大地电磁测深法基本原理及应用

大地电磁法测深法基本原理及应用张继锋Email:[e-mail]:长安大学地质工程与测绘学院地球物理系基本内容大地电磁测深简介大地电磁场源大地电磁理论基础大地电磁一维正演大地电磁二维正演大地电磁静态效应及校正大地电磁野外工作布置及资料处理大地电磁的应用大地电磁测深简介1、20世纪50年代，法国的Cagniard和前苏联的Tikhonov提出了大地电磁法（MT）；2、20世纪60年代的Berdichevski等（1969），提出了音频大地电磁法（AMT）；3、1971年和1978年，Goldstein和Strangberg提出了可控源音频大地电磁法（CSAMT）。4、2000年何继善院士提出广域电磁法。优点1、不受高阻层屏蔽、对高导层分辨能力强；2、横向分辨能力较强；3、资料处理与解释技术成熟；4、勘探深度大、勘探费用低、施工方便；5、资料处理和解释技术成熟。缺点1、体积效应，反演的非唯一性较强2、纵向分辨能力随着深度的增加而迅速减弱3、信号不稳定、不规则，容易受到工业噪声干扰大地电磁法的发展阶段吉洪诺夫（苏联，1950），卡尼亚（法国人，1953）从仪器采集系统和资料处理和管理方式，可将MT分为三个发展阶段：手工量板阶段：五六十年代，起步阶段。模拟信号、标量阻抗、手工对量板法；数字化阶段：70～今天。数字信号，张量阻抗，计算机自动正反演技术；新的观测方式：远参考道、EMAP等；新的资料处理方式：Robust方法、张量分解方法等；可视化阶段：正在兴起。国外：Geotools、WinGLink；国内有多家，目前渐渐成规模化推广。从理论研究对象的复杂性程度，也可分为三个发展阶段：一维，五十年代～八十年代；二维，九十年代～今天；三维，正在兴起大地电磁场源大地电磁测深是在地面上观测具有区域性乃至全球性分布特征的天然交变电磁场来研究地下岩层的电学性质及其分布特征的一种勘探方法。地球磁场是不断变化的，这种变化按周期长短分为两种类型，即长周变化和瞬时变化。1．长周变化，长周变化需在一个很长的时间周期，几百年甚至更长的地质年代中显示出来，其影响可能很大。一般认为这种变化的原因在地球内部。大地电磁测深中一般不用这种长周变化的磁场。2．瞬时变化，即变化周期较短的变化。由地球外部的原因所引起。大地电磁场分类第一类雷电干扰，或称天电。主要指大气圈中的放电现象所引起的电磁干扰。频率大于1Hz。在赤道两侧南北回归线间有一个雷雨活动区，就世界范围来说，中非、马来西亚、巴西形成三个雷雨活动中心。在这些地区每年雷雨日在100天以上，个别地方超过200天。当然从总的来说，雷电夏季比冬季强。一天的任何时刻都可能发生雷电现象，但峰值多半出现在当地时间的下午。第二类磁暴与磁亚暴。这种地磁扰动的特征是磁场强度变化剧烈，尤其是水平分量变化很大，呈现极不规则形状。第三类地磁脉动。这是一种具有似周期振动的特殊的短周期振动，地磁脉动是大地电磁测深最重要的场源。其周期范围一般为0.2～1000秒，振幅一般为百分之几到几十个纳特。大地电磁场特征1、形态特征。形态各异2、时间特征。（1）随机性，不能精确确定天然电磁场出现的时间。（2）规律性，经长期观察，天然电磁场的出现在时间上有一定的规律性。3、空间特征。与纬度有关，一般高纬度区强于中低纬度区4、频谱特征大地电磁场在1Hz附近振幅较小，而在更低和更高的频率上振幅都增大5、极化特征不同周期的场和不同时间的场的极化方式具有明显的差异。为了在测深资料分析处理时获得稳定的阻抗张量元素，需要场源具有多样的极化方式。地球强大的磁场是保护人类免于遭受外太空各种致命辐射的生死屏障，然而日前，英美科学家发现，在过去的200年内，地球的磁场正在急剧地衰弱。科学家们预言，照这种速度发展下去，在未来的1000年内，地球磁场可能会完全消失。大地电磁场源理论基础：麦克斯韦方程麦克斯韦的第一篇论文是关于椭圆曲线的，发表于1845年，年仅14岁；第一篇电磁学论文1855年（24岁），关于法拉第的磁力线问题；1873年（42岁），完成电磁学巨著：电磁通论；建立起了光、电、磁的统一理论，完成亘古大业；1879年（48岁）逝世，英年早逝。理论基础：Maxwell方程组麦克斯韦方程组描述了电磁场最根本的规律，在时间域中的表示式为：JamesClerkMaxwellJamesClerkMaxwell，1831.6－1879.11，英国理论物理学家和数学家。经典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人之一。被普遍认为是对二十世纪最有影响力的物理学家。他对基础自然科学的贡献仅次于IsaacNewton、AlbertEinstein。BEtDHjt0BD0sSdBlsSdtDIldHSdtBldEsLqSdDsE为电场强度（V/m）；B为磁感应强度（T），或磁通密度（2Wb/m）；H为磁场强度（/Am）；D为电位移矢量（2C/m）；j为电流密度（2A/m）；自由电荷密度（3C/m）。Maxwell方程组及意义以麦克斯韦方程组为核心的电磁理论，是经典物理学最引以自豪的成就之一。它所揭示出的电磁相互作用的完美统一，为物理学家树立了这样一种信念：物质的各种相互作用在更高层次上应该是统一的。（1）描述了电场的性质（2）描述了磁场的性质（3）描述了变化的磁场激发电场的规律。（4）描述了变化的电场激发磁场的规律。麦克斯韦方程组揭示了电场与磁场相互转化中产生的对称性优美，这种优美以现代数学形式得到充分的表达。