第17卷 第2期 地 球 物 理 学 进 展 V ol.17 N o.2 2002年6月(245～254) PROG RESS I N GE OPHY SICS June 2002我国大地电磁测深新进展及瞻望
魏文博
(中国地质大学,北京100083)
[摘 要] 简要回顾了上世纪60—80年代,我国大地电磁测深工作的起步和发展,较全面地介绍了90年代以来的新进展,并瞻望了新世纪的发展方向.
[关键词] 大地电磁测深仪器;数据采集;数据处理和反演;应用;新进展
[中图分类号] P631 [文献标识码] A [文章编号] 1004229032(2002)022*******
0 引 言
电法勘探是勘探地球物理学的重要分支.如果从1815年P.F ox在硫化矿体上观测到自然电场[1]算起,电法勘探已有近200年历史;但真正得到发展,则不到100年时间.20世纪初,世界各国的工业迅速发展,矿产原料需求量急剧增加,迫切需要先进的勘查技术;因而,促使电法勘探从科学研究进入实用阶段,并得以迅速发展.显然,电法勘探的发展是和工业生产水平、社会经济状况,以及科学技术进步密切相关的.发展到今天,电法勘探在勘探地球物理学各分支中,方法技术最多、应用面最广,其应用领域遍及固体矿产、油气和水资源勘查,工程勘查,环境监测,及地学基础理论研究等各方面.在所有的电法勘探方法中,发展最快的是大地电磁测深.
大地电磁测深是20世纪50年代初由A.N.T ikhonov[2]和L.Cagnird[3]分别提出的天然电磁场方法.60年代以前,由于技术难度大,该方法的研究进展缓慢;但它具有探测深度大、不受高阻层屏蔽的影响、对低阻层反应灵敏等吸引人的优点,因而对该方法的研究始终为人们所关注.70年代以来,由于张量阻抗分析方法的提出,方法理论研究出现突破性进展,并随着电子、计算机、信号处理技术突飞猛进的发展,大地电磁测深无论在仪器研制,或是数据采集、处理技术与反演、解释方法等方面的研究,都融合了当代先进的科学理论和高新技术,这使大地电磁测深有了长足的进步,因此成为电法勘探众多方法技术中最成熟的方法.
近年来,大地电磁测深方法不断得到完善,应用效果明显改善,成绩斐然,引人瞩目.在这新世纪开端,我们回顾它在我国的发展历程,总结近些年取得的进展,瞻望新世纪未来的方向,这将有益于大地电磁测深在我国的进一步推广应用,取得更辉煌的成就.
1 回 顾
我国的大地电磁测深工作始于20世纪60年代初期.至今,经历了60年代的引进、探索时期,70—80年代的研究、试验时期和90年代的迅速发展、推广应用时期.
20世纪60年代初期,在顾功叙院士的大力倡导下,原中国科学院兰州地球物理研究所
[收稿日期] 2001212226; [修回日期] 2002203225.
[基金来源] 中国科学院资源与环境重大项目(K29512A12401).
[作者简介] 魏文博,男,1945年9月生,福建泉州人,1969年毕业于原北京地质学院地球物理勘探系,现任中国地质大学(北京)教授、博士生导师,主要从事电法勘探、海洋电磁探测及大陆动力学研究.
开始研究大地电磁测深方法,取得了初步成果[4].但这时期,大地电磁测深数据处理采用的是最简单的标量阻抗处理方法,导致相同频点上所计算的视电阻率和阻抗相位分散性大,严重地影响了方法的实际应用.
1966年邢台地震后,“地震灾害”的形势逼人,地震预报要求探测深达地幔的地质结构;从而推进了大地电磁测深方法的研究,使我国大地电磁测深事业进入研究、试验阶段.
1970年,国家地震局地质研究所试制了感应式、晶体管线路的模拟大地电磁测深仪,并用于华北地区的野外实际测量.继而又与国家地震局兰州地震研究所和地球物理勘探大队共同研制了LH 21型模拟记录大地电磁测深仪.这成为20世纪70年代中期到80年代初,我国大地电磁测深工作的主要设备.
为了适应发展需要,70年代初,原北京地质学院物探系与国家地震局地质研究所、原石油部地球物理勘探局研究院合作,开展了大地电磁张量阻抗估算方法的研究[5];与此同时,国家地震局兰州地震研究所也开展了此项研究.研究的结果,随即被用于处理实测数据,明显改善了大地电磁测深数据处理质量,使大地电磁测深在国内得以继续顺利发展.可以说,这项研究成果在我国大地电磁测深方法的发展历史上占有重要地位,属于阶段性进展的标志.
