大地电磁测深讲义

大地电磁测深讲义朱仁学2003-i-前言大地电磁测深(Magnetotelluric简称MT)是一种以天然存在的区域性分布的交变电磁场为场源的电磁勘探法。这类天然电磁场具有很大的能量，很宽的频带，可以穿过巨厚的岩石圈，为研究几十乃至上百公里深的地壳与上地幔提供信息。这种新的勘探方法不需要大功率供电设备又有如此巨大的勘探深度，它不受高阻层屛蔽，它野外装备轻便，它效率高、成本低，从而引起了地球物理工作者的兴趣。近十几年来大地电磁测深法得到了很大的发展，在理论上以张量阻抗代替了标量阻抗，利用张量阻抗所确定的视电阻率可以完整地、稳定地描述地质构造，与观测坐标和极化方向无关。另一方面电子技术，计算技术的成就也促进了大地电磁测深法的发展。近10几年来大地电磁测深技术应用领域日益扩大；已经成为研究深部地质构造和寻找油气田的基本勘探方法之一。大地电磁测深法可用于研究岩石圈的电性结构，探测地壳内部和上地幔的良导电层。由于岩石电阻率和温度之间存在密切关系，因而在地热研究、地热资源调查，尤其是深部热研究中大地电磁测深也日益发挥重要作用。大地电磁测深法的发展形势可谓是方兴未艾。本书第一章扼要介绍了作为场源的天然大地电磁场的一般特征；第二章至第五章叙述了大地电磁测深法的数学物理基础。包括水平均匀各向同性介质、以及水平非均匀介质中的大地电磁场，讨论了大地电磁测深视电阻率曲线和相位曲线的性质。第六章介绍了大地电磁测深数据的处理，包括野外观测数据的获得，数据处理的原理与方法。第七章介绍了资料解释方法。由于作者水平有限，时间又紧，书中必有许多错误和缺点，热忱地希望广大读者批评指正。编者2002.6-ii-再版序言本书作者于1992年写过《大地电磁测深法》。十年之后，于2002年，积多年的教学经验和科研成果，重写了《大地电磁测深法》。从内容来说，后者与前者有很大不同，从形式来说，后者与前者有很大差异，总之，体现了与时俱进之精神。但由于本书的目的是为大学本科生之用，其深度不能过深，尤其是受到学时的限制（32学时），其篇幅不能过长，所以本书并未写出大地电磁测深法的所有内容。但对于32学时的本科教学来说，其内容和篇幅是适当的。经过一年的教学使用，证明了这一点。2002年印刷的《大地电磁测深法》已经用完（按学生人数印刷），2003年又快到用该书的时候了，因此必需再次印刷。借再次印刷之机，作者对前版中的笔误进行了更正，并对少数之处进行了修改，在不花大的工作量的情况下，使其更加完善。编者2003目录第一章地球的大地电磁场--------------------------------------------------1§1.1大地电磁场分类及特征-------------------------------------------1§1.2大地电磁场源-------------------------------------------------------8第二章水平层状介质中的大地电磁场-----------------------------------9§2.1基本理论-------------------------------------------------------------9§2.2均匀半空间的大地电磁场---------------------------------------10§2.3二层介质的大地电磁场------------------------------------------14§2.4N层介质模型地面阻抗------------------------------------------18第三章视电阻率和相位曲线----------------------------------------------22§3.1二层介质的视电阻率--------------------------------------------22§3.2三层介质的视电阻率曲线--------------------------------------28§3.3大地电磁相位曲线的性质--------------------------------------37第四章二维三维介质中的电磁场性质---------------------------------45§4.1标量阻抗的局限性-----------------------------------------------45§4.2阻抗张量和倾子矢量的性质-----------------------------------47§4.3构造方向的确定和二维度指标--------------------------------57第五章若干二维构造上大地电磁场解析解---------------------------62§5.1垂直断层上的大地电磁场--------------------------------------62§5.2岩脉上的大地电磁场--------------------------------------------71第六章大地电磁测深数据处理------------------------------------------79§6.1仪器与野外工作方法--------------------------------------------79§6.2时频变换—傅里叶分析-----------------------------------------84§6.3用最小二乘法估算张量阻抗要素-----------------------------90§6.4大地电磁测深