论的是海洋可控源（CSEM）电磁法。 海洋可控源电磁法（CSEM）是采用水平电偶极子激发的低频电磁波信号，信号频率范围为几赫兹到几十赫兹之间，传播路径为在海

18、水中和海底地层。海洋可控源电磁法（CSEM）采用的方式是移动式水平导线源和海底电场接收排列。为了减少水-空气界面的空气波和空中电磁噪声的污染，发射电极源应该放置在海底深处，同时这也有利于海底的探勘。接收装置接收到的电磁波中包含了空气波、直达波产生的电磁波、电磁反射波以及折射波。直达波包含两种传播形式的电磁波，一种为从海底发射源开始，沿着介质海水的传播然后直接到达接收装置的电磁波；另一种为从发射源开始，沿着介质海底沉积层的传播最后直接到达接收装置的电磁波。空气波为从发射源开始沿着海水向上传播，并穿透海水传播到水-空气界面，沿着该界面传播一段距离后，又向下穿透海水传播到接收装置的电磁波。反射波是指

19、从发射源开始，沿着介质海底沉积层向下传播，在传播到海底目标层的时候，被目标层反射回来并传播至接收装置的电磁波。折射波分为两种，一种是来自水面的折射波，还有一种是来自于海底地层的折射波。在海底高衰减介质中穿行了很长一段距离的电磁反射波，其信号强度要比直达波要弱很多。在离发射源近的这一区域，因为发射角度的不同，沿海底或海面传播的电磁波由于会发生反射和折射，由于要进行很长一段距离的传播，所以发射源附近区域接收到的电磁波信号主要是直达波。垂直高阻油层入射的电磁折射波的能量虽然也会在高阻储油层中衰减，但是大部分信号都会沿着高阻层面传播，其能量会持续不断的发射到接收器上。当接收距离与高阻储层的位置相当甚至

20、大于高阻储层的位置时，其返回的电磁波能量将大于直达波的能量并且占据主导地位。如果所探测的地层没有含油气地层，那么海底地层传回来的发射和折射电磁波的能量就会很微弱，甚至于没有。海洋CSEM探测方法利用的是不同介质之间电阻率的差异来进行识别的，如含油气储层于它周围介质之间的电阻率有巨大差异，通过这一特点我们就可以分辨出是否是含油气储层。在含油气储层的地层，其电阻率通常为几十欧姆米，或更高，而在沉积岩地层的电阻率相对含油气储层来说要小很多，其值通常不到几欧姆米。根据电磁场的特性，在导电率低的介质中传播时，相对于高电导率的介质，电磁场的衰减度会弱一些，且传播的速度会比在高电导率介质中传播要快，在含油气

21、储层传播时，其电磁能量会不停的从储层面反射回来，最后被接收装置接收。由于这种能量可以较大的改变整个上覆地层中的电流分布形态，与周围的沉积岩层的探测结构有很明显的差异，所以利用这一性质，结合所获取的数据就可以推测出是否存在含油气储层。基本原理同地震勘探一样, 靠近海底的发射源发送的低频(十分之几到几赫兹)电磁信号,不仅向水中传播,而且向海底和海底下方的地层中传播, 所以在海底的电磁接收站可以接收到三条路径的信号,一是直达波, 二是来自海底地层的反射和折射信号( 特别是有高阻油气层时) , 三是来自水面的反射和折射信号(在海洋探测中永远不可忽视)。在距发射源较近的区域,由于角度问题以及从海底或从海

22、面经过反射和折射的电磁波信号, 要穿行较长一段距离,因此,在发射源附近区域接收到的信号以直达波为主尽管有几个团队在研究各种各样电缆和海洋电磁拖拽系统，设备使用锚沉入海底，实行自动测量，测量完毕，然后锚释放，浮上海面。虽然海底接收器需要测量从指南针和倾斜仪的方向，所有设备必须包装以适应高压力40 MPa)和腐蚀性能的海水。一般接收机工具是独立的，电池供电的,高度精确的钟表计时。在海底或拖在纵向发射机背后海洋CSEM方法电场和磁场接收器部署在海底，利用水平天线传播电磁场，50到300米长,发射，高达一千安培的电流进入海水，传输器和天线拖接近海底主要的传感器（磁力计和不极化电极）和陆地是相似的，电磁

