第六章可控源音频大地电磁测深

1、第六章 可控源音频大地电磁测深可控源音频大地电磁测深(Controlled Source Audio frequency Magnetotelluric , 简称 CSAMT 是一种利用接地水平电偶源为信号源的一种电磁测深法。该方法的工作频率为音频,其原理和 常规大地电磁测深法类似,其实质是利用人工激发的电磁场来弥补天然场能量的不足。由于 CSAMT 具有野外数据质量高、重复性好,解释与处理方法简单(解释方法直接套用 MT 方法、 解释剖面横向分辨率高、方法不受高阻层屏蔽及工作成本低廉等优点。近年来,该方法不仅在 我国南方和西北地区油气勘探中得到了广泛应用,而且在工程物探、电法找水和地热与金属

2、矿 勘探方面也受到了地球物理工作者的青睐。4.6.1 CSAMT 的基本理论根据在南方地区的试验发现,电偶极子方式的 CSAMT 具有机动性强、效率高、成本低但 勘探深度小于 MT ,较之磁偶极子方式更适应于南方地区的油气勘探工作。因此,本章中仅介绍 电偶极子方式的 CSAMT 法。一、均匀半空间介质中接地水平电偶极子 的电磁场如图 4.6.1 建立直角坐标系。假定电偶极子 向地下供入的是谐变场 i tew - ,在似稳状态下,我们有 P 点的电磁场分量的表达式为3 cos 1(1 2 ikr r Idl E e ikr rqps - éù =+ ëû

3、(4.6.1 3 sin 2(1 2 ikr Idl E e ikr r q qps - éù =-+ ëû (4.6.211101 3 sin 3( 22222222 r o Idl ikr ikr ikr ikr ikr ikr ikr H I K I K I K r q p ìü éù =+- íý êú ëû îþ(4.6.3112 cos ( 222r Idl ikr ikrH I K r q p =-(4.6.422 22

4、3sin 1 1(1 23 ikrz Idl H e ikr k r k r q p éù =-+- êú ëû(4.6.5式中,s 为均匀介质中的电导率;Idl 为电偶极矩;r 为收发距;q 为 P 点的方位角; m I 、 m K 为第 m 阶修改后的贝塞尔函数。当|1 kr = ,此时对应的区域称为“近场区” ,近场区就是测点距电偶源很近,此时,r d = 当图 4.6.1 均匀半空间上的电偶源|1 kr ? ,此时对应的区域称为“远场区” ,远场区就是测点距电偶源很远,此时r d ? ,或称之为波区;介于近场区与远场区之间的广

5、大地区称为“过渡区” 。1.近场区的电磁感应函数 当|1 kr = ,利用指数和复数贝塞尔函数的近似性,(4.6.1式(4.6.5式可化为3 cos r Idl E r qps »(4.6.6 3 sin 2 Idl E r qq ps » (4.6.7 2sin 4 r Idl H r q p »(4.6.8 2 cos 4 Idl H r qq p »- (4.6.9 2 sin 4 Z Idl H r q p »(4.6.10此时,波阻抗为2 | r E Z H rq s = (4.6.11因此| 2 rE r H qr = (4.6.1

6、2而电场和磁场之间的相位差为0。由(4.6.6式、(4.6.10式可以看出,在均匀介质中,电偶源的近 区电场的水平分量正比于介质的电阻率,而与频率无关;磁场的水平分量与电阻率和频率无关。 由于电场和磁场都与频率无关,因而其比值阻抗 z 就不随频率变化,这就说明,近场区的电磁 场,即使经过近区场校正,也不可能象远区场那样用来研究地电断面性质。2.远场区的电磁感应函数远离电偶源后,(4.6.1式(4.6.5式在似稳条件下可简化为3 Id cos 2 r l E r qp s »(4.6.13 3 Id sin rl E r q p s» (4.6.14430 Id sin ir

