第3节 大地电磁测深法课件

第三节大地电磁测深法(MT)大地电磁测深法概述1、什么是大地电磁测深法？利用高空垂直入射的的天然交变电磁波(10-3~103Hz)为激励场源，通过在地表观测相互正交的电场和磁场来研究地下介质电性结构的一种地球物理勘探方法。大地电磁测深是20世纪50年代初由A.N.Tikhonov和L.Cagnird分别提出的天然电磁场方法。60年代以前，由于技术难度大，该方法的研究进展缓慢。但它具有探测深度大、不受高阻层屏蔽的影响、对低阻层反应灵敏等吸引人的优点，因而对该方法的研究始终为人们所关注。2、MT发展历史70年代以来，由于张量阻抗分析方法的提出，方法理论研究出现突破性进展，并随着电子、计算机、信号处理技术突飞猛进的发展,大地电磁测深无论在仪器研制，或是数据采集、处理技术与反演、解释方法等方面的研究，都融合了当代先进的科学理论和高新技术，这使大地电磁测深有了长足的进步。我国的大地电磁测深工作始于20世纪60年代初期.至今，经历了60年代的引进、探索期，70—80年代的研究、试验时期和90年代的迅速发展、推广应用时期。仪器比较轻便（省去供电设备）；有丰富的频谱；勘探深度大；能穿透高阻层；等值作用范围小；场源为平面波，理论相对简单。3、MT优点一、地球天然电磁场特点1、大地电磁场的形成在很大地区范围内观测到的地球天然交变电磁场称为大地电磁场。电场部分与称为大地电流的地球区域电流的存在有关，而磁场部分与地磁变化或大地电流的变化特点有关。一次场源是由太阳微粒辐射作用下形成的地球磁层和电离层的变化形成的．这种平面电磁波在铅直方向上穿透地层过程中，在导电地层内激发出旋涡电流，其传播深度主要依赖于振动频率或者场的变化周期．地磁层结构示意图除与宇宙现象有关的低频场外，在地球上还有相对高频（3-1000）的电磁场．其源可能是由工业漏电、超长波无线电电台、大气电现象及地磁场的变化形成的。高频主要分布在500-1000Hz，6000-8000Hz，低频为8-300Hz。2、随机性与谐变性(a)频谱特征：频率为１Ｈｚ的变化具有最小的振幅，向高、低频段振幅均明显增加。(b)Ｐ波特征：在电法勘探中利用称之为地磁脉动的短周期脉动，称为Ｐ波。它具有周期为零点几秒到几百秒的似周期振动特性。其中：Ｐc波—在白天以波群形式几小时内连续出现，故称该波为连续脉动波，且主要是在早晨和下午期间出现。Ｐｉ波—出现在晚间，脉动具有衰减的正弦波性质，其周期为几十到几百秒，称这种振动为不规则脉动波．Ｐｃ－３和Ｐｉ－２亚振动类型的振幅最大，且出现的概率也最大。此外，该类型波的振幅还与季节、地理位置和太阳活动有关。(c)电磁矢量随时间的变化：大地电磁场的矢量Ｅ和Ｈ不仅振幅随时间变化，而且方向也随时间变化，故在有限时间里（与变化周期比较）矢量端点描述出复杂的图形（矢端曲线），矢端曲线的伸长线称为极化轴。3、可比性在某一瞬间，大地电磁场在几百平方公里或更大的范围内，振幅、频率均保持一定，且能够同时相互对比。二、MT正演基本理论1、均匀介质中的大地电磁场引入笛卡尔坐标系，令z轴垂直向下，X—Y轴位于地表水平面上。把麦克斯韦旋度方程展成分量形式：由于平面电磁波垂直入射于均匀各向同性大地介质中，其电磁场沿水平方向上是均匀的，即(1－2－19a)

(1－2－20a)

(2－2－21a)

(1－2－22a)(1－2－23a)(1—2—24a)