23、的场优势深海底不仅是小得多的也随着频率衰减，电磁的噪声信号接近电场和感应线圈传感器的噪音层，检分离实现源头控制调查结果取决于发射机偶极矩和接收机噪声地板上,通常是在大陆架勘探环境中约10公里。接收器和发射器的位置需要导航用长基线或短基线声学来控制。虽然海底接收器需要测量从指南针和倾斜仪的方向，所有设备必须包装以适应高压力40 MPa)和腐蚀性能的海水。一般接收机工具是独立的，电池供电的,高度精确的钟表计时。在海底或拖在纵向发射机背后。面讨论,导电海洋严重变弱海底磁场在短时间内，所有早期MT数据仅限于短期几百秒。浅敏感性结构因此严重限制。加剧了低电导率海洋的下地壳和上地幔服务的进一步削弱磁场信号

24、，这导致了提出一个CSEM方法适合深海底,利用电场发射机和接收机设备。一个EM发射机接近海底，它允许电磁能量带有海底岩石信息，横向传播到海底接收器，操作的频率通常1 - 10赫兹的深海洋岩石圈结构的原始目标，探索应用程序这是扩大到about 0.130Hz，数据由EM振幅和相位做成的作为炮检的函数偏移量的函数，位置和频率。岩石电阻越多,越慢偏移的振幅衰减和明显的越快相速度,所以CSEM测量是优先的对敏感电阻材料。斯克里普斯和南安普顿集团电力使用场发射器和接收器，磁发射器和接收器有被用于相对较浅的试探，对于深部深入调查，用电流偶极更容易生成大型发射电极。通过了通过海水比使用循环所产生的磁场或线圈

25、。最初CSEM磁传感接收器被忽视,因为地球的磁场运动产生噪音，意味着他们比电场传感器的噪声很大在深水中，海洋CSEM效果比MT好，海洋CSEM勘探促进着水深处大于1000米开发碳氢化合物的能力，深水钻井的高成本也从侧面促进使用相对昂贵非地震方法。发射系统的总体设计及特点海洋电磁探测发射系统一般均在海底工作,需要安装在密封舱内后放置于海底,因此总体设计时,海洋电磁探测发射系统在控制方式上不能采用陆地上发射系统常用的人机交互控制模式,必须采用远程控制方式;同时由于海底发射系统需要进行防水和抗水压密封工作,因此对整个发射系统的体积和重量均有较为严格的要求,以便适合海底密封舱的设计与加工;另外,由于海

26、洋电磁探测发射系统,要求系统具有更高的可靠性和稳定性,需要对发射系统工作电源采取更加严格的管理以实现低功耗。瞬变电磁法用于陆地探测时常以接地导线或不接地回线作为发射天线,通以脉冲电流作为发射场源,激励探测目标体产生感生二次场信息,在脉冲间隙期间测量二次场随时间的变化的响应,发射系统发射的是方波脉冲信号,如图所示为常用的三种方波脉冲信号。2.2 探测工作方式及其设备介绍海洋可控源电磁勘探的装备主要由三部分构成,电磁信号发射机、海底供电偶极拖曳系统、海底电磁信号接收器。海洋电磁法探测工作方式 根据施工方法的不同，目前海洋 CSEM 探测的工作方式有两种，即浅海拖曳与深海固定这两种探测方式。 浅海拖

27、曳工作方式，如图2-2所示。主要应用目标水域不深的浅海勘探。其发射源和接收器是处在同一根拖缆上串联着的，拖缆被设计成可以浮在水中，通过定深器来进行对它们的牵引。在进行探测时，将电缆沉到海底沿着侧线拖曳，这样偶极源和接收器就可以实现同步移动。在探测过程中接收器负责采集轴向电场分量的数据。这种工作方式对频率域和时间域的测量都很有效。 深海固定工作方式，如图2-3所示。它的发射偶极是由位于靠近海底的两个电极来组成的，电极的摆放位置是有一定的要求的。如果采用的是水平发射偶极，那么它的两个独立电缆就应该放置在海底的位置，但如果是采用的垂直发射偶极，那么其电缆的放置的位置应该是一个位于靠近海底，另一个则应

