电磁法勘探可控源音频大地电磁测深法

1、2.1 电磁法勘探-可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)由于天然场源的随机性和信号微弱，MT法需要花费巨大努力来记录和分析野外数据。为克服MT法的这个缺点，加拿大多伦多大学教授D.W.Strangway和他的学生Myron Goldstein提出了利用人工（可控）场源的音频大地电磁法（CSAMT）。这种方法使用接地导线或不接地回线为场源，在波区测量相互正交的电、 磁场切向分量， 并计算卡尼亚电阻率，以保留AMT法的一些数据解释方法。自20世纪70年代中期， CSAMT法得到实际应用， 一些公司相继生产用于CSAMT法测量的仪器和应用解释软件。进入80年代后，该方法的理论和仪器得到很大发展，应

2、用领域也扩展到普查、 勘探石油、 天然气、 地热、 金属矿产、 水文、 工程、 环境保护等各个方面， 从而成为受人重视的一种地球物理方法。虽然CSAMT法属于一种人工源的频率电磁深测， 但和通常的频率域电磁测深不同。这主要因为CSAMT法测量两个相互垂直的电磁场切向分量计算卡尼亚电阻率， 因而具有较强的抗干扰能力， 且更容易获得对地电变化较灵敏的相位差信息； 又由于波区电磁场十分接近平面波， 因而其资料处理、 解释也较为简便， 可以保留AMT法中的许多解释方法。CSAMT和AMT或MT亦有不同， 根本原因是CSAMT法使用了人工场源，因而极化方向明显，信噪比高，易于观测。但是，由于使用了人工场

3、源， CSAMT法必然受场源效应影响， 这主要包括非平面波效应、 场源附加效应、 阴影效应和测深通道的弯曲。2.2.1 CSAMT基本理论CSAMT有2种常用的场源水平电偶极子和垂直磁偶极子，此处注重讨论其场的特征和快速计算方法。2.2.1.1水平层状半空间上水平电偶极子的电磁场 如图2.2.1所示， N层水平层状介质中第n层的电阻率和层厚度分别记为n和hn。水平电偶极子（接地导线）位于层状介质表面，偶极矩为P=IdL（I为谐变电流）。选取公共坐标原点位于偶极子中心的柱坐标系和直角坐标系，使x轴指向偶极矩方向（即=0的方向）， z轴垂直向下，则地表面的电磁场分布可通过直接求解场所满足的非齐次亥

4、姆霍兹方程或通过求电型Lorentz势所满足的方程和边界条件得到。此处直接写出准静态极限下柱坐标系中地表电磁场表达式： Er= cosJ1(mr)dm-1J0(mr)dm+J1(mr)dm (2.2.1a)E=sinJ1(mr)dm -iJ0(mr)dm+J1(mr)dm (2.2.1b)图2.2.1水平层状介质上的水平电偶极子Hr=-sinJ1(mr)dm+r J0(mr)dm(2.2.1c)H=cosJ1(mr)dm (2.2.1d)Hz=sinJ1(mr)dm (2.2.1e)式中： R*=cothm1h1+coth-1coth(m2h2+coth-1)R= cothm1h1+coth-

5、1coth(m2h2+coth-1)mj=, k2j=i/j， cothx=（ex+e-x）/（ex-e-x）特别地，当N=1时，可得到均匀半空间表面电磁场各分量的表达式： Er=cos1+eikr(1-ikr) (2.2.2a) E=sin2-eikr(1-ikr) (2.2.2b)Hr=-sinI1（）K1（）+ I1（）K0（）-I0（）K1（） (2.2.2c) H=cosI1（）K1（） (2.2.2d)Hz=-sin1-eikr(1-ikr-k2r2) (2.2.2e)以上各式中，为磁导率，为谐变电流的圆频率，I0（）、I1（）和K0（）、 K1（）分别为以为宗量的第一和第二类虚宗

6、量贝塞尔函数，下标“0”或“1”表示贝塞尔函数的阶数，k为波数。在准静态条件下： k=(1+i)可以看出，综合参数ikr决定了电磁场随收发距、频率、电导率的变化规律。准静态极限下：ikr=(1+i)r/, p=r/称为电距离或感应数，它实质上是以趋肤深度为单位来表示的观察点到场源的距离。借助感应数p，可以将电磁场的变化区域分为：p<< 1 即感应数很小的区域，称为“近区”；p>>1 即感应数很大的区域，称为“远区”或“平面波场区”；p1 即介于前两者之间的区域，称为“过渡带”或“中间区”。不难理解， 感应数p的“大”或“小”， 也就是场区的“远”或“近”， 不

7、但与观察点到场源的距离有关，而且与大地的电导率和使用的频率有关。在不改变发收距和大地电导率的条件下，频率不同，趋肤深度不同，电磁场的特性也不同。当介质为低阻时，不大的发收距r就可以满足“远区”条件， 反之， 在高阻介质中， 即使使用高频，也不得不使r相当大才能满足“远区”的条件。 (1) 近区响应（p<< 1） 当r<<即p<< 1时，带入幂级数和贝塞尔函数的渐进展开式，得到(2.2.2)各式的渐近表达式为：Ercos (2.2.6a) Esin (2.2.6b) Hr- (2.2.6c) H (2.2.6d) Hz (2.2.6e)比较

