地球物理勘探-电磁法

1、第六节地磁感应类电法：电磁剖面法、电磁测深第六节地磁感应类电法：电磁剖面法、电磁测深法法1、电磁法理论基础、电磁法理论基础 交变电磁场中岩矿石电磁学性质：交变电磁场中岩矿石电磁学性质：传导电流：与电阻率传导电流：与电阻率有关。有关。位移电流：与介电常数位移电流：与介电常数有关。有关。磁导率磁导率: 真空中真空中4 10-7H/m介电常数介电常数：真空中：真空中8.85 10-12F/mEDHBtEEjjjD 均匀交变电磁场在导电介质中的传播均匀交变电磁场在导电介质中的传播:麦克斯韦方程组：麦克斯韦方程组： 式中：式中：H为磁场强度，为磁场强度，E为电场强度，为电场强度，D为电位移，为电位移，B

2、为磁为磁 感应强度，感应强度，j为传导电流密度，为传导电流密度，q为自由电荷，为自由电荷， dD/dt为位移电流密度。为位移电流密度。qDBtBEtDjH0EDHBEj 在电法勘探中，导电介质内：在电法勘探中，导电介质内：可得电极方程：可得电极方程：高频场、高阻介质，上式右端第一项可忽略。这时方程变高频场、高阻介质，上式右端第一项可忽略。这时方程变为纯波动型的。为纯波动型的。低频场、良导介质，上式右端第二项可忽略，方程变为热低频场、良导介质，上式右端第二项可忽略，方程变为热传导型的（或扩散性的）传导型的（或扩散性的）。0 D222222tEtEEtHtHH由此可见，在导电的强吸收介质中，电磁扰

3、动的传播是不由此可见，在导电的强吸收介质中，电磁扰动的传播是不按波动规律的，而是按着扩散规律传播的。按波动规律的，而是按着扩散规律传播的。 2、地下交变电磁场的结构特点、地下交变电磁场的结构特点 a、谐变场的传播：、谐变场的传播： 谐变场的结构特点：谐变场的结构特点：谐变场是频率域法中谐变场是频率域法中常用的波场。其中场强、电流密度以及其它量常用的波场。其中场强、电流密度以及其它量均按余弦或正弦规律变化。均按余弦或正弦规律变化。titieEEeHH00谐变场的传播：谐变场的传播：其微分方程其微分方程亥姆霍兹齐次方程亥姆霍兹齐次方程 式中式中k称为波数（或传播系数）。称为波数（或传播系数）。 在

4、导电介质中忽略位移电流时：在导电介质中忽略位移电流时：EkEHkH2222iiqk22在不同介质的分界面上，即在在不同介质的分界面上，即在 或或 出现不连续出现不连续处，满足边界条件：处，满足边界条件： 脚标脚标 t 表示切向分量，表示切向分量，n 表示法分量。表示法分量。nnnnttttBBEDHHEE21212121 谐变场的激发：谐变场的激发：借肋于交流电的发射装置，如振荡器、借肋于交流电的发射装置，如振荡器、 发电机等，在地中及空气中建立谐变场。激发方式一发电机等，在地中及空气中建立谐变场。激发方式一般为接地式的和感应式。般为接地式的和感应式。接地式：与直流电法一样利用接地式：与直流电

5、法一样利用A、B供电电极将交流电源供电电极将交流电源 直接接到大地，激发出交变电磁场。直接接到大地，激发出交变电磁场。感应式：在地表敷设通有交变电流的不接地回线或者多匝感应式：在地表敷设通有交变电流的不接地回线或者多匝 的小型发射线圈的小型发射线圈磁偶极子，激发出交变电磁偶极子，激发出交变电 磁场。磁场。谐变场激发方式谐变场激发方式 均匀大地表面上谐变偶极子场源的电磁场：均匀大地表面上谐变偶极子场源的电磁场：x、y轴轴位于水平面内，位于水平面内，z轴向下，在电阻率为轴向下，在电阻率为的均匀大地表面上：的均匀大地表面上： 式中式中I0、K0、I1、K1为贝塞尔函数，为贝塞尔函数，r为收为收-发距

