电磁测深原理与资源勘探(魏文博)

电磁测深原理与资源勘探

魏文博中国地质大学（北京）2011年10月一.概述二.电磁场理论基础三.电磁测深1.地下介质中电磁波场传播的基本规律2.电磁测深原理3.电磁测深方法四.电磁测深资料的正、反演五.电磁测深资料解释六.应用电法勘探的物理基础电法勘探是以岩（矿）石间电磁学性质及电化学性质的差异作为物质基础。电磁学性质：导电性、介电性、导磁性、激发极化性等等涉及的物性性参数：电阻率（ρ）；

极化率（η）；磁导率（μ）；

介电常数（ε）电法勘探研究的物理场—直流电场、交变电流场、低频电磁场、高频电磁波—人工场（主动源）、天然场（被动源）电磁测深—电学性质（电阻率（ρ）；磁导率（μ）；介电常数（ε）

）物理场—低频电磁场（谐波；脉冲波；伪随机信号）一.概述电磁测深电阻率法大地电磁测深（MT）人工场方法天然场方法频率域时间域音频大地电磁测深宽频大地电磁测深长周期大地电磁测深电性源磁性源瞬变电磁测深可控源音频大地电磁测深频率测深电磁测深方法的应用：没有一定之规——强调地质前提和物理前提，具体问题具体分析电磁测深法的应用：勘查石油与天然气和煤田地质构造；寻找金属与非金属矿产；水文工程地质、城市环境与建筑基础、地下管线铺设的勘查；探测深部地质构造。直流电测深的局限性：1)受高阻和低阻层的屏蔽作用；2)作业空间大、消耗大、劳动强度高、工作效率低

，不容易实现大深度探测；3)对地下被探测目标体的分辨率低。——发展电磁测深方法。电磁测深法定义：以地壳中岩、矿石的导电性和导磁性差异为主要物质基础，利用多种频率的谐变（不同形式的周期性脉冲）电磁场作为激励场，根据电磁感应原理观测、研究电磁场空间和时间分布规律，寻找地下良导矿体或解决其他地质问题的一组方法技术。二.电磁场理论基础1、基本方程★麦克斯韦方程组：设：空间中任意光滑曲面S，其边界为L；求E旋度矢量通过S的通量。

n—S外法线单位矢量。据“斯托克斯定理”：

τ—L的切向单位矢量。故：

根据普通物理：E沿回路L的环路积分等于回路内的感应电动势u；B的面积分，即穿过回路的磁通量Φ。（法拉第电磁感应）设：空间中任意光滑曲面S，其边界为L；求H旋度矢量通过S的通量。据“斯托克斯定理”：τ—L的切向单位矢量。（H沿任何闭合回路的环路积分等于穿过该回路的总电流，包括传导电流和位移电流）（安培-毕萨拉定律）实验结果的数学表达式，表明自然界中不存在磁场源（磁荷），磁感应强度B是纯涡旋场，是由涡旋电流激发的。据“库仑定律”：介电常数为ε的均匀各向同性介质中，点电荷的电场强度E（dr—沿矢径方向的单位矢量）。（电场是“有源”的）

★麦克斯韦方程组补充方程：电流连续性方程：（电荷守恒定律）边界条件：场的法向分量：

场的切向分量：电流法向分量连续性：

2、电磁测深常涉及的电磁场模式1）均匀各向同性介质中的电磁场ε、μ、σ为常数矢量恒等式：

2)电磁场的基本模式★场的波动模式：★场的似稳模式：研究随时间变化十分缓慢的电磁场，忽略对时间的二次导数。★对于谐变场：

★电磁感应法—电磁感应定律在地球物理勘探方面的具体应用。电磁感应定律：三.电磁测深1.地下介质中电磁波场传播的基本规律—忽略位移电流垂直入射的平面波场：2.电磁测深原理3.电磁测深方法1)人工源场—近区；反之，即“远区”。(1)频率域（EM）：测深技术—多频，电场源或磁场源，发射谐变场，测电场和磁场，视电阻率频率响应。▼视电阻率定义：赤道偶极装置:r—收发距AB-s装置：n—线圈匝数；S—线圈面积。可控源音频大地电磁测深(CSAMT):频率测深(EM):A.电性源方法:B.磁性源方法:视电阻率拟断面图阻抗相位拟断面图（2）时间域（TEM）：测深技术—电场源或磁场源，发射脉冲信号（方波），测感应场随时间的变化，视电阻率时间响应。①频率域与时间域电磁场之间的关系：富里叶变换与反变换——频率合成：设：矩形脉冲，周期20ms，脉宽10ms，后沿线性下降1ms，前沿响应对后沿无影响；异常体相当于R=1Ω，L=5毫亨的线圈。计算结果：t(ms)）））误差（%）误差（%）误差（%）2.554．84．64．05.040．010．510．09.03．365．15．1谐波数（谐波数（谐波数（

