(11)--第3章 电法勘探交流电法.ppt

电磁感应法 electromagnetic induction methodelectromagnetic induction method电磁感应法电电磁磁感感应应法法是是以以地地壳壳中中岩岩石石和和矿矿石石的的导导电电性性、介介电电性性和和导导磁磁性性差差异异（，）为为基基础础，根根据据电电磁磁感感应应原原理理观观测测和和研研究究电电磁磁场场空空间间与与时时间间分分布布规规律律，从从而而寻寻找找地地下下有有用用矿矿床床或解决地质问题的一组分支电法勘探方法，简称或解决地质问题的一组分支电法勘探方法，简称电磁法电磁法。从从2020世世纪纪6060年年代代开开始始，电电磁磁法法广广泛泛应应用用干干石石油油天天然然气气普普查查、煤煤田田普普查查、金金属属矿矿普普查查、水水文文工工程程地地质质以以及及解解决决深深部地质问题中的各个领域。部地质问题中的各个领域。电磁感应法按按照照电电磁磁场场随随时时间间和和频频率率的的变变化化可可分分为为频频率率域域电电磁磁法法和和时时间间域域电电磁磁法法。由由于于这这两两类类方方法法产产生生异异常常的的原原理理均均遵遵循循电电磁磁感感应应定定律律，故故基基础础理理论论和和野野外外工工作作基基本本相相同同，但但地地质质效效能能各有特点。各有特点。频域：频域：1010-3-3-10-108 8Hz;Hz;时域：不同形式的周期性脉冲电磁场时域：不同形式的周期性脉冲电磁场按照探测范围，可分为电磁剖面法和电磁测深法按照探测范围，可分为电磁剖面法和电磁测深法按照场源性质可分为主动场源法和天然场源法按照场源性质可分为主动场源法和天然场源法按照工作环境：地面、航空、海洋、井中电磁法按照工作环境：地面、航空、海洋、井中电磁法电磁法理论基础交变电磁场中的岩矿石电磁学性质：交变电磁场中的岩矿石电磁学性质：传导电流传导电流：与电阻率：与电阻率 有关。有关。位移电流位移电流：与介电常数：与介电常数 有关。有关。介介电电常常数数：电电位位移移与与电电场场强强度度之之比比，表表示示介介质质在在电电场场中被极化程度的物理量。中被极化程度的物理量。磁导率磁导率：表明磁介质磁性的物理量：表明磁介质磁性的物理量介质的导电性介质的导电性和频率的关系介电性导磁性 均匀交变电磁场在导电介质中的传播均匀交变电磁场在导电介质中的传播麦克斯韦方程组：麦克斯韦方程组：式式中中：H H为为磁磁场场强强度度（安安培培/米米），E E为为电电场场强强度度（伏伏/米米），D D为为电电位位移移（库库仑仑/平平方方米米），B B为为磁磁感感应应强强度度（韦韦伯伯/米米），j j为为传传导导电电流流密密度度（安安培培/平平方方米米），q q为自由电荷，为自由电荷，dD/dtdD/dt为位移电流密度。为位移电流密度。法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律麦克斯韦麦克斯韦-安培定律安培定律库仑定律库仑定律高斯磁定律高斯磁定律在电法勘探中，导电介质内：在电法勘探中，导电介质内：无源空间内：可得电极方程：无源空间内：可得电极方程：高高频频场场、高高阻阻介介质质，上上式式右右端端第第一一项项可可忽忽略略。这这时时方方程变为纯波动型的。程变为纯波动型的。低低频频场场、良良导导介介质质，上上式式右右端端第第二二项项可可忽忽略略，方方程程变变为热传导型的（或扩散性的）为热传导型的（或扩散性的）。由此可见，在导电的强吸收介质中，电磁扰动的传播由此可见，在导电的强吸收介质中，电磁扰动的传播是不按波动规律的，而是按着扩散规律传播的。是不按波动规律的，而是按着扩散规律传播的。2、地下交变电磁场的结构特点a a、谐变场的传播：、谐变场的传播：谐谐变变场场是是频频率率域域法法中中常常用用的的波波场场。其其中中磁磁场场强强度度、电电流流密密度度以以及及其其它它量量均均按按余余弦弦或或正正 弦弦 规规 律律 变变 化化，如如 H=|H|cos(wt-H=|H|cos(wt-H H),),E=|E|cos(wt-E=|E|cos(wt-E E),),这里这里 H H和和 E E为初始相位。为初始相位。谐谐变变场场的的激激发发：借借助助于于交交流流电电的的发发射射装装置置，如如振振荡荡器器、发发电电机机等等，在在地地下下及及空空气气中中建建立立谐谐变变场场。激激发发方方式一般为接地式和感应式。式一般为接地式和感应式。接接地地式式：与与直直流流电电法法一一样样利利用用A A、B B供供电电电电极极将将交交流流电电源直接接到大地，激发出交变电磁场。