数据的实时处理--------------------------------94§6.5测量噪音影响及消除方法--------------------------------------98第七章大地电磁测深资料的定量解释--------------------------------103§7.1层状模型的目标函数-------------------------------------------103§7.2梯度法-------------------------------------------------------------107§7.3高斯法-------------------------------------------------------------109§7.4马夸特法----------------------------------------------------------110§7.5博斯蒂克反演法-------------------------------------------------112参考文献-----------------------------------------------------------------------114第一章地球的大地电磁场-１-第一章地球的大地电磁场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。大地电磁测深就是观测这种瞬时变化的地磁场及其所感应的大地电流场。人们早就认识到电磁场的这种变化，并用于解决地质问题，如大地电流勘探法以及基于观测地磁日变的地磁测深法。显然对这种天然瞬变电磁场源的正确认识将有助于我们更有效地利用它，并发展以天然场为能源的电磁勘探方法。§1.1大地电磁场分类及特征一．大地电磁场分类在大地电磁测深中所观测的天然瞬变电磁场具有很宽的频率范围，大致从104Hz到10-4Hz。不同频率的电磁场迭加在一起，形成一个非常复杂的电磁振动。在这个频率范围内的电磁振动按其频率高低、振幅大小、振动形式及分布特征可分为三类：雷电干扰，磁暴和磁亚暴，地磁脉动。每类都有各自的不完全相同的激发机制。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。-２-大地电磁测深法因为电离层和地面之间可以形成一个很好的波导，以雷电形式出现的电磁场在电离层的下界面和地面之间来回反射，并传播到很远的地方。波导的高度白天约60公里，夜晚约90公里。尽管雷电也有很宽的频带，然而由于波导的作用，使得某些频率成份有所增强，而另一些频率成份有所削弱。图1.1给出了雷电干扰的频谱曲线。由图看出，在8,14,20,26Hz附近，由于共振明显地出现较强的峰值。在2kHz以上波导具有强烈的吸收作用，磁场剧烈衰减（图1.2）。雷电干扰的强度与场源的距离有关，图1.3说明随着距离的增加，信号幅度减小，另外由图看出，雷电干扰的频率集中在几十Hz到10000Hz之间，并且其中有2个峰值。此频率在大地电磁测深中作为高频使用。如前所述，世界上的三个雷雨活动中心在赤道附近，因此雷电干扰的强度在低纬度区比高纬度区强。一般说，观测点离场源都比较远，所以可将这种场看成是均匀的。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。（1）．磁暴。磁暴可能具有地方性，只在有限的纬度和经度范围内观测到。也可能遍及全球，而且有很大的强度，后者也称为全球性磁暴。根据磁暴出现的形式，磁第一章地球的大地电磁场-３-暴又可分为急始型（SC）磁暴和缓始型（GC）磁暴。前者表现为各地磁要素（水平分量H，磁偏角D，垂直分量Z）在平静的背景上突然发生跳跃，并能在全世界各地磁台上同时观测到（图1.4a）；后者表现为各地磁要素缓慢地增加（图1.4b）,所以不能精确地测定磁暴出现的时间。磁暴发生时，水平分量H开始增大（图1.5），1-2小时内增至最大，然后延续2-6小时，此阶段称为初相；然后H值降低，在几个小时之后达到极小，此阶段称为主相，一般保持12-14小时；随后逐渐恢复，称为恢复相，这过程可延续数天。磁场强度年平均值可达几百nT，在不同年份其值变化很大，就单个磁暴来说强度可达几千nT。磁暴频率是指在一定的时间里磁暴发生的次数。首先注意到磁暴的频率与太阳活动性的关系非常密切，从图1.6看到在不同年份磁暴出现的频率N与太阳活动性的沃尔夫数W（W=f+10g，f:黑子数，g:黑子群）有几乎相同的变化规律。在黑子活动强-４-大地电磁测深法的年份磁暴频率也高，而且大磁暴出现次数也增多。此外磁暴频率与季节关系也很密切，一年中春分和秋分期间大磁暴出现的次数增加。(2).磁亚暴。磁亚暴多半出现在极区，因为其形状象海湾，所以又称湾扰或磁湾。在高纬度区湾扰幅度可达数百nT，持续时间可达半小时或几小时。湾扰在平静的地磁场背景上以单个的或一个接一个的扰动形式出现。图1.7为甘肃天水地磁台记录到的电湾扰和磁湾扰。在磁暴和磁亚暴出现的时侯，总有许多不同频率的振动迭加在大周期的振动上面，形成很复杂的振动。这样丰富的频率成分和较强的振动对大地电磁测深工作十分有利。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。其振动周期大致为0.5秒到1000秒。国际地磁学与高层大气物理学协会（IAGA）1973年在日本召开的第二届年会上将地磁脉动划分为两种类型：第1种为Pc型，具连续振动特征，大致呈似正弦型，并能延续较长时间；第2种为Pi型，具不规则振动特征