E偏振(Ey-Hx)H偏振（Hy-Ex）（TM模式）（TE模式）=考虑到在国际单位制中，实测的磁场是B而不是H，而H=B/µ；又除了铁磁介质外，一般岩石µr=1，取µ=µ0=4π×10-7H／m，ω=2π/T，并将E(mV／km)和B(nT)用实际测量的单位代入，经过单位换算，得便于计算的数值方程

以上是在均匀各向同性大地介质的条件下，地面电磁场的振幅测量值和介质电阻率之间的关系式，也是大地电磁测深法中最基本的关系式，在以后讨论非均匀介质时还将用到，但那时必须赋以新的概念。2、水平层状介质中的大地电磁场设大地由n层水平层状介质所组成(图1—2-9)。各层的电阻率为ρ1，ρ2，ρm，…，ρn，厚度为h1，h2，hm，…hn→∞。

由于层状一维介质中的电性在水平方向上是均匀的，因而垂直入射平面波的场强在水平方向上也应该是均匀的，引入z轴向下的笛卡尔坐标系，将有层状一维介质模型图中Z1，Zm，…，Zn表示各层顶面的波阻抗以H偏振波为例：记为第m层的特征阻抗。根据波阻抗在分界面的连续性，m层底界面波阻抗等于m+1层顶界面的波阻抗，即从上式可看出，只要知道m+1层顶面波阻抗，就能算出第m层的顶面波阻抗，以此类推，只要知道最底层的顶面波阻抗，就能算出地球表面的波阻抗。而对于底层的顶面波阻抗，由于所以大地的视电阻率：3、非各向同性（各向异性）介质中的大地电磁场(1)非各向同性介质的张量电导率同一点沿不同方向具有不同电导性的介质称为非各向同介质，为了研究方便，假设介质中任一点都存在彼此正交的两个电性主轴，两电性主轴上的电导率分别为σ1和σ2，并且σ1

σ2。这种典型化的介质称为对称非各向同性介质。≠j1=σ1E1,j2=σ2E2jx=j1cosθ+j2sinθjy=-j1sinθ+j2cosθ令（张量电导率）（对称非各向同性欧姆定律）各向同性介质中：欧姆定律J=σE电流密度方向与电场强度方向一致只有一个参数：电阻率或电导率各向异性介质中：“普遍”欧姆定律电流密度方向与电场强度方向不一致任意各向异性：6个参数(三个主轴电阻率和三个偏角)

欧姆定律：电导率张量(2)非各向同性介质的张量阻抗假设大地介质是均匀非各向同性的，并且在水平方向上存在两个彼此正交的电性主轴，主轴上的电导率分别为σ1和σ2，并且σ1≠σ2