源直接接到大地，激发出交变电磁场。感感应应式式：在在地地表表敷敷设设通通有有交交变变电电流流的的不不接接地地回回线线或或者者多匝的小型发射线圈多匝的小型发射线圈磁偶极子，激发出交变电磁场。磁偶极子，激发出交变电磁场。谐变场激发方式谐变场激发方式 接地式感应式谐变场的传播：谐变场的传播：其微分方程其微分方程亥姆霍兹齐次方程亥姆霍兹齐次方程 式中式中k k称为波数（或传播系数）。称为波数（或传播系数）。在导电介质中忽略位移电流时：在导电介质中忽略位移电流时：电磁场的传播是个全空间问题电磁场的传播是个全空间问题在在不不同同介介质质的的分分界界面面上上，即即在在 或或 出出现现不不连续处，满足边界条件：连续处，满足边界条件：脚标脚标 t t 表示切向分量，表示切向分量，n n 表示法分量。表示法分量。初始条件初始条件平平面面电电磁磁波波的的结结构构特特点点：在在无无限限均均匀匀介介质质中中，同同一一相相位位面面为为平平面面的的电电磁磁波波称称为为平平面面电电磁磁波波,其其法法向向方方向向为为传传播播方方向向。若若在在这这一一平平面面上上场场振振幅幅为为常常数数，则则称称为为均均匀匀平平面面电电磁磁波波，否否则则为非均匀平面电磁波。为非均匀平面电磁波。b b、平面电磁波的传播：、平面电磁波的传播：在电阻率为在电阻率为 的均匀介质中选择的均匀介质中选择X X和和Y Y轴位于轴位于波的极化平面上，波的极化平面上，Z Z轴位于波的传播方向上，轴位于波的传播方向上，亥姆霍兹方程可写作标量方程。亥姆霍兹方程可写作标量方程。平面电磁波的传播：平面电磁波的传播：利用分离变量法可求的则电磁场的分量为：利用分离变量法可求的则电磁场的分量为：表明电磁波幅度沿表明电磁波幅度沿z z轴的正方向按指数规律衰减。轴的正方向按指数规律衰减。将传播系数分成实、虚部将传播系数分成实、虚部 忽略位移电流时忽略位移电流时 ExEx分量振幅和相位分别为：分量振幅和相位分别为：因此，称因此，称b b为振幅衰减系数，为振幅衰减系数，a a为相位系数。为相位系数。上上式式表表明明，电电场场沿沿Z Z轴轴方方向向自自地地表表前前进进1/b1/b距距离离时时，振振幅衰减为幅衰减为1/e1/e倍。倍。习惯上将距离习惯上将距离 1/b1/b称为电磁波的趋肤深度。称为电磁波的趋肤深度。趋肤深度亦可写为：趋肤深度亦可写为：电电磁磁波波的的趋趋肤肤深深度度随随电电阻阻率率的的增增加加和和频频率率的的降降低低而而增增大大。所以，为了进行深部地质调查应采用较低的工作频率。所以，为了进行深部地质调查应采用较低的工作频率。波长：相位改变波长：相位改变22所前进的距离所前进的距离当当 ，此时，此时 =2 1可可见见，这这个个比比值值具具有有阻阻抗抗的的量量纲纲，它它是是平平面面电电磁磁波波在在均均匀匀导导电电介介质质中中传传播播时时遇遇到到的复波阻抗，是介质对电磁波传播的一种物理特性。特征阻抗的复波阻抗，是介质对电磁波传播的一种物理特性。特征阻抗在在均均匀匀介介质质中中，阻阻抗抗ZxyZxy和和ZyxZyx的的振振幅幅相相同同，相相位位相相反反。下下面面考考察察根根据据波波阻阻抗抗振振幅幅确定介质电阻率的可能性。确定介质电阻率的可能性。为了消除电磁场的分量式中的未知系数为了消除电磁场的分量式中的未知系数CxCx和和CyCy，取如下比值，取如下比值 这便是通过这便是通过测量相互正交的电场和磁场分量测量相互正交的电场和磁场分量确定介质电阻率的公式。如果介确定介质电阻率的公式。如果介质是非均匀的，则计算的电阻率为视电阻率。如果介质电阻率为已知，则可质是非均匀的，则计算的电阻率为视电阻率。如果介质电阻率为已知，则可确定介质的磁导率。确定介质的磁导率。在均匀介质中电场在相位上落后于磁场在均匀介质中电场在相位上落后于磁场4545度，这就是在电磁法中利用相位特性度，这就是在电磁法中利用相位特性的依据。的依据。瞬变场瞬瞬变变场场的的结结构构特特点点：瞬瞬变变场场是是指指那那些些在在阶阶跃跃电电流流源源作作用用下下，地地中中产产生生的的过过渡渡过过程程感感应应电电磁磁场场。因因为为这这一一过过渡过程的场具有瞬时变化的特点，故取名为瞬变场。渡过程的场具有瞬时变化的特点，故取名为瞬变场。瞬瞬变变场场的的激激发发：与与谐谐变变场场情情况况一一样样，其其激激发发方方向向也也有有接接地地式式和和感感应应式式两两种种。