7、 l H erp qp wm s - »(4.6.15430 Id cos 2 il H erpq q p wm s - »(4.6.1643Id cos 2 i z l H e r pq pwm s - »- (4.6.17上述(4.613式至(4.6.17式说明了远区电磁场的几个十分重要的性质。首先,在均匀介质中,电 偶源远区电场的水平分量正比于介质的电阻率,而与频率无关。远场区的电场和近场区的电场 除了一个常系数 2 以外,没有任何区别;其次,磁场的水平分量和近场区不同,与频率和介质 的电导率乘积之平方根成反比。由于远区电磁场的水平分量都随 3r 衰减,因此

8、阻抗004 0 2 i r E i Z e H p wm wm r s=-= (4.6.18 与测量点距电偶极子之间的距离r 无关。 3.过渡区的电磁响应函数在近区场与远区场之间的过渡区,电场E 、磁 场 H 和阻抗 Z 都可用(4.6.1式至(4.6.5式描述。 在非 均匀介质中,过渡区的特性十分复杂,它不仅与频 率、r 有关,而且取决于断面的特性。二、 层状介质的水平电偶极源的频域电磁 响应电偶极源位于地表( 0 0 h = 时水平层状介质地 表面的电磁响应(如图 4.6.2所示可表示为200 1101 2 00 111111 ( 2/2/ x i Ida i Ida u k x E J

9、r d J r d u R k x r R u R vm vm ll l l l pl p l ¥¥ * æö ¶ =+- ç÷ +¶+ èøòò (4.6.1920 111 23 0 1111 20 110 22 0 1111 ( 2/ ( 2/ y i Ida u k xy E J r d k r R u R i Ida u k xy J r d k r R u R wm l l p l wm l l l p l ¥ * ¥ * æö

10、; =- ç÷ + èø æö - ç÷ + èøò ò (4.6.202 0 0 111 ( 2/ x Ida H J r d x y R l lp l m ¥ ¶ =- ¶¶+ ò (4.6.2122210 32 00 111110 0 11121 ( 2/2/ ( 2/ y Ida x Ida x H J r d J r d r r u R r u R u Ida J r d R u R l l l l l l p l

11、p l l l lp l ¥¥ ¥ æö =- ç÷ + èø - + òò ò (4.6.221 0 11( 2/ z Ida y H J r d r u R l l lp l ¥ = + ò (4.6.23图 4.6.2 电偶极源 CSAMT 方式的层状介质模型其中11 11122 2 cth arcth cth arcth N N u u R u h u h u u - éù æö =+ êú

12、; ç÷ èø ëû LL1111 1112222 cth arcth cth arcth N N N N u u R u h u h u u r r r r * - éù æö =+ êú ç÷ èø ëûLL (4.6.19式至(4.6。23式是 CSAMT 一维正演的基本公式。4.6.2 野外工作方法与技术一、CSAMT 的观测方式在油气勘探中,根据场源的布置和测量方式将 CSAMT 分为标量 CSAMT 和矢

13、量 CSAMT两种方式。1.标量 CSAMT 标量 CSAMT 布置一个场源,而在 测点同时测量互相垂直的水平磁场分量 和电场分量 (如图 4.6.3,并以此计算 Cagniard 视电阻率。标量 CSAMT 用于一维或已知构造 主轴方向的二维地区。在构造复杂的地 区,标量 CSAMT 成功与否完全取决于 场源和测量方位的选择以及资料采集的 密度。单场源的工作法,在构造复杂地 区,解释有发生错误的危险。例如,一 条直线延伸且倾角很陡的断层,如果场源偶极垂直于断层的走向(TM 极化, 用标量法是有效的;然而如果场源偶极平行于断层布置(TE 极化,断层的识别及其位置的确定就十分困难了。在构造复杂的

14、地区,最好 作网格状标量 CSAMT ,或者采用矢量和张量 CSAMT 。标量 CSAMT 之所以对地球物理学家和石油公司有吸引力,就是它的效率高、成本低,这 也许是为什么目前大多数 CSAMT 工作仍为标量测量的原因。2.矢量 CSAMT矢量 CSAMT 只用一个场源,在测点测量四个或五个电磁场分量( x E 、 y E 、 x H 、 y H 有时 也测量 z H ,野外布置图,如图 4.6.3 所示。矢量 CSAMT 可用于研究二维或三维构造,但与张 量测量相比,反演的非唯一性较严重。由于矢量测量比张量测量少 50%的采集和处理工作,因 此其耗费也较低。3.张量 CSAMT矢量测量要求布

