2022年CSAMT和EH-原理、工作方法简介 .pdf

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1、一、可控源音频大地电磁测深法（CSAMT ）（1）方法特点及应用范围可控源源音频大地电磁法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics, 简称CSAMT 法)最早是由加拿大多伦多大学的D.W.Strangway 教授和他的学生Myaron Goldtein于 1971 年提出。针对大地电磁测深法场源的随机性和信号微弱，以致观测十分困难这一状况，他们提出了一种改变方案采用可以控制的人工场源。从而从理论和实验两方面奠定了 CSAMT 法的基础。自70 年代中期起CSAMT 法得到了实际应用，一些公司相继生产用于 CSAMT 法测量的仪器和解

2、释应用软件。特别是自80 年代以来，方法理论和仪器都得到了很大发展，应用领域也扩展到了地质普查、勘探石油、天然气、地热、金属矿床、水文、环境等方面， 从而成为受人重视的一种地球物理方法，目前在我国已将本方法作为危机矿山深部资源勘探的重要手段，在许多矿山取得了很好的效果。我们可以用图2-1 来说明最常用的一种标量CSAMT 法的测量过程：场源：用发送机通过接地电极A、B 向地下供交变电流，在地下形成交变电磁场。电流的频率可在一定范围内变化，通常从 2-3213Hz 按 2 进制递变， 在接地十分困难的地方可用不接地回线作垂直磁偶极子来发送电磁场。测量：在距离AB 相当远的地方进行测量。所谓“相当

3、远”指的是在这些地方的电磁场已接近平面波， 从而可使用卡尼亚电阻率计算公式并方便解释。若选用直角坐标系，X 轴平行 AB，Z 轴垂直向下， 那么标量测量是在测点测量每一频率的电场分量EX和正交的磁场分量 HY，并按：EEyxf251计算卡尼亚电阻率。式中f 为频率。当从高到低逐个改变频率。便可得到卡尼亚电阻率测深曲线。根据需要，可以分别以相互垂直的两组场源供电，对每个场源都测量 5 个电磁场分量，从而形成张量 CSAMT测量。张量测量虽然信息量丰富，但工作效率低。作为一种简化，可以测一组场源的电、磁场分量组成矢量CSAMT测量。实际应用中，面积性的标量CSAMT法也可取得良好的地质效果。在锡矿

4、山工作时我们采用的就是面积性标 量CSAMT测 量 概 括 起 来 ，CSAMT 法主要有如下特点： 工作效率高。用一个发射偶极子供电，可在它周围的四个很大的扇形区域内测量。在进行测量时，只需移动接收机，便可进行面积性测深工作，从而得到地下电性的立体分布情况。 勘探深度范围大。CSAMT法有效勘探深度的影响因素包括地电构造、噪声水平、发送机功率、接收机灵敏度、精度和抗干扰能力等。从理论上，其探测深度大致为: lin e 1 1 2lin e 1 0 0lin e 2 5lin e 2 72 0 0 0 /2 71 0 0 0 /2 72 0 00 /251 0 0 0 /2 54 0 0 /1

5、0 01 4 0 0 /10 02 0 0 0 /11 21 0 0 0 /1 1 2A B = 2 6 0 0 m6 0 0 0 mAB20 0 m2 0 0 m2 00 0mline 2 4line 2 61 0 0 0 /242 0 0 0 /241 0 0 0 /2 62 0 0 /1 3 91 0 0 /1 3 9康家 湾 13 9线AB = 2 0 0 0 m6 0 0 0 mA1B 1图 2-1 CSAMT 场源布置示意图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第

6、1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 其中为大地电阻率， f 为工作频率。 因此，对于目前所用的频率范围(如从 0.125Hz4096Hz)及可能达到的发送功率，其探测深度范围为几十米至2-3 公里。 垂向分辨能力好。CSAMT法垂向分辨能力与多种因素有关。如果把可探测对象的厚度与其埋深之比定义为垂直向分辨率，那么，粗略地讲，它大约为20%至 10%。 水平方向分辨率高。一般的人工场源电法的水平分辨率除受地电条件制约外，还受收距及接收电偶极子大小的影响。CSAMT 法的水平分辨力与发收距无关，约等于接收电偶极子距离。 地形影响小。由于卡尼亚电阻率相当于对观测值进行了归一化，同