假设测量轴x-y与电性主轴重合：电磁波可以沿两个电性主轴分解为两组线性偏振波TM模式TE模式当测量轴和电性主轴方向不一致时，设两者之间的夹角为写成（张量阻抗）二维、三维介质中电磁场结构和研究方法与一维介质差别很大，平面电磁波在一维介质中传播时，其电场E和磁场H是正相交的，地面波阻抗是一标量。而二维、三维介质中电磁场分量并不正交，波阻抗是张量。三、水平层状理论曲线及特点1、水平二层曲线2、水平三层曲线3、大地电磁测深曲线的等值性什么是等值性？当地电断面参数不同时，对应的视电阻率曲线形状基本不变，这种特性成为等值性。为什么会出现等值现象？理论上将，一个地电断面只能对应一条视电阻率曲线，但由于一些地电断面与所对应的理论曲线差别甚微，而实际观测、计算和图示都无法反映这种微小的差别，所以会出现等值现象。断面中存在薄岩层是出现等值现象的重要条件。为了说明等值现象的规律，必须导出不同地电断面具有相同波阻抗的条件，根据波阻抗的递推公式：取薄岩层并根据近似公式为薄层的纵向电导。(1)S等值性当薄岩层厚度趋近于零，但纵向电导不等于零，则上式变为只要就不变。，物理解释：由于良导薄层对地面电磁场的影响取决于其中的电流密度，而薄层中电磁场近似均匀，根据直流电路的概念，其中电流密度只与岩层的纵向电导有关，只要保持良导薄层的纵向电导不变，厚度和电阻率的变化并不影响其中的电流密度分布，相应的视电阻率曲线也无多大变化。但是，如果是良导厚层，由于趋肤效应使厚层中电磁场分布不均匀，厚度或电阻率的变化对电磁场结构具有不同的影响，故即使纵向电导保持不变，厚度和电阻率的变化也会使电阻率曲线有明显变化。(2)H等值性当薄层电阻率趋近于无穷时，纵向电导为零，则上式表明，高阻薄层的电阻率略有变化时，只要薄层厚度不变，相应的视电阻率曲线基本不变。物理解释：高阻层内没有明显的感应电流产生，它主要作为电磁波的通路，传递上下岩层之间的电磁场信息。高阻薄层本身电阻率略有变化，对地面电磁场的影响不大，而厚度的变化却直接影响了电磁波的传播距离。因而，厚度相同而电阻率略有变化的一组高阻薄层，它们的视电阻率曲线是等值的。四、MT数据采集与资料解释1、MT仪器设备在半个世纪中，大地电磁的发展经历了标量阻抗、张量阻抗两个阶段，而大地电磁仪器的发展则经历了模拟阶段、数字化阶段；现代大地电磁仪器发展的一种趋势是硬件和处理软件相结合，一方面要求实时处理，把处理软件固化在仪器中，在资料采集时就获得良好的原始数据；另一方面又要求把现代化的测量技术和手段GPS固化在仪器中，以减少大地电磁测深点的人工定位测量，并提高其水平坐标和高程测量的精度；为适应大地电磁方法技术发展的需要，当今大

