物探.docx

物探.docx

《物探.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物探.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

物探

摘要：

近年来，电磁法勘探已逐渐趋于成熟，且以大地电磁测深法（MT）和音频大地电磁测深法（AMT）最为常用。

然而，探测深度虽很大，但其频率太低，对浅层的分辨能力较差，且生产效率较低；的工作频率较高，对资源勘查的深度也比较合适，但在音频段内，天然大地电磁场的强度较弱，在干扰强度较大的情况下观测困难。

可控源音频大地电磁测深法是在大地电磁测深法和音频大地电磁测深法的基础上，针对这两种方法场源的随机性强和信号微弱以致观测十分困难的问题而提出来的一种人工源频率域电磁测深方法。

该方法具有发射信号强、干扰小、勘探深度大和分辨率高等优点，在金属矿勘探方面有非常大的优势。

关键词：

大地电磁测深法；可控源音频；分辨率

引言

矿产资源是一种重要的非再生性自然资源它是人类社会发展不可缺少的且赖以生存的物质基础，它既是生活资料的重要来源，又是极其重要的社会生产资料同时，它也是中国国民经济的基础产业在国民经济中起着重要作用，对整个国民经济协调、稳定和持续发展有着非常重大的影响。

在矿产资源的勘查中，可控源音频大地电磁法（CSAMT）是一种比较有效的方法。

可控源音频大地电磁法（CSAMT）是电磁法的一种，主要特点是用人工场源作频率测深，具有工作效率高、勘探深度范围大、垂向及水平分辨率高、地形影响小、易于校正、高阻层的屏蔽作用小等优点，广泛应用于油气勘察、地热资源调查、工业矿产调查、地下水勘探、环境工程勘察、地质填图、矿藏监测系统等领域。

近年来，该方法不仅在我国南方和西北地区油气勘探中得到了广泛应用，也在工程物探、电法找水和地热与金属勘探方面也受到了地球物理工作者的青睐。

1可控源音频大地电磁法的简介

1.1可控源音频大地电磁法的应用

可控源音频大地电磁法（CSAMT）是电磁法的一种，该方法由于其工作效率高，勘探深度范围大，分辨率高，受地形影响小等优点，越来越受到地球物理工作者的重视。

自20世纪80年代以后，该方法的理论和仪器得到很大的发展，应用领域不断扩大。

要特点是用人工场源作频率测深，具有工作效率高、勘探深度范围大、垂向及水平分辨率高、地形影响小、易于校正、高阻层的屏蔽作用小等优点。

寻找深部隐伏金属矿、油气构造勘查、地热资源勘查工业矿产调查、地下水勘探、环境工程勘察、地质填图、矿藏监测系统等领域和工程地质勘查等方面发挥着重要的作用。

可控源音频大地电磁测深法是以可以控制的人工场源的电磁法。

其中最常用

的场源，是把可以改变频率的发送机产生的交变电流，通过一定长度的导线连接

到两个接地电极上，将交变电流供入大地，通常称为水平电偶极子。

在距偶发射

源距离较远处同时观测电、磁场参数以及电磁场相位差的一种电磁测深方法。

根据不同频率的电磁波在地下传播具有不同的趋肤深度，通过对不同频率电磁场强度的测量，可以得到该频率所对应深度的地电参数，从而达到测深的目的。

1.2可控源音频大地电磁法的核心原理

可控源音频大地电磁法是在大地电磁法和音频大地电磁法的基础上发展起来的一种人工源频率域电磁测深方法，最早是由加拿大多伦多大学教授和他的学生提出的，之所以提出这种方法主要是由于天然场源的随机性和信号微弱，需要花费巨大的努力来记录和分析数据。

这种方法使用接地导线或不接地回线作为场源，在远区测量相互正交的电磁场分量，以此计算波阻抗得到卡尼亚视电阻率和阻抗相位，之后通过模型和视电阻率曲线的拟合反演，得到研究区域地下电性结构的。

