高频大地电磁法及应用

高频大地电磁测深及其应用 中南大学信息物理工程学院汤井田2005年9月18日 报告提纲 一 历史与发展二 高频大地电磁场的场源三 频率域电磁测深的共性问题四 高频大地电磁测深的应用 一 历史与发展 电磁法 以Maxwell方程为基础 研究天然或人工 可控 场源在大地中激励的交变电磁场传播规律 从而分析地下电性特征的一类地球物理方法 电磁波频谱及波长结构示意图 一 历史与发展 1910 先驱者的工作1932 Peters Bardeen Maxwell方程组1933 L W Blau Eltran法 层状介质上的TEM 石油1940后 J R wait S H Ward Tikhonov Vanyan Cagniard1950 1960 MT AMT1970 1980 CSAMT TEM1990 2000 连续电导率剖面 一 历史与发展 MT AMT A N Tikhonov 1946 1950 L Cagniard 1953 大地电磁测深 Magnetotellurics MT 0 01 1 1000Hz 100m 100Km SimsWE BostickFX 1972 阻抗张量分析方法 每一测点进行五分量观测Gamble 1979 远参考测量BostickFX 1991 电磁阵列剖面法 ElectrMagneticArryProfiling EMAP 仪器 MT 1 MT 24 V5 V6 V8 V5 2000 GDP 32 集成化 智能化 多功能化 分布式GPS同步与授时解释 定性 半定量 定量 一维 二维 三维 综合化 一 历史与发展 全球电磁场强度平均振幅特征 compell 1967 一 历史与发展 MT AMT 优点 勘探深度大 按Bostick深度 100m 100Km模型简单 多极化平面电磁波 正演 反演解释相对容易穿透力强 不受高阻电性层屏蔽工作相对简便 无需人工场源Cagniard电阻率 抗干扰力相对强缺点 信噪比低 信号不稳定 预处理复杂分辨率低静态效应 一 历史与发展 CSAMT D W Strangway M A Goldstein 1971 可控源音频大地电磁测深 ControlledSourceAudio frequencyMagnetotellurics MT 0 1 10000Hz n 10 n 1000m 标量测量矢量测量张量测量 一 历史与发展 CSAMT 优点 勘探深度中 按Bostick深度 n 10m n 1000m信噪比高 信号强 观测效率高 预处理简单穿透力强 不受高阻电性层屏蔽Cagniard电阻率 抗干扰力相对强缺点 过度带与近区效应阴影效应人工场源 计算及反演复杂分辨率低静态效应 一 历史与发展 连续电导率剖面 K H Lee Smith 1991 连续电导率剖面 CEMAP 低频段 1KHz以下 为MT测量方式 高频段采用双极化的水平磁偶极子以补偿天然场的不足 典型的EH 4测站布置示意 一 历史与发展 CEMAP HMT CEMAP的实质是 MT TensorCSAMT EMAP 它保留了MT CSAMT的大部分优点 也兼顾了其缺点 如勘探深度范围10m 10Km 多极化平面电磁波 正演 反演解释容易 穿透力强等 但场源的影响仍然存在 中南大学使用EH 4时 发现在许多地区 可以观测到高频段天然电磁场 1Hz n 10KHz 提出了高频 人文 大地电磁法 即在100KHz以下 分段通频带观测 个电磁场分量 并计算Cagniard电阻率 保留MT法的数据处理与解释方法 二 高频大地电磁场的场源 四川松潘 阿坝地区电磁场振幅频率特性图 杨生 2004 实线 为几何平均值 虚线 全球电磁场平均振幅 二 高频大地电磁场的场源 湖北某地实测大地电磁场各分量振幅特征图 席振铢 2003 二 高频大地电磁场的场源 可见 由于人类电磁活动的频繁和深入 如各类中 长波广播电台 电视发射台 接地电网 微波遥感卫星 电信通讯网络等 地表所观测的大地电磁场的频谱已发生了深刻的变化 在野外已经可以接收到1Hz 100KHz的高频 天然 电磁信号 其勘探深度为地表至2000m 正是人类经济活动最频繁的范围 这无疑使得被动源高频电磁勘探的研究具有现实意义 就频率而言 100KHz以下的电磁波主要是各类低频段AM电台 接地电网等 但人文电磁波与电离层的相互作用产生的电磁信号可能是另一个因素 二 高频大地电磁场的场源 半导电平面上的平面波传播 地面波能流密度示意图 地面波传播 无线电波沿地球表面传播 各类中 长波广播电台 电视发射台 接地电网 电信通讯网络主要是地面波传播 其特点是信号稳定 没有多径效应 基本上不受气象条件的影响 但随频率增高传输损耗迅速加大 因此特别适宜频率小于100KHz的长波和超长波的传播 它们沿地面传播可达几千至几万公里 100KHz到1500KHz的中波可以沿地面传播几百公里 具体决定于波长 功率及土壤的电性参数等 地面波的波前向下倾斜是其损耗与在地下传播的主要原因 二 高频大地电磁场的场源 不同频率时电磁波的轨迹图 不同入射角时电磁波的轨迹 天波传播 通常指自发射天线发出的电磁波 在高空中被电离层反射后回到地面的传播方式 