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文档简介
第四节人工源频率测深法什么是人工源频率测深法?它是一种利用人工偶极源向地下发射电磁场,基于电磁场的趋肤效应和电磁响应,通过改变电磁场的频率,达到探测地下电性垂向分布的电磁感应法。可分为:频率测深法和可控源音频大地电磁测深法。一、基本理论
设:地下介质为均匀无限大半空间,偶极源置于地表,源-收距远大于发射源的尺度,λ<<r;大地电阻率ρ1,x轴与偶极矩方向一致,z轴向下。1、水平电偶极源的电磁场利用矢量位的亥姆霍兹方程一、基本理论
式中:I0,K0,I1,K1为零阶和一阶的第一类和第二类修正贝塞尔函数。求解出地面电磁场分量表达式2、垂直磁偶极源的电磁场利用矢量位亥姆霍兹方程求解出地面电磁场分量表达式:它要求在远区观测,场源和接收点固定不变,通过改变电磁场的频率,观测和研究电场或磁场分量的频率特性,达到垂向探测的目的。1、工作原理(1)观测装置类型可分:AB-MN装置,S-NM装置,观测EX和Ey电场分量;AB-S装置,S-S装置,观测HX,HY和HZ磁场分量。二、频率测深法(2)电磁波的类型与观测区域类型
电磁波的类型天波(S),地面波(S0),地层波(G);由于S0比G的速度快,为满足地面边界条件,形成的垂直地面水平极化的折射平面波(S*)。
电磁波的观测区域类型|k1r|»1,波(S*)区,或(G波衰减尽)远区;|k1r|«1,S(感应区,电流分布与纵向电导有关)区,或近区;|k1r|~1,中区。(3)频率测深视电阻率
水平电偶极源条件下的视电阻率a.近区电偶极源视电阻率由均匀大地电偶极源电磁场式,在|k1r|→0,考虑到可见,电偶极源在近区磁场分量与地下介质性质无关,对其无研究价值,电分量与ρ1有关。赤道装置:φ=900,有同理,轴向装置:φ=00,有b.远区电偶极源视电阻率|k1r|»1,k1r→∞,有同理:赤道装置:φ=900,有结论:场的水平分量与r3呈反比,垂直分量与r4呈反比;水平电场与频率无关,与电阻率成正比;而磁场分量,与成比例,与频率的平方根呈反比,所以分辨率低。实际工作中,视电阻率公式轴向装置:φ=00,有场的电磁分量特性与赤道装置相同。
垂直磁偶极源(赤道)条件下的视电阻率a.近区磁偶极源视电阻率由均匀大地电偶极源电磁场式,在|k1r|→0,考虑到同理有:结论:近区电磁场与地下导电性无关。在电法勘探中无意义。b.远区磁偶极源视电阻率|k1r|»1,k1r→∞,有利用有相应的视电阻率为:2、水平层状大地视电阻率特征(1)水平层状大地上水平电偶极源的电磁场设:场源为谐变型,所满足的方程:其中,矢量位只有Ax和Ay,Az=0。分离变量法,求解式中:PE=I·AB,u=强调:R为频率特征函数,除与ρi和hi有关外,还与ω有关。曲线首支(S*波区);曲线尾支(S区),趋于以63026‘角度下降的斜线渐进线。(2)水平层状大地电磁测深视电阻率特征
均匀大地半空间视电阻率曲线特征h→∞,赤道装置,水平电偶极源的电磁场的视电阻率曲线如下:
二层地电介质视电阻率曲线特征a.对于ρ2→∞,有不同收-发距的曲线曲线首支(S*波区),均趋于ρ1,出现高频段干涉性假极小值;低频尾支(S区),
出现不明显的极大值,而后趋于相同极距的直流电测深ρs值的1/2饱和值;
出现明显的极大值,而后以63026‘角度下降;随着r/h1的增加异常幅度增大。S线实质是r→∞条件的二层曲线。b.对于ρ2→0,有不同收-发距的曲线在高频左支没有特有的极小值存在,随频率的减小,出现不明显的极大值,随收发距的增大,其曲线差异变小;当r/h1>3时,曲线下降基本上全通过ρω/ρ1=1、λ1/h1=8的坐标点。当r/h1>4时,曲线也基本上全通过上述坐标点。利用此性质可解释出h1的值。
