第3节-大地电磁测深法

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)0110zyxxyzyxxyEEzHEzHHHizEHizEE偏振(Ey-Hx)H偏振（Hy-Ex）（TM模式）（TE模式）xy22xxyyE11ρ=Z=ωμωμHyx22yyxxE11ρ=Z=ωμωμH=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：ExE1()mmmmmmmmkzkzxmmkzkzxmymmkzkzxmmxykzkzymmmECeDeEkHCeDeiziECeDeiZHkCeDe记为第m层的特征阻抗。ommiZk2221(/)()1(/)()/()mmmmmmmkzkzkzmmmmomomkzkzkzmmmmkzommmomCeDeDCeZzZZCeDeDCeZzZDCeZzZ11()mmmZzZ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1211211211/11mmmmmmkzmommmmomkhmommommomkhmommomZZDCeZZZZeZZZZZZeZZ,0nnkzkzxnnzECeDe0,nnonniDZZk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10T21Zωμ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σ1σ2。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：12yxxyyxxyEiHzEiHzHEzHEz22222220yxxyyyEiHzHEzEkEzki12212110yxxyyyHEzEiHzHkHzki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12yxxTEyTMEZ==-iωμρHEZ=-=--iωμρH00xxTEyyTMEHZEHZ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）''''100TExxTMyyEHZEHZ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：221221(1)(1)(1)(1)mmmmmmmmkhkhommmomkhkhommZeZeZZZeZe0mhlim1xex11111mmommmmmommommmmmmkhZZihZZZhZkhZZmmmhS111mmmmmihZZSZ取薄岩层并根据近似公式为薄层的纵向电导。111mmmmZZSZ/mmmSh常量(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。mZ，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1mmmZihZ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，