地电磁仪器发展的另一趋势是集成化、轻便化、多道化和遥测遥控化。现在已经不是单纯的大地电磁仪，而应该称为大地电磁系统；70年代以来，我国也研制了几种型号的大地电磁仪，为我国大地电磁的发展做出了重大贡献；但目前用于生产的主要是国外MT仪器设备：加拿大凤凰地球物理公司生产的V5-2000、V8多功能电法仪；美国Zonge公司生产的GDP-32多功能电法仪；Metronix公司最新推出的GMS-07频率域综合电磁法仪。（1）测线、测点布置2、MT野外工作方法和技术测线与测点应按设计书规定进行布置。根据实际情况允许少量在一定范围内调整，面积测量测线的移动，在相应比例尺的图上不超过0.5cm；路线测量测点挪动不超过二分之一点距。面积测量时，测区范围内发现有意义的异常应及时加密测线，至少应有3个测点(不同测线)在异常部位。如因大地电磁测深曲线异常或失去连续性，必须加密测点。测点不能选在山顶或狭窄的深沟底，应选周围开阔，至少是两对电极范围内地面比较平坦相对高差与极距之比小于10%的地方布点。选点应考虑布极范围内地表土质均匀，点位不能设置在明显的局部非均匀体旁。所选测点应远离电磁干扰源，一般要求如下:a.离开大的工厂、矿山、电气铁路、电站2km以上；b.离开广播电台、雷达站1km以上；c.离开高压电力线500m以上；d.离开繁忙的公路200m以上。作完的测点，应埋设木桩，桩上标明测点编号，观测日期和施工单位。十字型装置:水平方向的两对电极和两磁传感器(以下简称磁棒)分别互相垂直敷设，其方位偏差不大于1°，水平磁棒顶端距中心点8m-10m。如两对电极和水平磁棒按正北(x)正东(Y)向布置，垂直磁棒(z-向下)则应安放在方位角2250，距测点中心不超过10m的位置。（2）观测装置布置在施工中不适宜十字形敷设时，可采用L型、T型装置（图2、3），或斜交装置（图4），其斜交角应大于70°，方位偏差均应小于1°。接收电极距应根据观测信号强弱和噪声水平来确定，一般在50-300m之间选择，如测点周围地表起伏不平，应按实测水平距布极，极距误差应小于士1%。电极接地电阻要求不大于2000Ω，在沙漠、戈壁、高阻岩石露头区，应采用多电极并联，电极四周垫土，周围浇水来降低电阻。电极应埋人土中20cm-30cm，保持与土壤接触良好，两电极埋置条件基本相同，不能埋在树根处、流水旁、繁忙的公路边和村庄内，同时应避免埋设在沟、坎边。应在观测前埋设好电极和磁棒，观测时如发现仍有不稳定现象，应检查电极埋设质量和接地条件，经处理达到稳定再记录。水平磁棒入土深度为30cm,用水平仪校准保证水平；垂直磁棒入土深度为磁棒长度的1/2以上，上端用土埋实，应保证垂直。电极联线，磁棒联线及接入仪器或前放盒的电缆均不能悬空，不能并行放置，每隔3m-5m需用土或石块压实，防止晃动。布站结束后，操作员需检查各道信号，并根据信号大小选择前置放大器增益，所有这一切确认无误后，方可进行观测和记录。记录参数：如视电阻率、相位电性主轴方位倾子Bostick反演数据相干度信噪比等参数的结果曲线图，并可用打印机输出。（3）开始观测大地电磁测深的目的在于探测地下不同深度上介质的导电性结构，它的全过程包括数据采集、处理和反演。大地电磁测深的应用成功与否,在很大程度上取决于数据采集质量。数据处理和反演是紧密相关的二个重要环节，通过它们才能达到大地电磁测深的目的，获取尽可能准确的有用信息。3、MT数据处理和反演解释资料处理：时间序列处理部分。将时间域观测的信号转换到频率域，生成功率谱文件；以功率谱文件为基础，计算阻抗张量、倾子矢量、视电阻率、相位、二维特征量等各种MT参数，进行畸变分析和校正等；反演解释资料的定性解释一维、二维反演地质解释和结果成图大地电磁资料的反演及解释是大地电磁工作中的最重要组成部分。目前主要按照预处理、定性、半定量、一维反演和二维反演等阶段，由浅入深，逐步进行。它的目的就是将所观测的大地电磁资料转换成地电模型，解决所提出的地质任务。MT中常用的反演算法BOSTICK（1d,近似反演方法）广义逆方法（1d）马夸特法（主要是一维，最简单模型约束，正则化反演）OCCAM反演方法（1d,2d，最平缓模型约束，正则化反演）非线性共轭梯度法反演（NLCG，2d,最光滑模型约束，正则化反演）快速松弛法反演（RRI，2d,最光滑模型约束，正则化反演）减基OCCAM反演算法（REBOCC，2d,最平缓模型约束，正则化反演）以一个简易模型说明MT数据处理和反演过程各测点的视电阻率及相位数据剖面的TE、TM模式视电阻率及相位断面图反演结果与真实模型对比4、地质解释与推断成果的地质解释与推断是大地电磁资料解释的重要组成部分，前面所作的地球物理解释，只是得到本工区内岩石的电性分布及差异，并没有直接的地质意义，因此，还必须进行地质解释和推断，才能对剖面内一系列地质问题提出明确的认识。地质解释应该紧紧围绕所提出的地质任务来进行，大地电磁测深所能解决的问题可以概括如下：1．研究地壳和上地幔的电性结构，特别是壳内高导层和幔内高导层；2．研究区域构造，这主要指研究基底起伏、埋深和断层分布；3．电性层的划分及其地质解释岩石的电阻率的大小主要取决于组成岩石的