28、位于水面。发射极在一定深度沿着侧线均匀的拖曳移动。其激发频率通常为0.1-10Hz 之间，相对发射极的拖曳移动速度来说，每一次激发的时间可以认为很短暂，这样人们就可以认为它是固定的。接收系统一般是由独立的四分量、五分量或者六分量采集站组成的，它由水泥块固定的方式投放在海底的，并且被设计成可以连续不断的进行记录。当探测工作结束的时候，通过在测量船上发射一个声频释放信号，就可以让采集站和水泥块分开，采集站具有一定的浮力，可以自己浮出水面，这样就可以实现采集站的回收工作。目前海洋主要有三类方法。第一类为大多数机构和学者所采用,沿测线拖曳下沉在近海底的一个水平电偶极子源发送方波电流,频率一般为。几十个

29、多分量电场和磁场接收器沿测线阵列布置在海底,自主测量和记录方波基频及其奇次谐波的稳态电磁响应如图一。这种方式称为海底电磁波似测井技术,劫,一。在海底测量水平电偶极子产生的电场响应对高阻油气层指示有较高的灵敏度,。由于电磁波在海水和海底地层中的扩散速度、能量衰减不同,一定频率的电磁场响应幅度及其相位随收发距的曲线在一定距离上会发生变化。第二类方法是设计提出的。在研究了均匀海底和层状海底的阶跃电磁响应和冲激响应特征后',一,和他的研究小组开发了时间域海洋电磁法观测系统,利用电磁能量在海水和海底地层中的扩散速度不同而引起的时间特性,来获得海底地层电性分布。他将电偶极子电流源和自主接收器用同一

30、根电缆沿海底拖曳,既可在频率域测量稳态信号,也可在时间域测量瞬变信号第三类方法称为多道瞬变电磁法俐汀卫,由乙砒。,和等学者提出,洲。向地下发送上阶跃波或脉冲编码的瞬变电流,接收器沿剖面阵列排列,同时测量发送电流以及与信号源有一定偏移距的电场响应。通过解卷积运算,从数据中去除信号源和接收机的响应,得到大地的冲激响应,高阻的油气藏或天然气水合物会产生很强的电磁响应,使冲激响应的幅值增大,时间提前,从而可以利用冲激响应峰值的到达时间来判别地层电性分布。发送机由高精度时钟及同步电路，微控制器系统，cpld波形合成及分频电路,驱动及供电主回路（送变器）, 大电流取样及存储电路,过流保护电路,频率及波形选

31、择电路等7部分组成拖拽系统Deep-Tow深拖系统2.3 数据采集海洋可控源的主要问题电磁信号的采集。在陆地上的成熟磁碲测深方法,它广泛应用和收购技术、应用程序该方法的海洋中不是一个简单的方法来移植问题。由于恶劣的海洋环境,海上的风险操作和水下信号弱,面临众多困难来实现海底电磁信号采集。实现所需的检测目标要求使用一系列的高新技术,包括微弱信号检测技术、海底观测系统、高精度同步技术、智能控制技术,水下压力密封技术和硬件系统集成技术。分析探测海底的技术特点自然太磁telluricinstrument海底设计。仪器发展的主要问题过程:海底弱电磁信号检测,潜艇测量网络同步、海底环境状态监控电路设备的压

32、力密封和下沉和浮动的整个仪器系统函数实现.海洋拖曳大功率电源电磁发射机可能是一个强大的电磁fieldinto海底介质,与此同时,电磁场电磁接收机采集传感器的安排海底,拖动过程中,发射的电磁场通过thedeep-towed甲板电缆各种各样的的监控单元实时传输水下设备状态信息的功能人机交互。对于投放式作业的接收机,要求能同时接收和记录两个正交的水平分量的电场和磁场,因为接收器从海面投放后是自由下沉至海底的,接收器姿态不一定正好与测线方向相同,因而接收器还要有方位测量功能,如使用磁通门电子罗盘测向以便进行方位校正。对于多偏移距测量方式,一次需要投放几十个接收器,这些接收器要求有基本相同的系统响应特性

