张量可控源电磁法.docx

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张量可控源电磁法

张量可控源电磁法

（兼MT、AMT、CSAMT功能）

一、引言

1950年和1953年TNXOHOB,T.H和Cagniaral,L.分别提出在水平层状均匀介质条件下的大地电磁法理论和实施方案，后经实践检验证明，观测结果往往与实际地质情况不符。

1960年Cantwell,T.提出介质张量电性阻抗概念，很快形成大地电磁场数据的张量阻抗计算和分析理论及方法，使大地电磁法发生了本质性的变革。

由于大地电磁法的场源在1-10Hz和1000-3000Hz左右活动水平很低，称为“死区”，为了弥补这一缺点，1975年Goldstein,M.A和Strangway,D.W.提出通过接地电极偶子向地下注射不同频率的电流产生的高强度人工电磁场做为场源的可控源大地电磁法，并在1978年投入矿产资源勘探，地下水勘探和油气资源勘探，命名为可控源声频大地电磁法（CASMT）。

CSAMT法是以水平层状均匀介质模型（标量电性阻抗）为前提，历经30余年仍未改变，主要原因是满足张量电性阻抗观测的可控源发射系统非常复杂、难于制造，另一方面在非常简单的地质构造地区，例如平原区浅层以标量电性阻抗模型为前提的CSAMT法尚能获得较好的勘探效果。

2010年德国Metronix公司研制成功了首台满足张量电性阻抗观测的可控源大地电磁仪及其数据处理软件系统,并在地质构造复杂地区获得成功应用,我们称其为“张量可控源电磁法（TCSMT），”传统的CSAMT称其为“标量可控源电磁法”。

Metronix公司研发的张量可控源电磁法的接收系统也是完善的AMT和MT观测系统，发射系统也可简化为CSAMT发射系统应用。

二、标量可控源电磁法CSAMT

当地下介质是均匀水平层状，没有构造（如断层、褶皱、隆起、坳陷）存在时，电阻率只沿深度Z变化，沿水平方向不变时，也即地下介质的电性是标量情况下，入射的平面波场源H在地下介质中感应出与其相垂直的电场E.此时介质的电性阻抗为标量：