本构方程与电磁参数jEBHDE对于线性和各向同性介质，有以下三个本构方程，即：其中是σ是表征介质物理性质的一个参数，称为电导率，μ是介质的磁导率，ε是介质的介电常数。在不存在介质的自由空间中，ε0=8.854×10-12F/m，μ0=4π×10-7H/m。需要指出的是，在通常情况下，以上三个参数都为张量。电磁场的边界条件12nnBB法向的B：法向的D：切向的E：切向的H：ntσ2σ112nnDD12ttEE12ttHH电流密度J：12nnJJ电磁波方程及波数222EEEtt结合EDHB可以得到：222HHHtt和2222222zyx其中在各向同性均匀介质中BEEt0B0DtDHAAA2)()(电磁波的波动方程随时间谐变的稳态交变电磁场有：iwteEE0iwteBB0220WiW22ikHelmholtz方程介质的波数或传播系数大地电磁法（MT）是以天然电磁场为场源来研究地球内部电性结构的一种重要的地球物理手段。基本原理：依据不同频率的电磁波在导体中具有不同趋肤深度的原理，在地表测量由高频至低频的地球电磁响应序列，经过相关的数据处理和分析来获得大地由浅至深的电性结构。大地电磁法原理示意两大假设：1）激励场源：垂直入射到地表的均匀平面电磁波2）地球模型：水平层状导电介质大电磁一维正演？大地电磁一维正演理论均匀半空间的大地电磁场关于场源的垂直入射当平面电磁波在空气中的传播方向与地面法线方向成θ角时，因为空气中电导率为零，故有：sinsin)()(AirAirykk在地表，电磁场的切向分量连续，故要求：sin)()(AiryEarthykk因为地球内部，传导电流远大于位移电流σωε，从而：ikkkkEarthzEarthyEarthzEarth)(2)(2)()(故均匀平面电磁波不管以什么角度自空中入射到地面，其阻抗均为：iZiZTMTE,视电阻率和阻抗相位的定义)arg(,//2//TMTETMTETMTETMTEZZ一维正演：层状介质模型))0(arg(,)0(2NTMTENTMTEZZ1234源信号1111221111113223333312112222211()()cothcoth()...........()cothcoth()()cothcoth()(0)cothNNNNNNNNNNNNNZhkkZhiktZhkkZhiktZhkkZhiktZhkZikk11111coth()NktZh阻抗的递推公式四种典型的三层模型曲线：K、H0.0010.010.1110100100010000Period/S1x1011x1021x103ApparentResistivity/m020406080Phase/Degree1000欧米10欧米1000欧米10欧米0.0010.010.1110100100010000Period/S1x1011x1021x103ApparentResistivity/m020406080Phase/DegreeK形曲线H形曲线四种典型的三层模型曲线：A、Q0.0010.010.1110100100010000Period/S1x1001x1011x1021x103ApparentResistivity/m020406080Phase/Degree1000欧米10欧米1000欧米10欧米0.0010.010.1110100100010000Period/S1x1011x1021x1031x104ApparentResistivity/m020406080Phase/DegreeA形曲线Q形曲线层状一维理论曲线的计算与图示理论曲线的图示为了尽量减少理论曲线的数目，通常用相对单位表示地电断面的参数值，并将曲线绘制在双对数坐标系上，所谓相对坐标系是指以第一层地电参数（电阻率）来度量有关的量，这时各层相对电阻率为相对厚度为与周期有关的波长也用h1来度量于是，n层地电参数的视电阻率关系式本来有2n个量：采用相对单位制后，参数减少2个：11h和厚度，、、、、113212211nn.11111221hhvhhvvnn、、、11110hTh),,,,,,(111ThhfnnT)/,,,,,,(/111221hvvfnnT层状一维理论曲线的计算与图示此时，理论曲线变为以为单位的，反映的是视电阻率与T或T的平方根之间的变化关系，但实际测量曲线并非如此，为了便于理论曲线和实际曲线对比，要求视电阻率曲线和所选用的单位无关，使相同的一组地电断面的曲线形态完全一致。为此，将曲线绘制在双对数坐标系坐标轴上。以二层介质为例，视电阻率函数为在双对数坐标系下，参数取对数，可见，不同的值仅使曲线发生平移，不改变曲线形态。对另一坐标变量，它亦为周期的函数，也取对数，可得：，不同的也只能使曲线发生平移。11h和),2,1(,11mhhvmmmm和)/,(/1121hfT)/,(lglglg1121hfT111h11/h11110lglglghTTh11h和层状一维理论曲线的计算与图示因此，用双对数坐标系来描述二层介质视电阻率理论曲线时，只要参数相等，其曲线形态是一致的。对n层地电断面的视电阻率曲线也有类似的结论。如图，三层地电断面的电阻率100、10000、100，厚度为1km和1.5km，激励信号频率从0.0001Hz到10000Hz，两图分别显示了视电阻率和相位理论曲线。1220.1110100100010000lamna/h10.11100.1110100100010000lamna/h1-52-48-44-40-36-32Phase/o层状一维理论曲线的计算与图示