7、步的地形影响大大减弱；由于是平面波场，测区内地形影响也较小。 高阻电屏蔽作用小。CSAMT法使用的是交变电磁场。因而可以穿过高阻层，特别是高阻薄层。 有些用直流电法无法探测到的高阻薄层下的地质体，用 CSAMT 法能很好解决这一问题。 与直流电法相比，以上这些特色均属明显优点，因而 CSAMT 法不但可以取得良好地质效果，且应用前景也是广阔的。然而，由于使用人工场源，不可避免地带来了很多负面效应，如近场源的非波区效应、场源附加效应。另外，频域电法中的静态效应也是十分麻烦的问题，在资料处理与解释中须十分注意。（ 2）方法原理和仪器 方法原理可控源音频大地电磁测深法(简称 CSAMT 法)是以有限

8、长接地电偶极子为场源，在距偶极中心一定距离处同时观测电、磁场参数的一种电磁测深方法。本次勘探采用赤道偶极装置进行标量测量，同时观测与场源平行的电场水平分量Ex 和与场源正交的磁场水平分量Hy。然后利用电场振幅Ex 和磁场振幅Hy 计算阻抗电阻率s。观测电场相位Ep 和磁场 Hp，用以计算阻抗相位s。用阻抗电阻率和阻抗相位联合反演计算可控源电磁测深反演电阻率参数，最后利用反演电阻率进行地质推断解释(CSAMT 赤道偶极装置测量布置见图2-2)。可控源音频大地电磁测深法标量测量方式是用电偶源供电，观测点位于电偶源中垂线两侧各15度角组成的扇形区域内。当接收点距发射偶极源足够远时（r3） ，测点处电

9、磁场可近似于平面波， 由于电磁波在地下传播时，其能量随传播距离的增加逐渐被吸收，当电磁波振幅减小到地表振幅的1/e 时，其传播的距离称为趋肤深度（ ） ，即电磁法理论勘探深度。实际工作中，探测深度（d）和趋肤深度存在一定差距，这是因为探测深度是指某种测深方法的体积平均探测深度，其经验公式为：由此可见探测深度与频率成反比，我们可以通过改变发射频率来达到测深的目的。在实际勘查中， 由于发射功率总是有限的，要保证有足够的信噪比，收发距就不能太大。这样往往不可能满足远区的条件，一部分频点可能处于过渡区。这时就要进行过渡区改正。在进行过渡区改正的前提下，要求rmin0.5 。fh356发射机A B 1

10、3 km 测区范围SMN fd356名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - 图 2-2 可控源音频大地电磁测深方法赤道偶极装置测量布置图 仪器技术指标本次野外工作使用美国Zonge 公司生产的 GDP-32 多功能电法仪。该仪器有八个接收通道，能够完成时域激发极化(TDIP) 、频域激发极化（RPIP） 、复电阻率法 (CR)、瞬变电磁法(TEM) 、可控源音频大地电磁测深法(CSAMT) 测量，其性能指标为工作频率0.

11、007Hz8192Hz，工作温度 -20 60，工作湿度5%-100%，时钟稳定度510-10/24h，输入阻抗10M /DC，动态范围190dB，最小检测信号电压0.03v、相位 0.1mard（毫弧度），最大输入信号电压32V，自动补偿电压2.25V( 自动 )，增益 1/8-65536(自动 )。（3）应用实例：这些应用实例都是本项目及相关成员，在科研、生产实践中所取的成功例证及保贵经验。物探所在白银厂矿田小铁山物化探找矿研究工作中，在矿区进行了CSAMT面积积测量，反演电阻率异常在 12、13 线的异常存在明显的对应关系。其中1、 2-1 为已知矿体引起，推测2-2 为深部矿体的反映。

12、在 13 线布置异常验证孔（钻孔13B2）见矿厚 17。7m， 综 合 品 位 (cu 、 Pb 和 zn) 达 17 的工业矿体；由于矿体埋深较大，后来加拿大明科公司在 1547m 的 巷 道 内 连 续 施 工 3 个 定 向 孔 (图2-3)，每 个 钻 孔 均 见 工业 矿 体 ， 矿 体 的 总 金 属 量 达 45 万 t。小 铁 山 深 部 隐 伏 矿 体 的 发 现 是 该 矿 区 20 年 来 找矿工作的一次重大突破，也是我国地质和物 化探综 合方法寻找矿山 深部隐伏矿的成功实例。小 铁 山 深 部 找 矿过 程 可 主 要 分 为3 个 阶 段 ： (1) 地 质 预 测