视电阻率值：

为实现这一原理，CSAMT的野外工作装置如图1所示：

图1CSAMT发射装置只有一组发射电偶极子，只适合探测一维电性结构

发射机通过单一接地电偶极子将不同频率的方波电流注入地下，在远离电偶极子的地方接收通过地下传播的不同频率的电磁场信号，例如Hy和Ex，根据公式

（1）和

（2）计算测点下的视电阻率值ρa。

由于它是单一电偶极子供电，所以在地下形成的电流体系是单一方向的，建立的磁场也是单一方向的，我们称其为标量可控源大地电磁法，简称标量可控源电磁法。

该方法有如下不足：

1.只适合探测水平均匀层状的一维地质情况，但绝大多数情况下地下是有构造存在的，是二维或三维的电性介质，此时地下介质的电性是张量，不是标量。

2.单一接地电偶极子发射的电磁波在以偶极子中心30°夹角范围内场强弱，易受畸变不适合观测，所以观测范围变小。

3.为满足发射场源是平面波场源的要求，发射机和接收机的距离（接发距）要等于或大于勘探深度的3-5倍，在小于3-5倍范围内称为近区，无法获得地下构造信息。

4.移动接地电偶极子发射源后，在同一测点上的观测结果往往互不重合。

5.如果接地电偶极子定向与地下高导层走向一致时，注入的方波电流大部分被高导层吸收，严重影响勘探效果。

6.由于CSAMT观测的是标量阻抗，因此无法与MT或AMT在同一测点上观测的张量阻抗兼容。

过去国内进口的可控源声频大地电磁仪CSAMT或电法工作站所含有的CSAMT功能都是标量的，均存在上述不足。

三、张量可控源大地电磁法TCSMT及应用实例

1960年Cantwell,T.提出地下介质电性是张量阻抗，1972年Vozoff,K.,对张量阻抗方法进行了系统归纳。

张量阻抗与电磁场的关系为：

称为张量阻抗关系式。

除了极高频率之外，Ez分量很小，很难观测到，因此张量阻抗关系归结为：

可见，在二维或三维构造情况下，电场Ex不仅由Hy感应出，而且部分还由Hx感应出。

由Hy感应的Ex依赖于张量阻抗Zxy，由Hx感应的Ex依赖张量阻抗Zxx，张量阻抗值Zyx，Zyy也有类似依赖关系。

我们的目的是在地面观测不同频率的电磁场信号Hx，Hy，Ex和Ey，然后求解地下不同深度的张量阻抗要素值Zxy，Zyx，Zxx和Zyy。

根据简单的数学原理可知，从两个代数方程式（公式4）是无法解出四个张量阻抗要素值的。

若有解，至少要有两组相互独立的变化磁场值H1和H2，共同组成四个方程式，即：

（所谓相互独立的变化磁场是指极化方向不同或极化类型不同的变化磁场）

联立该四个方程式便可解出四个张量阻抗要素值

由于标量阻抗可控源法CSAMT在地面只观测一个磁场水平分量Hy和一个电场水平分量Ex，因此无法解出四个张量阻抗要素。

要解出四个张量阻抗要素的必要条件是：

（1）在地面要观测互为垂直的四个电磁场分量Hx，Hy和Ey，Ex；

（2）在观测的电磁场信号中至少要有两组极化方向或极化类型不同的磁场信号。

基于此，德国Metronix公司于2010年研制成功张量可控源电磁法仪器设备和数据处理软件系统，并投入市场。

其中包括张量可控源发射装置，接收系统和数据处理及反演软件系统。

1.张量可控源电磁法发射装置，分为旋转偶极发射装置和交替偶极发射装置

1）旋转偶极发射装置可以发射不同极化方向、不同强度和不同频率的变化磁场，以组成类似于公式（6）和（7）的方程组，从而解出四个张量阻抗值Zxx，Zyy，Zxy和Zyx，其原理是：

发射装置是由三个接地电极（U、V、W）组成三对偶极发射装置（图2），也即三个电极分别与张量发射机TXM-22的三个极性开关连接，在脉冲宽度调制控制器的控制下同时向地下分别发送不同频率、不同强度和不同极性的电流I1，I2和I3。

图2全区张量CSAMT发射装置

由于I1，I2和I3同时注入地下，因此它们在地下组成一个在给定频率下的合成电流矢量

。

当改变I1，I2和I3中的任何一个电流强度和极性时，合成电流矢量

的方向、即磁场极化方向随之改变，因此张量发射装置可以产生任意极化方向的磁场信号。

在最简单情况下、即发射电流I1，I2，I3之间成倍数关系改变，极性成正负关系改变时，可以发射六种不同方向的合成电流矢量，它们是

=0°=180°,

=120°=-60°,

=60°=-120°,

=30°=-150°,

=150°=-210°，

=270°=-90°

可形成六种不同极化方向的磁场信号H1，H2，H3，H4，H5和H6。

这样方程组（4）便可扩展成包括发射磁场H1和H2的方程组（8），包括发射磁场H1和H3的方程式（9），

以及包括磁场H1和H4，H1和H5，H1和H6的三个方程组；包括H2和H3，H2和H4，H2和H5，H2和H6的四个方程组；包括H3和H4，H3和H5，H3和H6的三个方程组；包括H4和H5，H4和H6的两个方程组；以及包括H5和H6的方程组；总计共可组成15个方程组，从而可解出15组四个张量阻抗要素值。

为了在接收点处获得强的电磁场信号，每对合成电流矢量的夹角应在45°-135°之间。

在数据处理中选择15组张量阻抗要素中质量最好的一组求取其主轴方位，计算TE模式和TM模式下的视电阻率和阻抗相位曲线以及其它MT参数。

在实际应用中，如果测区内布置有大量的、面积性分布的接收装置，应采用旋转偶极发射装置相继发送六个方向的合成电流矢量是最佳选择，此时测区内的任何一点都能观测到最佳的电磁场信号以及15组张量阻抗要素值。

如果测区内仅沿剖面线布设接收装置，可采用交替偶子发射装置，分别发送两个互为垂直的电流矢量，但只能获得一组张量阻抗要素值。

2）交替偶极发射装置

在交替偶极发射装置中发射机分别（非同时）向互相垂直的两对偶极子注射电流，在地下建立两组互为垂直或夹角大于45°的电流矢量和相应极化方向的两组磁场，此时按公式（6）和（7）只能解出一组四个张量阻抗要素值。