15、置两个场源,因为和天然大地电磁场不同;单场源的电磁场的极化方向是图 4.6.3 标量 CSAMT 野外工作布置示意图 固定的,不能用测量的结果计算张量 阻抗要素。因此,必须两个极化方向 的场源。两个场源既可互相正交布置, 也可分开布置,用张量测量时,必须 记录五个分量( x E 、 y E 、 x H 、 y H 、Z H ,其野外布置图如图 4.6.4所示。二、仪器与野外工作布置CSAMT 的供电偶极距一般为13km 长,测点距供电偶极的距离(收发距510km 。一般用不极化电极接收电场,其电极距 50100m 不等。由磁棒接收的磁场信号。在实际工作中究竟布置一个还是两 个供电偶极, 测量哪

16、些分量,这完全取决于所选择的工作方法,是标量、矢量还是张量 CSAMT 。三、提高观测质量的措施所有需要测量电场分量的电法勘探方法都受地形和表层电性不均匀的影响, CSAMT 也不例 外。理论和实际都证明,山谷和表层低阻区具有高电流密度,相反在山峰和表层高阻区具有低 电流密度。前者导致视电阻率升高,后者引起视电阻率降低。因此,在工作设计和测点布置时 必须认真考虑地形和表层不均匀的影响,或者在测量时设法避开,或者在测量之后进行校正。 如果采用后者,在校正之前就必须区分哪些是地形,那些是表层不均匀给测量结果带来的影响。场源对 CSAMT 测量结果的影响(主要是近场区和过渡区测量的影响是十分明显的。

17、 在保证 信号有一定强度的情况下,应尽量在远区测量。实际工作时如果出现了在过渡区测量情况(特别 是高阻区、低频段时,解释过程中也必须进行校正。场源的影响,本质上就是非平面波的影响, 因为近区和过渡区,由人工场源产生的波都不是平面波。除此而外,场源下面或场源和测点下 面复杂的地质构造,也会导致近区、过渡区甚至远区电磁场的畸变,这种畸变也表现为非平面 波。关于 CSAMT 的校正方法,可参阅有关文献(Zonge ,1980。4.6.3 CSAMT 的资料处理和解释经过实时或现场处理后的资料,一般还不能直接用于解释,必须再处理。一、资料的再处理一旦资料合格后,即可进行解释处理或再处理,CSAMT 资

18、料的再处理包括曲线的圆滑、校 正(静校正、地形校正、场源校正以及为突出某些有用信息而作的特殊处理等。1.方向旋转(仅限于张量 CSAMT由于地形条件的限制,对整个测线而言,并非一贯地保持在同一方向进行测量,故需对实 测场矢量进行合成,然后再投影,得到磁场观测方向(平行和垂直测线的方向的电场值。2.阻抗张量估算对于张量观测方式,按下式以实测电磁场量计算张量阻抗。对任一测点任一频率有111x xx x xy y E Z H Z H =+ (4.6.24图 4.6.4 张量 CSAMT 野外工作简图212x xx x xy y E Z H Z H =+ (4.6.25 111y yx x yy y

19、E Z H Z H =+ (4.6.26 222 y yx x yy y E Z H Z H =+ (4.6.27式中电磁场的振幅和相位均是观测量。解上面方程可得张量阻抗之的四个元素,进而可得视电 阻率与相位2 0.2|xy xy T Z r = (4.6.28 2 0.2|yx yx T Z r = (4.6.29 arctg |Im(/Re(|xy xy xy Z Z j = (4.6.30 arctg |Im(/Re(| yx yx xy Z Z j = (4.6.31因为 x 方向(测线方向平行区域地质构造的走向,所以从构造的角度来说, xy r 即为 TE r , yx r 即 为

