第六章可控源音頻大地電磁測深

1、第六章 可控源音頻大地電磁測深可控源音頻大地電磁測深(Controlled Source Audio frequency Magnetotelluric , 簡稱 CSAMT 是一種利用接地水平電偶源為信號源的一種電磁測深法。該方法的工作頻率為音頻,其原理和 常規(guī)大地電磁測深法類似,其實質(zhì)是利用人工激發(fā)的電磁場來彌補天然場能量的不足。由于 CSAMT 具有野外數(shù)據(jù)質(zhì)量高、重復(fù)性好,解釋與處理方法簡單(解釋方法直接套用 MT 方法、 解釋剖面橫向分辨率高、方法不受高阻層屏蔽及工作成本低廉等優(yōu)點。近年來,該方法不僅在 我國南方和西北地區(qū)油氣勘探中得到了廣泛應(yīng)用,而且在工程物探、電法找水和地熱與金屬

2、礦 勘探方面也受到了地球物理工作者的青睞。4.6.1 CSAMT 的基本理論根據(jù)在南方地區(qū)的試驗發(fā)現(xiàn),電偶極子方式的 CSAMT 具有機動性強、效率高、成本低但 勘探深度小于 MT ,較之磁偶極子方式更適應(yīng)于南方地區(qū)的油氣勘探工作。因此,本章中僅介紹 電偶極子方式的 CSAMT 法。一、均勻半空間介質(zhì)中接地水平電偶極子 的電磁場如圖 4.6.1 建立直角坐標系。假定電偶極子 向地下供入的是諧變場 i tew - ,在似穩(wěn)狀態(tài)下,我們有 P 點的電磁場分量的表達式為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 為均勻介質(zhì)中的電導(dǎo)率;Idl 為電偶極矩;r 為收發(fā)距;q 為 P 點的方位角; m I 、 m K 為第 m 階修改后的貝塞爾函數(shù)。當|1 kr = ,此時對應(yīng)的區(qū)域稱為“近場區(qū)” ,近場區(qū)就是測點距電偶源很近,此時,r d = 當圖 4.6.1 均勻半空間上的電偶源|1 kr ? ,此時對應(yīng)的區(qū)域稱為“遠場區(qū)” ,遠場區(qū)就是測點距電偶源很遠,此時r d ? ,或稱之為波區(qū);介于近場區(qū)與遠場區(qū)之間的廣

5、大地區(qū)稱為“過渡區(qū)” 。1.近場區(qū)的電磁感應(yīng)函數(shù) 當|1 kr = ,利用指數(shù)和復(fù)數(shù)貝塞爾函數(shù)的近似性,(4.6.1式(4.6.5式可化為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此時,波阻抗為2 | r E Z H rq s = (4.6.11因此| 2 rE r H qr = (4.6.1

6、2而電場和磁場之間的相位差為0。由(4.6.6式、(4.6.10式可以看出,在均勻介質(zhì)中,電偶源的近 區(qū)電場的水平分量正比于介質(zhì)的電阻率,而與頻率無關(guān);磁場的水平分量與電阻率和頻率無關(guān)。 由于電場和磁場都與頻率無關(guān),因而其比值阻抗 z 就不隨頻率變化,這就說明,近場區(qū)的電磁 場,即使經(jīng)過近區(qū)場校正,也不可能象遠區(qū)場那樣用來研究地電斷面性質(zhì)。2.遠場區(qū)的電磁感應(yīng)函數(shù)遠離電偶源后,(4.6.1式(4.6.5式在似穩(wěn)條件下可簡化為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式說明了遠區(qū)電磁場的幾個十分重要的性質(zhì)。首先,在均勻介質(zhì)中,電 偶源遠區(qū)電場的水平分量正比于介質(zhì)的電阻率,而與頻率無關(guān)。遠場區(qū)的電場和近場區(qū)的電場 除了一個常系數(shù) 2 以外,沒有任何區(qū)別;其次,磁場的水平分量和近場區(qū)不同,與頻率和介質(zhì) 的電導(dǎo)率乘積之平方根成反比。由于遠區(qū)電磁場的水平分量都隨 3r 衰減,因此