最简单的偶极发射装置如图3所示。

其它组合也可组成交替偶极发射装置，如图4所示。

图3交替偶极发射装置图4交替偶极发射装置

在图4中，如果令电极U的方向为0°，那么电极W和电极V的连线方向便为90°。

如果发射机先向电极U供电，则电流矢量为0°，然后再向电极W、V同时供电，则其电流矢量为90°，结果便是交替偶极发射方式（图4中红箭头所示）。

如果同时向电极U供电I1，向电极W供电-I3，向电极V供电I2=0，并且I1=-I3，此时电流便从V向W流动，则合成电流矢量方向为30°（令电极U的方向为0°）。

最终两个合成电流矢量夹角为90°，也是交替偶极发射装置（图4中黑箭头所示）。

野外施工中首先发射六个方向的合成电流矢量，然后选择发射电流最大的、近于垂直的两个发射方向以形成交替偶极发射装置。

在图3中如果只给一对偶极子供电，便简化为标量可控源电磁法CSAMT，此时在地面只需观测磁场分量H和与其相垂直的电场分量E，按公式

（2）计算测点下方的视电阻率值。

3）张量可控源发射装置的特点

•可根据确定好的发射频率和发射时间同时向发射机和接收机预置工作列表（包括发射的波形、最大电流强度和发射角度、频率、叠加次数及每个发射频率工作起、止时间等），便可根据野外接收和发射人员约定的开始时间自动执行工作列表内的所有频率的发射和数据采集工作；

•发射装置可任意组合，发射和接收由高精度GPS同步；

•可任意编辑发射波形，可使用国产50Hz，400V三相发电机做动力源

•由于GPS模块可存储时间信号，因此在GPS信号盲区仍可进行精确同步；

•由于发射系统的控制器TXB-07与接收系统主机性能一致，因此两者之间高度同步，于是叠加过程可以在时间域进行，这样大大提高了数据处理速度。

•由于可控源场强可控，在电磁干扰大的地区也能获得高质量的观测结果，这与CSAMT法一样。

2.张量可控源电磁法接收系统

接收系统由两个或三个磁场传感器（MFS-07e），两对电场传感器（不极化电极）和一台ADU-07e主机组成，是标准的大地电磁测深仪。

发射装置和接收系统之间由高精度GPS同步（图5），也可由事先输入的工作列表同步。

图5张量可控源电磁法（TCSMT）组成

左图为接收系统，右图为发射系统

由于张量可控源电磁法主要用于详查和精查阶段，测点距离一般为20m-150m，所以可采用带卫星站的接收系统，即一台ADU-07e主机带三个卫星站，同时完成四个测点观测任务（图6）。

主机与卫星站之间由电缆同步。

如果有几台ADU-07e同时观测，工作效率非常高。

接收系统可独立应用于MT和AMT观测。

图6一台主机可同时完成四个测点观测

3.张量可控源电磁法的主要特点

1）正如前述，张量可控源发射装置可以产生任意极化方向的磁场信号，因此可以求解测点下的多组张量阻抗要素值，这不仅适合探测二维、甚至三维的地质体，而且可选择质量最高的张量阻抗要素值进行反演解释。

标量可控源电磁法（CSAMT）仅适合探测一维地质结构。

2）由于张量可控源发射装置建立的合成电流矢量方向

可控，也即发射的最佳场强位置是可控的，因此在发射装置周围区域内均可布置接收系统，并能接收到最强的电磁场信号。

所以它比CSAMT的观测范围大的多（图7）。

3）张量可控源场源强度可控，可进行多次叠加，对每个测点都可获得多组张量阻抗要素值，因此在电磁噪声环境较强的地区也能观测到高质量数据。

图7在旋转偶极发射装置的周围空间远场范围内都可布置接收系统

4）当CSAMT发射偶极子位于地下高导体之上并与其走向一致时，发射的电磁场能量部分被高导体吸收，导致测点处的电磁场减弱，信噪比降低，但张量可控源发射装置由于发射的电磁场方向是可变的，所以可以避免这一问题。