结论：（A）迭加谐波的次数越多，误差越小，尤其是早期信号（高频成份多）；（B）10次以上谐波的作用可忽略；（C）早期高频；晚期低频。②瞬变场（时间域）基本概念：频率域：利用富氏变换：概率积分瞬变场参数：（忽略位移电流）无磁介质：（米）当一定，，，曲线拐点瞬变场的极限探测深度一定，不同延时的信号，探测深度不同。③瞬变测深视电阻率定义式：AB-s装置AB-MN装置（赤道装置，）与谐变场类似，引入“归一化距离”——“感应数”UU<<1—“近区”；U>>1—“远区”。④频率域与时间域参数类比：（形式上类似）①大地电磁场的特点②均匀大地条件下MT场—低频谐变场，垂直入射的平面波场。可见，Ey只与Hx有关，Ex只与Hy有关，它们都沿Z轴传播—线性偏振波。以场沿y方向的分量命名：（Ey–Hx）—E偏振波；（Hy–Ex）—H偏振波。2)天然场方法——大地电磁测深(MT)E偏振波：H偏振波：从上面的讨论看，我们对坐标轴x-y的方位并没有作任何限制。显然，在均匀各向同性介质中这两组线性偏振波的分解是任意的。如果取y轴沿磁场H的极化方向，Hy=H，Hx=0；这时，必然Ey=0，Ex=E。所以说，平面波在均匀各向同性介质中E⊥H。——波阻抗故：均匀介质中，波阻抗Zxy与Zyx振幅相同，相位相反；电场相位比磁场落后π/4。③卡尼亚电阻率（视电阻率）④大地电磁测深技术—AMT，宽频带MT，长周期MT。EquipmentsanddataacquisitionHxEyEx90°HyHzFivecomponentsAcq.GPS主机盒子电池HxHyHzExEymineoilandgasgeothermalenveromentothersdeepstructureMTU-5,Phoenix,Canadanaturesignal四.电磁测深资料的正、反演1、正、反演理论m—模型空间；d—数据空间。d=G•mG—模型空间到数据空间的一个映射—泛函算子—物理定律。1）正演—已知场源和模型，求物理场分布；①解析解②数值模拟计算③物理模拟2）反演—已知物理场分布，求场源和模型。

①一维②二维③三维2、地球物理反演的基本问题：1）解的存在性：给定数据d，按照物理定律，能否找到满足要求的模型参数；2）模型构制：若解存在，如何构制问题的数学物理模型，使得反演问题的解能迅速而准确地确定；3）解的非唯一性：若解存在，其是否唯一；4）解的评价：若解是非唯一的，如何从非唯一解中获取真实解的信息。五.电磁测深资料解释1、地球物理解释—地球物理模型（物性参数模型）定性：地球物理异常特征—地质原因（异常源形状、大小、产状、埋深等）；定量：计算异常源的几何参数、物理参数。▲定性与定量的关系。2、地质解释—结合地质和其他资料给出地球物理模型的地质解释★一般原则：1）以现代地质理论为指导；2）二个环节—岩石物性研究—实验室物性测定、从反演获得物性参数、测井资料；地质建模—3）三个步骤：从已知到未知；各种地球物理资料与地质资料结合；反复调整、修改—趋于真实的地质问题。电磁测深资料解释的程序：1.严格执行野外数据采集技术规范,切实保证观测数据准确无误;2.做好野外现场数据预处理,进行干扰信号分析、识别、压制，