6、，发距，k为传播系数，为传播系数，PE为电偶极距，为电偶极距， 为为r方向与方向与x轴的夹角。轴的夹角。3)33(1sin2)(sin2)sin41(2)(8cossin40cossin23)1 (2cos3222240110211220110113323krEzEyExzEykrExerkkrkrPHKIKIkrKIrPHKIKIkrKIrPHErPEekrrPE b、平面电磁波的传播：、平面电磁波的传播： 平面电磁波的结构特点：平面电磁波的结构特点：在无限均匀介质中，在无限均匀介质中，同一相位面为平面的电磁波称为平面电磁波。若同一相位面为平面的电磁波称为平面电磁波。若在这一平面上场振幅为常

7、数，则称为均匀平面电在这一平面上场振幅为常数，则称为均匀平面电磁波，否则为非均匀平面电磁波。磁波，否则为非均匀平面电磁波。 平面电磁波的传播：平面电磁波的传播：在电阻率为在电阻率为的均匀介质中选的均匀介质中选择择X和和Y轴位于波的极化平面上，轴位于波的极化平面上，Z轴位于波的传播方向轴位于波的传播方向上，则电磁场的分量为：上，则电磁场的分量为：上式为复数式，且沿上式为复数式，且沿z轴的正方向按指数规律衰减轴的正方向按指数规律衰减.) 1)(1(21) 1)(1(210,0,221111111iiabkEeCiEeCiEHekCHekCHZzkyyzkxxZzkxyzkyxEx分量振幅和相位分别

8、为：分量振幅和相位分别为： b为振幅衰减系数，为振幅衰减系数，a为相位系数。为相位系数。 电场沿电场沿Z轴方向前进轴方向前进1/b距离时，振幅衰减为距离时，振幅衰减为1/e倍。倍。习惯上将距离习惯上将距离1/b称为电磁波的趋肤深度。称为电磁波的趋肤深度。2)()2(aztteCEeeCEbzxxzatibzxx趋肤深度亦可写为：趋肤深度亦可写为： 电磁波的趋肤深度随电阻率的增加和频率的降低电磁波的趋肤深度随电阻率的增加和频率的降低而增大。所以，为了进行深部地质调查应采用较低的而增大。所以，为了进行深部地质调查应采用较低的工作频率。工作频率。 mfHzm503 平面电磁波传播中的波阻抗平面电磁波

9、传播中的波阻抗Z： 在均匀介质中电场在相位上落后于磁场在均匀介质中电场在相位上落后于磁场/4。这是通。这是通过测量相互正交的电场和磁场分量确定介质电阻率的计算过测量相互正交的电场和磁场分量确定介质电阻率的计算公式。如果介质为非均匀的，则计算的电阻率为视电阻率公式。如果介质为非均匀的，则计算的电阻率为视电阻率。如果介质电阻率为已知，则可确定介质的磁导率。如果介质电阻率为已知，则可确定介质的磁导率。2241;1ZZeZiiiZi c、瞬变场的传播：、瞬变场的传播： 瞬变场的结构特点：瞬变场的结构特点：瞬变场是指那些在阶跃电流瞬变场是指那些在阶跃电流 源作用下，地中产生的过渡源作用下，地中产生的过渡

10、 过程感应电磁场。因为这一过程感应电磁场。因为这一 过渡过程的场具有瞬时变化过渡过程的场具有瞬时变化 的特点，故取名为瞬变场。的特点，故取名为瞬变场。 瞬变场的激发：瞬变场的激发：与谐变场情况一样，其激发方向也有与谐变场情况一样，其激发方向也有 接地式和感应式两种。在阶跃电流接地式和感应式两种。在阶跃电流 （通电或断电）的强大变化磁场作（通电或断电）的强大变化磁场作 用下，良导介质内产生涡旋的交变用下，良导介质内产生涡旋的交变 电磁电磁 场，其结构和频谱在时间与空场，其结构和频谱在时间与空 间上均连续地变化。间上均连续地变化。谐变场和瞬变场涡旋电流结构谐变场和瞬变场涡旋电流结构 瞬变场的参数：

11、瞬变场的参数：瞬变电磁场状态的基本参数是时间。瞬变电磁场状态的基本参数是时间。 这一时间依赖于岩石的导电性和收这一时间依赖于岩石的导电性和收 发距。研究瞬变电磁场随时间的发距。研究瞬变电磁场随时间的 变化规律，可探测具有不同导电性变化规律，可探测具有不同导电性 的地层分布纵向电导。也可以发现的地层分布纵向电导。也可以发现 地下赋存的较大的良导矿体。地下赋存的较大的良导矿体。 在频率域中电场强度按指数规律衰减。在频率域中电场强度按指数规律衰减。均匀大地表面上阶跃偶极子场源的电磁场均匀大地表面上阶跃偶极子场源的电磁场（瞬变电磁法的理论基础）（瞬变电磁法的理论基础）远区（早期）的瞬变电场规律：波区范