33、。接收器系统结构所示。主要有以下几个功能模块六通道输入阻抗均衡电路六通道信号调理,滤波及放大电路六通道位刀转换电路高精度时钟和同步电路嵌入式微控制器电路数据转换及数据海量存储电路数据通信电路电源部分姿态方位测量共部分组成。六个数据通道并行输入,全时间序列记录,采样率可变。优化设计,使接收器具有低噪声限,低功耗,大动态范围,高稳定度的特性。无论是大地电磁测量还是可控源测量，都必须用到向量场强计，而不是使用像质子旋进和碱蒸气这样的总场核共振传感器。磁通门和感应线圈的两个传感器在是目前使用广泛的仪器。这两个仪器都是由法拉第电磁感应原理制作而成，封闭电路中感应电动势的大小，等于穿过这一电路磁通量的变化

34、率，可用如下公式表示：2.3.1 电场测量原则上在海水中电场的测量很简单, 两个电极接触水,用绝缘管道连接到放大器，放大器输出利用电缆记录在船上，或自动记录在记录系统。CSEM短偏移距大信号产生的大信号，为了收集更好的信号，必须使用不锈钢电极和标准的放大器设计。如果是CSEM长偏移距，就会产生大的噪音，而不能使用。氯化银的相对不溶性及其与海水中的主要阴离子的兼容性, 这种稳定性和实用性，促使氯化银电极用于海洋电场测量，电极表面常常和海水隔离，避免直接接触，利用一个多空容器把氯化银表面包装起来。电极表面周围的水在银离子中是饱和，氯化银通过烧结和烘烤或电镀来进行涂层，海洋的Ag-AgCl电极可能是

35、无与伦比的电磁测量整个电极电压差异非常小，需要大量的数字化和记录之前放大，海洋可控源得到的频率是10HZ或者以上对放大器标准来说仍然是很低，所以和半导体有关的噪音无处不在，这成为一个问题，标准方法是使用斩波器的放大器，在一个相对较高的频率，调制输入信号，放大1/f谱的有利部分，调解回复低频信号2.3.2 磁场测量对MT和CSEM测量,一个向量场磁强计是必需的,否定总核领域的使用共振传感器,如质子旋进和碱蒸气仪器，第3章 水平电偶极子的电磁场在电法勘探中偶极子是种常用的人工场源。偶极子场源分为电偶极子和磁偶极子。所谓电偶极子，是指两端接地或者不接地的通电电流为I的短导线；而水平偶极子是指源的矩平

36、行于介质平面的分界面。下面研究均匀导电全空间的电偶极子。3.1 无限均匀介质中水平电偶极子的矢量位设电导率为的均匀导电全空间中有一电偶极子，其距为： xP dL图2.1 均匀导电全空间间的电偶极子P=P0eit,P0=IdL4其中I为偶极源电流的幅值，dL为偶极之间的距离矢量，为圆频率。电磁场理论是以麦克斯韦方程组为基础的。偶极源在整个空间的电磁场的麦斯韦方程组如下： ×E+iH=0 (法拉第定律) (2.1.1)×H=j+E (安培定律) (2.1.2)H=0 (H是涡旋场) (2.1.3)E= (库仑定律) (2.1.4)其中定义域中的4个矢量函数分别为：E为电场强度(

37、Vm)、H为磁场强度(Am)、D为电位移矢量(Cm2)；方程中j为电流密度(Am2)、为电荷密度(Cm3)。 以上方程(2.1.1)至方程(2.1.4)为相互独立的方程，可以通过物质方程将它们联系起来。三个物质方程如下：j=E (2.1.5)B=H (2.1.6)D=E (2.1.7)式中、分别为电导率、磁导率与介电常数。在忽略位移电流的情况下，在推导过程中引入矢量位A。利用H=0，旋度场的散度恒0，设H=×A并代入(2.1.1)中得到：×E+iA=0矢量的旋度为0，括号内看做标量U的梯度，即E+iA=U然后代入(2.1.2)中得到：××A+iA-U=0