及时控制好观测数据质量，确保获得高质量观测数据；3.认真进行室内数据处理和各种定性图件的编绘、分析；4.遵循从已知到未知的解释原则；5.做好地球物理“定性”分析,保证“定性”准确；6.开展多维、多方法“地球物理反演”和反演结果的对比、分析,建立可靠的地球物理模型,进行地球物理解释；7.物性分析、研究；8.结合多种地球物理和地质资料的综合分析、解释。问题：▲直接找矿——仅在特殊有利条件下。▲间接找矿——比较普遍的应用。▲已知矿体向深部和侧面延伸。要求：▲地质、矿床和物性条件；▲探测深度（500m—1000m）；▲高分辨率、高精度；▲轻便、高效；▲复杂地形条件。（一）矿产资源勘察方面六.应用方法的应用：没有一定之规——具体问题具体分析；强调地质前提和物理前提；▲间接找矿—寻找矿床标志和控矿条件

1）岩浆矿床：主要源于上地幔部分熔融产生的铁镁—超铁镁岩浆。主要矿产有铬铁矿、钒钛磁铁矿，铜镍硫化物矿床。矿体多呈层状、似层状、透镜状、豆荚状等产于岩浆体内，少数脉状矿体进入圈岩之中。

控矿条件：基性、超基性岩浆活动通常与深大断裂，不同大地构造单元边界和次级构造单元的接触带以及大陆裂谷带等有关。1.找矿方向——地质条件2）伟晶岩矿床：

一般指花岗伟晶岩矿床，是稀有元素和稀土元素矿产重要来源。伟晶岩矿床多与基状花岗岩有关伟晶岩矿床大小通常与花岗岩基规模有关，长百米，厚20-30m，产状复杂。

控矿条件：

花岗伟晶岩主要分布在褶皱带内，地台边缘的区域断裂带附近和不同构造单元的结合部位。伟晶岩矿田主要受背斜轴部、地层接触带、区域断裂带以及次级断裂和裂隙带控制。此外伟晶岩矿床的成分常受围岩成分的影响。

1-花岗岩2-伟晶岩3-片岩花岗伟晶岩产状示意图

3）热液矿床：它是通过含矿热液而形成的后生矿床，是最复杂、总类最多的矿床。其特点是：

a)矿物运移和富集与热液活动有关，成矿方式主要是通过充填和交代作用；成矿过程伴有圈岩蚀变，构造对成矿作用控制明显；矿床类型多，除镍铬、金刚石外，多数金属矿床都与热液活动有关，如铜、铅、锌、汞、镍、钨、铜、钴、钠、铁、金、银等等。

b)热液矿床分类：●

夕卡岩矿床：产生在中酸性侵入岩与碳酸盐类的接触带附近，是铜、铁、钼、锌矿的主要来源，也是金、银、铅、钴、铋、铍、硼等的重要来源。成矿侵入体以小型为主，矽卡岩和矿体大多分布在侵入体上盘的接触带内。矽卡岩分钙矽卡岩和镁矽卡岩两种。●控矿条件：构造破碎带，不同岩性的岩层接触带，层间断裂带，断裂构造带，背斜构造带等。这些构造部位有利于含矿热液的侵入和交代，形成矽卡岩和矽卡岩矿床。矽卡岩矿物成分复杂，但由于岩浆热液中均含有铁，矽卡岩又很致密，所以矽卡岩带往往是磁异常带和高阻带。

1-浮土；2-大理岩；3-花岗岩；4-锡矿体；5-铜矿体；6-铅锌矿体；7-矽卡岩整合接触的矽卡岩型矿床剖面示意图

●斑岩型矿床：

主要产于斑岩中及其接触带附近的细脉状渗染型矿床，规模大，品位低。是铜矿和钼矿的主要来源，也是金矿、钨矿、锡矿和铅锌矿的重要来源。斑岩型矿床主要与具斑状结构的中酸性浅层或超浅层小型侵入体有关，如花岗斑岩，石英二长斑岩，石英斑岩等。斑岩矿床都和深大断裂有关，成矿物质来自于上地幔或地壳深部。斑岩铜矿的形成是上升岩浆热液和地下水发生对流循环的结果。斑岩型金矿均发育在大陆和岛弧造山带中；斑岩铜矿产于岛弧或大陆岩浆弧环境；斑岩铅、锌矿产于陆相火山盆地边缘，斑岩型铁矿与岩浆热液中铁质成份沉积或围岩中铁质成份析出有关。●高、中温热液脉型矿床：