但就在这时期,世界上科学技术的发展促进了电子和计算机控制技术的进步,国外的大地电磁仪器早已跨越模拟记录阶段,进入数据记录的时代.因此,1976年,国家地震局地质研究所与原石油部地球物理勘探局仪器厂和研究院、原北京地质学院物探系等单位共同合作,开始研制S D 21型数字式大地电磁测深仪,并开发相应的软件系统[6].两年后,投入野外试验,取得我国第一批数字化大地电磁测深资料.之后,又逐步得到完善和提高.在改进后的S D 22型仪器上,一些主要技术性能已达到当时国际同类仪器的水平.
这一时期,国内除了大力开展仪器和数据采集方法技术的研究与试验之外,在数据处理方面则从标量阻抗处理发展到张量阻抗处理,使大地电磁探测技术具有真正的实用价值.但是,由于大地电磁场信号极为微弱,且电磁噪声背景又随着国家经济建设发展而日益严重,导致大地电磁观测质量明显下降.为了保证数据采集质量,需要有高灵敏度、高稳定性、抗干扰能力强、性能优良的仪器,也需要有好的、有效的抑制电磁噪声影响的数据处理方法.20世纪70年代末、80年代初,国内、外的学者就此发表了一系列成果,如傅氏变换法、时间域滤波法、互功率谱法和近参考道法等等[7].这些方法对于压制电磁干扰的影响有一定作用,但效果并不都能尽如人意.原因在于,它们只适用于克制非相关噪声的影响,而对于相关噪声的影响作用不大.
但在同一测点,电磁噪声往往同时迭加到各道的电磁信号上,属于相关噪声.针对这一问题,T.D.G amble 等人在1979年提出远参考道大地电磁测深法[8].它不仅能用于压制同一测点上的非相关噪声,还对于压制同一测点上的相关噪声有较好的效果.但遗憾的是,当时国内还不具备推广、应用该方法的硬件条件.
大地电磁测深资料的反演、解释是该方法实际应用的重要环节,因此一直为人们所重视.在我国大地电磁测深工作的早期,反演方法主要类似于直流电测深资料的“量板法”.这完全是手工操作方法,并且不可能考虑非一维条件引起场源极化的影响,反演的准确性在相当程度上取决于解释人员的经验,定量解释的误差很难估计.
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20世纪70年代中期以来,随着电子计算技术在国内日益广泛应用,早期的“量板法”已逐渐被淘汰,代之以计算机拟合反演.但这时期的反演方法仍然属于“一维反演”的范畴,除了地球物理反演的多解性以外,它们的最大问题还是反演结果受人为因素的影响太大,难于提高定量解释的精度.这时期常用的反演方法包括:Bostick 反演、高斯—牛顿法、梯度法、广义逆反演、马夸特法、连续介质反演、大地电磁拟地震解释法等等[9].
从60年代到80年代,这30年是大地电磁测深在国内生根、发芽并逐步走向茁壮成长的关键时期.30年来的进展表明,国内在大地电磁测深方法理论研究,仪器研制,数据采集技术实施,数据处理、反演软件开发,方法应用试验等方面做了大量工作,取得了卓著的成绩.大地电磁测深在国内已基本形成一套较完整的技术体系,这使它在深部地质研究和石油地质调查方面的作用逐渐为人们所认可.
在进入20世纪最后的10年,我们欣喜地看到我国的大地电磁测深事业已得到迅速发展,并在不断向前迈进.
2 进 展
20世纪90年代是我国大地电磁测深工作迅速发展、推广应用的时期.
这时期突出的进展主要表现在国内大地电磁仪器设备有了极大的改善,数据采集、处理和反演正逐渐缩小与世界先进国家的差距,应用领域不断扩大,工作量急剧增长,应用效果明显提高,国际合作、交流继续发展加深了我国大地电磁工作者与国际地球内部电磁感应领域学术界的相互了解.
目前,大地电磁测深在国内石油、天然气普查勘探,在深部地质结构探测,在地热和地下水资源调查,在地震预测、预报和地质灾害防治等应用领域的地位得到进一步的肯定;而在海洋资源探测领域的应用,在固体矿产资源勘察的应用,在石油、天然气详细勘探中的作用,已表露出可喜的前景.
2.1 大地电磁仪器
进入90年代,在国际上,大地电磁仪器主要朝着多道、多功能,小型、轻便和智能化发展.这时期的仪器必须满足大地电磁场多分量和远参考点数据采集的需要;为了保证数据采集质量,又要求具有实时处理功能,即把大地电磁数据处理软件固化在仪器的微处理器上,在资料采集的全过程能随时监控数据采集质量;此外,为了提高野外工作效率,提高仪器的利用率,仪器除了实现小型化、轻便化和多功能以外,还实现智能型仪器的功能,仪器的操作基本上由计算机自动控制.这类仪器以加拿大Phoenix 公司的V 25多功能大地电磁仪为代表.