5）张量可控源发射的是三维电流体系，能有效探测复杂的地质构造（图8）。

图8张量可控源发射装置在地下建立的三维电流体系

6）张量可控源可以测量发射电流和接收电流的频率和强度，用以计算近区和远区的地下电性结构，由于这些电流是近于垂直的所以对高阻层敏感（反演软件正在编制中）。

7）可与同测点的MT数据进行联合反演，相互约束，增加勘探深度。

8）发射机轻便，仅重35kg，输出电压±560V，最大输出电流±40A，如果外加变压器，输出电压可升至1000V以上，此时发射机很重，需要卡车装载。

4.张量可控源电磁法应用实例

1）探测深部硫化矿床

在西班牙AguasTenidas矿区做过多种物探方法探测硫化矿床的深部蕴藏情况之后，又要求用张量可控源法做进一步探测，共布置9条剖面。

测区为一套火山岩与泥盆-石炭纪的沉积物组合。

富含黄铁矿的块状硫化沉积物存在流纹岩和黑色页岩系列之中。

早期曾在近地表处开采硫化矿床。

图9为9条剖面中一条南北向剖面的二维反演结果。

图10是根据9条剖面的二维反演结果绘制的、在658m深处的电阻率平剖图。

图9AguasTenidasEste一条剖面的二维反演结果

由图9可见，近地表有良导体存在，它们可能是仍未被挖掘过的块状硫化物矿体。

在点位330-530之间，深度550-750m范围内有一个高导体，南北宽约200m，厚约300m。

在点位360处电阻率值急剧变化，已证明它是东西走向、对成矿起控制作用的正断层。

图10是658m深处的高导层分布范围，该深度正处于上述高导体埋深的中部。

可见沿东西向1000-1500m区间的高导区域（红色）正是上述高导体的东西向展布，它与钻孔发现的660m深处的硫化矿体一致，该矿体北界为上述东西向正断层所限，该断层向硫化矿体西部延伸。

图10658m深的电阻率值平面剖图

图11地质解释结果的三维显示

AguasTenidas矿区的地质情况极为复杂，为了尽可能找出矿体与电阻率分布之间的联系，根据已有的9条二维反演剖面编制成三维立体图（图11）。

这是频率域张量可控源大地电磁法（TCSMT）直接找矿的成功实例之一。

2）探测赋矿层

2012年4月，北京欧华联科技有限责任公司与安徽省地球物理地球化学勘查院及德国Metronix公司专家在安徽省合肥市的泥河地区开展张量可控源野外试验。

•工作目的

（1）掌握张量可控源的野外工作方法；

（2）了解1000米深度以内的地层电性分布情况并与已知钻孔和地质剖面对比，验证测量结果的可靠性；

（3）探测火山岩盆地中铁、硫、铜、铅锌等赋矿层的可行性。

（4）本次勘探测线上曾进行过直流激电测深，标量可控源测量和1:

