大地电磁学.ppt

1、大地电磁学Geo-electromagnetismMagnetotellurics（MT）地球物理专业用成都理工大学Mao Lifeng2009年9月1日课程性质专业任选课 学 分 数：2.5分总学时数：40学时30学时（理论课）10学时（实验课）适用专业：地球物理学 先修课程：场论、数学物理方法原理、电法勘探等主要教学参考书：大地电磁测深法教程石应骏、刘国栋等编考核方式：卷面成绩（80）平时成绩（20）教学内容第一章 绪论（2节）第二章 岩石的电磁学性质（2节）第三章 均匀层状介质大地电磁测深理论（12节）第四章 水平非均匀介质大地电磁测深理论（8节）第五章 野外工作方法与技术（4节）复习课

2、（2节）编程实验课（10节）第一章：绪论1.1 地球电磁法简介地球电磁法简介（Introduction of Geo-EM method)电磁法作为一种重要的勘探地球物理方法，已有一个多世纪的发展历史。我国在上世纪50年代在矿山核盆地地区开始了电磁法的勘探，6070年代我国的电磁法开始了较大的发展，特别是MT的发展尤为明显。目前，电磁法应用领域广泛，分支众多。金属矿产勘探是电磁法的传统应用领域。随着我国经济的发展，电磁法的应用领域已经拓展到地下水勘探、工程勘探、海洋资源勘探等众多领域，特别是近几年地球深部构造和地球动力学研究的兴起，为我国电磁法发展提供了良好的契机。直流电法（电阻率法）交流电法

3、（电磁法）第一章：绪论目前，我国电磁勘探技术，无论在仪器还是软件方面都得到了长足的发展。硬件方面，仪器灵敏度高，且小型轻便；软件方面，三维反演技术逐渐成熟，并在实际资料处理中取得了很好的效果。此外，航遥中心、中国地质地球物理研究所引进了国外先进的频率域航空电磁系统，并正在研制时间域航空电磁系统；中国地质大学自行研制成功海洋大地电磁系统，真正实现了电磁方法的上天、下海！第一章：绪论电磁法的分类：1.按其勘探方式可分为电磁测深法和电磁剖面法；2.按接收信号的类型分为时间域方法和频率域方法；3.按信号的来源课分为主动源（人工源）和被动源（自然源）；4.按接收信号的频率高低分为高频电磁法和低频电磁法第

4、一章：绪论电磁法的总的特点1.电磁法种类繁多、分支较多2.电磁法理论复杂3.电磁法可应用的频带宽，高频方法分辩率高、探测深度小，低频探测深度大、分辩率低。4.与地震勘探相比，电磁法的成本低、工作方法简单、工作效率高，可在地震无法完成任务的地方施工。第一章：绪论我国正在研究和应用的地球电磁技术有：1.大地电磁测深（MT）、音频大地电磁法（AEM）2.电磁阵列剖面法/连续电磁剖面法（CEMAP/CEMP）3.瞬变电磁法（地面、井中和航空）（TEM）4.激发极化/频谱激电法（IP/SIP）、复电阻率法（CR）5.探地雷达法（GPR）6.井间、井地电磁法（LOGGING）7.可控源音频大地电磁法（CS

5、AMT，时间域和频率域）8.甚低频法（VLF）9.人工和天然混合场源电磁法（EH4设备）10.其它各种人工源电磁测深（频率域、时间域）第一章：绪论1.2 大地电磁法的发展1、20世纪50年代，法国的Cagniard和前苏联的Tikhonov提出了大地电磁法（MT）；2、20世纪60年代的Berdichevski等（1969），提出了音频大地电磁法（AMT）；3、1971年和1978年，Goldstein和Strangberg提出了可控源音频大地电磁法（CSAMT）。4、高密度大地电磁法分支：CEMAP、CEMP技术 1.2 大地电磁法的发展大地电磁（MT）和可控源音频大地电磁（AMT）测深的实