尽管国内已有多个单位研制成数字式大地电磁仪,并用于实际生产.但由于电子技术进展缓慢,元器件性能、质量差,加工工艺水平落后,导致目前国产仪器设备过分庞大、笨重,功耗太高,不能完全适应野外工作和大地电磁测深实际生产发展的需要.而仪器设备的改进,需要有一定的环境条件和一定的时间,不可能在短期内实现.因此,确定采用引进国外先进仪器的办法来适应国内大地电磁测深实际生产迅速发展的需要.这阶段,从国外进口的大地电磁测深仪器,主要有加拿大Phoenix 公司的MT 25大地电磁系统、V 25多功能大地电磁系统,美国E MI 公司的MT 21大地电磁系统,德国Metronix 公司的M MS 204大地电磁系统.这类
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仪器,至今仍是国内开展大地电磁测深工作的重要设备,据不完全统计,它在国内的总数可能超过60套.
近年来,国外大地电磁仪器的发展十分神速.为了适应大地电磁高密度、面积性、大数据量采集的需要,现代大地电磁仪器除了保持原有的小型、轻便、多道的优点,还发展了卫星同步测量技术和网络型或分布式组合系统.由美国E MI 公司和加拿大Phoenix 公司在1996年分别推出的MT 224NS 网络型大地电磁系统和V 2522000大地电磁系统则属于这种类型的仪器.现在,这类最先进的仪器在国内已有相当多的数量,它们在大地电磁测深实际生产和地学科学研究中已发挥了很好的效应,使我国大地电磁测深在硬件设备方面的条件有了极大的改善.
需要指出,国内一些大学和研究所的研究人员为了赶上国际先进水平,促进我国大地电磁测深事业的发展,对大地电磁仪器的研制始终本着永不放弃的精神,进行坚持不懈的努力,在实现仪器小型化、轻便化、智能化、多道测量、卫星同步测量和分布式组合系统等方面取得了可喜的进步.
1995年,中国地质科学院物化探研究所在国土资源部的资助下研制成功C LE MP 分布式被动源电磁系统.该系统采集信号的频率范围为16K H z —0H z ;模数转换采用24位A/D 转换,实现高精度测量;系统由一部主机与多部子机组成,每部子机为两道测站;系统采用非封闭挂接式连接,挂接子机的数目不限,并通过G PS 实现同步测量;此外,仪器还具有实时处理功能,主机在控制管理子机的同时可对观测数据进行现场分析和处理[10].
仪器研制成功后,已先后在戈壁沙漠、高山峡谷、黄土高原及中高山林区等不同地貌特征的地区进行过野外试验,无论是金属矿勘查,还是地下水资源调查都取得良好效果.
进行海底大地电磁测深,技术难度很大,在我国是个空白.长期以来,世界上一直没有商品性的仪器,只有某些外国公司开展这方面商业性的技术服务工作,且费用昂贵.1998年开始,在国家“863计划”资助下由中国地质大学(北京)应用地球物理系负责,研制了海底大地电磁系统,填补了我国这方面技术的空白,避免依赖外国的局面;为在我国发展海上电磁探测技术创造了条件.
所研制的“海底大地电磁系统”包括一套“五分量海底大地电磁系统”,它用于同时测量海底大地电磁场三个磁场分量和二个电场分量,和四套“两分量海底大地电磁系统”,这只用于测量海底大地电磁场二个电场分量.这些仪器都能在500米水深的海底工作,采集信号的频率范围(100～0.0001)H z ,电场观测灵敏度为0.02μV/m ,磁场观测灵敏度为0.3v/nT.
2000年7—8月间,进行了海上大地电磁数据采集试验.所研制的5套仪器投放后,“回收”率达到100%,并且都测量到海底的大地电磁场数据,首次用自行研制的仪器在我国东海水深130米的陆架区获得海底大地电磁测深曲线[11].
2.2 大地电磁测深的数据采集、处理和反演
大地电磁测深的目的在于探测地下不同深度上介质的导电性结构,它的全过程包括数据采集、处理和反演.数据采集是基础,是关键;大地电磁测深的应用成功与否,在很大程度上取决于数据采集质量.数据处理和反演是紧密相关的二个重要环节,通过它们才能达到大地电磁测深的目的,获取尽可能准确的有用信息.
2.2.1 大地电磁数据采集与处理
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如何有效地压制各种干扰,提高信噪比,保证大地电磁数据质量,这始终是大地电磁数据采集与数据处理的核心问题.在早期研究的基础上,最近十年来,国内的大地电磁工作者就此又做了大量工作,取得了明显进展.
如前所述,目前国内的大地电磁测深仪器都属于多道测量系统,这些仪器都具有卫星同步测量的功能.因此,在数据采集方面已有条件实现“远参考道测量”,以提高原始数据采集质量.现在,在一些强干扰地区、地质构造复杂区和大地电磁信号微弱的地区,大地电磁野外数据采集正在逐步推广“远参考道测量”方法.
在数据采集方面,另一个新的趋势是强调记录“时间序列”的作用.这主要是因为应用“R obust 估计”处理大地电磁资料要求有足够长的“时间序列”数据.