38、 (2.1.8)利用矢量恒等式：××A=A-2A并选择洛伦兹规范条件：A=U 得到矢量位霍姆赫兹方程：2A-k2A=0 (2.1.9)其中波数k2=-i,是复数。矢量位A(以及H、E)满足在除场源外的全部空间处处有限，在无穷远处趋于0的极限条件。取坐标原点位于偶极中心点、z轴正向沿偶极极距方向的直角坐标系和一个原点与之重合、极角从z轴的球面坐标系。由于问题具有轴对称性质，根据电磁场的对称性，电场只有ER、E分量，磁场只有与H分量。由于问题具有球对称性，矢量位A只与R有关，与变量和没有关系。在球坐标系统中简化为：1R2RR2AzR+k2Az=0 (2.1.10)求解得到一般的

39、解：Az=C1eikRR+C2e-ikRR (2.1.11)考虑到无穷远条件，(矢量位在无穷远处为零)，上式中只能选择Az=C2e-ikRR, Ay=0, Ax=0 (2.1.12)根据选择的规范条件A=U，由于矢量位只有一个分量Az，则标量位为：U1Azz-Ce-ikR(ikR)zR3当频率为0时，k=0,U应转化为恒定电流偶极子的位,根据电磁场理论得：UC-zR3 同时，恒定电流偶极子可以看做是由两个彼此十分靠近、极性相反的点电流构成，其位可由点电荷叠加求得：UI-zR3dL与恒定电流偶极子相比，求得积分常数C2=IdL4=P0，得到无限均匀介质中的电偶极子矢量位表达式：Az=IdL4e-

40、ikRR=P0e-ikRR在球坐标系中求出电磁场分量ER、E、H的表达式：ER=2P0R3e-ikR(1+ikR)cos (2.1.13)E=P0R3e-ikR(1+ikR-k2R2)sin (2.1.14)H=P0R3e-ikR(1+ikR)sin (2.1.15)上面三式(2.1.13)至(2.1.15)便是均匀导电全空间中电偶极子电磁场的频率域表达式。2图2 两个均匀导电半空间的模型S模拟海洋环境最简单模型：以海底为分界面分为两个无限大的均匀半空间，(类似地面均匀半空间)假设海水厚度无限大，海底地壳无限深的两层介质。设上半空间充满电导率为1，下半空间(海底岩石)介质电导率2，海水和地壳岩

41、石的接触面为分界S。在海水介质1中放置有一个矩P=P0eit, P0=IdL4的电偶极子平行界面S界面布置，高度位于距分界面处。利用麦克斯韦方程组，通过前面类似处理得到介质和介质中的矢量位的霍姆赫兹方程，写成如下形式：2A1k12A10 k12-i1 (2.1.16)2A2k22A20 k22-i2 (2.1.17)偶极中心在分界面上的投影点定为原点，轴沿偶极极矩正向，轴垂直向下，建立直接坐标系统，同时为了求解方便，建立一个原点、轴均与之相同的圆柱坐标系统。(如图2所示)根据求解电磁场问题中选取矢量位的法则，在假定的介质分布和场源这条件下，矢量位Ax有两个分量：一个沿场源的方向即Ax ,另一个

42、沿着垂直介质分界面方向Az。在直角坐标系中，它们的霍姆赫兹方程分别如下：2Axiki2Axi0 (2.1.18)2AziKi2Azi0 i=1,2 (2.1.19)在求解方程组之前，先对电磁场及其矢量位满足的边界条件加以说明，以便为构造他们的解做好准备。条件如下：（1） 除源所在处以外，矢量位Ax，Az分量处处有限，若将观察点移到无穷远处，Ax，Az均趋于0；（2） 源距分界面S很高以致h(或者观察点非常靠近场源)，场应转化为均匀全空间的场，此时Ax=IdL4e-ikRR,Az0；（3） 在介质1和介质2的分界面S两侧，电磁场E，H的切向分量连续：Ex1=Ex2 Hy1=Hy2 Hx1=Hx2

