第六章可控源音频大地电磁测深.docx
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第六章可控源音频大地电磁测深
第六章可控源音频大地电磁测深
可控源音频大地电磁测深（ControlledSourceAudio—frequencyMagnetotelluric,简称CSAMT是一种利用接地水平电偶源为信号源的一种电磁测深法。
该方法的工作频率为音频,其原理和常规大地电磁测深法类似,其实质是利用人工激发的电磁场来弥补天然场能量的不足。
由于CSAMT具有野外数据质量高、重复性好,解释与处理方法简单（解释方法直接套用MT方法、解释剖面横向分辨率高、方法不受高阻层屏蔽及工作成本低廉等优点。
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,而且在工程物探、电法找水和地热与金属矿勘探方面也受到了地球物理工作者的青睐。
4.6.1CSAMT的基本理论
根据在南方地区的试验发现,电偶极子方式的CSAMT具有机动性强、效率高、成本低但勘探深度小于MT,较之磁偶极子方式更适应于南方地区的油气勘探工作。
因此,本章中仅介绍电偶极子方式的CSAMT法。
一、均匀半空间介质中接地水平电偶极子
的电磁场
如图4.6.1建立直角坐标系。
假定电偶极子向地下供入的是谐变场it
e
w-,在似稳状态下,我
们有P点的电磁场分量的表达式为
3cos1（12ikrrIdlEeikrr
q
ps-éù=
++ëû（4.6.13sin2（12ikrIdlEeikrrqq
ps-éù=-+ëû（4.6.2
111013sin3（（（（（（22222222roIdlikrikrikrikrikrikrikrHIKIKIKrqpìüéù=
+-íýêúëûîþ
（4.6.3
11
2cos（（222
rIdlikrikr
HIKrqp=-
（4.6.4
22223sin11（123ikr
zIdlHeikrkrkrqpéù=-
-+-êúëû
（4.6.5
式中,s为均匀介质中的电导率;Idl为电偶极矩;r为收发距;q为P点的方位角;mI、mK为第m阶修改后的贝塞尔函数。
当||1kr=,此时对应的区域称为“近场区”,近场区就是测点距电偶源很近,此时,rd=当
图4.6.1均匀半空间上的电偶源
||1kr?
此时对应的区域称为“远场区”,远场区就是测点距电偶源很远,此时rd?
或称
之为波区;介于近场区与远场区之间的广大地区称为“过渡区”。
1.近场区的电磁感应函数当||1kr=,利用指数和复数贝塞尔函数的近似性,（4.6.1式~（4.6.5式可化为
3cosrIdlErq
ps»
（4.6.63sin2IdlErq
qps»（4.6.72
sin4rIdlHrqp»
（4.6.82cos4IdlHrq
qp»-（4.6.92sin4ZIdlHrqp»
（4.6.10
此时,波阻抗为
2|
|rEZHr
qs==（4.6.11
因此
|
|2r
ErHq
r=（4.6.12
而电场和磁场之间的相位差为0。
由（4.6.6式、（4.6.10式可以看出,在均匀介质中,电偶源的近区电场的水平分量正比于介质的电阻率,而与频率无关;磁场的水平分量与电阻率和频率无关。
由于电场和磁场都与频率无关,因而其比值阻抗z就不随频率变化,这就说明,近场区的电磁场,即使经过近区场校正,也不可能象远区场那样用来研究地电断面性质。
2.远场区的电磁感应函数
远离电偶源后,（4.6.1式~（4.6.5式在似稳条件下可简化为
3Idcos2rlErq
ps»
（4.6.133Idsinr
lErqps
»（4.6.14
4
3
0Idsini
rlHe
r
pq
pwms-»
（4.6.15
4
3
0Idcos2i
lHe
r
p
qqpwms-»
（4.6.16
4
3
Idcos2izlHerp
qpwms-»-（4.6.17
上述（4.613式至（4.6.17式说明了远区电磁场的几个十分重要的性质。
首先,在均匀介质中,电偶源远区电场的水平分量正比于介质的电阻率,而与频率无关。
远场区的电场和近场区的电场除了一个常系数2以外,没有任何区别;其次,磁场的水平分量和近场区不同,与频率和介质的电导率乘积之平方根成反比。
由于远区电磁场的水平分量都随3
r衰减,因此阻抗
00
402irEiZeHpwmwmrs
=-=（4.6.18
与测量点距电偶极子之间的距离r无关。
3.过渡区的电磁响应函数
在近区场与远区场之间的过渡区,电场E、磁场H和阻抗Z都可用（4.6.1式至（4.6.5式描述。
在非均匀介质中,过渡区的特性十分复杂,它不仅与频率、r有关,而且取决于断面的特性。
二、层状介质的水平电偶极源的频域电磁响应
电偶极源位于地表（00h=时水平层状介质地表面的电磁响应（如图4.6.2所示可表示为
2
0011
0120
0111111（（2/2/xiIdaiIdaukxEJrdJrduRkxrRuRvmvml
llllp
lpl¥
¥*æö¶=
+-ç÷+¶+èø
ò
ò（4.6.19
2
011
123011112
011
02201111（2/（2/yiIdaukxyEJrdkrRuRiIdaukxyJrdkrRuRwmllplwmlllpl¥*¥*æö=-ç÷+èøæö--ç÷+èø
òò（4.6.20
20011
1（2/xIdaHJrdxyRll
plm¥¶=-¶¶+ò（4.6.21
22
2
1032001111
1
00111
21（（2/2/（2/yIdaxIdaxHJrdJrdrruRruRuIdaJrdRuRllllllplpllll
pl¥¥¥æö=--ç÷++èø-+òòò（4.6.22
1011
（2/zIdayHJrdruRlll
pl¥=+ò（4.6.23
图4.6.2电偶极源CSAMT方式
的层状介质模型
其中
1
11112
22ctharcthctharcthNNuuRuhuhuu-éùæö=+++êúç÷èøëûLL
11
1111122
22ctharcthctharcthNNNNuuRuhuhuurrrr*--éùæö=+++êúç÷èøëû
LL（4.6.19式至（4.6。
23式是CSAMT一维正演的基本公式。
4.6.2野外工作方法与技术
一、CSAMT的观测方式
在油气勘探中,根据场源的布置和测量方式将CSAMT分为标量CSAMT和矢量CSAMT
两种方式。
1.标量CSAMT
标量CSAMT布置一个场源,而在测点同时测量互相垂直的水平磁场分量和电场分量（如图4.6.3,并以此计算Cagniard视电阻率。
标量CSAMT用于一维或已知构造主轴方向的二维地区。
在构造复杂的地区,标量CSAMT成功与否完全取决于场源和测量方位的选择以及资料采集的密度。
单场源的工作法,在构造复杂地区,解释有发生错误的危险。
例如,一条直线延伸且倾角很陡的断层,如果场
源偶极垂直于断层的走向（TM极化,用
标量法是有效的;然而如果场源偶极平
行于断层布置（TE极化,断层的识别及其位置的确定就十分困难了。
在构造复杂的地区,最好作网格状标量CSAMT,或者采用矢量和张量CSAMT。
标量CSAMT之所以对地球物理学家和石油公司有吸引力,就是它的效率高、成本低,这也许是为什么目前大多数CSAMT工作仍为标量测量的原因。
2.矢量CSAMT
矢量CSAMT只用一个场源,在测点测量四个或五个电磁场分量（xE、yE、xH、yH有时也测量zH,野外布置图,如图4.6.3所示。
矢量CSAMT可用于研究二维或三维构造,但与张量测量相比,反演的非唯一性较严重。
由于矢量测量比张量测量少50%的采集和处理工作,因此其耗费也较低。
3.张量CSAMT
矢量测量要求布置两个场源,因为和天然大地电磁场不同;单场源的电磁场的极化方向是
图4.6.3标量CSAMT野外工作布置示意图
固定的,不能用测量的结果计算张量阻抗要素。
因此,必须两个极化方向的场源。
两个场源既可互相正交布置,也可分开布置,用张量测量时,必须记录五个分量（xE、yE、xH、yH、
ZH,其野外布置图如图4.6.4所示。
二、仪器与野外工作布置
CSAMT的供电偶极距一般为
1~3km长,测点距供电偶极的距离（收
发距5~10km。
一般用不极化电极接
收电场,其电极距50~100m不等。
由磁棒接收的磁场信号。
在实际工作中究竟布置一个还是两个供电偶极,测量哪些分量,这完全取决于所选择的工作方法,是标量、矢量还是张量CSAMT。
三、提高观测质量的措施
所有需要测量电场分量的电法勘探方法都受地形和表层电性不均匀的影响,CSAMT也不例外。
理论和实际都证明,山谷和表层低阻区具有高电流密度,相反在山峰和表层高阻区具有低电流密度。
前者导致视电阻率升高,后者引起视电阻率降低。
因此,在工作设计和测点布置时必须认真考虑地形和表层不均匀的影响,或者在测量时设法避开,或者在测量之后进行校正。