矿物成分、结构及其含水量的多少，而与地质年代之间没有直接的关系。然而，对沉积岩来说，同一地质年代，又因沉积环境、矿物成分及其结构相似，岩石的电阻率又相差不多，而不同地质年代的岩石，由于上述条件的不同，电阻率往往有一定的差异，所以，由岩石电阻率的大小来推断其地质年代是有根据的。1．局部构造的研究；2．其他地质问题的研究，如推覆体、裂谷、深大断裂等，根据电性可以查明茂汶断裂带，映秀断裂带和都江堰断裂带总体向西倾斜，在深部相交，最终消失在壳内低阻层；根据双差定位方法，汶川地震主震震源深度在16km或16.7km，从电性上看，应力集中的位置位于高阻块内。都江堰断裂带茂汶断裂带映秀断裂带5.12汶川地震震中5.12汶川地震震源五、大地电磁测深法的应用大地电磁测深已成功应用于油气勘探、地热勘探、地壳和上地幔深部地质构造的研究中，取得了明显的地质效果。可解决的地质问题：研究高阻基岩表面的起伏，圈定油气盆地的范围；在有利条件下，当岩层在电性上存在明显差异时，大地电磁资料可用于划分岩层；可用于确定断层、岩层垂直接触带等不均匀面；可发现确定壳内高导层、上地幔的分界面；在逆掩断层和火山岩覆盖地区，地震勘探很难得到深部的反射资料，而大地电磁法不受高阻屏蔽层的影响，能取得较好的地质效果。

青藏高原东北缘的大地电磁探测OCCAM反演结果地质解释剖面图

西藏洞错盆地MT探测结果扬子地台西缘深部地质结构研究加拿大萨德伯里镍-铜矿区MT勘探结果

萨德伯里矿区MT勘探RRI反演结果

武汉市巴登华侨城地热MT勘探六、高频大地电磁测深（HMT）

（EH-4）一、EH-4仪器简述及发展历程

EH-4这套仪器是一种用来测量地下电阻率的一种电法仪器。这套仪器是一种特殊的大地电磁测深仪器。它既可以接收天然场源的大地电磁信号，又可以接收人工场源的电磁信号，并且它所接收的频率高于MT仪器所采集的频率。1、仪器概述

1、几何电阻率法（常规的直流电法）2、激发极化法电法3、自然电场法4、充电法时间域电磁法——瞬变电磁法

5、电磁法频率域电磁法——CSAMT法、

AMT法、MT大地电磁测深（MT）0.001——340Hz音频大地电磁（CSAMT）0.25——10KHzEH-410Hz——100KHz2、EH4仪器在电法勘探分类中所处的位置3、EH-4仪器推出的历史背景我们都知道常规的电探仪，直流电阻率剖面仪。需要向地下直接供电，并且随着测量深度加大，电极布线和供电量都不断增加，野外劳动强度大，效率低。而大地电磁法它采集的频率较低，通常观测时间长，分辨率较低，适合解决深层宏观问题。大家知道，1000米以内，几百米上下，正是人类经济、文明活动在地壳上层最活跃的深度。而浅、中深度范围的电法探则仪器相对较少，也正是这种现状激发了国内外众多的科学家和仪器制造商要研制开发出一种既轻便又可以勘探浅、中深度的电法仪器。96年中下旬，由美国以制造高分辨率地震仪而著名Geometrics公司和以研制大地电磁仪器而闻名的EMI公司联合研制出了EH-4，在中国EH-4经历了十几年的使用与发展，已成为一种稳定成熟的电磁测深仪器，在中国已得到广泛的应用，为中国地下水的调查、环境的地下特征调查、矿产与地热勘探及工程研究做出了不少的贡献。4、EH-4制造公司及贡献1、人工电磁场和天然电磁场两种场源。人工场源用在信号弱或没有信号的地区，保证全频段观测到可靠信号；2、同时接受X、Y两个方向的电场与磁场，反演X-Y电导率张量成像剖面，对判断二