8、(2.2.6)各式可以看出，在近区，电磁场有如下特点：（1）由于忽略了高次感应项，电磁场表达式与稳定电流场相同；（2）电场与电导率成反比，与频率无关；（3）磁场既与电导率无关，也与频率无关。近区电磁场与频率无关的现象称为近区饱和；（4）电场随收发距立方衰减，快于磁场的平方衰减；（5）波阻抗与频率无关，没有频率测深的意义。此时波阻抗的模为： Z=E/Hr=2/（r） (2.2.7)可以定义近区视电阻率： =（rE）/（2Hr） (2.2.8)阻抗与频率无关的事实表明，近区视电阻率只与几何排列有关。随频率下降，近区电阻率呈水平直线，相位差为0，不再具备频率测深的能力。因此，在近区不具备开展CSAM

9、T工作的物理前提。在近区，按卡尼亚电阻率的计算公式有：可见，当大地电导率和收发距一定时，卡尼亚电阻率与频率呈倒数关系，在双对数坐标下表现为，随频率下降，卡尼亚电阻率呈45o上升，称为卡尼亚电阻率的近区畸变。(2) 远区响应（p>>1）当r>>即p>>1时，带入幂级数和贝塞尔函数的渐进展开式，可得到(2.2.2)各式的渐近表达式： Ercos (2.2.9a) Esin (2.2.9b)Hr (2.2.9c)H- (2.2.9d)Hz- (2.2.9e) (2.2.9f)比较(2.2.9)各式可以发现，远区电磁场有如下特点：（1）以弛豫频率为极限（极化速度远小

10、于场变化频率），电场与频率无关，但与电导率成反比，由动态平衡的“静电荷”决定；（2）磁场与电导率和频率平方根反比，对电阻率没有电场灵敏，即磁场相对均匀，是感应场；（3）垂直磁场与电导率成反比，即比水平磁场对电导率更灵敏，但衰减也更快；（4）水平电场与磁场随收发距变化规律相同，相位差是/4或785.4 mrad；（5）波阻抗与电阻率和频率平方根正比，与场源参数无关，与平面电磁波的波阻抗完全相同。可以定义卡尼亚电阻率： （2.2.10）当采用直角坐标时， Ex=Ercos-Esin= (1-3sin2) (2.2.12a)Hy=Hrsin+Hcos=- (1-3sin2) (2.2.12b) (2

11、.2.13)也可以得到同样的视电阻率定义= (2.2.14)实际工作中，多用MKS制单位。此时E以mV/km为单位， H以(1=10-2/4A/m)为单位，磁导率设为真空中的值，则有：= (·m） (2.2.16) (2.2.16)式就是以卡尼亚(Cagniard)命名的计算视电阻率的公式。卡尼亚电阻率对远区， 也就是说在满足平面波的条件下是有效的， 并且是在MT法和满足远区条件的CSAMT法中常用的关系式。 (3) 过渡带响应（p1）此时r， p1，电磁场各分量由(2.2.2)式严格地描述，电磁场没有简单的初等函数表达式；电场与电导率、频率相关，受“静态”积累电荷和变化的感应磁场影

12、响；磁场与电导率和频率相关，是感应场，受变化的电场影响；电场与磁场随收发距变化规律不同，由近区特点向远区过渡，常形成“低谷”或“凹陷”（参见图2.2.3）。此带的波阻抗与电导率，频率及场源参数方位角都有关系，没有简单的表达式。2.2.1.2水平层状半空间表面垂直磁偶极子的电磁场设水平层状介质分布和图2.2.1相同， 移去水平电偶极子， 放置一个中心在坐标原点、 磁矩为M的垂直磁偶极子。同样选择有公共原点的一个柱坐标系和一个直角坐标系， 使z轴垂直向下， 即与磁偶极子磁矩方向相同。在准静态极限下， 可写出电磁场各分量表达式为：E= iJ1(mr)dm (2.2.17a)Hr= J1(mr)dm

13、(2.2.17b)Hz=J0(mr)dm (2.2.17c)特别地， 当N=1时， 可得到均匀半空间表面的电磁场为： E=-3-eikr(3-3ikr-k2r2) (2.2.18a)Hr=-I1(）K1(）-I2(）K2(） (2.2.18b)Hz=9-eikr(9-9ikr-4k2r2+ik3r3) (2.2.18c)与水平电偶极子的电磁场类似，综合参数ikr决定了电磁场随收发距、频率、电导率的变化规律。(1) 近区响应（p<< 1） 当r<<即p<< 1时，带入幂级数和贝塞尔函数的渐进展开式，得到(2.2.18)各式的渐近表达式为：E

