CSAMT理论问题及进展

1、CSAMT理论问题及进展 中南大学信息物理工程学院 汤井田 2021年6月11日. 长沙CSAMT根本理论、问题及进展内容提纲 一、大地电磁场与MT/AMT二、卡尼亚电阻率的畸变三、CSAMT测量方式：CSAET四、静态效应及压制五、场源的阴影与附加效应六、CSAMT研究进展七、完毕语 大地电磁场与MT/AMT大地天然电磁场勘探深度与纵向分辨率平面波阻抗与卡尼亚电阻率卡尼亚电阻率与直流视电阻率MT/AMT及CSAMT大地电磁场：大地电磁场或天然电磁场，指由太阳风以及雷电活动等地球外层空间场源引起的区域性乃至全球性的天然交变电磁场。MT/AMT：大地电磁场以平面波形式垂直入射地外表，观测相互垂直

2、的电磁场分量，计算Cagniard电阻率，研究地下电性分布能量大、频谱连续、范围宽、寂静频带：近DC-nX1000Hz，1Hz/1000Hz信噪比低、随机极化：屡次叠加、张量测量、远参考、Robust估计人文电磁场：频谱扩展，100KHz，长波电台、通讯、电力、雷达等频率(Hz)电场(mv/km)磁场(nT)全球电磁场强度平均振幅特征(compell,1967) 趋肤深度 ：均匀有耗介质中，一维平面电磁波的通解：电磁波能量随传播距离按指数衰减。当电磁波能量衰减到1/e的距离称为趋肤深度=1/b 。在准静态极限下：勘探深度：一般取趋肤深度，也可以按Bostick深度计算，约相当于电磁波能量衰减5

3、0%：频率越高，勘探深度越浅；频率越低，勘探深度越大。因此，改变频率，可以获得电性随深度的变化规律，即频率测深。纵向分辨率：纵向分辨率主要受电阻率、频率采样时间及频点抽样密度时窗影响。一般情况下，频率越低、电阻率越高，勘探深度越大，纵向分辨率那么越低。在不考虑收发距、仪器灵敏度、观测误差等因素影响时，可以将纵向分辨率定义为：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,那么4Hz的勘探深度为3080米，即在3080-3560米的480m厚度内只有一个采样点，显然其间的地质构造是无法详细分辨的，纵向分辨率约为13.4%；但如果频率抽样间隔为，在同样深度内有

4、10个采样点，纵向分辨能力提高为1.6%。因此，提高频率抽样密度或减小频比是提高纵向分辨率的有效手段。电磁波在耗散介质中的扩散性，决定了电磁勘探的纵向分辨特点体积勘探，也决定了电磁勘探是“找头容易找尾难，因为感应或涡旋电流一经产生，就会影响后续频率或时间上的测量结果。平面波阻抗 ：垂直入射均匀半空间外表的平面电磁波：卡尼亚电阻率：根据波阻抗可以定义视电阻率：E以mv/km为单位，H单位为均匀半空间模型 直流视电阻率：欧姆定律，反映介质对传导电流的电阻特性，受排列与电阻率影响卡尼亚电阻率：传播波数，反映介质对电磁波的扩散、传播特性，受复电导率、磁导率、介电常数、频率的综合影响。在一样的断面上，变

5、化规律与电测深曲线有差异。只有在理想条件下，在量值上才与直流电阻率相等二层直流电测深曲线(Schlumberger排列) 二层卡尼亚电阻率与相位曲线 MT/AMT优点天然场源，能量大，频谱宽勘探深度大：nX10m-nX100Km模型简单：多极化平面电磁波，正演、反演解释容易穿透力强：不受高阻电性层屏蔽地形影响相对小工作相对简便：无需人工场源平面波阻抗：无需场源信息，精度高，抗干扰力相对强MT/AMT缺点：随机信号，信噪比低，采集时间长，预处理复杂1971年，Straway与Goldstein提出用人工场源替代天然场源，在远区测量相互正交的水平电磁场分量，计算卡尼亚电阻率，以抑制AMT缺点，保存

