【电磁法勘探方法综述6500字】

电磁法勘探方法综述1.频率电磁测深法频率电磁测深法是电磁法研究不同深度地电结构的一个重要分支。与直流电测深法不同，它是通过改变电磁场的频率来达到改变探测深度的目的。近年来，利用人工场源的频率测深在解决各种地质构造问题方面取得了良好的地质效果。由于其生产效率高、分辨率强、等效影响范围小、能穿透高电阻率屏蔽层等优点，受到勘探地球物理界的广泛重视。人工场源频率测深有两种激发方式，一种是利用接地极AB将交流电送入地面。当电源偶极子AB之间的距离不是很大时，其产生的电磁场相当于水平电偶极子场。另一种激励方式是使用不接地的框架，在施加交流电后，在框架周围形成相当于垂直磁偶极子场的电磁场。由于供电频率较低，对于大多数地下非导磁介质，位移电流的影响可以忽略不计，视为准稳定场，即电磁波的传播可以视为在远离场源的一段以平面波的形式垂直入射到地表。电源偶极子(AB)的距离一般取决于勘探对象的埋深，因为只有当极距r>0.1λ(λ为介质中电磁场的波长)时，只有地电剖面参数对电磁场观测结果有影响。因此，一般选择极距R大于研究深度的68倍，即通常在所谓的“远区”进行观测，即可揭示地电剖面参数对所测磁场的影响。由于垂直磁偶极子场比水平电偶极子场衰减得快得多，电偶极子场源常用于深度探测。然而，由于磁偶极子场是由不接地线圈激发的，因此磁偶极子源通常用于一些接地条件差的地区或解决一些浅层问题的检测中。固定极距赤道偶极子装置主要用于人工场源的频率测深。电源偶极子依次向地面提供交流电和不同频率的交流电。测量偶极子MN，观察电场水平分量Ex形成的电位差δUEx和磁场垂直分量Bx形成的感应电动势UBx，然后根据下式计算视电阻率：式中:，为电场和磁场的视电阻率(ωm)；KE和KB分别是电场和磁场的电极器件系数；UBx和UBx分别是电场水平分量形成的电位差和磁场垂直分量形成的感应电动势(v)。r是场源到观测点的距离(m)；n是接收线圈的匝数；s为面积(m2)；AB是电源极a和b之间的距离(m)。此外，通过将测量信号的相位与电源电流的初始相位进行比较，还可以获得电场和磁场的相位差和。实测视电阻率曲线一般以横坐标(T为周期)和纵坐标在对数坐标系中绘制。相位曲线在单对数坐标系中绘制，横坐标(对数)和纵坐标(算术坐标)。频率测深曲线的解释与其他测深曲线的解释相似，可以用测量板和计算机的方法进行。解释结果通常给出横截面各层的厚度和电阻率。和DC测深一样，其理论曲线按层数分为两层、三层和多层曲线。图3-35为水平二层截面的理论曲线，纵坐标为/，横坐标为，参数为。当>1时，在低频带，曲线随着频率的降低而上升，越大上升越陡。当→∞时，曲线的端点趋于干，其渐近值为。这是因为电磁波频率低，穿透深度大。第一层的影响可以忽略不计。当→∞时，尾部没有水平渐近线，而是一条与水平轴成63°25′角上升的直线。在高频带工作时，如果波长较短，第二层的存在对曲线没有影响，所以曲线前段趋于渐近线。需要指出的是，由于趋势的复杂过程，曲线的第一段存在波动现象。曲线<1可以用同样的方法分析，如图3-35的下半部分所示。图3-35平二层断面理论振幅曲线图根据地电剖面参数的不同，人工场源频率测深可分为四种三层曲线，分别称为H型、A型、K型和Q型曲线。图3-36是→∞，=和v2=4时不同极距的曲线(曲线的参数为r/h1)。曲线中段的减少反映了地电剖面中低阻中间层的存在。随着传输频率的降低，高阻层()的影响增大，曲线急剧增大，尾部与横轴呈63°23′角上升。工作频率持续降低，即当→∞时，在曲线末端出现一条平行于水平轴的水平线。当然,随着工作频率的升高，即当时→0，曲线趋于渐近线。与二层曲线类似，曲线趋于的过程也是经过数次摆动后形成的。图3-36三层H型曲线断面振幅理论曲线图图3-37是吉林省二道白河至两江的频率测深视电阻率剖面图，收发距离2900米。