14、 (2.2.19a)Hr (2.2.19b)Hz (2.2.19c)可见，在近区，垂直磁偶极子的电场E与电导率无关，而与频率成正比；与此相反， 水平电偶极子的电场E与频率无关，而与电导率成反比。垂直磁偶极子的水平磁场Hr与电导率和频率呈正比，而水平电偶极子的水平磁场与二者都无关。两种场源的垂直磁场与频率和电导率均无关。此时的波阻抗为：Z=E/Hr=4/（r） (2.2.21)也与频率无关。定义近区视电阻率： =（r E）/（4Hr） (1.2.22)它是水平电偶极子视电阻率参见(2.2.8)式的一半。也就是说，假设大地是均匀的， 则在近区用线圈所得的电阻率是用电偶极子测得的一半。显然，卡尼亚电

15、阻率也存在类似于水平电偶极子时的近区畸变。(2) 远区响应（p>>1）当r>>即p>>1时，带入幂级数和贝塞尔函数的渐进展开式，可得到(2.2.18)各式的渐近表达式：E- (2.2.23a)Hr (2.2.23b)Hz (2.2.23c) （2.2.23d） 可以看出，磁偶极子远区电磁场有如下特点：（1）频率很高时（场变化频率远快于介质极化速度），电场与频率无关，但与电导率成反比；（2）磁场与电导率和频率平方根反比；（3）垂直磁场与电导率成反比，即比水平磁场对电导率更灵敏，但衰减也更快；（4）水平电场与磁场随收发距变化规律相同，相位差是/4或785.4 m

16、rad。但场随r的增大而衰减的速度比电偶极的快；（5）波阻抗与电阻率和频率平方根正比，与场源参数无关，与水平电偶极子的完全相同，可以定义同样的卡尼亚电阻率，即：在“大”的“电距离”上，用磁偶极子做场源所测的电阻率与电偶极子所得的完全相同。(3) 过渡带响应(p1， r)如同水平电偶极子的情形一样， 磁偶极子的过渡带响应由(2.2.18)式严格地描述，场及波阻抗的性质都比较复杂，与电导率、频率及场源参数有关。2.2.1.3水平分层介质表面谐变偶极子场的数值计算方法水平层状介质表面人工源激励的电磁场表达式中都含有零阶和一阶贝塞尔函数的无穷积分， 这类积分实质上都是汉克尔变换式。自20世纪70年代初

17、发展起来的快速汉克尔变换方法是计算这类积分最有效的工具之一。快速汉克尔变换考虑含Bessel（贝塞尔）函数在(0， )区间上的积分：g(r)= f()Jv(r)d (2.2.24)其中Jv是v阶第一类Bessel函数， 实数v-1， 引入如下变换式： =e-x/r0x,y(-, ) (2.2.25)r=r0ey 式中x，y是快速Hankel变换中的新变量， r0是选定常数， 定义如下新函数： F(x)=f(),G(y)=g(r)r则（2.2.24）式可重写为：G（y）=F（x）Jv（ey-x）ey-xdx=F（x）Hv(y-x)dx=F*Hv (2.2.26)即G是函数F和Hv的褶积， 这里H

18、v（x）=Jv（ex）ex。根据抽样定理，对F(x)进行抽样， 并利用抽样定理写出： =F(n)P(-n)其中为抽样间隔， 且： P(x)=sin(x)/x将代入(2.2.26)式，则整理得： =F(n)H*v(y-n) 再对y离散化，上式可写为=F(n)H*v(m-n)= f（en）en H*v(m-n) (2.2.27)即： g(r)= f（en）en H*v(m-n) (2.2.28)式中： H*v (y)= P()Hv(y-x)dx (2.2.29)称为汉克尔滤波系数，与抽样间隔有关。目前已有不同抽样间隔的不同长度的汉克尔滤波系数，可根据要求选用。再根据(2.2.27)式的快速变换，可

19、以计算含贝塞尔函数的无穷积分。2.2.2 CSAMT野外工作方法和技术2.2.2.1测量方式如图2.2.6所示， CSAMT包括张量、 矢量和标量三种方式， 取决于测量分量的数量和使用场源的数量。（1）张量CSAMT张量CSAMT利用两个方向的场源来测定五个分量（Ex、 Ey、 Hx、 Hy、 Hz）。与大地电磁场不同， CSAMT场源不是全方位的，所以需要两个场源。为了完全确定阻抗张量， 总共需要测量10个分量。图2.2.6张量、 矢量和标量CSAMT法的定义（a), （b) 用两个场源， 且每个场源做5次的全张量测量（c) 每个场源观测3个分量的部分张量测量（d) 单一场源5次观测的矢量测

20、量（e)单一场源2次观测的标量测量 （f) 用一个场源在一个方向上只做电场观测的标量CSAET法，在少量点上测磁场用以把电场数据转换为近似的电阻率。张量测量最好用于构造很复杂的地区和测深点距比地质构造尺寸大很多的地区。当测深点布得很近， 地质构造的面貌可以靠高的测量密度来直接填图， 因而张量测量的量（如倾斜度）就变得不重要了。即使是在复杂的地区， 高密度的标量或矢量数据确定的构造与低密度张量结果相近。但具有强烈的局部非各向同性地区例外， 在这些地区用全张量解出的阻抗可能要好些。（2）矢量CSAMT矢量CSAMT利用单一个场源来测量4个或5个分量（Ex、 Ey、 Hx、 Hy, 有时加测Hz）。

