电磁法资料处理与解释

电（磁）法资料处理与解释主讲：师学明、张文波电磁法的各种方法变种工作场合频率域电磁法频率域电磁剖面法被动源法音频天然电场法地面航空甚低频法主动源法大定源回线法实、虚份量法地面航空井中振幅比-相位差法电磁偶极剖面法虚分量-振幅比法水平线圈法倾角法频率域电磁测深法被动源法大地电磁测深法地面音频大地电磁法主动源法频率测深法可控源音频大地电磁法时间域电磁法瞬变电磁剖面法地面航空井中瞬变电磁测深法地面一、大地电磁测深（MT）资料处理与解释1、大地电磁测深基本原理2、大地电磁测深仪器与野外工作方法3、大地电磁测深数据处理4、大地电磁测深资料解释与应用1、大地电磁测深的数学物理基础大地电磁测深法是地球物理学中电磁测量的方法之一，最初由吉洪诺夫(1950)和卡格尼亚德(1953)提出。其理论基础是基于场源为垂直入射到地面的平面电磁波来讨论的。其数学物理基础是麦克斯韦(Maxwell)方程组。2、大地电磁测深方法原理在某个观测点上，测量由天然电磁场源产生的电场和磁场的水平分量。二者的比值称为电性阻抗。在一系列频率点上确定阻抗，从而得到阻抗频谱，该频谱提供了地球内部导电率随深度变化的信息。若地下介质是各向同性的，则电场强度和磁场强度互相垂直。一般地，天然交变电磁场的频率范围约为104～10-4Hz，频率越低，穿透深度越大，在地面测点观测不同频率天然电磁场信号，并进行分析处理，就能得到地球不同深度处的电性分布。（一）波动方程由麦克斯韦方程，电磁场的表达式为：222222HHHttEEEttHE其中：为磁场强度矢量，为电场强度矢量为电导率，为磁导率，为介电常数，t为时间0DHjtBEtDqB00,ititHHeEEe为简便起见，我们讨论谐变场问题，即设：代入电磁场方程中，可得：2222200/1HKHEKEKiKi波－－其中：,为波的传播系数，即。若，即忽略介质的位移电流时，数（二）穿透深度我们讨论平面电磁波在均匀介质中的传播问题。波的方向垂直于地面，Ez=Hz=022222200000yyxxxyKZyyKZyxHKHZEKEZZEHHHeEEe当时，和均，＝可得上式的解：＝这里的1/b称为电磁波的趋肤深度，也叫穿透深度b为电磁波的衰减系数，也称吸收系数。222222,21(1()1)21(1()1)2KKbaiKibaabab波数为复数，设代入中，可得：＝解得：＝在无磁性介质中，穿透深度为：503/503fT米米可见，穿透深度随电磁波频率的减小而增大。（三）波阻抗(/4)02,451xyixyxyEiHKKiEeHEH其单位为欧姆，故称波阻抗在不考虑位移电流的情况下，代入上式，可得：上式说明均匀介质中，电场和磁场之间有的相位差对上式平方后，可得电阻率＝（四）视电阻率21xTyEH在非均匀介质中＝当改变电磁波的频率时，也就改变了电磁波的探测深度，若用不同频率得电磁场来测量视电阻率值，就反映了不同深度的电性不均匀情况这就是大，从而达地电磁测到探测的深法目的。的原理。101102103104105101102103frequency(Hz)s(m)282号点xy模式视电阻率曲线图101102103104105100101102103frequency(Hz)s(m)282号点yx模式视电阻率曲线图观测数据检查点数据观测数据检查点数据2、大地电磁测深法的仪器与野外工作方法2、1大地电磁测深法仪器（1）加拿大V8和MTU5（V5-2000）V8是加拿大凤凰公司自1975年以来研制开发的第八代多功能电法系统，在非常成熟的系统2000和V5,V6A的基础上，V8更趋向于尽善尽美，包括轻便坚固的采集系统和GPS同步系统以及触摸式防水ASCII键盘和彩色的阳光下可视屏幕，让操作员可以轻松地对采集地数据质量进行监控处理。V8-6有三个电道和三个磁道，磁道可以连接MT,AMT,CSAMT磁棒或TDEM线圈。