以Maxwell方程组为核心的电磁场理论是可控源音频大地电磁法的理论基础。

因为电磁感应的作用，所以地面观测的电磁波中包含了地下介质的电阻率信息。

而由于电磁场的趋肤效应的影响，使得不同周期的电磁场信号具有不同的穿透深度。

因此，研究测量的电磁场的频率响应特征，可以获得地下不同深度的岩石电阻率的分布规律。

2可控源音频大地电磁测深法的推导

2.1麦克斯韦方程组

从麦克斯韦方程组出发,引入矢势,经过一系列推导,导出均匀导电半空间表面水平电偶极子的电磁场的表达式。

设有一水平电偶极子位于上半空间,其偶极距为,距分界面的高度为,如图1所示

图1均匀半空间上水平电偶极子及坐标系统的规定

选取共同原点位于偶极子中心的一个直角坐标系统和一个柱坐标系统。

使偶极距指向x轴正向,z轴垂直向下。

设σ1、υ1、ξ1,分别为上半空间介质的电阻率、导磁率和介电常数σ2、υ2、ξ2分别为下半空间介质的电阻率、导磁率和介电常数。

下半空间代表大地,上半空间代表空气。

设偶极源中电流为正旋电流

其产生的电磁场为谐变场为：

式中

为电磁强度的复幅值,

分别为电场和磁场相对于电流的相位差。

在场源外的空间,在介质性质均匀和平面波的条件下,这个谐变电磁场情况

下的麦克斯韦方程组为：

2.2赫姆霍兹方程

为使问题简化,定义一个电类型的矢势：

矢势A满足赫姆霍兹方程

电磁场的的各分量也可以只用矢势A来表示

考虑到大地表面上的边界条件：

当z=h时，解赫姆霍兹方程求出矢势A，代入电磁场的的各分量表达式，并经过一系列推导得到：

当观察点从上半空间趋近地表时,垂直分量Ez才不等于零。

而当观察点从下半空间趋近地表时,Ez等于零。

其中

。

在准静态的条件下,

由上面的式子可以看出,电磁场各分量的强度与观察点到偶极源中心的距离r和波数k的乘积有关,而波数k中又包含了地下介质性质和工作频率等参数,并且以趋肤深度的形式表现出来。

显然

其中

命

。

称为“电距离”或者“感应数”,它实质上是以趋肤深度δ为单位来表示的观察点到场源的距离。

于是

把p<<1,即电距离“近”时的场称为“近区气

把p>>1,即电距离“远”时的场称为“远区”或“平面波场区”