21、矢量CSAMT数据提供了关于地下二维或三维构造的信息， 但比张量测量的信息少。由于少收集和处理50%的数据， 矢量测量比张量便宜。矢量CSAMT在非各向同性不强的地区确定复杂地质构造是有用的， 出于经济的考虑， 在二维地区常常宁可做矢量而不做张量CSAMT。（3）标量CSAMT标量CSAMT利用一个场源测量两个分量（Ex和Hy或者Ey和Hx）， 标量测量对于一维的层状条件或者走向已知的二维条件是足够了， 在更复杂的条件下， 则取决于数据的密度。 图2.2.7是一个典型的标量CSAMT示意图。在复杂地质条件下采用单一测线的标量CSAMT是非常冒险的。例如， 当偶极方向恰好垂直于断层（TM方式）时

22、， 用标量数据可以很容易地确定线性的陡倾斜断层； 可是如果偶极平行走向（TE方式）， 断层的解释和定位就很困难。因此， 在二维和三维地区做标量测量通常都用密的测网， 密的测网能部分地克服缺少多分量数据（像矢量和张量数据中）的缺陷。主要的例外是区域性非各向同性很强的地方， 在这种情况下张量或者矢量数据也许好些。标量CSAMT测量的主要吸引力在于它的成本相当低， 这就是为什么至今取得的CSAMT资料绝大部分是标量结果。图2.2.7典型的标量CSAMT测量布置示意图（4）标量CSAET最简单的、也是目前所有商业仪器及野外所用的CSAMT形式可称为可控源音频大地电流法（CSAET）， 它系统地测量电场

23、，只在个别点测量磁场，从而把电场的测量值转换为近似的卡尼亚电阻率。CSAET通常在发射偶极中垂线±15°的扇形区域内测量，它也得不到有意义的相位资料。在磁场完全均匀，地质情况不复杂的层状地区用来普查填图是令人满意的。然而当这些假设条件不成立时则会引起麻烦。图2.2.8是地堑断层的上升和下降断块上的两个一维模拟结果， 图2.2.8（a）表明，位于下降断块上的6号点的磁场较4号点的高， 这个较大的差平方后计算卡尼亚电阻率可以引起大的电阻率误差。图2.2.8（b）显示在6号点测到的CSAMT和CSAET的响应。CSAMT响应正确地描绘了高/低/高的地质断面， 但是在这同一个点，

24、用在CSAET排列中点所得较低的磁场值来归一化， 则得出错误的结果。层序好像是高/低/高/低/高， 其最大的误差几乎达到100%。CSAET资料在冲积盖层下“生”出了一层假高阻层。反过来， 错误地选择磁场测点， 其结果也可能使真实的层“消失”。如果地质条件更加复杂， 可能使结果更坏。因此， 除非是在极简单的地质环境中普查， 在野外应避免使用CSAET。图2.2.8 CSAET引起的视电阻率误差（a) 在6个偶极CSAET排列中， 在两个测点上的磁场测量值（b) 6号测深点CSAMT（E、H均在6号点测）和CSAET（E在6号测 而H在排列中心2.2.2.2 CSAMT场源与测量模式CSAMT通

25、常使用两种场源： 接地导线（水平电偶极子）和不接地回线（垂直磁偶极子）。在均匀大地中， 两种场源的远区卡尼亚电阻率与相位是相同的， 但信号强度不相同。在大多数实际的野外条件下，电偶极的信噪比优于回线源，而且布置也相对方便，此外，电偶极还可以控制场的方向，所以在CSAMT或者长距离的TEM勘探中很少使用回线源。但在平坦的戈壁荒漠、冻土带等地区，电极接地非常困难，常使用不接地回线。不接地回线的另一个优点是场衰减快，因此，使用较小的收发距即可满足远区的要求。 在使用接地导线场源时，根据发射偶极AB、接收偶极MN和测线布设方向相对于地质构造走向的关系，CSAMT有TM（Transverse Magne

26、tic）和TE（Transverse Electric）两种测量模式。（1） TM模式发射偶极AB、接收偶极MN及测线方向垂直于地质构造走向布设。TM模式横向分辨能力较强，观测的电场受静态影响、地形影响较严重。（2） TE模式发射偶极AB、接收偶极MN及测线方向平行于地质构造走向布设。TE模式垂向分辨能力较高，观测的电场受静态影响、地形影响较小。2.2.2.3 CSAMT测量覆盖范围CSAMT测量中，有限场源的使用对在平面上允许采集数据的范围提出了一些限制。确定允许勘探范围的因素有三个： 最小发收距， 它受到进入近区带的限制； 最大发收距， 它受到最小可测信号和噪声水平的限制； 信号强度与角的