在在阶阶跃跃电电流流（通通电电或或断断电电）的的强强大大变变化化磁磁场场作作用用下下，良良导导介介质质内内产产生生涡涡旋旋的的交交变变电电磁磁场场，其结构和频谱在时间与空间上均连续地变化。其结构和频谱在时间与空间上均连续地变化。谐变场和瞬变场涡旋电流结构谐变场和瞬变场涡旋电流结构 烟圈效应任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场。在发射电流刚断电时，该环状线电流紧挨发射回线，与发射回线具有相同的形状。随着时间的推移，该电流环向下、向外扩散，逐渐变成圆电流环。类似于从发射回线中“吹”出来的一系列烟圈，因此，地下涡旋电流向下、向外扩散的过程可形象的称为“烟圈效应”。r:半径；d：深度a:发射线圈半径c2=8/pi-2=0.546479地下感应涡流向下、向外扩散的速度与大地导电率有关，导电性越好，扩散速度越慢。这意味着在导电性较好的大地上，能在更长的时延后观测到大地瞬变电磁场。从“烟圈效应”的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，主要为高频成分，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场主要由深部的感应电流产生的，低频逐渐增强，反映深部的电性分布。因此观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电性的垂向变化。理论上，瞬变电磁场可通过直接求解时间域电磁场方程及相应边界条件构成的定界问题计算。实际上，可先计算频率域电磁场，再对频率域电磁场做逆傅里叶变化获得瞬变电磁场。瞬变电磁场可视为不同频率的谐变电磁场的组合，二者通过傅里叶变换互相联系。瞬变场瞬变场的参数：瞬变场的参数：瞬变电磁场状态的基本参数是时间。瞬变电磁场状态的基本参数是时间。这这一一时时间间依依赖赖于于岩岩石石的的导导电电性性和和收收发发距距。在在近近区区的的高高阻阻岩岩石石中中，瞬瞬变变场场的的建建立立和和消消失失很很快快（几几十十到到几几百百毫毫秒秒）；而而在在良良导导地地层层中中，这这一一过过程程变变得得缓缓慢慢。在在远远区区这这一一过过程程可可持持续续到到几几秒秒到到几几十十秒秒，而而在在较较厚厚的的导导电电地地质质体体中中可可延续到一分钟或更长。延续到一分钟或更长。研研究究瞬瞬变变电电磁磁场场随随时时间间的的变变化化规规律律，可可探探测测具具有有不不同同导导电电性性的的地地层层分分布布纵纵向向电电导导。也也可可以以发发现现地地下下赋赋存存的的较较大大的良导矿体。的良导矿体。均匀大地表面上阶跃偶极子场源的电磁场均匀大地表面上阶跃偶极子场源的电磁场瞬瞬变变电电磁磁法法的的理理论论基基础础:与与电电阻阻率率和和时时间间的的关关系系较较为为复复杂，一般研究早期和晚期两种极限条件的渐近特征。杂，一般研究早期和晚期两种极限条件的渐近特征。远远区区（早早期期）的的瞬瞬变变电电场场规规律律：波波区区范范围围内内电电场场强强度度与与介介质质电电阻阻率率成成正正比比，大大地地导导电电性性越越差差，瞬瞬变变电电磁磁场场越越强强，但但衰衰减减很很快快，磁场强度随时间线性变化，电场强度与时间无关磁场强度随时间线性变化，电场强度与时间无关近近区区（晚晚期期）的的瞬瞬变变电电场场规规律律：晚晚期期瞬瞬变变电电磁磁场场与与大大地地电电阻阻率率成成反反比比关关系系，晚晚期期垂垂直直磁磁场场的的强强度度与与位位置置无无关关，晚晚期期瞬瞬变变电电磁磁场随时间迅速衰减。场随时间迅速衰减。电磁法的基本原理发射线圈F交变电流一次交变场感应电动势感应电流二次交变磁场总场椭圆极化 电磁剖面法电电磁磁剖剖面面法法：主主要要应应用用于于矿矿床床普普查查、地地质质填填图图、工程地质、水文地质调查。工程地质、水文地质调查。探探测测深深度度：一一般般情情况况下下，人人工工主主动动源源电电磁磁剖剖面面法法的的研研究究深深度度为为几几十十米米到到一一、二二百百米米。对对于于大大地地电电磁磁剖剖面面法法，其其研研究究深深度度可可达达到到结结晶晶基基底底，并并可可提提供研究区域填图的基础资料。供研究区域填图的基础资料。电磁剖面法人工主动源电磁剖面法人工主动源电磁剖面法：研研究究深深度度为为几几十十米米到到一一、二二百百米米。包包括括不不接接地地回回线线法法、电电磁磁偶偶极极剖剖面面法法、航航空空电磁法电磁法等。等。这这些些方方法法既既可可在在频频率率域域中中采采用用，也也可可在时间域中采用。在时间域中采用。