R obust 数据处理方法根据观测误差的剩余功率谱的大小对数据进行加权,注重未被干扰的数据,降低突变点数据的权,使它对大地电磁阻抗估算值的影响最小,从而明显改善受电磁噪声污染的单站大地电磁测深资料[12].
把“R obust 估计”用于处理大地电磁数据是国外学者在20世纪80年代末提出的,我国在90年代初开始试验.试验的结果表明,该方法的效果与信号的噪声含量有关,对处理噪声含量低于50%的信号是有效的;此外,还取决于时间序列数据的长度.可以说,R obust 方法能有效地压制张量阻抗关系式中输出端的噪声,但对输入端的噪声作用不大[13].因此,在实际应用中,往往把“远参考道测量”技术与“R obust 处理”方法相结合.实践证明,这是获得高质量大地电磁观测数据的最佳途径.近年来,这方法正迅速在实际生产中推广应用.
在80年代,人们发现根据大地电磁测深资料整理的视电阻率拟断面图上,等值线呈直,这显然是一种畸变现象.研究结果表明,它是由浅层电性不均匀和地形起伏引起的“静位移”效应,将给资料反演带来极大的误差,甚至造成错误,严重地影响大地电磁测深方法的应用效果.因此,关于“静位移”校正方法的研究成了近年来国内外关注的焦点.
国内在90年代中期前,采用的“静位移”校正方法主要有曲线平移法,近地表电阻率观测等方法[14],这些方法都仅仅考虑电流引起的电场畸变,并没考虑磁场分量的畸变,因而在有些条件下效果不甚明显.90年代中期以来,通过国际合作,在国内引进并推广大地电磁张量阻抗分解技术,用于实施“静位移”校正,取得了较好的应用效果.此外,这方法还可用来确定区域构造的走向.
现在在国内应用的,能比较好地克服“静位移”影响的方法,还有直接考虑近地表电性不均匀体的反演解释法和电磁阵列剖面法,即E MAP 法[15].
E MAP 方法采用阵列式排列,用首尾相连的电偶极子沿测线测量电场,这大大增加了空间采样密度,扩大了信息量;同时,又在时间域采用相邻多道迭加的办法抑制表层电性不均匀的静位移干扰和随机干扰,从而明显地突出有用信号.近年来,它在我国石油和天然气普查、勘探中,特别是地震勘探不利的西南和西北许多地区得到比较广泛的应用[16].
我国地域辽阔,地形复杂多变,工农业生产、人文因素引起的强干扰区较普遍,这些都构成大地电磁测深工作极不利的条件.最近几年,国内从事大地电磁测深的许多专家针对西南地区复杂地形和强电磁场源干扰等典型问题,正抓紧研究克服的办法,并已取得可喜的进展.如江汉石油学院提出的同步阵列大地电磁法在山区的应用取得良好结果;采用可控源音
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频大地电磁法中过渡三角形法校正近场源干扰,也取得比较满意的结果.此外,小波分析在大地电磁时间序列去噪、提取谱成份等方面的应用研究也取得一定进步.
2.2.2 地电磁数据反演
直至20世纪90年代中期,国内对大地电磁测深实测资料的反演,多数仍采用一维反演方法.但国内关于二维反演的研究却在80年代中期便开始了,只是进展缓慢,始终达不到实用化的要求.主要原因在于,二维反演不是对单个测点的资料进行反演,而是沿一条测线的许多测点同时反演.同时参与反演的参数多、数据量太大,未知数也多,反演迭代过程中雅可比系数矩阵阶数大,导致计算量大幅度增加,在一般的PC 机上难于实现.解决问题的途径是寻找减小二维正演和偏导数矩阵计算量的快速方法.
所以,早期提出的一些二维快速反演方法的差别在于二维正演或雅可比系数矩阵的计算不同.或是用事先估计的模型进行响应计算代替二维正演;或是用两个极化模式视电阻率的一维正演代替二维正演;或是通过分频率反演,逐步固定模型参数,以减小雅可比系数矩阵的计算量;所有这些方法都只是近似的二维反演方法,并只有少量参数参与反演.因而,反演结果仍然误差较大,不能完全满足实际应用的需要.
90年代初,J.T.Smith 、J.R.Booker 提出大地电磁二维快速松弛反演[17].该反演方法设定的初始模型为均匀半空间,反演时用有限差分法计算出模型对应的响应数据、各测点下的积分核函数及数据残差,然后使目标函数取极小,得到模型改正量及新模型,接着进行插值形成新的二维断面,以此为新的初始模型;重复上述过程,逐次迭代,直至满足一定的拟合精度,从而得到最终的二维反演模型.该方法可以对TE 和T M 两个极化模式的参数独立反演,也可进行联合反演,即全信息反演;此外,还可进行静位移自动校正.
