研究生院-大地电磁测深原理及应用

大地电磁测深原理及应用介绍陈小斌2009年12月23日主要内容一、大地电磁测深的简单介绍二、大地电磁测深的基本原理三、大地电磁测深的应用情况四、当前存在的问题和主要研究热点大地电磁测深的简单介绍大地电磁测深法（Magnetotelluric,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。其基本原理是：依据不同频率的电磁波在导电煤质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，经过相关的资料处理来获得大地由浅至深的电性结构。研究对象：地球内部的电性结构（电导率结构）物理原理：宏观电磁理论（有耗媒质中的低频电磁波理论）大地电磁测深的发展情况吉洪诺夫（苏联，1950），卡尼尔（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，但未能形成规模化推广。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，正在兴起大地电磁测深的优缺点优点不受高阻层屏蔽、对高导层分辨能力强；横向分辨能力较强；资料处理与解释技术成熟；勘探深度大、勘探费用低、施工方便；缺点体积效应，反演的非唯一性较强（跟地震方法相比）纵向分辨能力随着深度的增加而迅速减弱大地电磁测深的理论基础1、正演问题2、反演问题3、实际资料的采集和处理大地电磁测深法（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。其基本原理是：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。10电磁法探测地下结构的原理示意图EM波在地面垂直入射到地球内部，在地球表面测量由地下介质感应生成的电场和磁场各分量，分析和研究可得到地下介质的信息。WEM信号目标地面电磁场观测方式(Ey)(Hy)(Hx)(Hz)(Ex)在每个测点,记录3分量磁场Hx,Hy,Hz和2电场Ex,Ey，得到反应地下信息的电磁传输函数，对其反演得到地下介质的电导率结构信息。为什么能够测深？—感性认识110100100010000Resistivity/m1001010.1Depth/km101001000ApparentResistivity/m1E-0050.00010.0010.010.11101001000Frequency/Hz为什么能够测深？—感性认识110100100010000Resistivity/m1001010.1Depth/km101001000ApparentResistivity/m1E-0050.00010.0010.010.11101001000Frequency/Hz为什么能够测深？—感性认识101001000ApparentResistivity/m1E-0050.00010.0010.010.11101001000Frequency/Hz110100100010000Resistivity/m1001010.1Depth/km1、正演问题正演指的是什么？正演指的是对于一个给定的模型，在一定激发源的作用下，根据一定的物理原理求其响应的过程；在地球物理中，正演一般对应于求解一数理模型的边值或初值问题；在大地电磁测深中，正演问题是，假设大地的电性结构已知，当均匀平面电磁波垂直入射到大地表面时，求在地表产生的电磁响应。大地电磁测深正演关于场源MT中假设场源可视为自高空垂直入射到地表的均匀平面电磁波。地球空间的电磁场主要由两部分组成：相对稳定的地球基本磁场和变化的外来感应电磁场。MT中利用的是地球电磁场中变化的部分，即外来的感应电磁场。外来的感应电磁场场源：电离层的运动、太阳风、雷电、工业用电等。MT中有效的场源：电离层电流的定向流动或小规模的扰动、太阳风、远距离的雷电和工业用电等。频率域电磁场方程取时谐因子为，即场可以表示为：对于某一个频率ω，麦克斯韦方程为：由此可得两个矢量波方程其通解为tid)()(tieHEthe00)(HEEHHEii222222ikkk0EE0HHrkrkBAUiiee关于研究对象：地球的电性结构一般情况下，磁导率和介电常数取为真空中值，即：因此，大地电磁测深的探测对象为地球的电导率结构。由简单到复杂，地球的电导率结构可以视为一维结构、二维结构和三维结构，对应的理论研究也有一维问题、二维问题和三维问题。