27、依赖联系（对水平电偶源）。 图2.2.9概括了CSAMT主要覆盖范围的界限。所示的类型随地下的和计算的参数不同而变化。图2.2.9（a）是关于Ex/Hy的数据获得区，图2.2.9（b）则是Ey/Hx的采集区。这些区是宽广的，并且有很大的伸缩性。但是， 若同时观测Ex/Hy和Ey/Hx或使用一个以上场源情况下，可以进行测量的重叠的区域对均匀半空间而言就很窄了。另外，在2D、3D环境下可测量区带常常要宽一些。图2.2.9标量CSAMT排列可以进行测量的分带理论上，测量Ey/Hx似乎稍微优越一点。因为在距离场源三倍趋肤深度以外，测量就可认为是在远区；而测量Ex/Hy至少需要在4倍甚至5倍趋肤深度以外

28、。但在野外实际工作中，通常都是在接地导线中垂线两侧30o的扇形区域内测量Ex/Hy。因为此时信号强度大，生产效率高。2.2.2.4 CSAMT中的噪声CSAMT噪声可分为五个类型： 操作差错、 仪器噪声、 大气层/大地噪声、 风噪声和地质噪声。（1）操作与仪器噪声操作差错，是由于不正确地连接电缆， 未发现信号饱和， 不适当地放大或校正电位、 采用精度不够的模数转换、 电场和磁场探头调节不正确、 记错发送机的电流、 在需要时没有使用有源不极化电极、 使用没有重新使电解液饱和的不极化电极等等。仪器误差由噪声成分、 接收机的低输入阻抗、 不适当的叠加滤波器的性能、 接地不良等引起。（2）文化噪声文化

29、噪声是指人类的电磁活动和建筑设施等对CSAMT测量的影响。无论如何必须避开以下三种情况： 造成场源和测站的直接联系， 电场偶极与埋在地下的金属构件平行放置以及电极布置在文化设施附近。直接联系的问题是可控源测量中最坏的可能排列之一， 这种排列直接把电流传输到测点， 而不管地质体走向如何。其结果是可重复的但电场的观测则是一个极不规则的变化曲线。受了这种影响的资料几乎不可能进行解释。（3）大地电磁噪声大气层噪声是由雷暴雨作用和大气及云中的静电干扰作用的高频尖峰信号构成。（4）风噪声风、 振动等会引起天线的摆动， 从而强烈地影响磁场的测量。以上的仪器噪声、 文化噪声、 大地电磁噪声、 风噪声可以统称为

30、电噪声。 有效地增加信噪比、 长时间叠加、 低通/带通/高通滤波器是对抗这些噪声的有效方法。（5）地质噪声地质噪声通常指勘探目标以外的地质因素对CSAMT法数据的影响。地表局部不均匀体引起的静态效应是一类广泛存在的地质噪声，可参见AMT的有关章节。这里主要讨论地形和激发极化（IP）对CSAMT的影响。（1）地形效应电流密度分布是所有电法（电磁法）中控制性和决定性的。地形的起伏会改变电流密度分布， 从而影响电场和磁场的测量结果。图2.2.10是地形影响的简单示意图。等位线和电流线在山脊附近分开， 而在山谷靠拢， 从而导致二维情况下TE和TM方式数据有不同的类型。TM方式（图2.2.10（b）在山

31、脊下深处表现为虚假的低电阻率异常， 而山谷下深处为高电阻率异常， 异常的两侧出现上冲/下冲的特征。与此相反，图2.2.10（c）的TE方式在山脊下显示浅的假高阻异常， 而山谷下显现浅的低阻异常。图2.2.10地形对电场测量影响的示意图（a) 不同地形特点上电流分布的畸变（b) 不同地形特点上TM方式电阻率拟断面图（c) TE方式电阻率断面。H代表高电阻率， L代表低电阻率。（2）CSAMT中的IP影响激发极化效应（IP）是电荷积聚在金属矿物和电解液的分界面上引起的， 或者是粘土或孔隙束缚离子运动而引起的。电荷的束缚引起能量的存储和释放， 类似于电容器的充放电。2.2.2.5 CSAMT数据质量

32、CSAMT的数据质量主要决定于场源电流、 发收距和环境噪声水平。 由于CSAMT的信号较强， 因此其观测数据质量比天然场源的要高。在一个恰当设计的系统中， 测量结果中出现的噪声大多数是非对称性的， 或随机的， 至少有较长的一段时间中是如此。因此， 天电干扰和大地噪声有可能经过叠加平均而除去， 而闪电和文化噪声则常常不能消去， 引起麻烦。任何电场、 磁场观测中存在的随机误差可以从n次叠加的结果加以估计， 每次叠加包含m个连续波的平均， 并可根据平均值来检验每一单个叠加值的偏差： （2.2.34）是标准偏差。偏离系数为标准偏差相对观测平均值的百分数： ·100% （2.2.35）出现在卡