如果采用后者,在校正之前就必须区分哪些是地形,那些是表层不均匀给测量结果带来的影响。
场源对CSAMT测量结果的影响（主要是近场区和过渡区测量的影响是十分明显的。
在保证信号有一定强度的情况下,应尽量在远区测量。
实际工作时如果出现了在过渡区测量情况（特别是高阻区、低频段时,解释过程中也必须进行校正。
场源的影响,本质上就是非平面波的影响,因为近区和过渡区,由人工场源产生的波都不是平面波。
除此而外,场源下面或场源和测点下面复杂的地质构造,也会导致近区、过渡区甚至远区电磁场的畸变,这种畸变也表现为非平面波。
关于CSAMT的校正方法,可参阅有关文献（Zonge,1980。
4.6.3CSAMT的资料处理和解释
经过实时或现场处理后的资料,一般还不能直接用于解释,必须再处理。
一、资料的再处理
一旦资料合格后,即可进行解释处理或再处理,CSAMT资料的再处理包括曲线的圆滑、校正（静校正、地形校正、场源校正以及为突出某些有用信息而作的特殊处理等。
1.方向旋转（仅限于张量CSAMT
由于地形条件的限制,对整个测线而言,并非一贯地保持在同一方向进行测量,故需对实测场矢量进行合成,然后再投影,得到磁场观测方向（平行和垂直测线的方向的电场值。
2.阻抗张量估算
对于张量观测方式,按下式以实测电磁场量计算张量阻抗。
对任一测点任一频率有
111
xxxxxyyEZHZH=+（4.6.24
图4.6.4张量CSAMT野外工作简图
212
xxxxxyyEZHZH=+（4.6.25111
yyxxyyyEZHZH=+（4.6.26222yyxxyyyEZHZH=+（4.6.27
式中电磁场的振幅和相位均是观测量。
解上面方程可得张量阻抗之的四个元素,进而可得视电阻率与相位
20.2||
xyxyTZr=（4.6.2820.2||
yxyxTZr=（4.6.29arctg|Im（/Re（|
xyxyxyZZj=（4.6.30arctg|Im（/Re（|yxyxxyZZj=（4.6.31
因为x方向（测线方向平行区域地质构造的走向,所以从构造的角度来说,xyr即为TEr,yxr即为TMr。
更进一步,进行坐标旋转变换后,可得电性主轴方位上的主张量元素maxZ和minZ,进而得到主轴方向的视电阻串与相位
2maxmax0.2||
TZr=（4.6.282minmin0.2||TZr=（4.6.29
maxmaxmaxarctg|Im（/Re（|ZZj=（4.6.30
minminminarctg|Im（/Re（|
ZZj=（4.6.31利用主轴方向的响应函数,可进行二维和三维的解释。
3.静态校正
表层电性不均匀会使CSAMT的视电阻率曲线发生移动,而相位曲线却仍保持不变。
视电阻率曲线的这种移动是由于表层电性不均匀处的电荷积累所造成的。
当然深层电性不均匀也会导致视电阻率曲线的移动,然而,由于浅层积累的电荷距测点近,因此它引起的静位移相对深层而言要明显得多。
和MT相似,在二维情况下,静位移主要表现在TMr曲线上,
在三维时,TMr、TEr都会发生移位。
对移位了的视电阻率曲线进行校正,
即静校正。
在CSAMT中,常用的静校正方法有相位积分法和归一化校正法。
1相位积分法（Zonge,1988
CSAMT和MT视电阻率与相位之间满足
dln（14dlnarpjw=+（4.6.37
经简单变换后得
4（dln4aNHewpwprrjw-=-ò（4.6.38
式中,Nr为地表的电阻率,可从静位移影响不大地区的测深曲线求取;Nw为测深曲线最高频率,要求当时Nww=,/4jp=;w是待求视电阻率ar处的电磁场的频率;j是E与H之间的相位差,是w的函数。
（4.6.38式计算出的视电阻率即为校正之后的视电阻率。
1（（jMaiAgijffMurr==å（4.6.39
2归一化校正法（Zonge,1988
这种方法首先要求计算测区某些测点上各个频率之平均视电阻率值然后求“平均视电阻率曲线”之几何平均视电阻率值
1/221（NAgAgiifuurr=éù=êúëûå（4.6.40
这里i=1,2,…N是频率顺序号,j=1,2,…M是测站顺序号。
求得Agur后对每一条视电阻率曲线进行归一化校正:
（（（coraiaiAgAgifffuurrrr=（4.6.41
4.地形校正
研究表明,如果地形起伏小于电磁波的趋肤深度,地形对CSAMT的影响与表层电性不均匀引起之静位移是等价的。