b b、被动源电磁剖面法：主要有、被动源电磁剖面法：主要有甚低频法甚低频法和和大地电磁法大地电磁法。甚甚低低频频法法：世世界界上上许许多多国国家家为为了了潜潜艇艇通通讯讯及及导导航航目目的的，设设立立了了强强功功率率的的长长波波电电台台。其其发发射射频频率率在在151525kHz25kHz范范围围内内，甚甚低低频频电电台台发发射射的的电电磁磁波波，在在远远离离电电台台地地区区可可视视为为典典型型的的平平面面波波。这这种种电电磁磁波波适适合合做做电电导导率率填填图图，还还可可用用于于探探测测大大的的断断层层、破破碎碎带带、石石墨墨化化地地层层和和矿矿化化带带，在在有有利利条件下还可探测浸染和块状硫化矿。条件下还可探测浸染和块状硫化矿。大大地地电电磁磁剖剖面面法法：研研究究深深度度可可达达到到结结晶晶基基底底，可可提提供供研究区域的基础资料。研究区域的基础资料。（一）一次磁场（一）一次磁场地地 面面 布布 设设 不不 接接 地地 矩矩 形形 回回 线线(0.5km*0.3km(0.5km*0.3km或或 1km1km*0.5km)0.5km)，其其 中中 通通 以以 一一 次次 电电 流流 。根根据据毕毕奥奥一一萨萨伐伐尔尔定定律律，电电流流在在回回线线内内观观测测点点o o处处产产生生的的磁磁场场为为各各边边ABAB、BCBC、CDCD、DADA电流产生的磁场之和即为一次磁场。电流产生的磁场之和即为一次磁场。一、不接地回线法（定源法）一、不接地回线法（定源法）式中式中s s为以为以r r作对角线的矩形所包围的面积。作对角线的矩形所包围的面积。大大回回线线场场的的特特点点：地地面面各各点点的的磁磁场场方方向向均均垂垂直直地地面面，回回线线中中部部磁磁场场较较均均匀匀。在在该该场场作用下地中产生水平方向的涡旋电流。作用下地中产生水平方向的涡旋电流。对对边边长长为为a a的的正正方方形形回回线线，如如以以与与中中心心点点磁磁场场大大小小相相差差不不超超过过4 4 0 0为为准准，则则在在回回线线中中部部0.6a0.6a及及上上下下士士0.18a0.18a的的范范围围内内可可近近似似看看成成垂直的均匀磁场。垂直的均匀磁场。不不接接地地回回线线法法是是在在均均匀匀场场或或似似均均匀匀场场中中观观测测由由良良导导体体涡涡流流产产生生的的二二次次场场，研研究究水水平平或或缓缓倾倾斜斜产产状状良良导导矿矿体体的的一一种种详详查查方方法法，测测网网可可布布置置在在回回线线内内、外外。可可沿沿测测线线逐逐点点观观测测交交变变磁磁场场的的垂垂直直分分量量或或沿沿剖剖面面方方向向的的水水平平分分量量的的实实部部和和虚虚部部，也也可可观观测测它它们们的的振振幅幅和和相相位位。这这时时，必必须须从从发发射射源源或或回回线线引引入入一一相相位位参参考考信信号号，因因而而需需要要拖拖带带很很长长的的传传输输线线。最最简简单单的的观观测测方方式式则则是是只只测测量量垂垂直直分分量量振振幅幅，此此时时不不需需要要引引入入相相位位信信号号，工工作作轻轻便便，效效率高。率高。发射机：固定频率的交流发电机发射机：固定频率的交流发电机接接收收机机：根根据据观观测测参参数数的的不不同同，只只观观测测振振幅幅时时，由由接接收收线线圈圈、选选频频放放大大和和指指示示器器组组成成，如如果果测测量量实实虚虚分分量量，还还需需要要移移相相器器和和参考线。参考线。不接地回线法的应用不接地回线法的应用实虚分量法矿体顶部明显的正垂直异常，表明矿体有很强的磁性，水平虚分量在矿层顶部有明显异常，异常随频率的变化是区分良导体和非良导体的依据。水平虚分量随频率衰减很快，表明矿体导电性很好。振幅比振幅比-相位差法相位差法工工作作中中通通常常保保持持两两接接收收线线圈圈水水平平，即即观观测测磁磁场场垂垂直直分分量量的的振振幅比和相位差。幅比和相位差。逐逐点点观观测测相相邻邻两两点点的的振振幅幅比比和和相位差。相位差。频频率率较较低低时时，只只反反映映导导电电性性较较好好的的矿矿体体，频频率率增增大大时时，导导电电性较差的也可反映出来。性较差的也可反映出来。电磁偶极剖面法的供电和接收装置多半采用小型多电磁偶极剖面法的供电和接收装置多半采用小型多匝线框。有时也可采用匝线框。有时也可采用A A、B B接地装置。这些方法的基本接地装置。这些方法的基本特点是，装置轻便，使用灵活，工作效率高；可选择与特点是，装置轻便，使用灵活，工作效率高；可选择与地质体有较强耦合关系的发射方式，从而提高探测能力；地质体有较强耦合关系的发射方式，从而提高探测能力；但勘探深度较浅。但勘探深度较浅。将发、收线框间的空间相互位置关系称为将发、收线框间的空间相互位置关系称为工作装置工作装置或观测系统或观测系统。当发射和接收线框保持一定距离（收一发。当发射和接收线框保持一定距离（收一发距）同时移动逐点观测时，称为距）同时移动逐点观测时，称为动源式工作装置动源式工作装置。其中。其中又分成：（又分成：（1 1）发、收线框在同一条测线上者称为）发、收线框在同一条测线上者称为同线装同线装置置；（；（2 2）发、收线框分别在两条测线同号点上者称为）发、收线框分别在两条测线同号点上者称为旁旁线装置线装置。发射线框在测线外某一点上固定不动，而接收。发射线框在测线外某一点上固定不动，而接收线框在测线上逐点移动的装置，称为线框在测线上逐点移动的装置，称为定源式工作装置定源式工作装置。其中用直立线框作场源的，称为其中用直立线框作场源的，称为垂直线框装置垂直线框装置，用水平，用水平线框作场源的，称为线框作场源的，称为水平线框装置水平线框装置。二、电磁偶极剖面法（动源法）二、电磁偶极剖面法（动源法）为为了了便便于于表表明明发发、收收线线框框的的方方向向，作作如如下下规规定定：X X指指测测线线方方向向，Y Y指指垂垂直直于于测测线线的的水水平平方方向向，Z Z指指铅铅垂垂方方向向。如如旁旁线线XZXZ装装置置，前前一一个个字字母母表表示示发发射射磁磁矩矩指指向向x x方方向向，后后一一个个字字母母Z Z表示接收线框法线指向表示接收线框法线指向Z Z方向，即接收磁场的垂直分量。方向，即接收磁场的垂直分量。在在实实际际工工作作中中，发发射射磁磁矩矩可可指指向向X X、Y Y、Z Z三三个个方方向向，接接收收线线框框也也可可接接收收X X、Y Y、Z Z三三个个分分量量。故故同同线线和和旁旁线线装装置置分分别别有有九九种种组组合合方方式式。但但是是，根根据据互互换换原原理理有有些些装装置置是是等等效效的的，如如同同线线XZXZ与与同同线线ZXZX装装置置，两两者者在在相相同同两两点点上上互互换换发发、收收线线框框时时，其其观观测测值值相相同同。故故在在发发、收收两两线线框框面面呈呈正正交交的的六六种种装装置置中中，因因双双双双互互换换，实实为为三三种种装装置置。综综上上所所述述，旁旁线线和和同同线线装装置置均均有六种。同线装置还有正向与反向装置之分。有六种。同线装置还有正向与反向装置之分。野野外外常常用用的的装装置置主主要要有有：同同线线ZZZZ（水水平平共共面面）、旁旁线线XZXZ及及定定源源垂垂直直、水水平平线线框框装装置置。在在航航空空电电磁磁法法中中常常用用旁旁线线XXXX（直立共面）、同线（直立共面）、同线XXXX（直立共轴）和同线（直立共轴）和同线ZXZX（正交）系统。（正交）系统。三、航空电磁法三、航空电磁法 四、甚低频法四、甚低频法甚甚低低频频(VIf)(VIf)电电磁磁法法是是一一种种被被动动源源电电探探方方法法。它它利利用用超超长长波波通通讯讯电电台台所所发发射射的的电电磁磁波波为为源源，通通过过在在地地表表、空空中中或或地地下下探探测测场场的的参参数数变变化化，从从而而达达到到找找矿矿或或解解决决有有关关工工程及环境地质问题的目的。程及环境地质问题的目的。世世界界上上许许多多国国家家为为了了潜潜艇艇通通讯讯及及导导航航目目的的，设设立立了了强强功功率率的的长长波波电电台台。其其发发射射频频率率在在151525kHz25kHz范范围围内内，采采用用连连续续的的莫莫尔尔斯斯编编码码的的未未调调制制载载波波。在在无无线线电电工工程程中中，将将这这种种频频率率称称为为甚甚低低频频（VLFVLF）。故故以以这这种种电电台台为为场场源源的的电电磁磁法法，称称为为甚甚低低频频电电磁磁法法。显显然然，这这里里的的“甚甚低低频频”并并不不是是一一般般电电法法勘勘探探中中的的低低频频，而而实实际际上上它它属属于于高高频频电电磁法范围。磁法范围。利利用用这这种种频频带带的的电电磁磁法法较较适适合合于于做做电电导导率率填填图图，还还可可用用于于探探测测许许多多地地质质特特征征，如如大大的的断断层层、破破碎碎带带、石石墨墨化化地地层层和和矿矿化化带带。在在个个别别有有利利条条件件下下或或许许可可能能探探测测浸浸染染和和块块状硫化矿。状硫化矿。通常可以将甚低频台的发射天线当作位于地表的垂直电偶极子。其辐射场包括两部分：一部分是与地面垂直的电场分量，另一部分是与地面平行的磁场分量，两者都与波的传播方向垂直(a图)。甚低频法甚低频法在远离电台的地区，可将甚低频波视为平面波。