6、其优点，即CSAMT CSAMT电阻率的畸变水平电偶极子的电磁场感应数与远区、近区电磁场波区视电阻率全区视电阻率其他视电阻率水平层状半空间上电偶极子的电磁场：水平层状介质上的水平电偶极子 N=1时均匀半空间外表：感应数：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。p1 即电距离“远时的场称为“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“中间区近区电磁场 p1 以弛豫频率为极限极化速度远小于场变化频率，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；磁场与电导率和频率平方根反比，对

7、电阻率没有电场灵敏，即磁场相对均匀，是感应场；垂直磁场对电导率更灵敏，但衰减也更快；水平电场与磁场随收发距变化规律一样；波阻抗与电阻率和频率平方根正比，与场源参数无关，与平面电磁波阻抗完全一样。其他场源有类似结论。即任意人工场源在远区的电磁场都类似于非均匀的平面电磁波，波阻抗表达式与平面电磁波阻抗完全一样，可与MT一样，定义卡尼亚电阻率。过渡带电磁场 p1 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“凹陷波阻抗与场源参数有关

8、。在直角坐标下，Ex:mv/km，Hy:nT均匀大地与层状大地上的电磁场与卡尼亚电阻率 波区视电阻率：除卡尼亚电阻率外，利用远区电磁场近似表达式，还可以定义以下的波区视电阻率。在远区，波区视电阻率可以客观地反映电性变化规律，过度带和近区那么有不同的畸变；一级近似上，近区不具备频率测深意义，对畸变的改正只有修饰价值。但假设能提取出高次感应项，近区场也可以利用；过渡带电磁场是电导率、频率的复杂函数，具有利用价值，对畸变的正确修正有意义；比值视电阻率不能提供更多信息，但可以压制同向干扰或消除场源影响，提高精度；波阻抗实部定义的视电阻率能充分接近各层真电阻率，范围较窄，假极值最小；波阻抗虚部定义的视电

9、阻率效果最差，范围最宽且出现明显的假极值。其他视电阻率介于两者之间。二层D和三层A断面上不同视电阻率比照r=6 km 三层Q断面上不同视电阻率比照 三层K断面上不同视电阻率比照 全区视电阻率：过渡带和近区畸变影响CSAMT资料处理与解释，容易造成错误的判断，它是由视电阻率定义造成的，有很多校正方法，以等效阻抗计算的全区视电阻率最系统，具代表性。 朴化荣等：“ 三角形改正；曾刚平等：K值校正法；Zonge等：归一化方法；Maciness迭代法；独立的AMT低频测量；Bartel和Jacobsen图解法；多项式拟合法；汤井田：全区视电阻率；其它视电阻率定义。云雾山隧道243点CSAMT视电阻率曲线

10、 过渡带的低谷常被认为是“低阻异常直角坐标下，均匀半空间外表电磁场表达式为：其中：那么可定义如下视电阻率和相位：理论分析和数值计算说明：在波区，全区视电阻率收敛于相应的波区视电阻率。在近区，全区视电阻率收敛于相应的近区视电阻率定义，或收敛于一个稳定值。均匀大地时，此稳定值为大地真电阻率；非均匀介质时，该值由地电参数和发收距决定。在过渡带，随电距离的增加，全区视电阻率自适应的由波区特性转变到近区特性，因此它可消除非波区的畸变效应。等效相位有同样的特性。 均匀半空间上各种全区视电阻率和波区视电阻率曲线比照 a水平电偶极子源； b垂直磁偶极子源曲线分别为电场、水平磁场、阻抗、垂直磁场和磁场比值定义的