8、阻抗004 0 2 i r E i Z e H p wm wm r s=-= (4.6.18 與測量點距電偶極子之間的距離r 無關(guān)。 3.過渡區(qū)的電磁響應(yīng)函數(shù)在近區(qū)場與遠區(qū)場之間的過渡區(qū),電場E 、磁 場 H 和阻抗 Z 都可用(4.6.1式至(4.6.5式描述。 在非 均勻介質(zhì)中,過渡區(qū)的特性十分復(fù)雜,它不僅與頻 率、r 有關(guān),而且取決于斷面的特性。二、 層狀介質(zhì)的水平電偶極源的頻域電磁 響應(yīng)電偶極源位于地表( 0 0 h = 時水平層狀介質(zhì)地 表面的電磁響應(yīng)(如圖 4.6.2所示可表示為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圖 4.6.2 電偶極源 CSAMT 方式的層狀介質(zhì)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 一維正演的基本公式。4.6.2 野外工作方法與技術(shù)一、CSAMT 的觀測方式在油氣勘探中,根據(jù)場源的布置和測量方式將 CSAMT 分為標量 CSAMT 和矢

13、量 CSAMT兩種方式。1.標量 CSAMT 標量 CSAMT 布置一個場源,而在 測點同時測量互相垂直的水平磁場分量 和電場分量 (如圖 4.6.3,并以此計算 Cagniard 視電阻率。標量 CSAMT 用于一維或已知構(gòu)造 主軸方向的二維地區(qū)。在構(gòu)造復(fù)雜的地 區(qū),標量 CSAMT 成功與否完全取決于 場源和測量方位的選擇以及資料采集的 密度。單場源的工作法,在構(gòu)造復(fù)雜地 區(qū),解釋有發(fā)生錯誤的危險。例如,一 條直線延伸且傾角很陡的斷層,如果場源偶極垂直于斷層的走向(TM 極化, 用標量法是有效的;然而如果場源偶極平行于斷層布置(TE 極化,斷層的識別及其位置的確定就十分困難了。在構(gòu)造復(fù)雜的

14、地區(qū),最好 作網(wǎng)格狀標量 CSAMT ,或者采用矢量和張量 CSAMT 。標量 CSAMT 之所以對地球物理學家和石油公司有吸引力,就是它的效率高、成本低,這 也許是為什么目前大多數(shù) CSAMT 工作仍為標量測量的原因。2.矢量 CSAMT矢量 CSAMT 只用一個場源,在測點測量四個或五個電磁場分量( x E 、 y E 、 x H 、 y H 有時 也測量 z H ,野外布置圖,如圖 4.6.3 所示。矢量 CSAMT 可用于研究二維或三維構(gòu)造,但與張 量測量相比,反演的非唯一性較嚴重。由于矢量測量比張量測量少 50%的采集和處理工作,因 此其耗費也較低。3.張量 CSAMT矢量測量要求布

15、置兩個場源,因為和天然大地電磁場不同;單場源的電磁場的極化方向是圖 4.6.3 標量 CSAMT 野外工作布置示意圖 固定的,不能用測量的結(jié)果計算張量 阻抗要素。因此,必須兩個極化方向 的場源。兩個場源既可互相正交布置, 也可分開布置,用張量測量時,必須 記錄五個分量( x E 、 y E 、 x H 、 y H 、Z H ,其野外布置圖如圖 4.6.4所示。二、儀器與野外工作布置CSAMT 的供電偶極距一般為13km 長,測點距供電偶極的距離(收發(fā)距510km 。一般用不極化電極接收電場,其電極距 50100m 不等。由磁棒接收的磁場信號。在實際工作中究竟布置一個還是兩 個供電偶極, 測量哪