33、尼亚电阻率中的误差可由H和E的误差传递得到： （2.2.36）相位差的误差为： （2.2.37）公式中和分别为电场相位的观测误差。对某一区域，在合适地评估噪声水平的前提下，确定一个合理的误差水平，以此控制每个频点的数据质量。CSAMT观测方案设计地质任务是选择地球物理方法的前提和决定性的因素。CSAMT是以岩石的电导率差异为基础的，要求勘探的目标体与围岩存在明显的电阻率差异。相比于埋深，目标体应有一定的规模（CSAMT的横向分辨率相当于接收电偶极子的长度，纵向分辨率则取决于大地电导率、频率和频率抽样密度，一般不超过20%。高阻地层时，分辨率更低），且测区内无强烈的电磁干扰，地形地貌适合开展工作

34、。一旦决定进行CSAMT测量，首先应根据任务要求，收集相关的地质、地球物理（包括岩矿石电阻率参数资料）、地球化学、钻探及测绘等资料，实地踏勘测区地形、地貌、交通、气象、居民点、植被等条件，调查测区电磁干扰源并对电磁干扰情况进行估计，结合地质任务、测区地质构造特征、地形地貌、噪声水平、仪器设备性能等条件，设计合适的装置形式、工作频段、收发距、供电极距、接收极距和测网。（1） 勘探深度图 勘探深度影响到CSAMT设计中的每一个参数，如观测频率、发收距等。CSAMT的勘探深度与大地电阻率和信号频率有关并按Bostick深度公式计算。理论上，只要信号频率足够低，勘探深度可达数十公里。但实际中并非如此，

35、 有限的发收距决定了能保持远区测量的频率是有限制的，因此CSAMT的实际勘探深度大约在10 m3 km。更浅的目标体，可以考虑使用地质雷达、高密度电法等，更深的则应使用AMT或MT方法。（2） 最低工作频率首先对测区内大地电阻率有一个恰当的估计，这个估计可根据收集或采集的岩（矿）石物性样品的电阻率值、测井电阻率值，以及测区以往经验来获得，然后可根据要求的最大探测深度估算所需要的最低工作频率。 （2.2.38）测量的最低频率受到必须保持在近区以外的条件限制， 这与受噪声水平制约的最大场源距有关。K.L.Zonge给出了以下的经验方式： （适于远区数据） （2.3.39） （适于远区和过渡带数据）

36、（2.2.40）以上公式中假定了最低信噪比为1100。通常，为保证不漏掉所要探测的地质目标体，要求野外应测到比最低工作频率还要低几个频率。（3）最小收发距图 最小收发距取决于最低工作频率的趋肤深度和观测装置。对于电偶极子的旁侧装置，若要求观测在远区进行，要求（为趋肤深度），对于轴向装置测量，要求；如果允许在近场观测，则可放宽到。(4) 最大收发距最大发收距受到给定噪声条件下可探测的最小电场强度的制约。对于旁侧测量， 在远区条件下： （2.2.41）例如，若为，dL长度，旁侧装置（）测量，外界随机噪声水平，当时（假定最低信噪比为1：100，目前的CSAMT数字采集系统可在信噪比为1：100时随机

37、噪声条件下经过叠加和平均得到最小准确信号），可计算得到。随电阻率增高和噪声水平降低而增大，反之则减小。事实上，仪器观测系统本身的分辨率由于各种噪声的存在，一般应大于，因此实际应小于才能观测到最小准确信号。2.2.2.7 CSAMT 仪器设备2.2.2.7.1 基本要求CSAMT仪器设备主要包括发射机、接收机、磁探头、发电机组、电极、电缆等，其主要性能指标应达到CSAMT方法技术的要求（参见表2.2.1-2.2.3），不符合要求的仪器设备不得用于生产。目前国内外常用的CSAMT仪器主要有美国Zonge工作与研究组织生产的GDP-16/32系列和加拿大凤凰公司生产的V6/V8系列仪器。表 2.2.

38、1 接收机主要技术指标要求参数技术指标备注输入阻抗10 M动态范围120 db最小检测信号0.05 V频率范围0.01Hz 10kHz根据工作任务选择AD模数转换16 24位时基同步精度恒温晶体震荡器OCXO老化率 ±5×10-924小时工作温度20 45湿度0 80%表 2.2.2 发射机主要技术指标要求参数技术指标备注输出电压范围100 V 1000 V频率范围0.01Hz 10k Hz根据工作任务选择发送电流10 A根据工作任务选择功率10 kW根据工作任务选择时基同步精度恒温晶体震荡器OCXO老化率±5×10-924小时工作温度20 45湿度08

39、0%表 2.2.3 磁探头主要技术指标要求参数技术指标备注频率范围0.01Hz 10k Hz根据工作任务选择噪声水平1200（在1Hz）；20(一般60Hz时)通频带灵敏度100mV/(mV/nT)供电电极A、B要坚固耐用，导电性能良好，可选用铜板、铜丝网、铝箔或采用铁或钢制的金属棒电极。金属棒电极一般长度为60cm100cm，直径为1.6cm2.2cm为宜。在接地电阻大或需要大供电电流工作的地区，宜用铜板等片状电极。一般供电导线应选用内阻小、绝缘性能好、轻便、强度高的多芯全铜导线，其内阻应小于8km。当电压为500V时，供电导线的绝缘电阻应大于2Mkm。接收电极M、N应采用电化学性能稳定、极