20、TM r 。更进一步,进行坐标旋转变换后,可得电性主轴方位上的主张量元素 max Z 和 min Z ,进 而得到主轴方向的视电阻串与相位2 max max 0.2|T Z r = (4.6.28 2 min min 0.2| T Z r = (4.6.29max max max arctg |Im(/Re(| Z Z j = (4.6.30min min min arctg |Im(/Re(|Z Z j = (4.6.31 利用主轴方向的响应函数,可进行二维和三维的解释。3.静态校正表层电性不均匀会使 CSAMT 的视电阻率曲线发生移动,而相位曲线却仍保持不变。视电 阻率曲线的这种移动是由于

21、表层电性不均匀处的电荷积累所造成的。当然深层电性不均匀也会 导致视电阻率曲线的移动,然而,由于浅层积累的电荷距测点近,因此它引起的静位移相对深 层而言要明显得多。 和 MT 相似, 在二维情况下, 静位移主要表现在 TM r 曲线上,在三维时, TM r 、 TE r 都会发生移位。对移位了的视电阻率曲线进行校正,即静校正。在 CSAMT 中,常用的静校 正方法有相位积分法和归一化校正法。1相位积分法(Zonge ,1988CSAMT 和 MT 视电阻率与相位之间满足d ln (1 4d ln a r p j w =+ (4.6.37经简单变换后得4 (d ln 4 a N H e w p w

22、 p r r j w - =- ò (4.6.38式中, N r 为地表的电阻率,可从静位移影响不大地区的测深曲线求取; N w 为测深曲线最高频 率,要求当时 N w w = , /4 j p = ;w 是待求视电阻率 a r 处的电磁场的频率;j 是 E 与H 之间 的相位差,是w 的函数。(4.6.38式计算出的视电阻率即为校正之后的视电阻率。1 ( ( j M a i A g i j f f M u r r = = å (4.6.392归一化校正法(Zonge ,1988这种方法首先要求计算测区某些测点上各个频率之平均视电阻率值然后求“平均视电阻率 曲线”之几何平均

23、视电阻率值1/2 2 1 ( N A g A g i i f u u r r = éù = êú ëû å (4.6.40这里 i=1,2,N 是频率顺序号,j=1,2,M 是测站顺序号。求得 A g u r 后对每一条视电阻率 曲线进行归一化校正:( ( ( cor a i a i A g A g i f f f u u r r r r = (4.6.414.地形校正研究表明,如果地形起伏小于电磁波的趋肤深度,地形对 CSAMT 的影响与表层电性不均 匀引起之静位移是等价的。在二维情况下,即使地形起伏不大,TM 曲线也有异

24、常,而只有地形 起伏十分明显时,TE 曲线才有异常产生。如果在野外数据采集时,设法使电场和磁场探测器布置水平,地形的影响就会大大降低。 然而,在某些情况下,这是十分困难的。因此需要对地形给观测数据的影响进行校正,即地形 校正。地形校正的前提是:一要知道地形的起伏,二要计算地形对 CSAMT 视电阻率曲线的影响。 测区的地形可由地形图或地形测量准确地确定,而地形对 CSAMT 的影响,只有在极为简单的 情况下才能有解析表达式,多数情况下,只能借助于数值模拟计算。计算地形影响既可用具有 地形的水平层状介质,也可用具有地形的均匀介质来模拟。在地形为二维的情况 下,通常称为 二维半模拟技术。如用 D(

25、丁表示地形的影响,则校正后的阻抗 Z (T 为(/( obs Z T Z T D T = (4.6.4.2和常规 MT 一样,CSAMT 的地形校正目前还只限于二维,三维问题尚须研究。5.场源校正由于南方碳酸盐岩地区往往高阻覆盖,因而 CSAMT 方法在工作时其电磁场常表现为近场 或过渡场特征,特别是当工作频率较低时,近场效应更为严重,所以需要作非波区或近场校正。和 MT 不同,CSAMT 的场源距测点的距离是有限的,有近区、过渡区和远区场之分。场的 复杂性给解释增加了许多困难。分析表明,有三种影响在解释时必须考虑。1近场源(非平面波影响及其校正如前所述,只有远区场才近似大地电磁场,计算视电阻