10000地面磁法扫描。

由于区内村庄聚集，以往所做电磁法效果不佳，因此想通过张量可控源测量结果与以往工作成果进行对比，检验张量可控源在抗干扰能力、解决复杂地质情况等方面的优势。

•地质与地球物理概况

泥河铁矿位于庐枞火山岩盆地的西缘，北东向基底隆起带上。

矿区为第四系所覆盖，零星出露有早白垩世双庙组，钻孔深部见有上侏罗统砖桥组，岩性主要有火山熔岩、火山碎屑岩、沉积火山碎屑岩，砖桥组是铁、硫、铜、铅锌等赋矿地层。

地层主要为单斜产出，断裂构造发育，大部分断裂发育在赋矿之上的火山岩中，为成矿前断裂。

成矿的闪长玢岩体主要沿北东向基底断裂侵入。

主要赋矿地层砖桥组电阻率相对较低；浅层的白垩系双桥组（K1sh）主要为火山碎屑岩夹熔岩，电阻率较高；赋矿层下伏地层电阻率呈逐渐升高的趋势。

•野外工作方法

本次野外测试选取了相对简单的交替偶极发射方式，发射源和试验剖面的相对关系如图12所示。

发射机位于中心点处，与U、V、W三个发射电极的距离分别为500m、600m、600m。

设发射机和偶极U的连线作为0°，则V和W偶极连线方向为90°，与试验剖面近似平行。

对剖面1进行观测时我们选用了0°和90°两个方向的电偶极子进行交替发射；对剖面2观测时选取了30°和120°两个方向进行交替发射。

图12TXM-22张量观测装置布置示意图

试验剖面1位于发射源西南方向，沿南东135°布置，长1200m，共28个测点，点距44m，剖面距发射源中心点7～7.38km。

测试剖面2位于发射源北东方向，沿南东120°布置，长760m，共21个测点，点距38m，剖面距发射源7.4～7.66km。

两条剖面相距14km。

数据采集系统使用四个测点同时测量的方式，布置方式如图13所示，ADU-07e主机记录两个共用的磁场信号Hx，Hy和两个电场信号Ex和Ey，另外三个卫星站分别记录两个互相垂直的电道信号。

卫星站和ADU-07e主机通过电缆连接，最后数据统一存储到ADU-07e的存储器中，同时完成四个测点的测量。

Ex和Ey分别为南北向和东西向布置，极距50米。

图13接收系统结构

•数据处理和反演解释

由于ADU-07e记录可控源数据时不同发射频率的时间序列是分开的，以往天然场观测的数据处理软件Mapros显然无法满足每个测点十几个发射频率的可控源数据。

为此本次数据处理使用的是德国Metronix公司最新研发的处理软件—ProcMT。

该软件可一次执行同一个测点多个采样率或多个测点的数据处理，中间过程无需人工干预，大大提高了数据处理效率。

数据处理的基本流程为：

图17数据处理流程

ADU-07e最多支持10个通道同时使用（八个电道和两个磁道测量），一次记录4个测点的数据，这四个测点将共用两个磁道进行计算，因此在处理数据之前必须配对每个测点的磁道和电道数据文件。

图14是一些测点的数据处理结果。

张量CSAMT处理结果和MT处理结果一样，包括TE模式和TM模式视电阻率和阻抗相位曲线。

从图18可见在8Hz以下视电阻率曲线呈45°抬升，相位降到0°左右，表明已进入近场区范围。

数据处理结果（试验剖面1，142号测点）数据处理结果（试验剖面1，158号测点）

数据处理结果（试验剖面1，166号测点）数据处理结果（试验剖面2，380号测点）

图14TCSMT数据处理结果

德国Metronix公司提供的ProcMT数据处理软件的输出格式与国际通用的EDI格式文件一致。

输出内容包含观测频率下的四个阻抗张量要素的实分量、虚分量和误差，主轴方位，TE和TM模式下的视电阻率和阻抗相位曲线以及其它MT参数。

数据反演使用了中国地震局地质研究所陈小斌博士后的Pioneer二维数据反演软件，反演流程如下图所示。

（1）图16a是试验剖面1的反演电性结构断面图，图中以等值线和色标表示电阻率分布，参照已知的地质断面图（图16b）推断的各电性层边界和断层位置用虚线表示，分析如下：

电性层划分：

从图16a可见，在浅层20-40m范围内为低阻薄层，是第4纪沉积。

下覆的电阻率100-200欧姆米的中阻层是早白垩系上段杨湾组（K1y），是一套粗～细的砂岩组合，厚度从东南向西北加厚至250m左右，并被断层F1控制。

杨湾组之下为高阻层，电阻率值240-440欧姆米，该高阻层在剖面东南端的152-158测点下方被断层F2控制，在断层上盘厚度超过400m；该高阻层应是早白垩系下段的双庙组（K1sh），它是一套火山碎屑岩夹熔岩，表现为高阻。

上述高阻层之下为一套低阻层，电阻率值100-120欧姆米，在剖面东南端低至60欧姆米，该低阻层厚度200m左右，向西北倾，在剖面东南端迅速抬升；该低阻层应是晚侏罗系砖桥组，是一套火山碎屑岩，沉火山碎屑岩等多孔隙岩系，表现为低阻。