形成温度大于300°C，主要受断裂控制，与中酸性侵入体有关，形成深度4.5Km-1.5Km。●低温热液矿床：

形成温度低于200°C，形成深度在2Km—地表范围内。●蚀变带：

热液矿床主要由含矿岩浆热液在岩体内部或围岩中通过充填、交代而成。由于含矿热液富含挥发份，因而在近矿围岩和岩体内部都会产生强烈蚀变，形成蚀变带。所以蚀变带是寻找热液矿床的重要标志。最重要的蚀变带有，云英岩化、钠长石化、钾长石化、硅化、冰长石化、绿泥石化、绢云母化、千枚岩化、高岭石化、青盘石化等。可见蚀变带内富含易风化矿物，因此常形成低速、低阻带，此外在高温蚀变过程中原有的磁性物质可能产生清磁作用，形成弱磁或负磁异常带。所以用物探方法寻找蚀变带也是一种间接找矿方法。1-大气降水；2-壳状矿化带；3-岩浆热液

岩浆热液和地下水发生对流循环形成斑岩型铜矿床示意图4）寻找内生矿床的物探方法从上述可见，寻找与岩浆活动有关的内生矿床，首先要圈定岩浆岩的分布范围。这是比较容易的，因为岩浆岩都会形成明显的磁异常；近而圈定岩浆岩的边界和隐伏岩体的埋深，因为多数与岩浆活动有关的矿床均分布在岩浆岩与围岩的接触带附近或岩浆岩顶部，少数分布在岩浆岩内部。围定岩浆岩接触带可采用磁法，包括磁场梯度测量，频率域电磁法和瞬变电磁法。进一步确认是否有内生矿床存在，可通过精细的频率域电磁法测量和瞬变电磁法测量寻找低阻的蚀变带或有特征物性差的矿卡岩带。激发极化法也是一种较有效的找矿方法。寻找与超基性岩有关的矿体也可采用重力法。从上述可见，与岩浆岩活动的各种金属矿床受各种断裂带，裂隙带，破碎带，背斜构造带等所控制，因此用物探方法探测这些控制条件也是一种有效的间接找矿方法。▲直接找矿

1）如果有色金属矿产，如铅、锌、锡、钨等能形成一定规模的良导体，可采用精细的瞬变电磁法测量直接找矿。2）埋藏较浅的、陡倾角的脉状矿体，具有清晰的瞬变电磁响应，用瞬变电磁仪往往也能达到直接找矿的目的。3）也可以用物探方法直接寻找产于基性—超基性岩中的烙铁矿，钒钛磁铁矿和铜镍矿。瞬变电磁法直接寻找陡倾角矿脉▲探测已知矿体向深部和侧向延伸

已知土屋铜矿体的MT电阻率断面铜矿赋存在高低阻接触带中

对土屋铜矿在310米深处的有利成矿带预测图，有利成矿带由虚线圈出。

在地面用物探方法从浅向深追踪

▲找矿方法——合理的工作程序1）合理的找矿工作程序：在区域性地质调查和地球物理路线测量的基础上，根据成矿地质理论，选定找矿有利地区；开展面积性的地球物理调查，发现物探异常，圈定异常，分析异常的成因，划分异常的等级；根据物理条件，选择物探方法，在重要的物探异常区布置系统的地球物理探测工程（强调综合地球物理）；研究异常——物性研究，已知区现场试验，布置精测剖面或三维面积性观测，精细的数据处理，异常特征分析—定性，物理模型设计和正演，反演—综合地球物理分析—建模，地质解释，验证。▲地球物理找矿过程大体上划分为四个阶段：调查—普查—详查—勘探2）用于矿产资源勘察的电磁探测技术▲由于不同阶段的目标不同、不同物探方法的探测精度差异很大，以及物探数据的多解性，因此在矿产资源探测的不同阶段要选用不同的物探方法。

电磁法是矿产资源调查和勘探中最常用的物探方法。电磁法可分三大类，即时间域电磁法，频率域电磁法和直流电法。（1）时间域电磁法：有两种，一种是通过观测由地面回线发射的一次场在地下介质中感应出的、随时间变化的二次场来探测地下电性结构，通常称为瞬变电磁法（TEM）；另一种是通过观测由地面偶极源发射的电流脉冲在地下介质中产生的、随时间变化的二次场来探测地下电性结构，称为长偏移距瞬变电磁法（LOTEM）。瞬变电磁法分辨率高探测深度适中（与测区地下平均电阻率值有关）。它在圈定断裂，破碎带，蚀变带岩浆岩接触带，地下电性分层等方面能提供较可靠的信息，对陡立的地质构造分辨程度高，可直接寻找高导矿体。仪器：国内有多个单位研发或生产瞬变电磁仪，国外厂家生产的瞬变电磁仪有PROTEM，PEM，terraTEM以及V8和GDP-32系统中含有的瞬变电磁功能。