从图中可以看出，频率测深剖面图很好地反映了该地区的地质构造特征。其中13号和19号测点下的视电阻率等值线密集陡峭，与两侧视电阻率值明显不同，反映出断层的存在。15号测点曲线为典型的H型曲线，人机交互反演解释结果为=80ω·m、=ω·m、=1000ω·m，三个电性层分别对应图们子组、白垩系和侏罗系。反演得到的前两层总厚度约为750米，由于收发距离有限，无法穿透中生界地层，与附近600米深的钻孔穿透白垩系地层的实际情况一致。图3-37二道白河—两江剖面频率测深曲线图2.瞬变电磁法（1）瞬变电磁剖面法1）工作装置在瞬变电磁法中，常用的剖面测量装置如图3-38所示。图3-38EM剖面测量装置根据发射和接收布置的不同，可分为三种类型:同点、偶极子和大回线源。同点设备中的重叠环路是指发送环路(Tx)和接收环路(Rx)重叠敷设的设备。因为TEM法在供电和测量时间上是分开的，TX和Rx可以共用一个环路，称为同心环路。同点加载能力是频域法无法实现的装置，与地质勘探对象耦合性最好，是金属矿产勘探常用的装置。偶极装置在频域类似于水平线圈法，Tx和Rx需要保持固定的收发距离r，在瞬变电磁(TEM)法中，经常使用沿测线逐点移动观测到的dB/dt值。大回路装置的Tx采用边长几百米的矩形回路，Rx采用小线圈(探头)沿垂直于Tx边长的测量线逐点观测磁场三分量的dB/dt值。2）观测参数瞬变电磁仪系统的一次场波形、通道数及其时间范围、观测参数和计算单位因仪器而异。大多数仪器使用接收线圈来观察发送电流脉冲间歇期间的感应电压。就观测读数的物理量和测量单位而言，大致可分为以下三类。①发送脉冲电流归一化的参数:仪器读数为V(t)/I值，μA/A为测量单位。②由一次场感应电压V1归一化的参数:如加拿大Crone公司的PEM系统，在一次场即将截止的时刻，观测值由感应电压V1归一化，V1=1000，测量单位维数为1，称为Crone单位。③归一化到一定放大率的参数:例如加拿大的EM-37系统，野外观测值为：其中V(t)为接收线圈中的感应电压值(mV)；g是前置放大器的放大倍数；2N是仪器公共通道的放大倍数，N=1，2，9；m是放大后的电压值(毫伏)。3）时间响应根据傅里叶频谱分析，任何形状的脉冲信号都可以分解成相应的频谱函数。对于每个频率，地质体都有相应的频率响应。通过将频谱函数与其对应的地质体频率响应函数相乘并进行傅里叶逆变换，可以得到地质体对脉冲信号磁场的时间响应。设发射脉冲的主磁场是以t为周期的函数H1(t)，其谱函数为：其中S(w)为频谱函数；H1(t)是脉冲函数；t为脉冲周期(s)；w为脉冲角频率(rad/s)；I是时间变量，d是虚部。根据势场变化的知识，地质体次级磁场的时间函数H2(t)为：其中S(w)和D(w)分别是H1(t)和h(t)的谱函数，S(w)=f[h1(t)]；D(w)是地质体的频响函数，D(w)=F[h(t)]；f和F-1分别代表傅里叶变换和逆傅里叶变换；H(t)是地质体的脉冲滤波功能，其他符号同上。考虑到频谱函数的离散性，次级磁场的时间函数H2(t)可以写成：其中:H10为H1(t)的振幅值(m)；Sn是第n次谐波的频谱系数；Xn和Yn分别是地质体对n次谐波频率响应的实部和虚部。W0是脉冲的角频率(rad/s)。图3-39是导电球体的时间响应。从该图中的(a)可以看出，如果球体的电导率σ=1s/m，当t=12ms时，异常已经完全衰减。当电导率增加时，异常衰减变慢，延迟增加。如果σ=80s/m，当t=28ms时异常仍未衰减，但异常幅度在初始时减小。利用这一时间特性，可以在后期观测中消除干扰体的异常。图3-39导电球体时间域电磁响应为了理解以上结果，可以从频域合成时域的角度来分析。当球体的电导率很小时，球体产生的振幅和相位异常很小，所以合成的时域异常也很小；当球体电导率增大时，球体产生的振幅和相位异常场增大，所以合成的时域异常也增大；当球体的电导率继续增大时，虽然高频分量的幅度增大，但其相移趋于180°，因此高频分量对应的早期时间异常反而减小。