上述低阻层之下为电阻率值140-160欧姆米的相对低阻层，也是砖桥组，但它是铁、硫、铜、铅锌等赋矿地层。

推测该层电阻率略高于上覆砖桥组的原因，可能与后期含矿热液侵入和沉淀有关。

赋矿层之下为高阻体，电阻率值大于180欧姆米，推测它应是成矿母岩—玢岩岩体。

电性构造划分：

试验剖面1是一组从东南向西北缓倾的单斜构造。

正断层F1控制杨湾组（K1y）的西北边界，正断层F2控制双庙组（K1sh）和砖桥组沉积。

断层F1和F2都是成矿前的正断层。

推断的断层F3是逆冲断层，由于上盘上冲，导致砖桥组（J3zh）在剖面的东南端显著抬升，形成单斜凸起。

F3是成矿后断层。

图16a试验剖面1张量CSAMT反演电性断面

Bost0

图16b试验剖面1地质剖面（黄色为硫铁矿，红色为磁铁矿体）

图17试验剖面2张量TCSMT反演电性断面

（2）试验剖面Ⅱ

从TCSMT电性断面图（图17）可见,试验剖面Ⅱ的电性结构比试验剖面Ⅰ复杂。

在测点540-1140，顶深200-350m有一驼峰状高阻体，峰凹在测点780-940之间，电阻率值240-380欧姆.米，我们推测该高阻体可能是岩浆侵入体。

浅层在测点820和1060附近有两个截面椭圆形的局部高阻体，电阻率值大于500欧姆.米。

它们可能是火山角砾岩的反映。

在测点340-740之间广泛分布低阻层，电阻率值40-160欧姆.米，向西北倾，厚度向西北方向显著加厚；在测点780-1140，上述推测的岩浆侵入体高阻体和浅层两个局部高阻体之间，也存在一个低阻层，电阻率值40-160欧姆.米，向西北倾。

我们认为上述两个低阻层应是正常沉积碎屑岩，如砂岩岩系的反映，它们原本是同一层位的砂岩岩系但由于后期的岩浆侵入被分割成现有的状态。

•小结

总体来说，本次野外试验是成功的，表明TCSMT法在电磁干扰地区和复杂地质条件下是有效的，例如：

（1）通过频谱特征分析，可以明显看出发射频率及其3倍和5倍谐波的幅值大于天然场频谱幅值10-20倍，证实了张量发射源的优越性；

（2）试验剖面1的反演结果，与过去沿同一剖面所做的标量可控源（CSAMT）结果对比表明，两者有实质性差别。

TCSMT与钻孔所得地质分层情况有很好的吻合，CSAMT则否，说明TCSMT在解决二维和三维地质问题的能力明显优于CSAMT法。

（3）从试验剖面2的反演结果可以看出，本次试验结果和激电测深结果有很好的对应。

但激电法无法满足深部找矿要求，TCSMT可以弥补激电法在勘探深度上的不足。

（4）本次试验正值农耕时节，试验区水田较多，为不损坏禾苗，发射机的三个发射电极均布设在田埂上，接地条件欠佳，导致试验剖面1测量时两个方向偶极子平均电流只能达到8A左右，剖面2的平均电流为18A左右，明显小于发射机的最大发射电流值±40A。

小的发射电流值对观测数据质量有明显影响。

四、张量可控源电磁法TCSMT与声频大地电磁法AMT观测结果对比

2013年3月，中国地震局地质研究所与北京欧华联科技有限责任公司在云南遮放地区用GMS-07e作为接收系统TXM-22作为发射系统，进行TCSMT和AMT对比观测。

测区内有两条高压线穿过，一条300kV，距2100测点100m，另一条50kV距2100测点40m。

由于测点2100离两条高压线很近，视电阻率和相位曲线受严重干扰，高度分离，视电阻率曲线和相位曲线没有对应关系，很难用于定量解释（图18）。

同一测点位置的张量可控源TCSMT观测结果表明（图19），除1000Hz以上的高频段视电阻率和相位曲线高度分散外，低于1000Hz的频段视电阻率和相位曲线非常圆滑，两条高压线带来的电磁噪声被可控源发射的高强度电磁信号压制了。

1000Hz以上的高频段曲线分散的原因可能是在高频段发射电缆的感抗显著变大，发射电流显著降低，导致人工场源无法压制两条高压线产生的电磁干扰。

相位曲线

视电阻率曲线

图18遮放2100号点AMT结果

视电阻率曲线

相位曲线

图19遮放2100号点TCSMT结果

2013年11月中国地质调查局地球物理地球化学研究所（河北廊坊）独立检测张量可控源电磁法仪并与AMT法和标量可控源电磁法（CSAMT）进行对比。

检测工作由雷达研究员主持，检测地点位于辽宁省兴城市市郊，这里电磁干扰比