三层地电介质视电阻率曲线特征a.H型曲线特征曲线首支(S*波区),均趋于ρ1,出现高频段干涉性假极大值;随着频率的减小曲线左支出现下降至极小值,而后又上升到右支的极大值;曲线尾支(S波区),曲线以63026‘角度下降,曲线呈水平饱和直线。若ρ3→∞,曲线右支呈450直线上升,说明S区电场与直流电场规律相同。以μ2=32,γ2=4,μ3=1/28的K型曲线,与μ2=32的G型曲线对比结果如下:b.K型曲线特征r/h1≤4时,K型曲线与G型曲线重合,说明在此条件下不能发现高阻层厚度及其下的地层;r/h1>4时,随着r的增大,K型与G型曲线才逐渐分离,直到r/h1>40时,K型曲线才呈现出典型K曲线特征。3、装置最佳状态参数的选择(1)装置类型AB-MN赤道装置灵敏度最大;S-s装置灵敏度最低;AB-S与S-MN装置在AN/MN=SN/sn时,满足互换原理。中等收-发距条件下,S发射比AB发射信号低;前者勘探浅,后者勘探深;实际工作中要综合考虑地电条件;(2)工作频段原则:能获得完整频率测深曲线。利用λ1/h1≤2曲线左支出现水平渐近线的条件,有利用基底电阻率为无穷大时,曲线右支渐近线呈63026‘角下降,并与ρω/ρ1=1轴的交点坐标为:,其右支渐近线为:
有:由下表可知:r/h1=4,工作频率:10-2~109Hz。(3)装置大小的选择收-发距越小,电磁场有效作用空间范围小,探测精度高,分辨率强,可提高信噪比;但不能满足远区工作条件,观测结果曲线非标准,造成解释困难。按波区要求:r佳=(3—5)H;按发射偶极要求:AB≤r/4;兼顾二者:AB=H=r/4,MN=AB/2。4、频率测深资料的解释(1)定性解释利用视电阻率、视纵向电导断面等值线图,判断地下电性结构分布。(2)定性解释a.半定量解释趋肤理论:博斯蒂克理论等效二层地电理论b.数值解释利用二、三维正演模型进行地电断面的数值拟合反演。三、可控源音频大地电磁(CSAMT)法1、概述可控源音频大地电磁法(CSAMT)是20世纪80年代兴起的一种电磁勘探技术.由加拿大多伦多大学的D.W.Strangway教授提出的沿用AMT的观测方式的一种人工源音频大地电磁法。它通过测量电场(Ex)与磁场(By)的水平分量求取地下介质的电阻率.经过近20年的技术学习、掌握、更新和改造,在这一技术领域的理论方法、野外数据的采集、室内资料的处理和解释等方面已取得了大量的研究成果;2、CSAMT视电阻率在远区条件下,|k1r|»1,(1)地表水平电偶极源视电阻率其电磁场分量为:相应的阻抗和视电阻率公式在使用实际工作中所采用电磁场单位的计算公式:(2)地表垂直磁偶极源视电阻率同理,有可见:CSAMT法与MT法视电阻率公式相同,说明CSAMT法在远区呈现平面电磁波性质。在A点(近区,低归纳数量),接近发射机,一般认为信号具有几何学和电阻率的功能。响应和研究深度与频率无关。在过渡区(B)电和磁以及研究深度具有几何学,电阻率和频率的功能。在远区(C),大地电磁方法能被使用。区域被认为具有电阻率和频率的功能。测深原理在A点(近区,低归纳数量),接近发射机,一般认为信号具有几何学和电阻率的功能。响应和研究深度与频率无关。在过渡区(B)电和磁以及研究深度具有几何学,电阻率和频率的功能。在远区(C),大地电磁方法能被使用。区域被认为具有电阻率和频率的功能。3、CSAMT方法分类根据场源和观测方式不同,可分为:CSAET,标量CSAMT,矢量CSAMT和张量CSAMT等四种类型。标量CSAMT1个发射源1个电位方向每次调整点位有1个磁场测量每天30-60点位矢量CSAMT1个发射源2个电位方向每次调整点位有2个磁场测量每天15-30点位张量CSAMT2个发射源2个电位方向每次调整点位有2个磁场测量每天8-20点位4、CSAMT法采集系统20世纪80年代,加拿大凤凰公司(PHOENIX)和美国宗基公司(ZONGE)根据这一理论研究制造了CSAMT的测量仪器系统,编制了软件,建立了野外工作方法.GDP32-II系统接收机主要组成部分GDP32-II系统GGT-10发射机部分GDP32-II系统ZMG-10发电机部分V8系统的接收主机V8发射系统5、CSAMT的野外工作方法(1)观测区域的选择及测线布置发射有效区
标量Ex/HyCSAMT垂向区工作布置示意图(2)收发距r、发射偶极AB与测量偶极MN的选择CSAMT法因场源采用人工场,所以在采集数据时,既存在因收发距r太小,使观测区过早进人近区(或S区)的问题,又存在因r距离太大,使信噪比太低,难以保证观测精度的问题。野外生产工作如何协调二者关系,显得十分必要。根据上述的理论公式推导以及结合野外工作实践经验,认为r应满足以下两个条件:
r≥3-6H
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