16、些分量,這完全取決于所選擇的工作方法,是標量、矢量還是張量 CSAMT 。三、提高觀測質(zhì)量的措施所有需要測量電場分量的電法勘探方法都受地形和表層電性不均勻的影響, CSAMT 也不例 外。理論和實際都證明,山谷和表層低阻區(qū)具有高電流密度,相反在山峰和表層高阻區(qū)具有低 電流密度。前者導(dǎo)致視電阻率升高,后者引起視電阻率降低。因此,在工作設(shè)計和測點布置時 必須認真考慮地形和表層不均勻的影響,或者在測量時設(shè)法避開,或者在測量之后進行校正。 如果采用后者,在校正之前就必須區(qū)分哪些是地形,那些是表層不均勻給測量結(jié)果帶來的影響。場源對 CSAMT 測量結(jié)果的影響(主要是近場區(qū)和過渡區(qū)測量的影響是十分明顯的。

17、 在保證 信號有一定強度的情況下,應(yīng)盡量在遠區(qū)測量。實際工作時如果出現(xiàn)了在過渡區(qū)測量情況(特別 是高阻區(qū)、低頻段時,解釋過程中也必須進行校正。場源的影響,本質(zhì)上就是非平面波的影響, 因為近區(qū)和過渡區(qū),由人工場源產(chǎn)生的波都不是平面波。除此而外,場源下面或場源和測點下 面復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造,也會導(dǎo)致近區(qū)、過渡區(qū)甚至遠區(qū)電磁場的畸變,這種畸變也表現(xiàn)為非平面 波。關(guān)于 CSAMT 的校正方法,可參閱有關(guān)文獻(Zonge ,1980。4.6.3 CSAMT 的資料處理和解釋經(jīng)過實時或現(xiàn)場處理后的資料,一般還不能直接用于解釋,必須再處理。一、資料的再處理一旦資料合格后,即可進行解釋處理或再處理,CSAMT 資

18、料的再處理包括曲線的圓滑、校 正(靜校正、地形校正、場源校正以及為突出某些有用信息而作的特殊處理等。1.方向旋轉(zhuǎn)(僅限于張量 CSAMT由于地形條件的限制,對整個測線而言,并非一貫地保持在同一方向進行測量,故需對實 測場矢量進行合成,然后再投影,得到磁場觀測方向(平行和垂直測線的方向的電場值。2.阻抗張量估算對于張量觀測方式,按下式以實測電磁場量計算張量阻抗。對任一測點任一頻率有111x xx x xy y E Z H Z H =+ (4.6.24圖 4.6.4 張量 CSAMT 野外工作簡圖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式中電磁場的振幅和相位均是觀測量。解上面方程可得張量阻抗之的四個元素,進而可得視電 阻率與相位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因為 x 方向(測線方向平行區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的走向,所以從構(gòu)造的角度來說, xy r 即為 TE r , yx r 即 為

20、TM r 。更進一步,進行坐標旋轉(zhuǎn)變換后,可得電性主軸方位上的主張量元素 max Z 和 min Z ,進 而得到主軸方向的視電阻串與相位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 利用主軸方向的響應(yīng)函數(shù),可進行二維和三維的解釋。3.靜態(tài)校正表層電性不均勻會使 CSAMT 的視電阻率曲線發(fā)生移動,而相位曲線卻仍保持不變。視電 阻率曲線的這種移動是由于

21、表層電性不均勻處的電荷積累所造成的。當然深層電性不均勻也會 導(dǎo)致視電阻率曲線的移動,然而,由于淺層積累的電荷距測點近,因此它引起的靜位移相對深 層而言要明顯得多。 和 MT 相似, 在二維情況下, 靜位移主要表現(xiàn)在 TM r 曲線上,在三維時, TM r 、 TE r 都會發(fā)生移位。對移位了的視電阻率曲線進行校正,即靜校正。在 CSAMT 中,常用的靜校 正方法有相位積分法和歸一化校正法。1相位積分法(Zonge ,1988CSAMT 和 MT 視電阻率與相位之間滿足d ln (1 4d ln a r p j w =+ (4.6.37經(jīng)簡單變換后得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 為地表的電阻率,可從靜位移影響不大地區(qū)的測深曲線求取; N w 為測深曲線最高頻 率,要求當時 N w w = , /4 j p = ;w 是待求視電阻率 a r 處的電磁場的頻率;j 是 E 與H 之間 的相位差,是w 的函數(shù)。(4.6.38式計算出的視電阻率即為校正之后的視電阻率。1 ( ( j M a i A g i j f f M u r r = = å (4.6.392歸一化校正法(Zonge ,1988這種方法首先要求計算測區(qū)某些測點上各個頻率之平均視電阻率值然后求“平均視電阻率 曲線”之幾何平均