13、寻 找 矿 靶 区 ， (2) 可 控 源 音 频 大 地 电 磁测 深 法 确 定 成 矿 有 利 地 段 ， (3) 以 可 控 源 音 频 大 地 电 磁 测 深 为 主 结 合重 力 、 岩石地球 化学 方法 对 矿 (化 )体进 行空间定位预测。在小铁山深部矿体的发现过程中，可控源 音频 大 地 电 测 深 法起 到 了 其 他 方 法 难 以 起 到 的 关 键的 空 间 定 位预 测 作 用 。可控源音频大地电 测深法 采用定 源、多道观测，具有探测深度较大、横向分辨率高和轻便快速等特点 ，是目 前深部及复杂地 形条件 下有 色金属矿产资源勘查的有效手段。名师资料总结 - - -

14、精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 图 2-3 小铁山矿区13 线 CSAMT反验电阻率异常和钻孔验证结果（据“黄力军等，2004，综合方法寻找矿山深部隐伏矿的一个成功实例，地质与勘探，Vol40.P70-72 ” ）目前，我国危机矿山地区区域地质、物探和化探测量业已基本完成，为危机矿山深部及外围找矿工作积 累 了 大 量 宝 贵 资 料 。实 际 工 作 结 果 表 明 ，危 机 矿山深部及外围找矿，主要把握住两个环节，一是利用已知资料，

15、根据地质、地球物理和地球化学特征配合适当物化探方法确定成矿有利地段，二是选择适用方法进行大比例尺综合物化探找矿工作；如果正确掌握每个找矿环节方法应用及资料解释技术，危机矿 山 深 部 及 外围 找 矿 工 作 将 有 所 突 破 。二. Stratagem EH4 连续剖面电磁成像系统(简称 EH4)(1) 系统简介StratagimTMEH-4 电导率成像系统（简称EH-4）是美国EMI 和 Geometrics 公司联合生产，以地壳上部（0-2km）为主要探测和研究正交的两个电场分量(Ex,Ey) 和两个磁场分量(Hx,Hy) 。利用上述观测的参数可求得两个不同方向上的视电阻率，进而计算张

16、量阻抗，获取地层的电阻率值。EH-4 系统与其它电磁法勘探仪器相比，突出的特点是：巧妙利用了天然场和人工场相结合的方式。 采用部分可控源人工场补充天然场缺失或不足部分的方式进行测量，减少了低频发射的笨重设备； 采用了两个正交半圆形天线（水平磁偶极子） ， 发射高频电磁波(750HZ 66kHZ) ，构思新颖，收发距缩短，便于野外工作；该系统既可作单点测深又可做连续剖面观测，点距、 频点密集， 能较充分地反映地下的地质信息；可在现场实时提供电磁场功率谱、振幅谱、视电阻率、相位、相关度、一维反演等信息，以便检查质量，确保野外资料可靠；现场可给出连续剖面(至少三个相邻测点)的拟二维反演结果。电磁测深

17、法作为综合地质、地球物理勘探研究的手段之一，在我国已有近三十多年的发展历史， 这一方法的基本原理是根据电磁感应理论研究天然或人工（可控） 场源在大地中激名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - 励的电磁场分布， 并由观测到的电磁场值来研究地电断面所代表的地质信息。常用的电磁测深方法，有天然场源磁大地电磁测深法（MT ） 、可控源（人工场源）音频大地电磁测深法（CSAMT ） 、天然场源音频大地电磁测深法（AMT ） 、甚低

18、频电磁法（VLF ）及人工场源瞬变电磁测深法（TEM ） ，前四种属频率域电磁测深法，后者属时间域电磁测深法。随测量技术的进步，在一个点上测量0.005Hz 到 200Hz 范围的卡尼亚电阻率，使MT 法的勘探深度可以达到几百公里，使之成为石油勘探和研究大地构造的一种十分有效的勘探手段。随社会经济发展的需求，该方法在理论、数据处理、资料解释、 工作方法和仪器设备等方面取得了显著的进展，理论研究已基本成熟，在世界范围内已得到广泛的认可和普遍使用。EH4 电导率成像系统（标准装置）的观测频段为12.6Hz66KHz ，主要利用天然的大地电磁场源， 但在部分频段内同时利用（联合接收）天然的大地场源和