大约在90年代中期,国内开始逐步推广大地电磁二维快速松弛反演方法.应用的结果说明,它具有快速、结果较合理、不受人为因素影响等特点;因此,普遍为人们所欢迎.
当前,面临着社会经济迅猛的发展,在现代科学技术浪潮的推动下,大地电磁测深资料的三维正、反演问题,已成为国际地球内部电磁感应领域的前沿研究课题.
总体上讲,国外在三维正演方面的研究已趋于成熟,交错采样有限差分法成为主导的计算方法;但三维反演至今未取得实用化的研究成果.在国内,关于三维正演的研究工作还较少,只有中国地质大学(北京)、中国科技大学、国家地震局地质研究所和江汉石油学院等单位做过一些工作.长期以来,由于三维正演研究滞后,必然也限制了三维反演研究的进展.
2000年,中国地质大学(北京)应用地球物理系在深入分析大地电磁二维快速松弛反演理论的基础上,对三维正、反演理论和方法进行研究,取得了突破性进展.
在三维正演方面,提出了更为合理地设定边界条件的办法;同时采用目前最先进的解大型系数矩阵方程组的双共轭梯度稳定解法,实现了快速稳定的三维交错采样有限差分数值模拟的最佳算法.
在三维反演方面,建立了系统的大地电磁三维快速反演理论,巧妙地获得了三维快速反演的灵敏度函数表达式,首次成功地解决了三维快速反演的核心问题,形成了在微机上实现的快速算法.
目前,所研究的大地电磁三维快速反演方法已可用于对实测资料的反演,这表明我国在这方面的成就已走在世界的最前列.
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2.3 大地电磁应用研究新拓展
最近十年是大地电磁测深事业在国内茁壮成长的时期,除了方法理论更趋向成熟,仪器设备更先进,数据处理和反演技术更加完善以外,应用研究也以迅猛的势态向前发展.
粗略估计,到目前为止,全国累计完成的大地电磁测深点估计已超过20000个.其中,绝大多数用于油气资源探测,一部分用于深部地质调查,少量用于寻找地热和水资源.由此可见,这时期我国的大地电磁测深仍主要在油气资源勘查和地球深部地质研究这两个领域拓展.值得关注的一个新动向是,向海洋的发展.在这新世纪来临之际,我国已基本完成海底大地电磁探测技术的研究,并成功地进行了海上试验.
2.3.1 油气资源勘查中应用的进展
前阶段,大地电磁测深在油气资源勘查中,主要用于研究高阻基底面的起伏、划分沉积地层、圈定局部构造、进行区域构造格局研究等问题.但当前我国油气工业面临着资源消耗增加、资源量短缺、环境保护、可持续发展等问题的挑战.勘探重点转移到:地面施工条件恶劣的地区(沙漠、高原、黄土塬、喀什特山地、水网、沼泽地区、滩涂、海洋等);地质条件复杂的地区(盆地边缘、山前逆冲推覆带、古潜山、碳酸盐地区、卵砾层覆盖区、火山岩覆盖区等);以及寻找地下深层储油构造.
因此,迫切需要发展新的地球物理探测技术,提高勘探能力.
如前所述,近十来年,大地电磁测深在仪器、数据采集、处理和反演等方面都有了明显进步;这大大提高了该方法的勘探能力,使大地电磁测深在复杂地区油气资源勘查中发挥越来越重要的作用,已获得不少成功的例子.
在我国东部,古潜山奥陶系灰岩是油气勘探的主要目的层.但其埋藏深度大,结构、构造复杂,因此地震勘探的难度大;此外,东部地区经济发达,工、农业生产用电干扰和人文干扰严重,给地球物理数据采集和资料处理带来许多困难;所有这些因素构成了东部油气藏勘探的老大难问题.近两年来,江汉石油学院石油地球物理勘探重点实验室和石油物探局第五地调处分别在河北黄骅坳陷大港油田开发区、乌马营地区和苏北葛渔城地区开展同步阵列电磁测深寻找东部古潜山深层油气田的试验研究,均取得可喜的效果[18].
我国西南和西北,地形与地表地质条件极其复杂,属典型的地震勘探困难区.为了弥补地震勘探的不足,在云贵川地区和新疆地区,石油勘探部门投入了大量电磁测深工作,取得较好的应用效果;其中,以塔里木盆地的电磁测深结果最令人注目,为塔北油气勘探区取得重大突破提供了重要信息.
2.3.2 壳、幔电性结构研究中的应用
大陆动力学研究是当前地球科学研究的前沿,而地壳和上地幔结构研究则是大陆动力学的核心问题之一.大地电磁测深是从导电性的角度研究地壳和上地幔结构不可缺少的方法.长期以来,我国对此投入了大量工作,在GG T 地学大断面研究、华北地区地震预测、预报研究、青藏高原形成演化机理研究等方面都取得许多重要成果.但由于地球是一个极其复杂的系统,地球深部研究是一项探索性很强的工作,探测技术受历史条件的限制.因此,仍有许多值得做进一步探讨的问题.譬如近年来,关于青藏高原壳幔电性结构的研究取得了许多新认识.这得益于现代超宽频带大地电磁探测技术的发展.