6、质测量由于太阳风或太阳黑子活动及赤道区的闪电雷击在地球表面产生的各种频率的水平电场和水平磁场，然后通过阻抗与电阻率的关系计算视电阻率从而了解地下电性结构。该采用天然场源，不受高阻屏蔽的影响，设备轻便，勘探深度能达到数百公里；其缺点是场源不可控制并且信号微弱，易受自然环境的影响，尤其是在矿山、城区附近很难开展工作，因此主要用于深大构造研究。可控源音频大地电磁（CSAMT）测深，通过人工发射电磁波解决了场源微弱和多变性问题，增强了信噪比，但同时也引入了场源的影响，电磁场不满足无源区齐次方程，且带有发射机，增加了野外工作的难度。1.2 大地电磁法的发展大地电磁理论方面的发展大地电磁的基本原理：MT是

7、研究地壳和上地幔构造的一种地球物理探测方法，它以天然交变电磁场为场源。当电磁波在地下介质中传播时，由于电磁感应的作用，地面电磁场的观测值将包含有地下介质电阻率分布的信息，而且由于电磁场的集肤效应，不同周期电磁信号具有不同的穿透深度，故研究大地对天然电磁场的频率响应，可获得地下不同深度介质电阻率分布信息。1.2 大地电磁法的发展苏联学者吉洪诺夫设想1.平面波垂直入射大地。大地电磁场本身结构非常复杂，但场源可近似地看成平面波垂直入射大地。2.波阻抗概念。引入波阻抗概念（ZE/H），它可表征地球电性分布对大地电磁场的响应。3.单点观测方法。利用单点大地电磁场观测研究地球电性分布是可能的。1.2 大地

8、电磁法的发展法国学者卡尼尔（L Cagniard）论证了场源为垂直入射的平面波在水平均匀层状介质条件下的大地电磁场的解，并把阻抗响应变换成习惯的视电阻率形式其中 为波阻抗（标量阻抗），Ex、Ey、Hx、Hy为地面上相互正交的电磁场分量的振幅谱。地面阻抗Z是地下介质电阻率分布和信号周期T的函数。以上两篇论文奠定了早期大地电磁法的理论基础，所论述的模型成为吉洪诺夫卡尼尔模型，此后，MT法引起广大地球物理工作者的重视，成为研究地球内部构造的一种重要方法。1.2 大地电磁法的发展理论研究开始对围绕场源模型和介质模型两方面问题。平面波源模型引起激烈的争论，许多人提出异议。在地壳和上地幔这一深度范围内的探

9、测，其观测信号周期小于100010000秒，场源平面波模型是适用的。而对更长周期的信号，平面波的场源模型的计算就必须引入校正项，或采用球面地球模型来计算。尽管目前三维正演的研究已经成熟，并有实际资料处理的例子出现，但层状介质模型的假设下的解释仍是实际资料处理解释的首选，而且是最具成效的。1.2 大地电磁法的发展大地电磁法的优点：1.探测深度大，很容易达到100200Km2.不受高阻屏蔽影响3.对低阻层反应敏感4.成本低、施工灵活正因如此，上世纪60年代后，MT方法开始受到重视，70年代以来，由于张量阻抗分析方法的提出，方法理论的研究出现突破性进展，并随着电子、计算机、信号分析等技术的突飞猛进的

10、发展，MT测深无论在仪器研制、数据采集、处理技术与反演、解释等方面的研究，都融合了当代先进的科学理论和高新技术，使得MT测深法有了长足的进步，成为电法勘探众多方法技术中最为成熟的方法。1.2 大地电磁法的发展此外，MT测深作为一种综合地球物理方法之一，成功应用在石油与天然气勘探方面；有人认为在研究结晶基底起伏方面，它的精度不亚于人工地震勘探。1.2 大地电磁法的发展MT的缺点：1.存在静态效应问题，造成资料解释的困难，目前无理想的静校正方法。2.以天然场为场源，能量弱，特别是中低频段信号，且随季节变化，“靠天吃饭”3.分辩率较低，只能找大的构造。1.2 大地电磁法的发展大地电磁仪器方面1957

11、年苏联研制出第一台MT测深的地磁仪，60年代美国、苏联、加拿大等进一步着手仪器的研制工作，记录数据由模拟方法变成数字磁带记录，大大提高了资料的整理速度和精度。并可在野外现场完成数据的初步处理和解释工作。国际市场上的电磁测深仪器主要有以下几类：（1）加拿大凤凰公司（phoenix）的V-5，V5-2000，V-6、V8电磁系统，这三套系统能做天然场和人工源，目前，国内主要用来采集天然场信号，用于深部研究；（2）美国EMI公司的MT-24，EH4系统，其中MT-24仅做天然场观测，主要研究深部构造，EH-4能做天然场和人工源，其勘探深度有限，用于浅部研究（小于1km）；（3）美国的LIMS仪器系统