19、人工控制场源。因此雷、电活动是最主要的高频场源。一般认为频率高于1Hz（周期小于1s）的大地电磁来源于地壳大气圈中与雷电活动有关的天电扰动，或可以说几乎全是由雷电活动引起的。很远距离的雷电活动提供了一个近乎均匀的信号源，利用高频的雷电活动信号，可以探测地壳浅层构造以及岩脉和矿化带等，同时亦可用于寻找浅层的地下水和地热异常区。从 EH4 电导率成像系统所测的频率范围（12.6Hz66KHz ）看，在其功率谱上会形成 100Hz 及 103Hz 两处信噪比明显较低的噪声洞。尤其以 103Hz 附近的 “ 噪声洞 ” 明显， 从而很难在该段附近取得可靠的信息，对以地壳浅部为主要探测和研究目标的EH4

20、 电导率成像系统而言， 该频段就成为十分重要的测频段，因而要提高该频段的信号质量，应采用人工可控场源以弥补天然信号的不足。EH4 电导率成像系统在完 成 整 条 测 线 的 连 续 观 测 后 ，可 采 用 EMAP法 给 出拟 二 维 反 演 解 释 结 果 的 灰 度 图 。 采 用 EMAP法 处 理 的 二 维 资 料 可 以 较 好 地 消除 静 态 效 应 的 影 响 。根据测量相互正交的电场和磁场来计算电阻率，是将阻抗的频率特征变换为习惯的视电阻率形式：a=0.2T|Z|2=0.2T|Ex|/|H y| 式中： a视电阻率T周期Z电磁波阻抗， |Z|电磁波阻抗的模|Ex|、|Hy

21、|分别为互相垂直的正交电场及磁场水平分量的模该系统具有以下突出特点：（ 1）巧妙地采用了天然场与人工场相结合的工作方式,由部分可控源补充局部频段信号较弱的天然场，完成整个工作频段的测量；（ 2）发射装置轻便，便于野外多次移动；（ 3）多次迭加采集数据,提供了丰富的地质信息；（ 4）实时数据处理和显示，资料解释简捷，图像直观，并确保现场观测质量；（ 5）现场直观给出连续剖面的拟二维反演结果；（ 6）勘探深度较大，分辨率高。该系统除进行地质找矿外,还可以用于地下水调查、工程地质勘查、基岩地质填图、地质构造填图及环境调查等诸多领域。(2) 应用效果在火山喷发沉积铜矿阿舍勒铜矿的应用阿舍勒铜矿1 线

22、EH-4 测量剖面长0.7 Km ，跨越了地下隐伏矿体，（图 2-4） 。围岩表现为高阻特性，剖面中部2600 2850 间（深度约170 米300 米） ,即矿体上部的低阻异常为破碎的玄武岩的反映，反映了该段的破碎程度较高，在zk0101 孔下方，发现宽约200 米的相对低阻体，向下延伸深约为1000 多米，清楚地反映了隐伏块状铜矿体。通过对原始数据分析发现：在原始数据采集时28003000 点间部分重要频点（其反映的深度约350m 至名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第

23、 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 500m）没有采集到有效的电磁场数据，因而经EMAP 处理后对主矿体的下部反映不理想。图 2-4 阿舍勒铜矿 1 勘探线 EH-4 电磁测深电阻率断面1玄武岩 ; 2铜矿体 ;3钻孔及编号 ;4-电阻率曲线在延东斑岩型铜矿区的应用效果0 号勘探线剖面：ZK001 孔位于 0 号剖面 2200 点，钻孔内地表几十米至800 米深度段有矿体分布，矿体呈似板状向南陡倾。见图2-5,采用了两种方式联合分析解释：TM 和 TE方式，这两种方式在测深断面上的Bostick 反演视电阻率值在横向上呈现南大北小的总体特征，南部高阻区反映玄武岩电性特征，

24、北部低阻反映侏罗系地层，与地质工作认识基本一致。TM 方式视电阻率等值线呈近似直立状特征的横向大致范围位于21502300 点。纵向延深从近地表至地下900 米深度左右； TE 方式视电阻率等值线在该区间的反映较TM 方式更好。TM 方式在地下500600 米区间段分辨较差；两种方式 Bostick 反演电阻率特征等值线区间划分的结果与已知含矿岩体空间赋存位置基本吻合（图2-5） 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - 图 2-5 土屋延东铜矿床0 号勘探线 EH4 电阻率断面名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -