频率域电磁法勘探详解

1、波阻抗相位（FDEM）MT/AMT/CSAMT频率域电磁法勘探反演所用的波阻抗反演方法，测量 点必须位于波区（又叫做平面波区或远区）同时测量相互正交的电场 分量和磁场分量，电场与磁场的比值具有阻抗的量纲，称为波阻抗， 用符号Z来标示，x方向的电场与y方向的磁场比值记为Zxy。注意：Zxy:是复数K：波数，是复数：角频率h :磁化率b :电导率P ：电阻率均匀介质中电场相位角落后于磁场I，这个角度就是 MT/AMT/CSAMT勘探数据处理过程中所给出的振幅和相位曲线中的 相位曲线。视电阻率计算公式如下：_ 12_ 1 Ex 当平面电磁场垂直入射均匀大地时，即使不知道场源强度，只要测量 出大地表面

2、相互正交的一对电场和磁场，便可以确定大地的电阻率， 而选用不同的频率可达到不同的勘探深度，这就是天然场源MT/AMT 或人工场源CSAMT的波阻抗反演的理论基础。大地电磁测深一般要测量相互正交的两个水平电场Ex，Ey和相互正 交的两个水平磁场Hx，Hy（MT测量过程中还要测量垂直磁场Hz）。 测量两个水平电场是用两对不极化电极，电极距一般为100200米。 因为AMT和MT的天然电磁场信号较弱，应该采取措施避免测量电 线晃动切割地球磁场产生的噪声。测量磁场则是用两个相互正交的匝 数很多的高导磁芯线圈。MT/AMT/CSAMT波阻抗反演数据处理流程电磁场的测量是在时间域进行的，再用傅里叶变换将测

3、量信号转换为 频率域信号。测量电磁场信号的采样时间间隔应使截止频率高于所需 的最高频率，采样时窗宽度应大于所需的最低频率对应的周期。为了 避免数据量太大，当需要测量的频带范围较宽时，一般分为几个频段 采样，并分段作傅里叶变换。测量电磁场的频率范围应使最高频率对 应的穿透深度为所需探测的第一层厚度的几分之一，最低频率对应的 穿透深度为最大勘探深度的数倍。为了去除局部电磁场的影响，现在 实际测量中采用所谓的“远参考系统”，除测点外，还在距离测点数 十公里以外的地方设立一个参考点，同时进行测量。测量数据中属于 平面电磁场的信号应该是互相关的，而局部干扰电磁场的信号是互不 相关的，根据这一原理，将测点

4、的测量数据与参考点的测量数据做相 关分析，剔除互不相关的局部干扰电磁场的影响。地表偶极源电磁场的传播（TFEM或广域电 磁法重点参考内容）图1：地表偶极源电磁场的传播示意图发射源：地表电偶源 频率测深法是指人工源频率域电磁测深方法，其测深工作原理与大地 电磁法基本相同，探测深度都受到趋肤深度影响，即高频电磁场穿透 深度浅，低频电磁场穿透深度深，改变频率就可以改变探测深度。频 率测深法主要采用电偶极场源或磁偶极场源。利用波阻抗反演的 MT/AMT勘探方法中，由于场源处在离工作区域“无穷远”处，故在 所有频段内工作区域完全处在波区范围（平面波场区域）。然而在像 CSAMT人工源频率域电磁勘探方法中

5、，由于技术上的苦难，发射和接 收间的距离总是有限的，如图1对偶极场源电磁场的分析可知，当工 作频率为高频时可满足波区条件（平面波区域），但工作频率较低时（一般最低频为0.2Hz左右），测点便可能出现在感应区（平面波到非平面波过渡的区域），因为频率足够低时，电偶源产生的场具有类 似直流电场的性质，即在地层中电场分布与该层的纵向电导S有关， 因此称为S区。如图1所示为地表偶极源电磁场的传播特性，地表的 电偶极（或者磁偶极）场源所产生的电磁波向四面八方传播，按照其 传播路径可分为：天波地面波地层波因为频率测深用的是长波和超长波，故向上传播的天波不会被电离层 反射回地面，可不予考虑，只需要考虑地面波和

6、地层波。由于地面波 和地层波的传播速度的差异，在波区（平面波区），在地面附近的波 阵面近于水平，地层波衰减殆尽，形成一个几乎是垂直向下传播的水 平极化的不均匀平面波（均匀平面波指的是波阵面振幅相等且波阵面 为平面，不均匀平面波指的是波阵面上的振幅并不相等的平面波）。 对于固定发-收距的测点，随着频率的降低，逐渐由波区过渡到感应 区。由此可见，在频率测深方法中，随着频率的不同，由高频到低频， 同一观测点可处在波区、中间区和感应区，所以与只研究波区条件下 的MT/AMT/CSAMT的频率域电磁法不同，频率测深的正演理论及资 料解释都很复杂。频率域测深法与直流电测深法相比具有的 优势我们应该特别注意

7、，MT/AMT/CSAMT都属于频率域测深方法，不同的 是频率域电磁法包含的勘探方法众多，广域和时频电磁法都属于频率 域测深方法。频率测深方法用改变频率的方法代替直流电测深改变供电电极距AB的方法来改变探测深度，大大提高工作效率；在进行大深度勘探时，直流电测深的供电电极AB之间的距离必须 很大，而频率测深只需将供电电极AB与测量电极MN之间的距离 加大，并采用较低的频率即可，AB之间的距离并不需要很大，野 外施工难度相对较小；频率测深的等值原理作用范围更窄，对地层的分辨能力更强。频率域测深的波区和非波区的划分地表电偶源产生的电磁场一部分从空气中直接传输到记录位置，另一 部分再通过地下介质传播到

8、地表记录位置，在地下介质中电磁场的振 幅随着传播距离呈指数衰减，电场分量沿着Z方向向下传播过程中， 当振幅衰减到初始振幅的1/e时电磁场所达到的深度我们称之为趋肤 深度。忽略Maxwell方程中的位移电流时，趋肤深度的理论经验近似5。3 但-公式可表示为： 上三，一般的最大勘探深度公式=- 由此可以看出：电磁波的趋肤深度随介质电阻率的增加而增加，随电 磁场频率的增加而降低。对CSAMT的一点启示：（1）如果勘探区背景电阻率比较大，在相同发射频率下，意味着趋 肤深度较大，相对于在远区测量的CSAMT而言，就得增加收发 距才能尽可能的保证测量处于真正的远区；（2）当勘探区背景电阻率一定时，如果要增

9、加勘探深度，可以通过 降低发射频率，但是降低放射频率会带来趋肤深度加大的问题， 趋肤深度加大又增加了对收发距的要求，所以降低了发射频率 可以增加勘探深度，但是必须保证收发距处于最低频率所要求 的远区；波场的波区频率域电磁场的分区要根据一个地球物理勘探学家所定义的无量纲量略*三其中r：收发距，久：电磁场波长。（1）所谓近区：也就是离场源距离要远远小于趋肤深度的区域，这 一个区域电磁波并非平面电磁波，所以不能作为CSAMT勘探测 量的区域；（2）所谓远区：也就是离场源的距离远远大于趋肤深度的区域，在 该区域，地下介质对电磁场的衰减作用已经充分显示出来，地 下的电磁场中直接从场源传播过来的电磁场已经衰减殆尽，只 剩下从空中传播到地表，再垂直入射传播到改点的电磁场，这 个区域是CSAMT测量点的区域，因为在这个区域，电磁场已经 完全是平面波电磁场，