12、围内电场强度与介远区（早期）的瞬变电场规律：波区范围内电场强度与介质电阻率成正比质电阻率成正比近区（晚期）的瞬变电场规律：近区（晚期）的瞬变电场规律： 41022rPEMt25031)(40trPEMt3、 电磁剖面电磁剖面法法电磁剖面法电磁剖面法：主要应用于矿床普查、地质填图、工程地主要应用于矿床普查、地质填图、工程地 质、水文地质调查。可分为人工主动源质、水文地质调查。可分为人工主动源 电磁剖面法和被动源方法两类：电磁剖面法和被动源方法两类： a 、人工主动源电磁剖面法人工主动源电磁剖面法： 研究深度为几十米到一、二百米。研究深度为几十米到一、二百米。 包括包括不接地回线法、电磁偶极剖面法

13、、航空电磁法不接地回线法、电磁偶极剖面法、航空电磁法 等。等。 这些方法这些方法 既可在频率域中采用，也可在时间域中采用。既可在频率域中采用，也可在时间域中采用。航空电磁法航空电磁法：在实际工作中，航空电磁法不局限于直找矿，：在实际工作中，航空电磁法不局限于直找矿，应用范围较广。应用范围较广。 b、被动源电磁剖面法：主要有、被动源电磁剖面法：主要有甚低频法甚低频法和和大地电磁法大地电磁法。 甚低频法甚低频法：世界上许多国家为了潜艇通讯及导航目的，设立了：世界上许多国家为了潜艇通讯及导航目的，设立了强功率的长波电台。其发射频率在强功率的长波电台。其发射频率在1525kHz范围内，甚低频范围内，甚

14、低频电台发射的电磁波，在远离电台地区可视为典型的电台发射的电磁波，在远离电台地区可视为典型的平面波平面波。这。这种电磁波适合做电导率填图，还可用于探测大的断层、破碎带、种电磁波适合做电导率填图，还可用于探测大的断层、破碎带、石墨化地层和矿化带，在有利条件下还可探测浸染和块状硫化石墨化地层和矿化带，在有利条件下还可探测浸染和块状硫化矿。矿。 大地电磁剖面法大地电磁剖面法：研究深度可达到结晶基底，可提供研究区域的：研究深度可达到结晶基底，可提供研究区域的基础资料。基础资料。4、 电磁测深法电磁测深法：根据电磁感应原理研究天然或人工根据电磁感应原理研究天然或人工 （可控）场源在大地中激励的电磁（可控

15、）场源在大地中激励的电磁 场场 分布，由观测到的电磁场值来研究地分布，由观测到的电磁场值来研究地 电参数沿深度的变化。电参数沿深度的变化。目前常用方法包括：目前常用方法包括：天然大地电磁测深方法、人工源天然大地电磁测深方法、人工源 频率电磁测深方法（简称频率测频率电磁测深方法（简称频率测 深法）、人工源瞬变电磁测深方深法）、人工源瞬变电磁测深方 法（简称瞬变测深法）法（简称瞬变测深法）。天然大地电磁测深方法、人工源频率电磁测深方法天然大地电磁测深方法、人工源频率电磁测深方法（简称频（简称频 率测深法）、率测深法）、可控源音频大地电磁测深法可控源音频大地电磁测深法（ CSAMT）属于频率属于频率

16、域方法，通过改变频率来控制探测深度。域方法，通过改变频率来控制探测深度。人工源瞬变电磁测深方法人工源瞬变电磁测深方法（简称瞬变测深法）（简称瞬变测深法）为时间域方法。为时间域方法。应用方向：应用方向：在我国，在我国，电磁测深方法主要用于观测地壳和上地幔物电磁测深方法主要用于观测地壳和上地幔物 质结构、普查石油天然气、煤田、地热田、寻找地质结构、普查石油天然气、煤田、地热田、寻找地 下水和金属矿产过程。下水和金属矿产过程。大地电磁测深法大地电磁测深法：设平面电磁波垂直射入地面，：设平面电磁波垂直射入地面， n层水平层水平层状介质的层厚度为层状介质的层厚度为hn，电阻率，电阻率 n，界面深度，界面