23、視電阻率值1/2 2 1 ( N A g A g i i f u u r r = éù = êú ëû å (4.6.40這里 i=1,2,N 是頻率順序號,j=1,2,M 是測站順序號。求得 A g u r 后對每一條視電阻率 曲線進行歸一化校正:( ( ( 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,如果地形起伏小于電磁波的趨膚深度,地形對 CSAMT 的影響與表層電性不均 勻引起之靜位移是等價的。在二維情況下,即使地形起伏不大,TM 曲線也有異

24、常,而只有地形 起伏十分明顯時,TE 曲線才有異常產(chǎn)生。如果在野外數(shù)據(jù)采集時,設(shè)法使電場和磁場探測器布置水平,地形的影響就會大大降低。 然而,在某些情況下,這是十分困難的。因此需要對地形給觀測數(shù)據(jù)的影響進行校正,即地形 校正。地形校正的前提是:一要知道地形的起伏,二要計算地形對 CSAMT 視電阻率曲線的影響。 測區(qū)的地形可由地形圖或地形測量準確地確定,而地形對 CSAMT 的影響,只有在極為簡單的 情況下才能有解析表達式,多數(shù)情況下,只能借助于數(shù)值模擬計算。計算地形影響既可用具有 地形的水平層狀介質(zhì),也可用具有地形的均勻介質(zhì)來模擬。在地形為二維的情況 下,通常稱為 二維半模擬技術(shù)。如用 D(

25、丁表示地形的影響,則校正后的阻抗 Z (T 為(/( obs Z T Z T D T = (4.6.4.2和常規(guī) MT 一樣,CSAMT 的地形校正目前還只限于二維,三維問題尚須研究。5.場源校正由于南方碳酸鹽巖地區(qū)往往高阻覆蓋,因而 CSAMT 方法在工作時其電磁場常表現(xiàn)為近場 或過渡場特征,特別是當工作頻率較低時,近場效應(yīng)更為嚴重,所以需要作非波區(qū)或近場校正。和 MT 不同,CSAMT 的場源距測點的距離是有限的,有近區(qū)、過渡區(qū)和遠區(qū)場之分。場的 復(fù)雜性給解釋增加了許多困難。分析表明,有三種影響在解釋時必須考慮。1近場源(非平面波影響及其校正如前所述,只有遠區(qū)場才近似大地電磁場,計算視電阻

26、率的 Cagniard 公式才有效。一般, 當發(fā)射偶極和接收點之間的距離L 3d 時,CSAMT 的場才具有平面電磁波的特性。但是,穿 透深度d 不僅與電阻率有關(guān),而且與電磁波頻率有關(guān),實際工作時很難保證在一個測深點上所 有頻率都具有平面電磁波的特性。如果在不同區(qū)(近場區(qū)、過渡區(qū)和遠場區(qū),我們都用 Cagniard 公式計算視電阻率,結(jié)果近場區(qū)和過渡區(qū)視電阻率畸變。通常的校正方法是三角形校正法。理 論研究表明,均勻半空間的電阻率的高低與過渡三角形的形態(tài)和大小無關(guān),但過渡三角形的形 狀和大小卻是收發(fā)距的函數(shù)。收發(fā)距大則三角形小,反之三角形大,這是一個十分有益的結(jié)論。 它表明,只要收發(fā)距 r 不變

27、,就可利用此三角形對過渡場的影響進行校正。另一近場校正方法 是由實測卡尼亞視電阻率直接計算全頻域視電阻率,由于不對電磁場作近似處理,因而全頻域 視電阻率能較好地解決近場校正問題。2場源的附加效應(yīng)及其校正是指場源下面或場源接收裝置中間地下電性不均勻體使 CSAMT 場發(fā)生的畸變。它導(dǎo)致過 渡區(qū)有時出現(xiàn)在高頻,有時出現(xiàn)在低頻,表現(xiàn)為反?，F(xiàn)象。場源的附加效應(yīng)目前研究還很不充 分,但它對 CSAMT 資料的影響是一個毋容置疑的事實。目前,解決的方法有三種:一減輕; 二歸一;三校正。所謂減輕,就是使場源盡量布置在低阻、或基底埋藏(相對測點而言較深、或 地質(zhì)條件比較簡單的地區(qū);所謂歸一,就是利用多個場源測

28、量的結(jié)果之平均對各測點進行歸一, 然后對歸一后的值進行加權(quán),以削弱場源的附加影響;所謂改正,就是基于天然場 MT 曲線對 CSAMT 結(jié)果進行校正。圖 4.6.5是均勻半空間理論模型 CSAMT 曲線、MT 曲線及其校正結(jié)果。從圖中看出,周期 大于 6 10 s - 時,CSAMT 曲線出現(xiàn)近場效應(yīng),此時曲線畸變,成 45°角上升。MT 由于是平面電 磁波,定義的視電阻率能很好地反映地下真電阻率。圖中 34 曲線是通過三角形校正和全頻域 校正的結(jié)果,顯然,近場畸變得到大大改善,說明校正方法十分有效。二、資料處理與解釋CSAMT 的資料解釋也分定性和定量兩大部分,具體解釋方法和常規(guī) M

29、T 相似,可以參閱第 本篇中的第五章,這里不再重復(fù)。圖 4.6.6 是湖北利川地區(qū) LC3 線 CCSAM'I'擬二維反演剖面圖。由圖中看出,剖面電性層位 清晰。結(jié)合地面地質(zhì)資料及電性資料,上覆低阻電性層對應(yīng)下三疊統(tǒng),中間高阻對應(yīng)上二疊統(tǒng)。 圖 4.6.5 均勻大地上電偶源蠅 AL4 丁與 MT 理論曲線與近場校正結(jié)果 圖 4.6.6 湖北利川地區(qū) LC3 線 CSAMT擬二維反演剖面圖習題及思考題1.與直流電法相比,電磁法有哪些特點?2.如何根據(jù)歸一距離P=|kr|劃分“近區(qū)”和“遠區(qū)”?應(yīng)當如何理解“近區(qū)”和“遠區(qū)”的概念?3.諧變場和瞬變場在結(jié)構(gòu)上有什么區(qū)別?4.試對比時

30、間域和頻率域電磁法的優(yōu)缺點。5.試論用電磁法評價異常源性質(zhì)的可能性和局限性。6.試述電磁測深法的H等值原理及其物理實質(zhì)。7.試比較對稱四極直流電測深、大地電磁測深、頻率測深及瞬變測深曲線的異同。主要參考文獻1 雷宛,肖宏躍,鄧一謙.工程與環(huán)境物探教程. 北京:地質(zhì)出版社,2006.2 孫正江,王華俊.地電概論.北京:地震出版社,19843 傅良魁.電法勘探教程.北京:地質(zhì)出版社,1983.4 薛琴訪.場論, 北京:地質(zhì)出版社,1978.5 馮慈璋.電磁場,北京:人民教育出版社,1979.6 S.H.沃德.地球物理用電磁理論,北京:地質(zhì)出版社,1978.7 嚴良俊,胡文寶,楊紹芳等.電磁勘探方法及其在南方碳酸鹽巖地區(qū)的應(yīng)用,北京:石油工業(yè)出版社,2001.8 中南礦冶學院物探教研室.金屬礦電法勘探,北京:冶金工業(yè)出版社,1980