在二维情况下,即使地形起伏不大,TM曲线也有异常,而只有地形起伏十分明显时,TE曲线才有异常产生。
如果在野外数据采集时,设法使电场和磁场探测器布置水平,地形的影响就会大大降低。
然而,在某些情况下,这是十分困难的。
因此需要对地形给观测数据的影响进行校正,即地形校正。
地形校正的前提是:
一要知道地形的起伏,二要计算地形对CSAMT视电阻率曲线的影响。
测区的地形可由地形图或地形测量准确地确定,而地形对CSAMT的影响,只有在极为简单的情况下才能有解析表达式,多数情况下,只能借助于数值模拟计算。
计算地形影响既可用具有地形的水平层状介质,也可用具有地形的均匀介质来模拟。
在地形为二维的情况下,通常称为二维半模拟技术。
如用D（丁表示地形的影响,则校正后的阻抗Z（T为
（（/（obsZTZTDT=（4.6.4.2
和常规MT一样,CSAMT的地形校正目前还只限于二维,三维问题尚须研究。
5.场源校正
由于南方碳酸盐岩地区往往高阻覆盖,因而CSAMT方法在工作时其电磁场常表现为近场或过渡场特征,特别是当工作频率较低时,近场效应更为严重,所以需要作非波区或近场校正。
和MT不同,CSAMT的场源距测点的距离是有限的,有近区、过渡区和远区场之分。
场的复杂性给解释增加了许多困难。
分析表明,有三种影响在解释时必须考虑。
1近场源（非平面波影响及其校正
如前所述,只有远区场才近似大地电磁场,计算视电阻率的Cagniard公式才有效。
一般,当发射偶极和接收点之间的距离L≥3d时,CSAMT的场才具有平面电磁波的特性。
但是,穿透深度d不仅与电阻率有关,而且与电磁波频率有关,实际工作时很难保证在一个测深点上所有频率都具有平面电磁波的特性。
如果在不同区（近场区、过渡区和远场区,我们都用Cagniard公式计算视电阻率,结果近场区和过渡区视电阻率畸变。
通常的校正方法是三角形校正法。
理论研究表明,均匀半空间的电阻率的高低与过渡三角形的形态和大小无关,但过渡三角形的形状和大小却是收发距的函数。
收发距大则三角形小,反之三角形大,这是一个十分有益的结论。
它表明,只要收发距r不变,就可利用此三角形对过渡场的影响进行校正。
另一近场校正方法是由实测卡尼亚视电阻率直接计算全频域视电阻率,由于不对电磁场作近似处理,因而全频域视电阻率能较好地解决近场校正问题。
2场源的附加效应及其校正
是指场源下面或场源接收装置中间地下电性不均匀体使CSAMT场发生的畸变。
它导致过渡区有时出现在高频,有时出现在低频,表现为反常现象。
场源的附加效应目前研究还很不充分,但它对CSAMT资料的影响是一个毋容置疑的事实。
目前,解决的方法有三种:
一减轻;二归一;三校正。
所谓减轻,就是使场源尽量布置在低阻、或基底埋藏（相对测点而言较深、或地质条件比较简单的地区;所谓归一,就是利用多个场源测量的结果之平均对各测点进行归一,然后对归一后的值进行加权,以削弱场源的附加影响;所谓改正,就是基于天然场MT曲线对CSAMT结果进行校正。
图4.6.5是均匀半空间理论模型CSAMT曲线、MT曲线及其校正结果。
从图中看出,周期大于610s-时,CSAMT曲线出现近场效应,此时曲线畸变,成45°角上升。
MT由于是平面电磁波,定义的视电阻率能很好地反映地下真电阻率。
图中3~4曲线是通过三角形校正和全频域校正的结果,显然,近场畸变得到大大改善,说明校正方法十分有效。
二、资料处理与解释
CSAMT的资料解释也分定性和定量两大部分,具体解释方法和常规MT相似,可以参阅第本篇中的第五章,这里不再重复。
图4.6.6是湖北利川地区LC3线CCSAM'I'拟二维反演剖面图。
由图中看出,剖面电性层位清晰。
结合地面地质资料及电性资料,上覆低阻电性层对应下三叠统,中间高阻对应上二叠统。
图4.6.5均匀大地上电偶源蝇AL4丁与MT理论曲线与近场校正结果
图4.6.6湖北利川地区LC3线CSAMT拟二维反演剖面图
习题及思考题
1.与直流电法相比,电磁法有哪些特点?
2.如何根据归一距离P=|kr|划分“近区”和“远区”?
应当如何理解“近区”和“远区”的概念?
3.谐变场和瞬变场在结构上有什么区别?
4.试对比时间域和频率域电磁法的优缺点。
5.试论用电磁法评价异常源性质的可能性和局限性。
6.试述电磁测深法的H等值原理及其物理实质。
7.试比较对称四极直流电测深、大地电磁测深、频率测深及瞬变测深曲线的异同。
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