由于低频分量综合参数处于最佳状态，低频分量对应的晚时异常幅度反而增大。这表明瞬态曲线衰减缓慢。当电导率趋于无穷大时，所有谐波的相移趋于180°，因此H2(t)的值趋于零。如果选择采样时间，改变球体的电导率，二次异常磁场的幅度变化如图3-39(b)所示。从图中可以看出，有一个对应于某个采样时间的最佳电导率值，图中曲线类似于频域的虚部，称为电导率响应“窗口”。在图3-39所示的条件下，球体的最佳导电窗口σ为10s/m..脉冲瞬变规律系统中观察到纯二次场，因此增加发射功率或提高接收灵敏度可以增加勘探深度。由于没有观测到一次场，这种方法受地形影响较小。此外，该方法可以放宽对线圈位置、方法和收发距离的要求，因此大地测量工作简单。4）典型规则导体的剖面曲线特征①球体及水平圆柱体上的异常特征如图3-40所示，同一轨迹在导电水平圆柱上的表征曲线表明，异常是一个与柱顶对称的单峰，异常随轨迹衰减的速度取决于时间常数τ，τ=μσα2/5.82。还有一个与球体顶部对称的单峰异常。球体的时间常数τ=μσα2/π2，τ柱=1.8τ球体。所以在半径A相同的情况下，球形异常随时间的衰减比水平圆柱快得多，异常范围也较小。在垂直柱上，也有类似的规则。图3-40水平圆柱体上物理模拟剖面曲线图②薄板状导体上的异常特征导电片上的异常形状和幅度与导体的倾角有关，如图3-41所示。A=90时，由于回路与导体耦合不良，异常响应小，异常形状为对称于导体顶部的双峰；峰值出现在接近背景值的最小值；不同轨迹的曲线(图3-42)除了异常的幅度和范围不同外，其他特征同上。当0<A<90时，随着A的减小，回路与导体的耦合增强，异常响应增强，但两个峰值不对称，导体一侧的峰值大于另一侧。最小值随着A的减小而略有增大，其位置也向反斜侧移动。两峰比值主要受A影响，根据物理模拟数据统计，A与主峰和次峰比值a1/a2的关系如下：其中:A为导体的倾角()；A1和a2分别是主峰和次峰。图3-41不同倾角板状体的异常比较图图3-42立板上不同测道的异常剖面如图3-43所示，在斜板的情况下，不同测量轨迹的异常剖面曲线是不同的。从后期到前期，最小值增大，略微向反斜侧移动，双峰越来越不明显。这种异常形状的变化反映了导体中涡流分布随延迟时间的变化。当A=0时，回路和导体处于最佳耦合状态，异常幅度比垂直导体大几倍。异常主要为单峰平顶，近导体边缘外无明显的二次值或偏转。图3-43斜板上不同测道的异常剖面曲线图（2）瞬变电磁测深法瞬变电磁法常用的测深装置有电偶极子、磁偶极子、线源和中心回路四种(图3-44)。中心回路装置是利用小型多匝线圈(或探头)放置在边长为L的传输回路中心的装置，常用于1km以内的浅层探测。其他主要用于深部构造勘探。图3-44TEM测深工作装置1）仪器装置常用的近区瞬变电磁测深工作装置如图3-44所示。一般认为，探测1km范围内目标层的最佳设备是中心环设备，它具有与目标层耦合性最好、受侧向和层位倾角影响小、确定的层参数相对准确等特点。线源或电偶极子源设备是探测深部结构的常用设备。他们的优点是因为有固定的场源，可以用大功率电源在场源两侧的多个点进行观察，工作效率高。该装置观测到的信号衰减速率比中心环路装置慢，信号电平比较大，有利于保证后期信号的观测质量。缺点是前支畸变段的时间窗比中心环装置向后移动，随着极距R的增大而向后扩展，大大降低了区分浅层的能力。此外，这种装置还受到侧面和倾斜地平线的很大影响。2）时间范围水平导电薄板上的理论推导结果为：其中:t为采样时间(s)；s为薄层(s)的纵向电导；是真空的渗透率，=4π×10-7H/m；h和h是目标深度和探测深度(m)。从上面的公式可以看出，目标层的探测深度是时间的函数。所以时间范围是：其中tmin和tmax分别是最小和最大采样时间；Smin和Smax分别是薄层的最小和最大纵向电导。Hmin和Hmax为最小探测深度和最大深度(m)；Hmin和hmax分别是目标的最小和最大埋深(m)。一般情况下，需要初始采样时间和最终采样时间。当没有横断面图层参数时，取h=H/2，时间范围估计公式如下：式中：t1、tn分别为起始和末测道的采样时间（s)。3.可控源音频大地电磁测深法可控源音频大地电磁测深是在大地电磁测深和可控源音频大地电磁测深基础上发展起来的一种人工源频域测深方法。它是一种基于观测超低频自然地电场和磁场的正交分量并计算视电阻率的大地电磁法。我们知道，大地电磁场的场源主要与太阳辐射相关的大气上电离层中带电离子的运动有关。频率范围从赫兹。由于频率低，MT的深部勘探深度可达几十公里甚至100公里以上，是研究深部构造的有效手段。近年来，它也被用于研究油气构造和地热勘探。（1）方法概述1）场源CSAMT属于人工源频率测深，其人工场源包括磁源和电源。磁源在不接地的回路或线框中，被提供音频电流以产生相应频率的电磁场。磁源产生的电磁场随距离迅速衰减。为了观测强观测信号，场源到观测点的距离(收发距离)r一般较小(n×102m)，因此其探测深度较小(<r)，主要用于解决水文、工程或环境地质中的浅层问题。电源在有限长度(1〜3km)接地导体中提供音频电流，以产生具有相应频率的电磁场，这通常被称为电偶极子源或双极源。依靠电源供电，CSAMT的收发距离可达数米至十几公里，因此探测深度大(通常可达2公里)，主要用于地热、油气藏和煤田探测以及固体矿产的深部找矿。目前，电源CSAM。2）测量方式图3-45显示了最简单的电源CSAMT标量测量的布局图。某一音频f(角频率w=2πf)的谐波电流通过沿某一方向(设为X方向)排列的接地导体AB提供给地；在一侧或两侧开口角为60°的扇形区域内，沿X方向布置测线，逐个观测沿测线(X)对应频率的电场分量eX和与之正交的磁场分量BY，然后计算Kania的视电阻率和阻抗相位如下：式中：为卡尼亚视电阻率（Ω•m);μ为大地磁导率常取，、分为为EX、BY的振幅（m）。图3-45双源CSAMT标量测量布置平面图式中:、分别为Ex、BY的相位;为阻抗相位。在实际测量中，通常用多通道仪器同时观察沿测量线排列的67对相邻测量电极的Ex和位于测量电极组中间的磁性探针的BY(称为“排列”)。由于磁场沿测线的空间变化一般较小，该BY近似代表整个布置中所有测点的正交磁场分量，从而计算出卡尼亚的视电阻率和阻抗相位。这样，一次测量就可以完成对67个测点整体布置的观测。除了标量测量之外，还可以进行矢量测量[在一个方向(x)上的双极源的每个测量点上观察到两个正交电场分量EX、EY和三个正交磁场分量Bx、BY和BZ]和张量测量(两个正交双极源x和y用于电源，并且依次观察到每个场源的EX、EY和Bx、BY和BZ)。后两种测量方法可以提供丰富的二维和三维地电特征信息，可用于研究复杂的地电结构。但其生产效率远低于标量测量，在工作中很少使用。总的来说，CSAMT是一种指标测量方法。在CSAMT中，增加电源电极距离AB和电流I可以使待测电磁场信号足够强，达到必要的信噪比。所以野外观测容易进行，通常只需要一个小时左右就可以完成一整套测频。此外，铺设一次电源电路可以观察到相当大的测量面积，更有利于提高生产效率。CSAMT一般测量距离较小(往往与MN极距相同，为n×10n×102m)，因此具有测深和剖面测量的双重性质，即具有较高的垂直和水平分辨率，适用于地电构造的三维成图和地下电的三维空间分布研究。。（2）可控源音频大地电磁法应用实例CSAMT在该盆地的任务是探测奥陶系高阻灰岩顶面的起伏，研究其与上覆地层构造的继承关系，从而揭示该区的局部构造和断层分布。野外观测采用双极源，AB=2km，供电电流N~20A，测量电极距离MN=200m，收发距离R=610km，是奥陶系灰岩顶面深度(1〜2km)的3倍。测深点间距一般