43、 Ey1=Ey2 z=0 (2.1.20)当z=0 -iAx1+11xA1=-iAx2+12xA2 (2.1.21)11yA1=12yA2 (2.1.22)Az1y=Az2y (2.1.23)Ax1z-Az1x=Ax2z-z2x (2.1.24)将式(2.1.22)代入到式(2.1.25)分别对x, y积分并取积分常数为0，得到一组“互补”的分别关于Ax和Az的边界条件：当z=0时(1) Ax1=Ax2 Ax1z=Ax2z (2.1.25) (2) Az1=Az2 11A1= 12A2 (2.1.26) 在所设的介质分布和所取的坐标系统中，Ax具有圆柱对称性和无关，其霍姆赫兹方程中不含有关于的

44、项：2Axr2+rAxr+2Axz2+k2Ax=0 (2.1.27)借助分离变量法，设Ax是是两个互不相关的函数R(r)、Z(z)之积：Axr,z=R(r)Z(z) (2.1.28)其中，R(r)仅是变量r的函数；Zz仅是z的函数。将(2.1.28)代入(2.1.27)中，整理后得到：1R(r)d2R(r)dr2+1R(r)rdR(r)dr=-1Zzd2Zzdz2-k2 (2.1.29)上式左边只含有变量r及r的函数，右边只含有z及z的函数，左右两边要相等，只有当他们同时等于某一常数才有可能。故此设常数为-m2, 左右才有可能相等。将上式分解成两个独立的常微分方程：d2R(r)dr2+1rdR

45、(r)dr+Rrm2=0 (2.1.30)d2Zzdz2-Zz(m2-k2)=0 (2.1.31)方程(2.1.51)是著名的贝塞尔方程，它的解是0阶第一、第二类贝塞尔函数J0mr,Y0(mr)。当r，由于Y0mr-，不满足位处处有限的条件，应舍去。故下面的构造解中只含有J0mr。方程(2.1.31)的解指数函数：em2-k2z e-m2-k2z在上半空间(介质1，代表海水)，波数k12=-i1,考虑到前述的极限条件：（1） 当h, Ax1应转化为充满介质1的均匀全空间的位Ax1=P01e-ikRR；（2） 当z-时，场应有限，故介质1中的解只保留e的正指数项em2-k2z,命m1=m2-k1

46、2 (2.1.32)于是得到上半空间的解，构造成如下形式：P01e-ikRR+C1em1zJ0mr (2.1.33)在选择指数项的符号时，已经假定Re m1>0,否则应保留负指数项e-m1z,事实上，设，分别为m1的实部和虚部。则有：m12=m2-i1z=2+2+2i2-2=m2 2= 1 ，有两种可能：同时取正，或者同学取负。如果选择同时取正，即已经假定=Rem1>0。在下半空间(介质2，代表地壳岩石)，波数k22=-i2,考虑到前述极限条件，应取e的负指数项e-m1z。命m2=m2-k22 (Rem2>0) (2.1.34)于是下半空间的解构造为：C2em2zJ0mr (

47、2.1.35)由于分离常数m是任意的，可以取不同的值，并且对一切的r和z都应有解。Ax1和Ax2的通解是全部解的线性组合，可表为如下的汉克尔积分：Ax1=P01e-kRR+0C1em1zJ0mrdm (2.1.36)Ax2=P010C2em2zJ0mrdm (2.1.37)利用索莫菲积分，把式(2.1.36)的第一项也可表示为汉克尔变换：e-kRR=0mm1em2zJ0mrdm z-h (2.1.38)式中，R=r2+(z+h)2。于是式(2.1.36)改写为：Ax1=P010mm1e±m1(z+h)+C1em1zJ0mrdm (2.1.39)由于此前并未对积分常数C1，C2做任何限