从1995年至今,中国地质大学(北京)和美国华盛顿大学(西雅图)、加拿大地质调查局
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合作,在青藏高原用MT 224NS 宽频带大地电磁系统与LI MS 智能化长周期大地电磁系统相结合,成功地实现超宽频带大地电磁数据采集;采集信号的频率范围为320赫兹—20000秒,因而保证能获得地下上百公里深处,较可靠的信息;从而对青藏高原地壳电性结构提出一些
新认识,发现高原的地壳可能普遍存在“流体”或局部“熔融体”[19].这有可能进一步推进有
关青藏高原隆升机制的研究.
2.3 海洋探测领域的应用
我国的海洋地球物理探测,以地震勘探为主,包括重力和磁法测量;但缺少电磁探测技术,长期以来没有获取海洋地壳介质导电性的手段.海底大地电磁探测,是把仪器布置在海底,通过观测海底大地电磁场数据,研究海底以下不同深度的岩层导电性,达到探测地下地质构造特征的目的.为了维护海洋国土权益,也为了加速查明我国海域油气、矿产资源的步伐,早在1997年,海底大地电磁探测技术的研究已列入国家“863计划”,成为海洋领域820主题(海洋探查与资源开发技术)的研究课题之一.
中国地质大学和原中南工业大学、广州海洋地质调查局、同济大学的研究人员合作,经过艰苦努力,完成了海底大地电磁系统的研制,并在2000年7月间成功地完成了海上试验.首次在我国东海用自主研制的仪器采集到海底大地电磁场信号.实现了海底大地电磁探测技术的研究目标,填补了国内这方面技术的空白.这为我国今后开展海洋电磁探测打了下良好基础[20].
4 前 瞻
不言而喻,我国大地电磁测深的发展也是始终与社会需求相适应的.最近十年,国内空前大规模经济建设的前景已预示着21世纪我国将面临着能源、矿产和水资源供需不足,生态环境恶化等尖锐矛盾.因此,资源勘查与环境监测的需求将急剧增长,这既向大地电磁测深提出新的挑战,又提供了广阔的拓展空间和发展机遇.此外,在21世纪数学、物理等基础性科学和电子、计算机、信息等高新技术取得的突出成就,有可能为大地电磁测深飞跃式发展提供必要的理论与技术支撑.显然,21世纪我国的大地电磁测深工作必将面临生动的新局面.
如果说,在20世纪我国的大地电磁测深是从地震预报深部探测开始的,后来因为寻找油气田的需要发展到大尺度、区域性普查勘探的;那么,新世纪它将适应小尺度、精细详查的高要求.这是我国大地电磁测深方法技术取的全方位(包括仪器设备、数据处理、反演解释和应用领域的拓展)创新性进展,臻于完善、完美的时代.
4.1 仪 器
在现有基础上,将加强国产大地电磁仪器的研制、开发能力.从高起点出发,吸取当代电子、微电子学和材料学的最新成果,运用新一代计算机与弱信号处理技术,发展高精度、大动态范围、超宽频带、高智能化的数据采集器,高灵敏度、超宽频磁传感器.
为了实现小尺度、精细探测,必需推广大地电磁三维勘探.因此,需要研究具有实时传输、实时处理功能的大节点数MT 数据采集单元集群.
4.2 数据处理
进入21世纪,大地电磁探测应向高精度地球物理探测技术的水平发展.因此,一方面应
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实现三维数据采集,另一方面则应着重研究大地电磁三维数据处理和三维正、反演方法.为此必需继续深入研究各种形式的大地电磁畸变效应特征,应用最新的数学理论和数字信号处理技术解决二维与三维畸变效应的分离问题;研究非规则测网干扰信号的压制与校正技术;研究估算张量阻抗的新方法.
4.3 资料反演、解释
地球本身是个复杂系统,由于影响因素多,它的导电性更加复杂.但长期以来,人们在大地电磁测深的理论研究中普遍使用的是高度简化的层状结构、介质导电性分区均匀的物理模型,这与实际相差太远.实际地壳的结构,具有物质组成多样性、空间形体复杂性、导电性非均匀与各向异性;具有多尺度、分形分维的特征.而这些,在目前高度简化的近似模型中根本不可能加以考虑.此外,对于地球电磁响应的非线性特征,对于电磁干扰的数学模型,研究甚少.这显然影响大地电磁正演理论的准确性,因而影响到反演结果的精度,不可能满足小尺度资源详查的需要.