把p≈1之,即介于前两者之间的区域称为“过渡带”。

在CSAMT法中，测量的是彼此正交的电场和磁场水平分量,并且计算它们的模的比,这个模的比称为波阻抗,用符号|Z|表示波阻抗Z的模，记作

而Z的相位则定义为E和H间的相位差。

对于远区响应（p>>1）时上面各式的渐近表达式为

，

，

，

由于阻抗|Z|与收发距离有关，与大地电阻率的平方根成正比

，

采用直角坐标系时,

也可以得到同样的电阻率

对于MKS制单位

上式对于远区在满足平面波的条件下是有效的,它是满足远区条件CSAMT法常用的计算电阻率的公式。

3可控源音频大地电磁法最佳观测方案

地质任务是选取地物方法的关键因素以及前提。

只要确定了进行CSAMT测量，那么，CSAMT设计中任何一个参数都将受到勘探深度的影响，比如排列方式、观测频率、发收距等。

3.1勘探深度

CSAMT的勘探深度和大地电阻率以及信号频率相关并且是按用Bo-stick深度公式计算可控源音频大地电磁法的勘探深度、卡尼亚电阻率和信号频率。

理论上，如果信号频率够低的话，那么勘探深度能够达到几十千米。

但是，实际上是达不到的，给定的收发间距决定了维持远区测量的信号频率是有限的，所以实际勘探深度一般都在千米以下。

3.2频率范围

任何一个地区的大气电阻率（标本测量、露头或坑道小四极测量、测井等）以及依据地质目标要求的最大勘探深度D后，那么所求的最低频率fL

一般，要是确定适度的探测深度，就要求取向下“测深”到比更低的几个频率。

很多情形下，测量的最低频率受到一定得保证在近区以外的条件制约，这与受噪声水平限制的最大场源距密切相关。

K.L.Zong给出了如下的经验方式

以上公式中最低信噪比为1：

100，前者适用于偏远地区，后者适用远区和过渡带数据。

所以，上述公式来计算最小频率，较容场收外界环境和区域限制的影响。

3.3覆盖范围

使用CSAMT对在平面上允许釆集数据的有限场源范围会有一定的影响和限制。

明确可探范围的因素为：

①近区带限制的最小收发间距rmin②受最小可检测信号限制的最大收发间距rmax③信号强度与σ角的依赖联系理论上，根据最后确定最低频率后，对应的趋肤深度为：

依σ可确定所需的最小发收距。

理想的情况是rmin尽可能的小，同时对使用的所有频率而言仍保持在远区。

最大发收距rmax受到给定噪声条件下可探测的最小电场强度Emin的制约。

对于旁侧测量，在远区条件下：

平面覆盖范围的第三个控制因素是偏离场源中垂线的方位角。

4野外工作方法

4.1可控源音频大地电磁法仪器

可控源音频大地电磁法主要目的在于根据具体工区的区域地质背景、构造及岩性分布情况，结合工区的物性参数，了解矿产分布的基本特征，并为地质钻探提供依据。

可控源音频大地电磁法仪器如下图所示：

图2CSAMT野外工作仪器设备图

4.2工作方法流程

可控源音频大地电磁法的野外测量方式包括张量测量、矢量测量和标量测

量三种，这主要取决于测量分量的数量和使用场源的数量。

根据本次研究工作

的具体内容，此次研究工作中CSAMT采用标量测量方式，其野外工作的重点环

节如下：

1.观测区域的选择及测线布置

根据电磁场理论：

电偶极子产生的电磁场主要分布在其中垂线两侧30°范围内，该区域信号强度大。

因此，为了获得较高的信噪比，选取在该区域的波场

区进行采集。

可控源音频大地电磁测深法的野外观测系统布置见图3

图3CSAMT观测系统布置示意图

2.频率表的设定

频率表的设定工作主要在于确定频率的值及频点值，因此在具体工作时须

根据勘探深度的要求以及工区的电性特征，作充分试验工作。

为保证尽量采集

到地下介质的电性特征。

5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。

下图是数据处理流程

图4CSAMT资料处理流程图

5.1数据处理

数据处理主要包括对实测数据进行“编辑平滑”、“极化模式识别”、“测点处理”、“静态校正”和“二维滤波”等。

该部分主要完成数据的编辑平滑、删除干扰引起的坏点、对偏离坐标轴较大的测深点进行调整、消除地形以及浅部不均匀体的影响、对测线上相同频率的测深数据进行滤波，以达到压制由仪器噪声、风噪声、天然电磁噪声和人文噪声引起的明显畸变和消除近地表局部导电性不均匀体引起的静态位移效应等目的。