17、深度dn，每，每层波数层波数kn。对于任意层，场变量的基本方程为：对于任意层，场变量的基本方程为：根据均匀场的特点，由亥姆霍兹方程得电磁场的解为：根据均匀场的特点，由亥姆霍兹方程得电磁场的解为：)(1(E;222AkAiAHAkA)()()()(kzykzyykzxkzxxkzxkzxykzykzyxebeaiEebeaiEebeakHebeakH对于任意层，阻抗为：对于任意层，阻抗为：设第推函数设第推函数Rn为：为： 则第一水平层阻抗则第一水平层阻抗Z1、电阻率、电阻率 1和地表阻抗和地表阻抗Z10关系可写为：关系可写为：nyxnHEZ )(11nnnnnnRkkarthhkthR20101

18、11011ZRkiZ 由上式，得出大地电磁法所测得的视电阻率的模或振由上式，得出大地电磁法所测得的视电阻率的模或振幅具有以下形式：幅具有以下形式：按这种方法确定的视电阻率称为按这种方法确定的视电阻率称为卡尼亚视电阻率卡尼亚视电阻率。大大地地电电磁磁测测深深两两层层曲曲线线2101ZT大大地地电电磁磁测测深深三三层层曲曲线线频率电磁测深法频率电磁测深法：采用电或磁偶极场源，：采用电或磁偶极场源，用改变频率的方用改变频率的方法来控制探测深度法来控制探测深度，而不用增加供电电极距，而不用增加供电电极距AB。对。对地层的分辩力强；勘探深度较大等。近年来，频率深地层的分辩力强；勘探深度较大等。近年来，频

19、率深法已成为国内外应用较广的一种测深方法。法已成为国内外应用较广的一种测深方法。 频率测深视电阻率：频率测深视电阻率：s为接收线框面积，为接收线框面积，n为匝数。为匝数。ABnsrKMNABrKIUKIUKzxzzxxHEHHEE3243K型断面频率测深曲线型断面频率测深曲线A型断面频率测深曲线型断面频率测深曲线H型断面频率测深曲线型断面频率测深曲线 瞬变电磁测深法瞬变电磁测深法 即时间域瞬变电磁测深法，是近年来发展很快的即时间域瞬变电磁测深法，是近年来发展很快的 电法勘探的分支方法电法勘探的分支方法 。应用方法：应用方法：在阶跃脉冲作用下，良导地层中产生的瞬变涡在阶跃脉冲作用下，良导地层中产

20、生的瞬变涡 流电磁场持续时间较长，流电磁场持续时间较长，所以在沉积岩地层所以在沉积岩地层 内寻找和确定良导地层空间状态时可给出较内寻找和确定良导地层空间状态时可给出较 好的结果。因此，好的结果。因此，瞬变测深法主要用于用于瞬变测深法主要用于用于 解决油天然气、煤系以及地热勘探等地质问解决油天然气、煤系以及地热勘探等地质问 题。题。 瞬变场的参数：瞬变场的参数：瞬变电磁场状态的基本参数是时间。瞬变电磁场状态的基本参数是时间。 这一时间依赖于岩石的导电性和收这一时间依赖于岩石的导电性和收 发距。研究瞬变电磁场随时间的发距。研究瞬变电磁场随时间的 变化规律，可探测具有不同导电性变化规律，可探测具有不

21、同导电性 的地层分布纵向电导。也可以发现的地层分布纵向电导。也可以发现 地下赋存的较大的良导矿体。地下赋存的较大的良导矿体。 在频率域中电场强度按指数规律衰减。在频率域中电场强度按指数规律衰减。水平层状大地的瞬变电磁测深法计算公式：水平层状大地的瞬变电磁测深法计算公式： 对于水平多层介质的瞬变电磁测深计算公式，多采用对于水平多层介质的瞬变电磁测深计算公式，多采用余弦变换或逆拉氏变换方法求解。余弦变换或逆拉氏变换方法求解。111121222212111111QeQeQRdieRhkhktiT三层瞬变电磁测深曲线三层瞬变电磁测深曲线(a)H型断面测深曲线型断面测深曲线;(b)K型断面测深曲线型断面