V8可以单机工作（通常在做MT和AMT时）；也可以和多个其他系统单元如V8-6或RXU-3E（3电道采集站）以及场源发射组成多测站多道无线局域网络进行精确同步采集。所有地记录单元及场源发射均通过GPS信号保持精确同步。●先进地模块化设计●灵活，配置可选择●重量轻，便携式●工作温度：-20℃到+50℃●网络化，站与站或和发射机之间无连线●场源和接收网络均通过GPS同步●不受地域限制高精度同步叠加，扫频●可控源功能，用户可添加测量频点提高测量分辨率●发电机可根据用户需要在国内采购(50Hz/60Hz，220伏输出，3相，功率大小按实际需要配备)应用范围:勘探深度可达50公里或更深,石油和天然气勘探,金伯利岩(钻石),地震研究,金属矿和矿产调查,地热资源储藏调查,环境工程调查,地下水调查等。道数：3个磁道,3个电道通过单站3道的采集站可组成网络化采集系统,道数不受限制频率范围：10,000Hz到0.00005Hz(20,000秒)数据存储：512MB可移动式闪存(可升级扩展)摸数转换器：每道一个,24位,96,000个样点/秒重量：7公斤键盘：触摸防水ASCII码键盘显示：阳光下可视彩色液晶显示屏,分辨率为640*480接头：多针,军事上专用磁棒输入/GPS/电瓶和接地接头,四个电道(AMT,MT)接线柱输入电压：12V直流功耗：约15瓦处理器：586和辅助处理器环境：工作温度:-20°C到+50°CGMS-06大地电磁测深仪由德国Metronix公司生产的新型号仪器，它自带GPS天线进行测量定位，该仪器体积小，野外施工方便，其磁传感器MFS-06具有多种突出特征，是Metronix公司多年来设计制造及应用传感线圈磁力计的经验的结晶，这使它成为电磁勘探中的一流设备，尤其适用于大地电磁测深(MT)及可控源音频大地电磁测深(CSAMT)。MFS-06覆盖的频率范围很宽，从0.0001Hz直至10kHz，达到8个数量级，其信噪比高达10-100倍，高频段噪声很低，并且没有温漂和时漂，是世界上目前性能最好的感应式磁场传感器，它保证了在天然场活动最平静的时间里也能记录到高质量、全频段电磁信号。此外，它还显示出突出的低噪音特性；内置精确标定设施，使其具高精度标定；宽的工作温度范围：-25ºC~+70ºC，甚低温下，输入补偿电压及补偿电流的漂移，它都可以在长时间内保持相当稳定的传输函数。MFS-06重约8kg，长1.2m,直径75mm，施工轻便。GMS-06大地电磁测深仪的数据采集单元ADU-06即主机的带宽20kHz—直流，其高频段和低频段各有一个24位A/D转换器，以保证全频段都具有最高的分辨率和最大的动态范围。除三个固定频段外，还设有一个自由频段。ADU-06内部设有500MB的闪烁存储器，可存储大量的野外记录数据，它重约5kg，5道功耗约7-12W。GMS-06Windows操作系统下的软件系统MAPROS，具有很强的去噪功能，配备多种时间序列计算算法，可实时处理观测数据并获得多种大地电磁参数，并可进行远参考道观测来消除局部噪声。（2）德国GMS-06所需组件如下：Adu-06（五通道）、GPS天线、3个磁力计、4个电场探头、4个电场电缆、1个接地棒＋线、网线（networkcable）及装有Mapros软件（在布置ADU-06或在线处理时用）的计算机(laptop)。GMS-06主要应用领域●石油，天然气勘探；●地下水和地热资源勘探；●矿产资源勘探；●工程和环境勘探；●地壳上地幔构造研究；●检测地壳电阻率随时间变化以及监测电磁信号。GMS-06技术指标GMS-06由主机ADU-06和磁场传感器FMS-06组成，它们的技术指标如下：频率范围：直流—20KHz道数：每个ADU-06可含2道，3道或5道，在一个网络中可连接32个ADU-06频带：3个频带：低频：直流—1KHz；高频：500Hz—20KHz；亚频带可由数字滤波器任意设定A/D转换器：低频A/D转换器24位；最大采样率：4096样本/秒。