所以,在21世纪应首先加强复杂物理模型算法理论的研究,改进大地电磁正演研究方法;在此基础上实现大地电磁测深数据高精度的二维和三维反演.同时,加紧引进非线性反演理论(遗传算法、仿真模拟淬火等方法),向非线性反演发展.为了尽可能减小反演的多解性,另一个发展方向是研究带约束条件的多参量反演和联合反演.强调联合反演,必需加强岩石物性实验研究,建立物质状态、热参数、波速、密度与电性参数的定量关系.
4.4 应用研究
基于21世纪社会发展对能源、固体矿产、水资源的需求,大地电磁测深迫切需要进一步拓宽应用领域,提高应用效果.考虑到我国的实际情况,发展海洋电磁探测,服务于海洋能源、矿产勘查和政治、军事需要应是新世纪大地电磁测深应用不可忽视的新领域.在资源勘查方面,将抓紧实现大地电磁测深在固体矿产勘探的应用和提高复杂地区、复杂条件下油气藏勘探的应用效果;探索利用大地电磁测深直接寻找油、气藏的技术.
人类只有一个地球.但当前,地球却面临着人口膨胀,资源短缺,气候变迁,地质灾害迭起,生态环境恶化等严重问题,而这一切问题的解决都有赖于地球科学的进步.为了确保人类社会可持续发展,21世纪势必是地球科学大发展的时代,有关地球动力学的研究将有望取得突破性进展.因而,在新世纪大地电磁测深将更多的用于地壳深部探测,为地球动力学研究提供重要依据.
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N e w Advance and Prospect of Magnetotelluric
Sounding (MT)in China
WEI Wen 2bo
(China Univer sity o f G eosciences ,Beijing 100083,China )
[Abstract] A brief review of China ’s MT is given here for 60s ,70s and 80s of last century.Since 90s China ’s MT had a great progress and a detailed review is introduced.The prospect of MT in 21th century is als o discussed.
[K eyw ords] Magnetotelluric s ounding (MT );Data acquition ;Data processing ;Application ;New advance ?
452? 地 球 物 理 学 进 展 17卷
第17卷 第2期 地 球 物 理 学 进 展 V ol.17 N o.2 2002年6月(245～254) PROG RESS I N GE OPHY SICS June 2002我国大地电磁测深新进展及瞻望 魏文博 (中国地质大学,北京100083) [摘 要] 简要回顾了上世纪60—80年代,我国大地电磁测深工作的起步和发展,较全面地介绍了90年代以来的新进展,并瞻望了新世纪的发展方向. [关键词] 大地电磁测深仪器;数据采集;数据处理和反演;应用;新进展 [中图分类号] P631 [文献标识码] A [文章编号] 1004229032(2002)022******* 0 引 言 电法勘探是勘探地球物理学的重要分支.如果从1815年P.F ox在硫化矿体上观测到自然电场[1]算起,电法勘探已有近200年历史;但真正得到发展,则不到100年时间.20世纪初,世界各国的工业迅速发展,矿产原料需求量急剧增加,迫切需要先进的勘查技术;因而,促使电法勘探从科学研究进入实用阶段,并得以迅速发展.显然,电法勘探的发展是和工业生产水平、社会经济状况,以及科学技术进步密切相关的.发展到今天,电法勘探在勘探地球物理学各分支中,方法技术最多、应用面最广,其应用领域遍及固体矿产、油气和水资源勘查,工程勘查,环境监测,及地学基础理论研究等各方面.在所有的电法勘探方法中,发展最快的是大地电磁测深. 大地电磁测深是20世纪50年代初由A.N.T ikhonov[2]和L.Cagnird[3]分别提出的天然电磁场方法.60年代以前,由于技术难度大,该方法的研究进展缓慢;但它具有探测深度大、不受高阻层屏蔽的影响、对低阻层反应灵敏等吸引人的优点,因而对该方法的研究始终为人们所关注.70年代以来,由于张量阻抗分析方法的提出,方法理论研究出现突破性进展,并随着电子、计算机、信号处理技术突飞猛进的发展,大地电磁测深无论在仪器研制,或是数据采集、处理技术与反演、解释方法等方面的研究,都融合了当代先进的科学理论和高新技术,这使大地电磁测深有了长足的进步,因此成为电法勘探众多方法技术中最成熟的方法. 近年来,大地电磁测深方法不断得到完善,应用效果明显改善,成绩斐然,引人瞩目.在这新世纪开端,我们回顾它在我国的发展历程,总结近些年取得的进展,瞻望新世纪未来的方向,这将有益于大地电磁测深在我国的进一步推广应用,取得更辉煌的成就. 1 回 顾 我国的大地电磁测深工作始于20世纪60年代初期.至今,经历了60年代的引进、探索时期,70—80年代的研究、试验时期和90年代的迅速发展、推广应用时期. 20世纪60年代初期,在顾功叙院士的大力倡导下,原中国科学院兰州地球物理研究所 [收稿日期] 2001212226; [修回日期] 2002203225. [基金来源] 中国科学院资源与环境重大项目(K29512A12401). [作者简介] 魏文博,男,1945年9月生,福建泉州人,1969年毕业于原北京地质学院地球物理勘探系,现任中国地质大学(北京)教授、博士生导师,主要从事电法勘探、海洋电磁探测及大陆动力学研究.