（2）频率域电磁法

频率域电磁法是通过在地面观测随时间变化的电磁场分量来探测地下的电性结构，其场源是太阳活动产生的电磁波或人工发射的电磁场。

▲典型的频率域电磁法叫大地电磁法（MT）；它有很多变种，以适应不同的观测环境。

例如：“远参道测量”—解决局部电磁噪声干扰；电磁阵列法（EMAP）—压制“静位移效应”；电—电磁剖面法（CEMAP）—提高生产效率；可控源法（CSAMT），—提高信噪比。

▲频率域电磁法的主要优点：

勘探深度可从地表至几公里，乃至百公里，取决于仪器所能记录的频率范围；对高导层（体）十分敏感，有利于寻找高导矿体；横向分辨率高，有利于圈定构造和岩体边界；仪器设备轻便；二维反演成熟，也可进行三维反演。目前世界各国使用的大地电磁仪主要有GMS-06，V5-2000，MTU-5，MT-24，LIMS，V8和GDP-32中含有的大地电磁功能。应用实例●云南锡矿带上瞬变电磁探测结果

瞬变电磁场响应曲线

视电阻率响应曲线

1、瞬变电磁法应用效果已知硫化矿体地质解释剖面图（根据云南省有色地质调查院资料，2006）●瞬变测深在黑龙江乌拉嘎金矿深部找矿的结果

（据云南省有色地质调查院资料）（据地科院物化探研究所资料）（据地科院物化探研究所资料）（据地科院物化探研究所资料）云南个旧17线地质、物探综合图（据云南省有色地质调查院资料）民乐铜矿区101线地质、物探（TEM）综合在已知矿上TEM方法效果明显（据云南省有色地质调查院资料）（据云南省有色地质调查院资料）2、频率域电磁法应用效果●新疆图拉而根铜镍矿是全岩矿化，超镁铁质岩浆硫化物型铜镍矿，为查明含岩矿体向深部的延伸情况在矿区进行了两次大地电磁剖面勘探。图A中部连续的低阻异常和图B中部两个规模较小的低阻异常，是铜镍矿在深部的展布情况，并得到钻探证实。图拉而根MT21线电阻率断面图

图拉而根MT41线电阻率断面图

●云南某金属矿EH－4探测剖面一推测矿已知矿验证钻井见矿钻井见矿云南某金属矿EH－4探测剖面二Ohm-mOhm-m地质上的氧化还原带（据地科院物化探研究所资料）（据地科院物化探研究所资料）当前油气勘探面临的问题油气工业面临：资源消耗增加、资源量短缺、环境保护、可持续发展等问题的挑战。勘探重点转移到：1、地面施工条件恶劣的地区——沙漠、高原、滩涂、海洋等2、地质条件复杂的地区——古潜山、碳酸盐地区、卵砾层覆盖区、火山岩覆盖区等3、地壳深部储油构造——迫切需要发展新技术，提高勘探能力。（二）油气资源勘察方面1）开展强干扰区、滩涂区电磁探测在黄骅坳陷大港油田开发区和乌马营地区开展“东部深层电磁勘探新方法同步阵列电磁测深方法试验”工作。其目的是利用电磁法勘探深度大,成本低廉等优点，了解东部深层－奥陶系的分布及构造特征，以确定该方法在滩海困难区工作的可行性。施工人员虾池边正在布设磁站大港油田开发区，输电线路十分密集、变压器广布，文化干扰严重。滩海、虾池、卤池、公路和车辆、以及地面敷设的各种管线的影响使常规的电磁测深不可能保证观测质量。大港D01测线二维反演电阻率剖面图大港D01测线电法、地质综合解释剖面图

深层潜山构造勘探2）在地震工作困难的地区发挥作用古潜山油气藏是我国东部进行油气藏勘探的主要目标之一。在东部进行深层古潜山勘探，地震资料深层信息信噪比较低，解释时多解性强。

实例背景葛2井地震测线设计CEMP测线苏50井码头

存在问题

地震深层品质差，古生界构造解释多解