长波 中波 短波都可以利用天波通信 天波传播主要特点是传播损耗小 因而可以利用较小的功率进行远距离通信 被电离层 地表反射 折射穿入地下的电磁波是 人文天然 电磁场的又一来源 三 频率域电磁测深的共性问题 勘探深度 勘探深度是一个模糊的概念 以垂直入射地表的平面电磁波的横磁模式 TM 为例 表示Hoy衰减到 时 电磁波传播的距离 称为电磁波的趋肤深度 从物理极限上说 电导率无穷大 电磁波的能量集中在导体的表面 导体内的电场为 对电导率有限的大地 电磁波的能量集中在地表附近一定深度内 即趋附深度 趋附深度是对均匀大地的 对 层D型断面 Bostick推导出 通常称为勘探深度 汤井田等从奇性分析也得到相似的结果 但对其它类型的断面 趋附深度相差甚远 且没有统一的计算公式 静态效应 静态效应是电性不均匀体 实质是引起电流分布发生变化的因素 如地形 电阻率不均匀等 边界上产生的静电荷 动态平衡 形成的静电场所引起的视电阻率曲线的畸变 静态效应模型 层状介质中嵌入一局部三维不均匀体 3层均匀层状介质的电阻率分别为100 10 1000 m 一 二层的厚度分别为600 1400m 地表不均匀体平面规模为40m 40m 厚度4m 电阻率5 m MT观测点分别位于不均匀体中心 MT0 其边界内侧 MT18 边界外侧 MT25 和无穷远处 MT500 三 频率域电磁测深的共性问题 a 测点距不均匀体无穷远 MT500 无静态偏移b 测点位于模型中心 MT0 曲线明显下降 但TE TM重合c 测点位于模型内侧 MT18 TE TM曲线均向下移d 测点位于模型外侧 MT25 TE TM曲线分别向上 下移 三 频率域电磁测深的共性问题 齐岳山隧道德胜场暗河静态效应改正前的EH 4电阻率剖面 三 频率域电磁测深的共性问题 静态效应校正方法 1 电磁阵列剖面法 EMAP 2 阻抗张量分析法 3 联合反演方法 4 辅助资料的静态校正法 5 利用相位资料的静校正方法 6 直接的二维反演方法 7 空间滤波法 平移 8 直接利用 浅地表勘探 三 频率域电磁测深的共性问题 三 频率域电磁测深的共性问题 场源效应 电法的场源是电法勘探灵活多变的重要因素 如DC IP SIP DUIP TEM LOTEM CSAMT MT等等 从而使电法勘探可以适用于不同的地质目标 但电法的场源是双刃剑 它同样也带来了负面效应 主要有 近区及过渡带效应 非平面波效应 阴影效应及场源迭加效应 非平面波与互换原理 工作效率的降低 正演计算及反演解释的复杂化 三 频率域电磁测深的共性问题 云雾山隧道CSAMT法测点243视电阻率曲线 三 频率域电磁测深的共性问题 个旧矿区T4线CSAMT卡尼亚电阻率拟断面图 三 频率域电磁测深的共性问题 个旧矿区T4线EH 4卡尼亚电阻率拟断面图 三 频率域电磁测深的共性问题 场源效应的校正 从理论上场源效应是无法校正的 但努力是必要的 全区视电阻率计算 统一近区 过渡带 远区 各种近区校正方法 多场源卷积 阴影及场源跌加 多种方法联合 发展无源电法 改正场源的最佳方案是放弃场源 如MT AMT HMT 但必须解决弱信号检测与处理等 三 频率域电磁测深的共性问题 分辨率 横向与纵向 横向取决于测量偶极子长度 电磁波勘探的纵向分辨率主要受大地电阻率 电磁波频率及频点抽样密度影响 一般情况下 电磁波频率越低 电阻率越高 勘探深度就越大 纵向分辨率则越低 以300欧姆米 3Hz的电磁波为例 其勘探深度为3560m 如果频率抽样间隔为1Hz 则4Hz的勘探深度为3080米 即在3080 3560米深度内的地质构造是无法详细分辨的 但如果频率抽样间隔为0 1Hz 则3 1Hz的勘探深度为3502米 可见纵向分辨率将大大提高 同样条件下 30Hz电磁波的勘探深度为1125米 采用频率抽样间隔为10Hz 40Hz电磁波的勘探深度约为1106米 可见提高频率抽样密度是提高电磁勘探纵向分辨率的有效手段 在同样的纵向分辨率要求下 频率越高 频率抽样间隔可以越大 但频率抽样密度又受仪器性能 勘探成本等制约 最佳的设计是根据勘探的需要由软件灵活地控制仪器的发射频率和频率分布密度 而不是采用固定的频率间隔 如2进制方式递增或递减 三 频率域电磁测深的共性问题 电磁发射波形 自动控制 多极化伪谱的设计 频率域与时间域 分段同频带 三 频率域电磁测深的共性问题 反演与解释 在数学上 偏微分方程的反演是病态问题 除非已知信息是完备的 但即使如医学CT 已知信息也不是完全完备的 其解释仍有赖于医生的经验 由于地球物理信息天然的不完备性 其反演解释必然是病态的 其主要体现是它的非唯一性 减少非唯一性的策略是 与地质紧密结合 钻孔及测井等先验信息 多方法联合等 对盲解释的任何要求都是不科学的和无可奈何的 地球物理解释中最重要的是物性的变化及其趋势 没有物性的变化就没有地球物理 均匀大地假设虽然提供了一种参考模型 但没有任何实际意义 因此地球物理最重要的价值不是它是否能提供真实的物性参数 而是在于它提供的物性变化趋势及其背后的地质含义 计算机正演与反演研究确有理论与实际意义 但对其过分的追求与依赖将导致地球物理的衰亡 理论 工程 地