11、波区视电阻率。1,2,3,4,5为相应的全区视电阻率 水平电偶源卡尼亚电阻率及全区视电阻率曲线比照曲线为卡尼亚电阻率，1,2为波阻抗全区视电阻率 水平电偶源卡尼亚电阻率、电场电阻率、及全区视电阻率曲线比照曲线为波区电阻率，1,2为全区视电阻率 水平电偶源阻抗实部、水平磁场电阻率及全区视电阻率曲线比照曲线为波区电阻率，1,2为全区视电阻率 水平电偶源垂直磁场、磁场比值电阻率及全区视电阻率曲线比照曲线为波区电阻率，1,2为全区视电阻率 三维模型及实测卡尼亚电阻率与全区视电阻率拟剖面图(a)卡尼亚电阻率，(b)全区视电阻率 其他视电阻率：以Ey为例。直角坐标下，Ey与频率无关，可定义：卡尼亚电阻率与

12、Ey电阻率比照(a)卡尼亚电阻率，(b)全区视电阻率 CSAMT测量方式：CSAET张量CSAMT矢量CSAMT标量CSAMT标量CSAETCSAMT覆盖范围CSAMT根本特点CSAMT测量方式示意图张量CSAMT:构造复杂地区或点距比地质构造尺寸大很多时；矢量CSAMT：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。标量CSAMT:对于一维的层状条件或者走向的二维条件是足够了，在更复杂的条件下，那么取决于数据的密度。标量CSAMT测量的本钱相当低，这就是为什么至今取得的CSAMT资料绝大局部是标量结果。标量CSAET：仅测量Ex或Ey而不系统地测量磁场，用个别点上磁场将电场值转换

13、为近似的卡尼亚电阻率。CSAET是目前商业仪器和野外通常采用的。它要求在发射偶极中垂线的15的扇形区域内测量。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那么会引起麻烦。CSAET也得不到有意义的相位资料。典型的标量CSAMT工作布置图CSAET引起的视电阻率误差标量CSAMT覆盖范围示意图 CSAMT根本特点：工作效率高。可在很大的扇形区域内测量。勘探深度范围大。几十米至二三千米。垂向分辨率高。厚度埋深之比在10%20%。水平分辨率高。约等于接收电偶极长度。地形影响小。电磁场比值，地形影响大为减弱；平面波场区内地形影响也小。高阻层的屏蔽作用小。

14、立体观测。面积性的CSAMT相当于一种三维的立体地电填图，因此对于查明地下构造、 追踪其平面变化特别有效。 CSAMT覆盖范围： 静态效应及压制静态效应的物理原因静态效应的特点电磁列阵排列剖面法(EMAP)小波变换与静态效应识别、压制静态效应的物理原因:在测量电场的频率测深中，静态效应是很麻烦的问题。这种效应总是与二维或三维构造相关。它一般是由于近地表的电性横向不均匀性或地形起伏引起的，并且在某种程度上影响所有的电场测量。这些非均匀体外表上的电荷分布可使电场数据向上或向下移动一个数值，这个数值与频率无关。因此视电阻率曲线也发生移动，但相位曲线根本不受影响。如果视电阻率曲线向上或向下移动一个数值

15、，并仍保持平行，但相位曲线保持重合，那么认为是静态位移。静态效应的强度可达两个数量级，在推断深度时会引起大的误差，并使构造的解释复杂化。 在不均匀体外表，电场法向分量不连续：频率域中有：考虑准静态极限时：这个外表电荷密度很小，是静态位移的物理原因。当趋肤深度比不均匀体的尺寸大许多时，便可觉察到这种外表电荷的影响。它产生的附加电场为：静态效应的特点: 当波长与物体尺寸之比为中等并且直接在物体上作测深时，是可以直接分辨物体的，但在低频段视电阻率曲线存在偏移。当波长与物体尺寸之比很大时，并且测深点在物体上或以外，物体是不可分辨的；在严格的二维条件下，只有TM方式受影响。在三维条件下，TE和TM方式都