12、，用于深部构造研究，据称周期可达2、3万秒。（4）德国Metronix公司，MMS-04大地电磁系统。在我国廊坊物化探所自行研究生产的CLEMP分布式被动源电磁系统。目前国内引进的测深仪器主要有：MT-24，V-5，V5-2000，EH-4等。1.2 大地电磁法的发展我国的MT测深工作始于20世纪60年代，60年代曾研制成功基于静磁原理的磁变仪。1970年国家地震局研制了模拟MT测深仪，随后又研制了LH-1，1976年，地震局等单位联合研究了SD-1型数字式MT测深仪。又改进为SD-2型，达到世界同类仪器水平，70年代中期以来，早期的量板法逐渐被淘汰，代之以计算机联合反演，常用的反演方法有：B

13、ostick反演、高斯牛顿法、梯度法、广义逆反演、连续介质反演、MT拟地震反演等，这项都是一维的；当前占统治地位的仍是国外的二维反演方法，如RRI、OCCAM、NLCG、REBOOC等。1.3 MT资料采集方法简介1.3 MT资料采集方法简介十字布极法思考：哪种测网不科学？思考：哪种测网不科学？(二)可控源音频大地电磁法可控源音频大地电磁法可控源音频大地电磁法大大地地电电磁磁测测深深资资料料处处理理和和反反演演成成像像方方法法与与应应用用研究研究资资料料处处理理技技术术反反演演成成像像方方法法MT二二维维地地形形影影响响分分析析与地形校正与地形校正MT噪声分析与去噪噪声分析与去噪静态校正方法研

14、究静态校正方法研究一维反演一维反演二维反演二维反演成像反演成像反演常用反演方法常用反演方法模拟退火法模拟退火法Occam反演反演共轭梯度法共轭梯度法Occam方法方法RRI快速反演快速反演二二维维、三三维维概概率率成像成像应用与成应用与成像分析像分析MTMT资料处理和反演成像方法研究框图资料处理和反演成像方法研究框图1.4 MTMT资料处理解释方法简介资料处理解释方法简介 1.4 MTMT资料处理解释方法简介资料处理解释方法简介大地电磁测深处理与解释软件大地电磁测深处理与解释软件1.4 MT资料处理解释方法简介资料处理解释方法简介复杂模型反演效果复杂模型反演效果2DTETMTE/TM1.4 M

15、T资料处理解释方法简介资料处理解释方法简介复杂模型反演效果复杂模型反演效果2D(最终结果最终结果)云南某山地云南某山地MT反演成果反演成果1.4 MTMT资料处理解释方法简介资料处理解释方法简介大地电磁测深大地电磁测深大地电磁测深大地电磁测深处理与解释技术处理与解释技术处理与解释技术处理与解释技术 1.4 MTMT资料处理解释方法简介资料处理解释方法简介大地电磁测深大地电磁测深大地电磁测深大地电磁测深处理与解释技术处理与解释技术处理与解释技术处理与解释技术 MTMT反演解释与界面成象成果图（云南）反演解释与界面成象成果图（云南）反演解释与界面成象成果图（云南）反演解释与界面成象成果图（云南）1

16、.4 MTMT资料处理解释方法简介资料处理解释方法简介大地电磁测深大地电磁测深大地电磁测深大地电磁测深处理与解释技术处理与解释技术处理与解释技术处理与解释技术中尺度勘探方法技术中尺度勘探方法技术中尺度勘探方法技术中尺度勘探方法技术CEMPCEMP电磁方法电磁方法电磁方法电磁方法中尺度勘探方法技术中尺度勘探方法技术中尺度勘探方法技术中尺度勘探方法技术CEMPCEMP电磁方法电磁方法电磁方法电磁方法Middle Middle Middle scale scale scale EM EM EM exploration exploration exploration techniqueCEMP techniqueCEMP techniqueCEMP methodmethodmethod2D resistivity inversion of CEMP profile YC01E-185 southwestern of the Tarim Basin Geo-interpretation profile塔里木盆地柯西地区塔里木盆地柯西地区塔里木盆地柯西地区塔里木盆地柯西地区CEMAP-158CEM