5.2数据反演

数据反演分主要操作包括“选择反演方法”、“设置反演网格”、“设置区域参数”、“一维反演设置”以及“二维反演设置”等。

在数据反演前，结合工区的地质资料和实测曲线的形态特征，选择与勘探深度最接近的反演网格。

通过设置“反演深度”、“第一层厚度”、“层递增厚度”和“网格行数”等参数，生成与地质条件最适应的模型。

数据反演方式有两种方式：

BOSTICK反演及OCCAM反演。

对于特定的工区，不同的反演方法的效果存在一定的差异；通常对工区当中地质资料较丰富的测线段作两种反演，并结合地质资料得到最适应该工区的反演方法。

在合理设置反演网格和反演方法后，对整个工区数据进行反演，得到最终的反演结果。

5.3资料解释

资料解释是在资料处理的基础上，对CSAMT测量数据作出客观合理的地质

推断。

解释工作的主要步骤是定性解释、定量解释和综合地质解释。

实际解释工作中，资料处理、定性解释、定量解释和综合地质解释需要交叉或反复进行，使资料解释工作逐步深化。

5.3.1定性解释

定性解释是根据初步建立的地质地球物理模型和标志，对卡尼亚电阻率

和阻抗相位异常的性质、规模及起因进行分析判定。

定性解释通常采用从已知

到未知的类比法和模型对比法等，有时还需运用定量计算的结果来支持定性的

结论，定性解释要多次反复进行。

具体包括如下步骤：

1.根据测区内已知地质目标体上建立的地质地球物理模型显示的标志（异常强度、形态、走向、规模、展布特点等）进行类比来判断异常的性质、规模和起因。

2.根据测区地质图标出的岩性、本区实测物性或邻区的物性，进行半定量正演估算，判断异常的性质、规模和起因。

3.对某些可以定量反演的异常进行定量反演，求取电性异常体的埋深形态和物性参数，与已知地质体的相应参数进行对比，来判断异常的性质、规模和起因。

与收集到的地质、地球化学及地球物理等相关资料和测区异常成果资料进行综合研究与对比分析，判断异常的性质、规模和起因。

5.3.2定量解释

定量解释是在定性解释基础上，建立反演初始模型，运用各种定量反演的方法求取电性异常体的物性参数和几何参数。

1.定量解释要尽可能利用测区内实测的物性参数、已有地质勘探控制的地下地质情况以及其他物探资料作为约束条件和先验控制信息，并利用定性解释的分析结论或认识建立反演初始模型，以减少定量反演的多解性。

初始物性参数选取不当或约束条件不足将影响定量反演结果的正确性。

2.在地形平缓、简单层状或横向电阻率变化不太大的地电条件下，一般选用一维反演方法求取物性参数确定电性异常体的性质和起因，并定量推断电性异常体的埋深、规模、形态及产状。

3.对地形起伏较大和横向电阻率变化较大地电条件下的成果资料，一般选

用带地形的二维、三维反演方法。

利用电阻率－深度断面图或不同深度电阻率

平面图、电阻率立体图等成果图件，结合钻探、硐探等地质勘探资料，分析并

最终确定电性异常体的性质和地质起因，定量推断电性异常体的埋深、规模、

形态及产状。

4.综合地质解释是在定性解释和定量解释的基础上，依照勘查目标任务要求，根据各种地质体的地质地球物理模型特征，结合测区的地质情况全面深入地分析解释，运用地质学的基本原理将地球物理定性和定量解释成果客观合理地转变成推断的地质体或现象，最终确定地质体或现象的性质、深度、规模、形态、产状及其相互关系。

总之，根据定性、定量和综合地质解释结果编绘地质地球物理综合解释成果

图，并对视电阻率不连续分布、视电阻率呈圈闭分布、以及视电阻率呈鸡窝状分

布的地方作重点分析。

与此同时，还应对资料解释成果的可靠性进行评估，说明

可能存在的问题与不足。

6可控源音频大地电磁法法数据评价

可控源音频大地电磁法的数据质量主要决定于场源电流、发收距和环境噪声水平。

由于可控源音频大地电磁法的信号较强，因此其观测数据质量比天然场瀕高。

在一个恰当设计的系统中，在已知的结果中的噪声许多都是不对称的，有很大的随机性所以，通过均与的叠加可能可以除去天电干扰和大地噪声，但是这不能除去闪电噪声和文化噪声，从而会出现麻烦。

所有在电场、磁场中的随机偏差都可以通过N次叠加的结果得到，每次叠加的结果含有个连续波求平均值，单一的叠加值的偏差可以根据平均值去检验是否正确。

在卡尼亚电阻率中的偏差可由H和E的偏差传递的得到：

相位差的误差为：

对于声源很近的来说，这个互不干扰的情况不总是正确的，噪音波峰很多都和高度有关，这时，就要用相关系数对误差做一定的校正。

值在0的1围内变化。

一般情况下，对某一区，在恰当的评估噪音水平的基础上，确定一个合适的误差水平。

在数据釆集中，以此控制可控源音频大地电磁法的据质量。

7展望

可控源音频大地电磁法在进行地电分层的基础上，勾画高阻隆起，确定构造形态，特别是背斜构造形态是有效的。

同时该法可以发现低阻异常，特别对低阻异常体的空间定位有较大的优势。

可控源音频大地电磁法测量及其反演结果则能够宏观地反映勘查区岩性变化情况及深部构造情况。

该方法对于寻找低阻体附存部位、划分深部地质构造具有明显优势，可以充分发挥这些优势在勘查地下水资源状态及生储地热的有利部分探查。

随着时代的进步，可控源音频大地电磁法作为一种有简便、经济的地质测深方法会得到更广泛的重视和应用。