16、受到影响。 三层介质中嵌入一局部三维不均匀体a. MT500无静态偏移；b. MT0曲线明显下降,但TE,TM重合；c. MT18,TE,TM曲线均向下移；d. MT25,TE,TM曲线分别向上,下移 均匀半空间中无限长导电半圆柱上方静态效应示意图测深曲线D对不均匀有反映，但不能反映出圆柱下方均匀半空间的真电阻率值。想像中，曲线C的高频段应和D类似，反映浅部导体。但事实上它没有探测到半圆柱的存在，而是整个曲线向下平移了。B曲线那么都向上平移，但曲线形态无任何变化。除曲线D的高频段外，其余各点的相位曲线是一致的，没有受到静态效应的影响，因为相位与电阻率的导数成正比。 澳大利亚某地矢量CSAMT中

17、静态位移K.L. Zonge该区地面平坦，薄冲积层覆盖在电阻性基底上。矿化带走向NE-SW。图中相邻2个测点的TE方式除在最高频率端以外是一样的，其差异是35点更直接位于近地表的导电带上，因此TE数据分辨出了地表导体，并显示出很小的负静态位移非完全二维导体造成的。TM方式数据显示出两种效应： 在高频段明显分辨了导体， 以及由于导体存在引起的静态位移， 一旦频率低了， 就不能直接分辨导体了。 电磁阵列剖面法(EMAP) 小波变换与静态效应识别、压制阻抗张量分析法 联合反演方法 辅助资料的静态校正法 利用相位资料的静校正方法 直接的二维反演方法空间滤波法(平移直接利用浅地表勘探静态效应的校正方法:

18、 由于静态效应在解释深部地质构造时，会引起极大误差，必须进展矫正。有三类主要的方法：理论计算、空间滤波和直接反演。电磁列阵排列剖面法EMAP, Bostick,1986：以小极距首尾相接连续地观测电场，将计算的卡尼亚电阻率作为二度空间，用自适应低通滤波器做滤波，获得静态校正后的视电阻率。EMAP方法的关键是选择合理的滤波器， 截止频率与不均匀体尺寸有关；窗口面积保持不变，但宽度随趋肤深度呈正向变化。宽度为W的汉宁窗H(x)的表达式为： 汉宁窗示意图离散的汉宁窗H(x)可以写为： N1和N2为整数， 它表示汉宁窗两个端点的电极编号， a为汉宁窗中心点， g为矩形函数，L为两相邻电极的距离，为权函

19、数， 事实上它为每个矩形函数的高度。离散的汉宁窗由一系列高度为的矩形函数所组成。 1保持h(x)的面积不变， 并将其单位化：2保持连续汉宁窗和离散汉宁窗间的差在最小二乘意义上最小：取最小。3保持汉宁窗的宽度W与巴士蒂克穿透深度成正比 C是实常数。C过大将损失横向细节，过小起不到应有作用。一般1C4 EMAP的数值例子(a)模型;(b)卡尼亚电阻率断面图;(c)EMAP和Bostick反演结果静态效应在图中十分强烈，拟断面图主要表现为垂直条带状，无法分辨出水平两层，也看不出1m低阻块的存在。经EMAP和Bostick反演，尽管静态效应仍有残留，但断面的两个主要特征都反映出来了， 即在400 m左

20、右有一水平低阻体和在4000 m以下有低阻层。 华东某地CSAMT的EMAP计算实例a卡尼亚电阻率断面图；b)EMAP和Bostick反演结果中部1 Hz左右出现了明显的低阻异常。该地区主要为厚层灰岩，测线中间是向斜轴部，在地形上中间稍低，两侧稍高，中间第四系覆盖层较厚约3050 m，形成了明显的静态效应，使剖面中部的视电阻率普遍降低，再加上过渡带的影响，从而形成了假的局部低阻异常。取滤波后，再经巴士蒂克反演，得到的是一个向斜，与地质情况一致。后经钻探验证，在400m有破碎带，电阻率约200 m，不可能形成图中的低阻异常。小波变换与静态效应的识别与压制：EMAP是目前压制静态效应的常用方法，但