26、率的 Cagniard 公式才有效。一般, 当发射偶极和接收点之间的距离L 3d 时,CSAMT 的场才具有平面电磁波的特性。但是,穿 透深度d 不仅与电阻率有关,而且与电磁波频率有关,实际工作时很难保证在一个测深点上所 有频率都具有平面电磁波的特性。如果在不同区(近场区、过渡区和远场区,我们都用 Cagniard 公式计算视电阻率,结果近场区和过渡区视电阻率畸变。通常的校正方法是三角形校正法。理 论研究表明,均匀半空间的电阻率的高低与过渡三角形的形态和大小无关,但过渡三角形的形 状和大小却是收发距的函数。收发距大则三角形小,反之三角形大,这是一个十分有益的结论。 它表明,只要收发距 r 不变

27、,就可利用此三角形对过渡场的影响进行校正。另一近场校正方法 是由实测卡尼亚视电阻率直接计算全频域视电阻率,由于不对电磁场作近似处理,因而全频域 视电阻率能较好地解决近场校正问题。2场源的附加效应及其校正是指场源下面或场源接收装置中间地下电性不均匀体使 CSAMT 场发生的畸变。它导致过 渡区有时出现在高频,有时出现在低频,表现为反常现象。场源的附加效应目前研究还很不充 分,但它对 CSAMT 资料的影响是一个毋容置疑的事实。目前,解决的方法有三种:一减轻; 二归一;三校正。所谓减轻,就是使场源尽量布置在低阻、或基底埋藏(相对测点而言较深、或 地质条件比较简单的地区;所谓归一,就是利用多个场源测

28、量的结果之平均对各测点进行归一, 然后对归一后的值进行加权,以削弱场源的附加影响;所谓改正,就是基于天然场 MT 曲线对 CSAMT 结果进行校正。图 4.6.5是均匀半空间理论模型 CSAMT 曲线、MT 曲线及其校正结果。从图中看出,周期 大于 6 10 s - 时,CSAMT 曲线出现近场效应,此时曲线畸变,成 45°角上升。MT 由于是平面电 磁波,定义的视电阻率能很好地反映地下真电阻率。图中 34 曲线是通过三角形校正和全频域 校正的结果,显然,近场畸变得到大大改善,说明校正方法十分有效。二、资料处理与解释CSAMT 的资料解释也分定性和定量两大部分,具体解释方法和常规 M

29、T 相似,可以参阅第 本篇中的第五章,这里不再重复。图 4.6.6 是湖北利川地区 LC3 线 CCSAM'I'拟二维反演剖面图。由图中看出,剖面电性层位 清晰。结合地面地质资料及电性资料,上覆低阻电性层对应下三叠统,中间高阻对应上二叠统。 图 4.6.5 均匀大地上电偶源蝇 AL4 丁与 MT 理论曲线与近场校正结果 图 4.6.6 湖北利川地区 LC3 线 CSAMT拟二维反演剖面图习题及思考题1.与直流电法相比,电磁法有哪些特点?2.如何根据归一距离P=|kr|划分“近区”和“远区”?应当如何理解“近区”和“远区”的概念?3.谐变场和瞬变场在结构上有什么区别?4.试对比时

30、间域和频率域电磁法的优缺点。5.试论用电磁法评价异常源性质的可能性和局限性。6.试述电磁测深法的H等值原理及其物理实质。7.试比较对称四极直流电测深、大地电磁测深、频率测深及瞬变测深曲线的异同。主要参考文献1 雷宛,肖宏跃,邓一谦.工程与环境物探教程. 北京:地质出版社,2006.2 孙正江,王华俊.地电概论.北京:地震出版社,19843 傅良魁.电法勘探教程.北京:地质出版社,1983.4 薛琴访.场论, 北京:地质出版社,1978.5 冯慈璋.电磁场,北京:人民教育出版社,1979.6 S.H.沃德.地球物理用电磁理论,北京:地质出版社,1978.7 严良俊,胡文宝,杨绍芳等.电磁勘探方法及其在南方碳酸盐岩地区的应用,北京:石油工业出版社,2001.8 中南矿冶学院物探教研室.金属矿电法勘探,北京:冶金工业出版社,1980