40、差变化小的不极化电极。接收导线也应选用内阻小、绝缘性能好、拉力强的耐磨导线，当电压为500V时，接收导线的绝缘电阻应大于5Mkm。2.2.2.7.2 检测与标定工作前和工作期间应视工期长短定期对接收机、发射机及附属设备进行调节检测。接收机具有自检功能的，应定期进行自动校准检测。磁探头应定期进行标定（标定方法可依据各个仪器自带的说明书的规定）。仪器设备各项指标合格后方可进行野外工作。同一型号两台及两台以上接收机在同一测区野外工作前，应进行多台仪器一致性对比试验。一致性试验应选择电磁干扰小的地段进行单点全频段测定，并由台仪器观测的卡尼亚电阻率总均方相对误差来衡量，计算公式为：（2.2.42）式中：

41、第台仪器在第频点卡尼亚电阻率观测值与台仪器在第频点上卡尼亚电阻率观测值平均值的相对误差，；第台仪器在第频点卡尼亚电阻率观测值；台仪器在第频点卡尼亚电阻率观测值平均值，；参加一致性观测的仪器台数；参与一致性试验的观测频点数；相对误差的总个数。2.2.2.7 CSAMT野外工作技术场源布设（1）供电电极A、B点位的地理位置既要尽可能满足远区观测的条件，要尽可能平行于测线方向布设，其方位误差应小于3°。（2）A、B极布置还要考虑交通情况和接地条件。A、B极布置要尽量避开高压线、矿山（洞）上方、暗埋管道、溪流水域、平行的断裂构造等以减少电磁干扰。（1） A、B极下或与测区间应尽量避开已知金属

42、矿、煤矿、湖泊、溶洞和局部高阻隆起等可能引起场源效应的已知地质体。（2） A、B布设完毕后，应检查供电导线是否有漏电情况、A、B极是否正确连接、接地情况是否良好，各连接点是否牢固。接收装置布设（1） 接收导线应贴地放置，避免因风吹使导线晃动产生电磁干扰。（2） 接收电极的接地电阻一般应低于2k，如遇基岩裸露地区，可适当放宽，但不应大于10k。（3） 接收电极M、N处遇到人文设施（如人工导体、金属栏杆、管道、供电线路、无线电塔、铁路、钻井、道路等）时，应适当平移，以减小干扰。（4） 磁探头应垂直于接收电极方向布设，采用罗盘仪定位，方位误差应小于2°；磁探头应水平放置，为避免较大的误差，

43、应使用长度大于40cm的水平尺校准；磁探头到接收机的距离应大于7m；磁探头布设应远离高压输电线、远离有车辆行驶的道路等干扰源，观测期间所有人员和车辆应远离磁探头并停止使用所有通讯设备。（5） 采用共磁道测量方式观测时，为施工方便，接收机、磁探头应尽可能布设在多道电极排列中间。（6） M、N极布设完毕后，还应检查接收导线是否有漏电情况。（7） M、N极和磁探头布设完毕后，应检查接收电极、磁探头是否正确连接，检查接收电极接地是否良好，各连接点是否牢固。（8） M、N极布设完毕后，还应检查接收电极间直流电位差的稳定性。安全措施（1）出工前必须对供电导线进行检查，任何损坏和开裂都必须进行及时的修复和替

44、换，接头处应使用高压绝缘胶布包裹。（2） 在山区收、放导线经过高压线时，严禁抛抖导线或手持长物，以防高压触电。在供电电极和导线经过的村庄、路口等障碍物的位置，应有明显清晰的高压警示标志，并派专人巡视看管。（3） 供电前，操作员必须仔细检测供电线路，确认接线正确、连通和接地情况良好后，明确发出供电指令，当确认所有工作人员已离开A、B极，方可开始供电。（4） 供电期间，操作员应密切看护发射机及配套设备，保证其处于正常工作状态并随时处置出现的故障；在改变发射机输出电压挡位、变换频点前，必须退出发射状态；需手动调节发射机输出电流时，必须平稳缓慢调节；退出发射状态前，必须将输出电流调节钮旋至最小。（5）

45、 发电机组运行期间，不得添加燃油。（6） 连接或断开供电导线、发射控制器电缆、发射机电源输入电缆时，必须确认发射机是处于停机状态。（7） 移动测站前或全天工作结束后，在尚未收到发射机操作员明确断电的指令前，为确保人身安全，不允许任何人接触供电导线和电极。（8） 野外作业车辆应配备灭火器、急救箱等；野外人员应配齐可靠的通讯工具；供电系统人员必须使用绝缘胶鞋、绝缘手套等防护用品。（9） 雷雨天气，应停止野外作业。突遇雷电，应迅速关机、断开连接仪器设备的所有电缆。（10） 布线需要经过水域时，除处理好导线外，应保证过水安全、严禁徒手托拽导线涉水（或泅渡）；水上或冰上作业必须制定相应的安全制度和应急措

