頻率域電磁法勘探詳解

1、波阻抗相位（FDEM）MT/AMT/CSAMT頻率域電磁法勘探反演所用的波阻抗反演方法，測量 點必須位于波區(qū)（又叫做平面波區(qū)或遠區(qū)）同時測量相互正交的電場 分量和磁場分量，電場與磁場的比值具有阻抗的量綱，稱為波阻抗， 用符號Z來標示，x方向的電場與y方向的磁場比值記為Zxy。注意：Zxy:是復數(shù)K：波數(shù)，是復數(shù)：角頻率h :磁化率b :電導率P ：電阻率均勻介質(zhì)中電場相位角落后于磁場I，這個角度就是 MT/AMT/CSAMT勘探數(shù)據(jù)處理過程中所給出的振幅和相位曲線中的 相位曲線。視電阻率計算公式如下：_ 12_ 1 Ex 當平面電磁場垂直入射均勻大地時，即使不知道場源強度，只要測量 出大地表面

2、相互正交的一對電場和磁場，便可以確定大地的電阻率， 而選用不同的頻率可達到不同的勘探深度，這就是天然場源MT/AMT 或人工場源CSAMT的波阻抗反演的理論基礎(chǔ)。大地電磁測深一般要測量相互正交的兩個水平電場Ex，Ey和相互正 交的兩個水平磁場Hx，Hy（MT測量過程中還要測量垂直磁場Hz）。 測量兩個水平電場是用兩對不極化電極，電極距一般為100200米。 因為AMT和MT的天然電磁場信號較弱，應(yīng)該采取措施避免測量電 線晃動切割地球磁場產(chǎn)生的噪聲。測量磁場則是用兩個相互正交的匝 數(shù)很多的高導磁芯線圈。MT/AMT/CSAMT波阻抗反演數(shù)據(jù)處理流程電磁場的測量是在時間域進行的，再用傅里葉變換將測

3、量信號轉(zhuǎn)換為 頻率域信號。測量電磁場信號的采樣時間間隔應(yīng)使截止頻率高于所需 的最高頻率，采樣時窗寬度應(yīng)大于所需的最低頻率對應(yīng)的周期。為了 避免數(shù)據(jù)量太大，當需要測量的頻帶范圍較寬時，一般分為幾個頻段 采樣，并分段作傅里葉變換。測量電磁場的頻率范圍應(yīng)使最高頻率對 應(yīng)的穿透深度為所需探測的第一層厚度的幾分之一，最低頻率對應(yīng)的 穿透深度為最大勘探深度的數(shù)倍。為了去除局部電磁場的影響，現(xiàn)在 實際測量中采用所謂的“遠參考系統(tǒng)”，除測點外，還在距離測點數(shù) 十公里以外的地方設(shè)立一個參考點，同時進行測量。測量數(shù)據(jù)中屬于 平面電磁場的信號應(yīng)該是互相關(guān)的，而局部干擾電磁場的信號是互不 相關(guān)的，根據(jù)這一原理，將測點

4、的測量數(shù)據(jù)與參考點的測量數(shù)據(jù)做相 關(guān)分析，剔除互不相關(guān)的局部干擾電磁場的影響。地表偶極源電磁場的傳播（TFEM或廣域電 磁法重點參考內(nèi)容）圖1：地表偶極源電磁場的傳播示意圖發(fā)射源：地表電偶源 頻率測深法是指人工源頻率域電磁測深方法，其測深工作原理與大地 電磁法基本相同，探測深度都受到趨膚深度影響，即高頻電磁場穿透 深度淺，低頻電磁場穿透深度深，改變頻率就可以改變探測深度。頻 率測深法主要采用電偶極場源或磁偶極場源。利用波阻抗反演的 MT/AMT勘探方法中，由于場源處在離工作區(qū)域“無窮遠”處，故在 所有頻段內(nèi)工作區(qū)域完全處在波區(qū)范圍（平面波場區(qū)域）。然而在像 CSAMT人工源頻率域電磁勘探方法中

5、，由于技術(shù)上的苦難，發(fā)射和接 收間的距離總是有限的，如圖1對偶極場源電磁場的分析可知，當工 作頻率為高頻時可滿足波區(qū)條件（平面波區(qū)域），但工作頻率較低時（一般最低頻為0.2Hz左右），測點便可能出現(xiàn)在感應(yīng)區(qū)（平面波到非平面波過渡的區(qū)域），因為頻率足夠低時，電偶源產(chǎn)生的場具有類 似直流電場的性質(zhì)，即在地層中電場分布與該層的縱向電導S有關(guān)， 因此稱為S區(qū)。如圖1所示為地表偶極源電磁場的傳播特性，地表的 電偶極（或者磁偶極）場源所產(chǎn)生的電磁波向四面八方傳播，按照其 傳播路徑可分為：天波地面波地層波因為頻率測深用的是長波和超長波，故向上傳播的天波不會被電離層 反射回地面，可不予考慮，只需要考慮地面波和

6、地層波。由于地面波 和地層波的傳播速度的差異，在波區(qū)（平面波區(qū)），在地面附近的波 陣面近于水平，地層波衰減殆盡，形成一個幾乎是垂直向下傳播的水 平極化的不均勻平面波（均勻平面波指的是波陣面振幅相等且波陣面 為平面，不均勻平面波指的是波陣面上的振幅并不相等的平面波）。 對于固定發(fā)-收距的測點，隨著頻率的降低，逐漸由波區(qū)過渡到感應(yīng) 區(qū)。由此可見，在頻率測深方法中，隨著頻率的不同，由高頻到低頻， 同一觀測點可處在波區(qū)、中間區(qū)和感應(yīng)區(qū)，所以與只研究波區(qū)條件下 的MT/AMT/CSAMT的頻率域電磁法不同，頻率測深的正演理論及資 料解釋都很復雜。頻率域測深法與直流電測深法相比具有的 優(yōu)勢我們應(yīng)該特別注意

7、，MT/AMT/CSAMT都屬于頻率域測深方法，不同的 是頻率域電磁法包含的勘探方法眾多，廣域和時頻電磁法都屬于頻率 域測深方法。頻率測深方法用改變頻率的方法代替直流電測深改變供電電極距AB的方法來改變探測深度，大大提高工作效率；在進行大深度勘探時，直流電測深的供電電極AB之間的距離必須 很大，而頻率測深只需將供電電極AB與測量電極MN之間的距離 加大，并采用較低的頻率即可，AB之間的距離并不需要很大，野 外施工難度相對較??；頻率測深的等值原理作用范圍更窄，對地層的分辨能力更強。頻率域測深的波區(qū)和非波區(qū)的劃分地表電偶源產(chǎn)生的電磁場一部分從空氣中直接傳輸?shù)接涗浳恢?，另?部分再通過地下介質(zhì)傳播到

8、地表記錄位置，在地下介質(zhì)中電磁場的振 幅隨著傳播距離呈指數(shù)衰減，電場分量沿著Z方向向下傳播過程中， 當振幅衰減到初始振幅的1/e時電磁場所達到的深度我們稱之為趨膚 深度。忽略Maxwell方程中的位移電流時，趨膚深度的理論經(jīng)驗近似5。3 但-公式可表示為： 上三，一般的最大勘探深度公式=- 由此可以看出：電磁波的趨膚深度隨介質(zhì)電阻率的增加而增加，隨電 磁場頻率的增加而降低。對CSAMT的一點啟示：（1）如果勘探區(qū)背景電阻率比較大，在相同發(fā)射頻率下，意味著趨 膚深度較大，相對于在遠區(qū)測量的CSAMT而言，就得增加收發(fā) 距才能盡可能的保證測量處于真正的遠區(qū)；（2）當勘探區(qū)背景電阻率一定時，如果要增

9、加勘探深度，可以通過 降低發(fā)射頻率，但是降低放射頻率會帶來趨膚深度加大的問題， 趨膚深度加大又增加了對收發(fā)距的要求，所以降低了發(fā)射頻率 可以增加勘探深度，但是必須保證收發(fā)距處于最低頻率所要求 的遠區(qū)；波場的波區(qū)頻率域電磁場的分區(qū)要根據(jù)一個地球物理勘探學家所定義的無量綱量略*三其中r：收發(fā)距，久：電磁場波長。（1）所謂近區(qū)：也就是離場源距離要遠遠小于趨膚深度的區(qū)域，這 一個區(qū)域電磁波并非平面電磁波，所以不能作為CSAMT勘探測 量的區(qū)域；（2）所謂遠區(qū)：也就是離場源的距離遠遠大于趨膚深度的區(qū)域，在 該區(qū)域，地下介質(zhì)對電磁場的衰減作用已經(jīng)充分顯示出來，地 下的電磁場中直接從場源傳播過來的電磁場已經(jīng)衰減殆盡，只 剩下從空中傳播到地表，再垂直入射傳播到改點的電磁場，這 個區(qū)域是CSAMT測量點的區(qū)域，因為在這個區(qū)域，電磁場已經(jīng) 完全是平面波電磁場，