mFmH/10/36/1,/1049070一维正演：均匀半空间问题θ大地空气假设场源的是沿着x方向极化的电性源（TE模式），由于地质模型不存在横向的变化，因此，感应的二次场只存在Hy和Ex分量，即总的电磁场可表示为：)0,,0(),0,0,(yxHEHE此时矢量波动方程退化为：zEiHEkdzdExyxxdd1,022其解为：xzxyzkykixEukzEiHAeEzy1,)(则阻抗为：zyxTEkHEZ同理可得TM模式下的阻抗为：2kkHEZzxyTM一维正演：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iHEZiHEZxyTMyxTE,在均匀半空间下，我们已经得到：可以求得电阻率为：22,TMTEZZ在一般情况下，以上两式并不能获得真正的电阻率，这时求得的量称为视电阻率，并把阻抗的幅角称为阻抗相位)arg(,//2//TMTETMTETMTETMTEZZ一维正演：层状介质模型1234源信号)(cothcoth)0()(cothcoth)()(cothcoth)(...........)(cothcoth)()(111111122212221133313332211111112211hZktikkZhZktikkhZhZktikkhZhZktikkhZkhZNNNNNNNNNNNNNN阻抗的递推公式视电阻率和相位))0(arg(,)0(2NTMTENTMTEZZ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、QA形曲线Q形曲线1000欧米10欧米0.0010.010.1110100100010000Period/S1x1001x1011x1021x103ApparentResistivity/m020406080Phase/Degree0.0010.010.1110100100010000Period/S1x1011x1021x1031x104ApparentResistivity/m020406080Phase/Degree1000欧米10欧米一维正演：连续介质模型源信号000222,dd.,,0zyxTExyzzxxzxxxHEZzEiHikEdzdEEEEkdzEde1001010.10.010.0010.0001/Hz1101001000/m一维正演：连续介质模型1101001000z/km0.1110100100010000/m源信号阻抗定义的推广：张量阻抗和倾子矢量xyTMyxTEHEZHEZ在一维情况下：在一般情况下，磁场Hy不仅与Ex而且可能同Ey也有关，对于磁场Hx也一样。这时，电场与磁场的关系用下式表示：yxyyyxxyxxyxHHZZZZEE阻抗张量yyyxxyxxZZZZZ此外，关于垂直磁场有定义：yzyxzxzHTHTH倾子矢量][zyzxTTT二维和三维模型问题接收点123412345源信号源信号TE模式（Ex，Hy，Hz）TM模式（Hx，Ey，Ez）二维情况下大地电磁曲线极化模式划分二维正演：边值问题在二维情况下，根据麦克斯韦方程，电磁场可以解耦成两组独立的场:TE极化模式(Ex,Hy,Hz)、TM极化模式(Hx,Ey,Ez)。因此，二维大地电磁问题转化为求解两种极化模式下的标量微分方程的边值问题。z-Izu0yu1为定值，一般取为0)()(u-ikuccuuzuzyuy＝辅助场：下边界侧边界，），上边界（TM模式：iHuxTE模式：iiEux/1)/(1二维正演计算的简单实例3638404244464850Distance/km-202Lg(f/Hz)3638404244464850Distance/km-202Lg(f/Hz)10欧米250米100欧米5欧米1150米1000米TE模式TM模式视电阻率分布二维正演的简单算例10欧米250米100欧米5欧米1150米1000米TE模式TM模式阻抗相位分布3638404244464850Distance/km-202Lg(f/Hz)3638404244464850Distance/km-202Lg(f/Hz)复杂模型的正演结果三维正演：边值问题在三维情况下，电磁场不能解耦成两组独立的场，这时必须直接求解矢量波方程。下边界矢量为某个侧面的单位法向侧边界，为常矢量上边界，UUn0nUCCU0UUikzk22以上方程包含了一个隐含条件：求解域的电阻率是分块均匀的。2、反演问题如何理解反演？反演是指根据实测的数据来反推产生这些数据的系统内在信息的一种数学物理过程。反演的两个基本条件：实测的数据和一个先验模型系统。通常的最小二乘多项式拟合就可以看成是一个反演过程。参与拟合的数据就是反演中实测的数据，“多项式”这种函数形式就是“先验模型系统”。二维正演计算的简单实例3638404244464850Distance/km-202Lg(f/Hz)3638404244464850Distance/km-202Lg(f/Hz)10欧米250米100欧米5欧米1150米1000米TE模式TM模式视电阻率分布二维正演的简单算例10欧米250米100欧米5欧米1150米1000米TE模式TM模式阻抗相位分布3638404244464850Distance/km-202Lg(f/Hz)3638404244464850Distance/k