21、C有很大的人为因素。波数域和空间域滤波的缺乏原因在于其所使用的是Fourier分析，不具备局局部析能力。二、三维地质体的响应是叠加在背景电磁场中的，必然在背景电阻率中造成奇异性。当三维体埋深一定时，假设横向分布宽广，相应的异常范围也较大，从而异常的畸变相对平缓，所以异常的奇性也相对变弱。假设三维体的横向分布不变，当埋深增大时， 二次电场异常的幅度变小，从而异常的奇性也相对变弱。异常的奇异性可以用奇性指标刻画。定义：设01，函数f(x)在点x0处被认为是Lipschitz 的，当且仅当存在一个常数K0使得对的某一邻域内的一切x有不等式数学上，假设f(x)可微，那么=1；假设f(x)不连续但有界，

22、那么=0。可见，刻画了信号的奇性。结合小波变换的局部性，可具体计算的值。定理：函数f(x)在区间(a，b)上是一致Lipschitz的充要条件为存在常数K0，使得对所有的x(a，b) ，f(x) 的小波变换满足不等式 采用最优化方法即可计算值。理论上，对局部不均匀体，其异常的奇性指标为负值；对深部有一定规模的地质体，其异常的奇性指标为正值。因此，奇性指标可以识别浅部不均匀体产生的静态效应。利用Mallat多尺度分解，那么可对静态效应进展别离和压制。小波变换识别与压制静态效应流程图(a)=-0.713, (b)=.688浅部横向分布较小的二 三维地质体，异常奇性强，奇性指标为负；横向有一定规模的

23、二 三维地质体埋深可深可浅，异常奇性弱，奇性指标为正； 同一个地质体随着埋深的增加，异常奇性减弱，奇性指标逐步变大。当极距小于地质体水平尺寸五分之一时， 奇性指标为正， 反之为负。 静态效应的多尺度压制(a)卡尼亚电阻率；(b)-(d)j=2,3,4的压制结果c说明了在小波尺度图(c)中既表达浅部小三维体的存在，又反映出地下层状特征，但静态效应还没有得到良好的压制。(d)为最正确尺度的静效应压制结果，清晰地表达了图原始模型的层状特征，浅部小三维体的静态效应得到最好的压制。 老厂3线CSAMT静态效应的多尺度压制 (a)卡尼亚电阻率；(b)j=5的压制结果c说明了在小波尺度澜沧老厂为银-铅矿，矿

24、体呈块状、似层状产出于中、上石炭系火山岩中，矿区构造较复杂，地表电性极不均匀，拟剖面上卡尼亚电阻率等值线主要表现为垂直条带状，静态效应严重歪曲了的地层形态。经计算，除78点附近，其余各点的均小于零。说明在78号点附近下方存在大规模异常体。通过静态效应压制，图(b)中突出了深部电性特征和大异常体，7884之间圈定的两个低阻体与地质钻孔情况相吻合。 场源的阴影与附加效应测深通道的弯曲阴影效应场源附加效应电磁波传播示意(S2,场源效应的根源 测深通道的弯曲示意测深通道的弯曲：平面波垂直入射地表，测深通道是垂直的。但在CSAMT过渡带和近区，由于地层波没有完全衰减，波阵面将向场源方向倾斜，使测深通道发生弯曲，意味着测深点数据将被来自源方向的地质效应所“污染。 测深通道弯曲的计算模型：二维导电体在均匀半空间时的响应 近区数据对靠近场源的物体特别灵敏，这是由于测深通道的弯曲，在过渡区相似的但较小的这种趋势是由于阴影效应造成的 埋藏在半空间的二维模型体0.50.5 km的阴影效应 5号点的测深会发现1km深开场的导电异常， 但显然在这一位置的钻孔是不会成功的 阴影效应：测深通