22、测深曲线;(c)A型断面测深曲线型断面测深曲线;(d)Q型断面测深曲线型断面测深曲线瞬变电磁测深法的特点瞬变电磁测深法的特点(1)由于TEM是在无一次场背景情况下观测二次场，即观测的是纯异常，自动消除了FEM中的主要噪声源装置耦合噪声，从而提高了探测精度。(2) 装置形式灵活多样，可随不同工程任务的要求和施工场地的条件来选择合适的装置。具有施工方便、测地工作简单、工作效率高及地质效果好等优点。使用同点装置工作，与欲探测的地质对象能达到最佳的耦合，取得的异常幅度强、形态简单、分层能力强，从而具有较高的探测能力，并且受到旁测地质体的影响也是最小的。(3)对于受到导电围岩及导电覆盖层等地质噪声干扰的

23、“矿异常”的区分能力优于FEM。在高阻围岩条件下，不存在地形起伏引起的假异常；低阻围岩起伏地形引起的异常也比较容易识别。 (4)在TEM测量中，对于线框铺设的点位、方位及形状等的要求相对于FEM可以放宽，测地工作简单，工效高。(5)由于采用不接地回线，不存在接地电阻问题，在基岩出露区、冻土带、沙漠、水泥路面、河湖海水面上均可进行测量。具有施工方便、工作效率高及地质效果好等优点。(6)在剖面测量中，由于采集不同时间段的数据，通过数据处理可以得到同一点的测深资料，从而在剖面测量中完成了相应区域的测深测量，提供的地电信息丰富，便于资料的解释；(7) 可通过选择不同的时间窗口进行观测，有效地压制地质噪

24、声，可获得不同勘探深度。可用加大发射功率的方法增强二次场，从而增加勘探深度。有穿透低阻覆盖能力，探测深度大。在目前的技术条件下，勘探范围浅可至几米、深可达几千米；随着采集仪器、资料处理解释方法的进步，勘探深度范围还能进一步的扩大。(8)TEM的应用领域相对更加广泛。瞬变电磁法可以解决的应用领域相对更加广泛。瞬变电磁法可以解决的地质问题有：能源、矿产勘查、水文、工程、环境地的地质问题有：能源、矿产勘查、水文、工程、环境地质调查、考古探测等。质调查、考古探测等。1000110012001300140015001600170018001200-900-800-700-600-500-400-300-

25、200-100020253035404550556065707580859095100105110115120E副井1000110012001300140015001600170018001280-900-800-700-600-500-400-300-200-100-900-800-700-600-500-400-300-200-100E主井020253035404550556065707580859095100105110115120 山东科技大学4000 4050 4100 4150 4200 4250 4300 4350 4400 4450 4500 4550 4600 4650 47

26、00 4750 4800-1200-1100-1000-900-800-700-600-500-400-300-200-10020242832364044485256606468727680848894100110120135150180250华丰煤矿-1100水平瞬变电磁勘探200-3线视电阻率断面图比例尺： 1:5000附 图 2-134 煤RP4000 4050 4100 4150 4200 4250 4300 4350 4400 4450 4500 4550 4600 4650 4700 4750 4800-1200-1100-1000-900-800-700-600-500-400-

27、300-200-10020242832364044485256606468727680848894100110120135150180250华丰煤矿-1100水平瞬变电磁勘探500-3线视电阻率断面图比例尺： 1:5000附 图 2-164 煤RP100180260340420500580660740820900980106011401220130013801460154016201700178018601940202021002180-1200-1100-1000-900-800-700-600-500-400-300-200-1000820 线 视 电 阻 率 断 面 图附 图 5-3标(

28、m)测 点 号 (m)19煤奥 灰付 村 断 层高050100150200250300350400450-600-500-400-300-200-1000100200-600-500-400-300-200-1000100200垂直断层-850 视电阻率断面图19煤19煤附图5-20标高(m )测点号(m )F颜050100150200250300350400450500-600-500-400-300-200-1000100200 -1000 视 电 阻 率 断 面 图19煤附 图 5-22标 高(m)测 点 号 (m)F颜100 140 180 220 260 300 340 380 42

29、0 460 500 540 580 620 660 700 740 780 820 860 900 940 980 10201060110011401180122012601300134013801420146015001540158016201660170017401780182018601900400-1000-900-800-700-600-500-400-300-200-100-1000-900-800-700-600-500-400-300-200-100可控源音频大地电磁测深法可控源音频大地电磁测深法原理 CSAMT法是可控源音频大地电磁法的简称。该方法是九十年代才兴起的一种地球物理新技术，它基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组导