当地下存在良导地质体(如地下水，岩溶或断裂带等)时，因受磁场分量的作用，在地质体中将感应出涡旋电流及相应的二次磁场。若良导地质体(如b图中的D1)的走向与电磁波的传播方向一致，由于一次场垂直作用于良导体，于是，D1内形成涡流，涡流感应产生的二次磁场最大；若良导地质体的走向与电磁波的传播方向垂直(如b图中的D2)，由于一次场平行于良导体，则感应的二次场最弱。因此，根据具体的地质情况，选择方向合适的甚低频电台作为场源，才有可能观测到较强的二次场信息。我我国国生生产产的的甚甚低低频频电电磁磁仪仪就就是是以以设设在在日日本本(NDT)(NDT)和和澳澳大大利利亚亚(NWC)(NWC)海海军军通通讯讯电电台台发发射射的的电电磁磁波波为为场场源源，其工作频率分别为其工作频率分别为17.4kHz17.4kHz和和22.3kHz22.3kHz。甚甚低低频频法法的的资资料料解解释释主主要要是是定定性性地地确确定定出出低低阻阻体体(断断裂裂带带或或岩岩溶溶发发育育带带)的的位位置置。从从甚甚低低频频法法的的理理论论曲曲线线分分析析可可知知，利利用用极极化化椭椭圆圆倾倾角角曲曲线线的的零零值值点点及及磁磁场场水水平平分分量量极极值值点的位置点的位置均可确定断裂带及低阻发育带的位置。均可确定断裂带及低阻发育带的位置。广西浪桥堡13线综合勘探剖面图1粘土；2溶洞；3石灰岩 电磁测深法：根根据据电电磁磁感感应应原原理理研研究究天天然然或或人人工工（可可控控）场场源源在在大大地地中中激激励励的的电电磁磁场场分分布布，由由观观测测到到的的电电磁磁场场值值来来研研究究地地电电参数沿深度的变化。参数沿深度的变化。目目前前常常用用方方法法包包括括：天天然然大大地地电电磁磁测测深深方方法法、人人工工源源频频率率电电磁磁测测深深方方法法（简简称称频频率率测测深深法法）、人人工工源源瞬瞬变变电磁测深方法（简称瞬变测深法）电磁测深方法（简称瞬变测深法）。天天然然大大地地电电磁磁测测深深方方法法、人人工工源源频频率率电电磁磁测测深深方方法法（简简称称频频率率测测深深法法）、可可控控源源音音频频大大地地电电磁磁测测深深法法（CSAMTCSAMT）属属于频率域方法，通过改变频率来控制探测深度。于频率域方法，通过改变频率来控制探测深度。人工源瞬变电磁测深方法人工源瞬变电磁测深方法（简称瞬变测深法）（简称瞬变测深法）为时间域方法。为时间域方法。应应 用用 方方 向向：在在 我我 国国，电电 磁磁 测测 深深 方方 法法 主主 要要 用用 于于 观观 测测 地地 壳壳 和和 上上 地地 幔幔 物物 质质结结构构、在在普普查查石石油油天天然然气气、煤煤田田、地地热热田田、寻寻找找地地下下水水和和金金属属矿矿产产过过程程中中已已成成为为不不可可缺缺少少的的地地球球物物理理勘勘探探方方法法之之一一，并并取取得了明显的地质效果。得了明显的地质效果。在很大地区范围内观测到的地球在很大地区范围内观测到的地球天然交变电磁场称为大地电磁场。它天然交变电磁场称为大地电磁场。它是以地球的电场和磁场分量的变化形是以地球的电场和磁场分量的变化形式表现出来的。电场部分是与称为大式表现出来的。电场部分是与称为大地电流的地球区域电流的存在有关，地电流的地球区域电流的存在有关，而磁场部分是与地磁变化或大地电流而磁场部分是与地磁变化或大地电流的变化特点有关。的变化特点有关。关于大地电磁场的起源问题目前关于大地电磁场的起源问题目前研究的还不够充分。研究的还不够充分。一、大地电磁测深法一、大地电磁测深法(MT,(MT,Magnetotelluric methodMagnetotelluric method)（一）天然电磁场（一）天然电磁场大地电场的变化可分为两类：一类是地电场的平静变化，另一类是地电场的干扰变化。平静变化具有周期性：周期为11a：与太阳黑子有关；年变化周期：与太阳公转周期相同，同时与季度变化有关，夏季场强大，冬季场强小；月变化周期：月球绕地球的周期；静日地电日变化：地球自转干扰变化是随机的：高频地电变化：10-4-1s地电湾扰：没有周期，持续时间1-3h；扰日地电日变化：1d地电暴：持续时间1-3d地电场的变化不仅有幅度变化，还有方向改变。相相对对高高频频（3 310000 10000 HzHz）的的电电磁磁场场，其其源源可可能能是是工工业业漏漏电电、超超长长波波无无电电线线电电台台、大大气气电电现现象象及及地地磁磁场场的的变变化化。这这一一频频段段电电磁磁场场主主要要来来源源于于雷雷电电现现象象。