46、施。数据采集（1） 数据采集前，操作员应确保接收机与发射机的时钟处于同步状态；操作员应检测接收电极和磁探头接地和连通情况，确保接收电极接地良好、其间的直流电位差稳定，磁探头工作正常。（2） 在供电之前，应观测噪声水平，根据噪声情况，设定叠加次数（可根据2.2.2.5中偏差大小设定）和重复观测次数。供电观测时，应停止无线电通信。当工频干扰较严重时，可选取陷波滤波器抑制噪声。强干扰条件下应选择避开干扰严重的时间段采集数据。当干扰较小时，单个频点一般至少取两次读数；在干扰较强时，应增加读数次数，直到符合（2.2.44）式要求时，方可进行下一个频点的测量。 （2.2.44）式中：某频点观测的卡尼亚电阻

47、率读数中最大值；某频点观测的卡尼亚电阻率读数中最小值；某频点卡尼亚电阻率的读数个数；设计的工作精度。（3） 观测时要做野外观测现场工作记录（参见表2.2.4），应使用铅笔记录。除按规定记录点、线号等信息外，还应记录观测点附近影响观测结果的地质现象、地形地貌、可能引起噪声的干扰源等，要求字迹清晰。 表2.2.4 CSAMT野外记录表(参考)工区： 极坐标： 极坐标： . 工作装置几何参数： m ： m接收机型号及编号： 发射机型号及编号： 操作员： 记录员： 日期： 天气： .点号线号收发距（m）频率范围(Hz)数据块标识测点描述（地质描述、地形地物、电磁干扰源等）备注（4） 同一测线需改变场源

48、位置时，应至少有23个覆盖观测点，改变场源位置前后两次观测的卡尼亚电阻率和阻抗相位曲线形态应大体一致或基本重合。当曲线形态、数值差别较大时要调整场源，重新观测。（5） 收工后应及时将当天采集的数据传入计算机，经检查确认无丢失遗漏数据后，另存盘备份并设定为唯一标识，直至确认所有数据无遗漏并备份成功后方可清除仪器内存储的数据。质量检查与评价（1） 系统检查观测应在同一场源、不同操作员、重布接收排列、不同时间、不同供电电流进行，测量全部工作频段。（2） 检查观测点数不得少于全区观测点总数的3%，并在测区内大体均匀分布，在异常区段必须有一定数量的检查点。（3） 在全区检查观测的数据中剔除明显畸变频点后

49、，以单个物理点为单位，计算各个频点的卡尼亚电阻率或阻抗相位相对误差，编列统计表并绘制分布曲线。计算公式为：（2.2.45）式中：第频点原始观测卡尼亚电阻率或阻抗相位；第频点检查观测卡尼亚电阻率或阻抗相位。（4） 单个物理点检查观测结果按以下各式计算误差，并应满足设计工作精度要求。a. 阻抗相位大于200mrad时，卡尼亚电阻率和或阻抗相位用均方相对误差按公式（2.2.46）计算：（2.2.46）式中：第个频点的卡尼亚电阻率或阻抗相位相对误差；检查观测并参与统计的频点数。b. 阻抗相位小于等于200mrad时，卡尼亚电阻率仍用均方相对误差按公式（7）计算，而阻抗相位使用均方误差按公式（2.2.4

50、8）计算：（2.2.48）式中：第个频点的原始观测阻抗相位数据；第个频点的检查观测阻抗相位数据；检查观测并参与统计的频点数。当同点质量检查结果出现下列情况之一者，应确定该点为质量不合格：a）误差超过设计工作精度的频点数大于该物理点频点总数的13；b）误差超过2倍设计工作精度的频点数大于该物理点频点总数的5%；c）误差超过设计工作精度的观测值在相邻的3个频点上连续出现；d）误差大于设计工作精度。（5） 全区系统检查观测质量用总均方相对误差按公式（2.2.49）计算，应在各个测深点质量评价基础上由卡尼亚电阻率和阻抗相位均方相对误差（或均方误差）统计得出，统计时不得剔除单个物理点系统检查确定为质量不

51、合格的检查点。全区数据质量合格应满足的条件是：质量不合格的检查点数不超过被评价区域内检查点总数的13；全区应满足设计工作精度的规定。的计算公式为：（2.2.49）式中：第个物理点的均方相对误差或均方误差；全区系统检查观测的全部物理点数。（6） 当质量不合格的检查点数超过被评价区域内检查点总数的13时，可增加系统检查工作量（可直至总工作量的20%）后进一步统计，但系统检查观测精度仍旧达不到合格标准时，不得再增加检查工作量，确定为此测区全部观测资料作废。CSAMT资料处理与解释资料处理资料处理的目的是压制CSAMT数据中的各种噪声的影响，如仪器噪声、天然电磁噪声与人文噪声，或校正由地质噪声（静态位移、地形影响）以及非平面波引起的过渡区畸变等，从各种叠加场中分离、突出或增强地质目标体的场信息或趋势，有利于后续的解释。一般的处理方法包括：数据编辑、静态位移校正、地形校正及过渡区校正等。数据编辑是压制由仪器噪声、风噪声、天然电磁噪声和人文噪声引起的明显畸变。应根据野外观测工作原始记录的信息、原始卡尼亚电