48、制，故在积分号前提出因子P01并无不妥。为了确定常数C1，C2，将式(2.1.38)和式(2.1.39)表示的Ax1、Ax2代入边界条件(2.1.25)中：当z=0，Ax1=Ax2即：P010mm1e±m1(z+h)+C1em1zJ0mrdm=P010C2em2zJ0mrdm(2.1.40)当z=0，Ax1z=Ax2z即：P010(-me-m1h+C1m1)J0mrdm=P010-C2m2J0mrdm(2.1.41)在上两式中，已经将索莫菲积分中的指数符号取为“-”。理由是在界面S上，z=0,z>-h.对于界面S上r取不同的一切点，边界条件均应成立，由此得到一组关于C1，C2的

49、代数方程：mm1e-m1h+C1=C2 (2.1.42)-me-m1h+C1m1=-C2m2 (2.1.43)经过简单的代数运算，得到常数C1、C2表达式：C1=mm1(m1-m2m1+m2)e-m1h (2.1.44)C2=2mm1+m2e-m1h (2.1.45)为了书写方便，令m12=m1-m2m1+m2将代数C1、C2代入式(2.1.36)和式(2.1.37)，得介质1，2中矢量位Ax的表达式：Ax1=P01mm1e-m1|z+h|+m12em1|z-h|J0mrdm (2.1.46)Ax2=P0102mm1+m2e-m1he-m2zJ0mrdm (2.1.47)前面述及矢量位A还有一

50、个垂直于介质面的S的分量Az。在本问题设定的场源和介质的分布中，Az不具有圆柱对称性，是自变量r、z的函数。同样利用分离变量法，设Az是换不相关的函数积：Azr、z=R(r)()Z(z) (2.1.48)代入霍姆赫兹方程，求解得到n阶第一、第二类贝塞尔函数，同时()是关于x轴对称，它的解在cos(n)和sin(n)中取舍，由于关于x轴对称，所以舍掉sin(n)。将Az表示为如下的汉克尔变换积分：Az1=P010D1em2zcosJ1mrdm (2.1.49)Az2=P010D2e-m2zcosJ1mrdm (2.1.50)然后利用边界条件，求解系数D1、D2：D1=D2=2(2-1)m2e-m

51、1hm12+m21(m1+m2) (2.1.51)从而得到矢量位分量Az在介质1、2中的表达式：Az1=P01022-1m2e-m1(h-z)m12+m21(m1+m2)cosJ1mrdm (2.1.52)Az2=P0102mm1+m2e-m1he-m2zcosJ1mrdm (2.1.53)连同前面的Ax分量：Ax1=P01mm1e-m1|z+h|+m12em1|z-h|J0mrdm (2.1.54)Ax2=P0102mm1+m2e-m1he-m2zJ0mrdm (2.1.55)上面(2.1.52)至(2.1.55)四个表达式构成两个均匀半空间中的矢量位A的全部解。3.2 二分问题中电偶极子的

52、电磁场上一节得到矢量位A各分量的表达式后，下面通过矢量位微分求解E、H的各分量。由H=×A和E=-iA+1(A),在圆柱坐标中电磁场各分量应写为：Er=-iAr+1r(A) (2.1.56)E=-iA+1(A) (2.1.57)Ez=-iAz+1z(A) (2.1.58)Hr=1r(Az-rAz) (2.1.59)H=Ar-Azr) (2.1.60)Hz=1r(r(rA)-Ar) (2.1.61)求出A，从而求出电场E的分量。对m的积分和坐标的积分互不相关，可以交换他们的次序，从而得到下面各等式：A1=Ax1x+Az1z=P01mm1e-m1z+h+m12em1z-h(J0mr)xdm+P01cos022-1m2e-m1hm12+m21(m1+m2)(em1z)zJ1mrdm (2.1.62)由贝塞尔函数性质(J0mr)x=-mcosJ1mr,代入到上式，合并同类项： A1=P01cos022-1m2e-m1hm12+m21m1+m2 -(e-m1z+h+m12em1z-h)m2m1J1mrdm (2.1.63)A2=Ax2x+A