以以闪闪电电形形式式的的放放电电是是典典型型的的大大功功率率电电偶偶极极子子源源。观观测测表表明明，每每一一秒秒中中向向地地球球冲冲击击100100个个左左右右的的闪闪电电。故故雷雷电电的的电电磁磁场场实实际际上上可可认认为为是是连连续续的的，其其电电磁磁场场的的强强度度主主要要依依赖赖于于放放电电中中心心的的位位置置及及电电磁磁场场传传播播条件的变化。条件的变化。西西里岛与撒哈拉两地相隔约2000 Km,但对比性表明了它们同源特点。大大地地电电磁磁测测深深法法：设设平平面面电电磁磁波波垂垂直直射射入入地地面面，n n层层水水平平层层状状介介质质的的层层厚厚度度为为h hn n，电电阻阻率率 n n，界界面面深深度度d dn n，每每层波数层波数k kn n。对于任意层，场变量的基本方程为：对于任意层，场变量的基本方程为：根据均匀场的特点，由亥姆霍兹方程得电磁场的解为：根据均匀场的特点，由亥姆霍兹方程得电磁场的解为：对于任意层，阻抗为：对于任意层，阻抗为：设递推函数设递推函数R Rn n为：为：则第一水平层阻抗则第一水平层阻抗Z Z1 1、电阻率、电阻率 1 1和地表阻抗和地表阻抗Z Z1 10 0关系可写为：关系可写为：由由上上式式，得得出出大大地地电电磁磁法法所所测测得得的的视视电电阻阻率率的的模模或或振振幅具有以下形式：幅具有以下形式：按这种方法确定的视电阻率称为按这种方法确定的视电阻率称为卡尼亚视电阻率卡尼亚视电阻率。大大地地电电磁磁测测深深两两层层曲曲线线大大地地电电磁磁测测深深三三层层曲曲线线大地电磁资料整理大地电磁参数：阻抗、视电阻率、相位等视电阻率视电阻率:(=(=truetrueforahalf-space)forahalf-space)相位相位:(=45(=45o oforahalf-space)forahalf-space)阻抗阻抗:卡尼亚视电阻率卡尼亚视电阻率卡尼亚视电阻率卡尼亚视电阻率大地电磁测深利用大地中频率范围很宽（10-4-104）Hz的天然电磁场，进行深部地质构造研究，属于被动源、频率域测深。频率低、波长大、探测深度大、成本低、精度差，主要用于区域性的大地构造勘探。不需要人工建立场源、装备轻便、成本低，且比人工源测深勘探深度更大。Z1,n表示n层介质情况下第一层顶面处的波阻抗，s不是介质的真电阻率，是介质电阻率分布的综合反应，与电磁波的频率有关。大地电磁测深的应用接收器：磁力仪、电极放大器、滤波器和记录器等解释：等值现象、最小二乘反演频率电磁测深法采采用用电电或或磁磁偶偶极极场场源源，用用改改变变频频率率的的方方法法来来控控制制探探测测深深度度，而而不不用用增增加加供供电电电电极极距距ABAB。对对地地层层的的分分辨辨力力强强；勘勘探探深深度度较较大大等等。近近年年来来，频频率率测测深深法法已已成成为为国国内内外外应应用用较较广广的的一一种种测测深方法。深方法。频率测深视电阻率：频率测深视电阻率：s s为接收线框面积，为接收线框面积，n n为匝数。为匝数。K K型断面频率测深曲线型断面频率测深曲线A型断面频率测深曲线型断面频率测深曲线H型断面频率测深曲线型断面频率测深曲线可控源音频大地电磁测深法可控源音频大地电磁法可控源音频大地电磁法(CSAMT)(CSAMT)是在大地电磁法是在大地电磁法(MT)(MT)和音和音频大地电磁测深（频大地电磁测深（AMTAMT）的基础上，由加拿大多伦多大）的基础上，由加拿大多伦多大学的学的D.W.StrangwayD.W.Strangway教授提出的针对解决大地电磁法场教授提出的针对解决大地电磁法场源的随机性强和信号微弱而发展成的一种人工场源电磁源的随机性强和信号微弱而发展成的一种人工场源电磁测深方法，其频率范围为测深方法，其频率范围为0.250.258192Hz8192Hz。该方法由于使。该方法由于使用了功能强大的人工信号源，与大地电磁法用了功能强大的人工信号源，与大地电磁法(MT)(MT)相比，相比，更能够压制干扰，采集到高品质的数据。更能够压制干扰，采集到高品质的数据。CSAMT近十年是近十年是CSAMTCSAMT测量事业蓬勃发展的时期，测量事业蓬勃发展的时期，除了方法理论更加成熟，仪器设备也更先除了方法理论更加成熟，仪器设备也更先进，数据处理和反演技术更加完善。其应进，数据处理和反演技术更加完善。其应用领域也不断扩展，在深部构造、油气探用领域也不断扩展，在深部构造、油气探查、地热、煤田探测、固体矿产深部找矿、查、地热、煤田探测、固体矿产深部找矿、水文、工程、环境地质等领域得到广泛应水文、工程、环境地质等领域得到广泛应用，取得了丰硕的成果。