高频A/D转换器24位；采样率：41000样本/秒。每道有二个24位A/D转换器。系统计算机：32位嵌入式控制器贮存介质：2GB内部闪烁盘，可扩展测试功能：对系统的所有重要功能，包括传感器在内，均可自动测试，并显示测试结果标定：自动标定，包括传感器在内网络连接：标准同轴电缆同步：GPS钟±130ns至卫星参照测点被定位并存贮接口：网络，磁传感器，电极线，电瓶输入，GPS天线外壳：牢固、防水的铝壳重量：5.8Kg外部尺寸：230×200×180mm³功耗：5道ADU的功耗7W—12W，与操作方式有关工作温度范围：-40ºC到75ºC（扩展的）-15ºC到75ºC（标准的）ADU-06频率范围:10000Hz-10000秒传感器噪声：1*10-²nT/√Hz@0.01Hz1*10-4nT/√Hz@1Hz5*10-7nT/√Hz@1000Hz(斩波器关)输出灵敏度：0.2V/(nT*Hz)f4Hz0.8V/nTf4Hz精确值请参照每个标定文件输出电压范围：+/-10V功能：具有磁场负反馈的感应线圈插件：8极PT02SE12-10S标定输入灵敏度：4nT/V反馈截断频率：4Hz供电电压：±12V到±15V，稳定，滤波供电电流：±25mA外壳：牢固，防水的玻璃纤维加筋外壳重量：约8.5Kg外型尺寸：长1.2m，直径75mm工作温度：-250C—+700CGMS-06技术指标GMS-06由主机ADU-06和磁场传感器FMS-06组成，它们的技术指标如下：FMS-06GMS-06野外观测结构及特点●远参考道观测：由两台五道标准MT/AMT仪组成，由高精度GPS钟同步，两台的间隔要满足噪声不相关。远参考道观测是消除局部电磁噪声影响的最佳方法。●CEMAP观测：由一台或二台五分量标准MT/AMT仪和多台至数十台双道ADU-06组成，由高精度GPS钟同步。在数据处理时，双道ADU-06的磁场分量，用五道标准MT/AMT仪所记录的磁场分量代替，因为磁场分量在数千平方公里范围内是不变化的。该方法可进行三维观测，生产效率高。●网络观测：由一台五道标准MT/AMT仪和多台（最多可达32台）双道ADU-06组成，沿同一测线布置，由高精度GPS钟同步（图3）。在数据处理中采用空间滤波，也叫E-MAP。优点是生产效率高，可消除静位效应。●带远参考道的CEMAP或E-MAP观测,是把参考道观测与CEMAP或E-MAP观测组合成一起，其优点是可有效消除局部电磁噪声，提高生产效率以及消除静位移。●CSAMT观测:是由单一磁道和与其垂直的单一电道以及发射源组成的观测系统，所以其观测的是标量阻抗，适用于均匀层状的地下构造，勘探深度约1Km左右。GDP-32GDP-16多功能电法仪（3）美国GDP-32美国GDP32多功能电法仪美国GDP32多功能电法仪EH-4是目前浅层油气、煤田、矿产、地下水、冻土层、山区工程、矿井工程勘探及AMT静校的最佳电磁仪器。EH-4是美国著名的Geometrics公司和EMI公司联合研制的双源型电磁/地震系统。仪器设计精巧、坚实，特别适合地面2D、3D连续张量式电导率测量，在技术上率先突破传统单点测量壁垒，走向电磁测量拟地震化、联合2D、3D连续观测和资料解释。（4）美国EH-4EH4仪器特点：1)自然源，可控源联合接收；2)独一无二的垂直磁偶极子发射方式，发射天线轻便灵活，耗电量小，只用12V轻便汽车电瓶供电；3)测量时间短，测量精度高，兼备调频接收，操作方便的优点，又具有时间域高分辩率的特点；4)联合X-Y电导率张量剖面解释，对判断二维构造特别有利；5)频率范围:0.1Hz－100kHz，勘探深度可达1000m；6)地