用，取得了丰硕的成果。可控源音频大地电磁测深法基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组导出了水平电偶极源在地面上的电场及磁场公式视电阻率(s)公式根据电磁波的趋肤效应理论，导出了趋肤深度公式 CSAMT从上式可见，当地表电阻率固定时，电磁波的传播深度（或探测深度）与频率成反比，高频时，探测深度浅，低频时，探测深度深。人们可以通过改变发射频率来改变探测深度，达到频率测深的目的。九十年代，加拿大凤凰公司和美国的宗吉公司根据这一理论首先研究制造了CSAMT的测量仪器系统，编制了软件，建立了野外工作方法（见下图）。可控源音频大地电磁测深法工作方法CSAMT装置由发射(Tx)和接收（Rx）两部分组成，人工场源有电性源和磁性源两种，目前最常用的为电性源，沿一定方向布置接地导线AB，长度一般为1-3km，向地下供入频率为f的交变电流，形成交变电磁场。一般在AB一侧或两侧60度张角的扇形区域内，平行AB布置测线，在每一个测点进行观测时，逐次改变供电频率，观测沿测线方向相应频率的电场分量Ex和与之正交的磁场分量Hy，便可计算出随频率变化的视电阻率和阻抗相位，达到频率测深的目的：特点CSAMT法的显著特点是工作效率高。人工场源克服了天然场源信号弱的不足，因而信噪比高。如果野外测点密集，按排列接收，一个小时左右便可完成一套频率的测量，一台仪器一天便可完成几个乃至十几个排列的观测。敷设一次供电线路，能观测一块相当大的测区，生产效率高。探测深度适中：适用于水、工、环和矿产勘查 在A点（近区，低归纳数量），接近发射机，一般认为信号具有几何学和电阻率的功能。响应和研究深度与频率无关。在过渡区（B）电和磁以及研究深度具有几何学，电阻率和频率的功能。在远区（C），大地电磁方法能被使用。区域被认为具有电阻率和频率的功能。在在A A点（近区，低归纳数量），点（近区，低归纳数量），接近发射机，一般认为信号具接近发射机，一般认为信号具有几何学和电阻率的功能。响有几何学和电阻率的功能。响应和研究深度与频率无关。应和研究深度与频率无关。在过渡区（在过渡区（B B）电和磁以及研）电和磁以及研究深度具有几何学，电阻率和究深度具有几何学，电阻率和频率的功能。频率的功能。在远区（在远区（C C），大地电磁方法），大地电磁方法能被使用。区域被认为具有电能被使用。区域被认为具有电阻率和频率的功能。阻率和频率的功能。收发距即发射机到接收点的距离，是野外测量取得高质量数据关键的因素。因为现在开发的CSAMT方法二维反演软件是以接收到电磁场远区数据为前提。当收发距太小，接收的是近区数据，不能反映频率测深的特点。反之，若收发距太大，则信号太弱，难以压制局部噪音，数据质量下降。根据电磁场理论，收发距必须大于最低发射频率时“趋肤深度”的三倍（r=3H）。趋肤深度:在布置工作之前，若能大致地估计探测目标的深度在布置工作之前，若能大致地估计探测目标的深度H H，又能大致地了解又能大致地了解测区的电阻率值，就可以根据发射功率的大小计算收发距测区的电阻率值，就可以根据发射功率的大小计算收发距r r的大小。的大小。收发距的选择收发距的选择发射偶极发射偶极ABAB及接收偶极及接收偶极MNMN的大小，主要考虑要的大小，主要考虑要满足偶极子的条件，即满足偶极子的条件，即ABAB与与MNMN相对于相对于r r，要足要足够小。够小。通常我们取通常我们取ABAB（1 13 31 15 5）r r，M MN N（1 11010）r r即可。即可。另外我们还必须考虑，另外我们还必须考虑，ABAB大时，低频特性好，大时，低频特性好，ABAB小时，高频特性好，在探测较深的地质目标小时，高频特性好，在探测较深的地质目标时，时，ABAB可选择大一些，在探测较浅层的地质体可选择大一些，在探测较浅层的地质体目标时，目标时，ABAB可选择小一些。可选择小一些。发射偶极AB和接收偶极MN对对MNMN来说，来说，MNMN过大其分辨率会降低，但测量到的过大其分辨率会降低，但测量到的电位差值大，易于观测；另外可提高工作效率，电位差值大，易于观测；另外可提高工作效率，一个排列覆盖的范围大一个排列覆盖的范围大;MNMN变小，其分辨率会提高，但测到的电位差值变变小，其分辨率会提高，但测到的电位差值变小，不能保证观测质量；另外因一个排列所覆盖小，不能保证观测质量；另外因一个排列所覆盖的范围变小而使工