大地电磁测深法作业指导书 大地电磁测深法是指可控源音频大地电磁测深(CSAMT)和音频大地电磁测深(AMT)。 1.目的 为了规范和提高大地电磁测深法的勘查工作及其质量，提出该项目的设计、勘查、资料整理和报告编写等方面的要求。 2.适用范围 本作业指导书主要针对地热勘查工作中的适用于大地电磁测深法，其他地质勘查中的大地电磁测深法应遵照相应的规范要求执行。 3.总则 地热勘查工作中的大地电磁测深法工作，必需按本作业指导书和相应的规范要求执行。 设计编写 1.实施步骤 1.1 设计书编写的准备工作(综合研究) 1.1.1 项目实施单位根据有关部门下达的《任务书》，认真研究项目的目标任务，落实设计编写的具体方案，系统收集，分析与任务有关的资料。充分收集测区内所有前人工作成果
资料(包括地质、矿产、物探、化探和遥感图像资料及各种科研成果)，详细研究各种资料的可信度和存在问题，了解测区地质构造轮廓及地层、火成岩分布等性质。同时，应注意收集环境地质、水文地质、灾害地质、管道设施及输变电网布局等资料。作到充分利用以往资料，不作重复工作，分析在以往工作成果基础上获得新成果的可能性和新成果的价值，分析方法的有效性，充分利用先进适用的方法技术，获得最大的地质找矿效果。 1.1.2必要时，应在设计前进行现场踏勘和方法有效性试验，其主要内容为： a.实地考察测区地形、地貌、交通及生活条件 b.核对已收集的地质、物化探及测绘资料 c.测定电性参数，并分析它们于勘
查对象的相关性 d.在某些典型地段进行方法有效性试验 1.1.3落实编写部门和任务。编写部门用两天时间起草编写的具体方案，报有关专业地质调查部门审核，经批准后着手设计前的准备工作。 1.2技术设计 1.2.1 CSAMT 装置 AB 接地长导线为发射源，在ｒ＞3δ(趋肤深度)的扇形范围内布置测网，通过在接收点同时测量电场和磁场两个互相垂直的水平分量的振幅和相位，计算阻抗视电阻率P E/H 和相位差φ E-H 。装置图如下： A B O ≥3δHy Ex 1.2.2 CSAMT 装置的技术要求 1.2.2.1利用场强单分量视电阻率时，装置必须满足偶极子条件，而利用单一的比值视电阻率时可放宽。 1.2.2.2确定ｒ距(发射源到测量点的距离)的原则是确保勘
２７０当代矿山地质地球物理新进展 大地电磁测深精度提高与去噪方法 颜良 （中南大学信息物理工程学院，长沙，４１００８３） 【摘要】大地电磁测深法是工程勘探，特别是石油非地震勘探的主要方法之一。但是如何提高精度是一个重要问题。本文首先从理论研究、仪器使用、野外采集、资料处理与解释等方面分析了一些去噪方法和技术，以提高堡！！！曼壅。 【关键词】大地皂磁法；毒堡！鲮，、． 国外研究大地电磁测深法（简称ＭＴ）始于２０世纪５０年代，６０年代我国开始研究并于１９８０年前后开始应用。由于其具有探测深度大（可探测至上地馒），不受高阻层屏蔽，分辨能力较强（特别是对良导介质），等值范围较窄，工作成本低（相对地震勘探）和野外装备轻便等特点而广泛应用于矿产勘探，特别是油气勘探等领域。如何去噪是提高其探测精度一个重要方面，本文从仪器、野外采集、资料处理与解释、理论研究等各方面进行了分析讨论。 １仪器 仪器是大地电磁法的信号进行处理的第～个外部条件，所以对它的要求是比较高的。现在在仪器中大量采用去噪方法和抗干挠措施。２０世纪５０年代中期到７０年代中期国外使用的勘探仪器主要是模拟大地电磁测深仪，７０年代末到现在国内外普遍使用的是数字大地电磁测深仪。７０年代末到８０年代末我国一般使用美国生产的ＰＲＯＭ系列大地电磁测深仪，采用磁带记录，记录时问系列数据，采集电磁场的五分量信号，这种仪器将信号放大、信号模拟、信号记录三部分集中为三个箱体（重达５００ｋｇ左右）并安装在仪器车上。由于ＰＲＯＭ系列仪器较为笨重只适用勘探地表相对平坦、地形条件简单的地区，目前已基本被淘汰。现在大地电磁测深中正在更新有多道、数传、同步、宽频带（１×１０～～１ｘ１０４ｎｚ）、多种方法、实时定位、实时处理、遥控遥测等更加轻便、实用的新型仪器ｗ。 我们要在这些仪器中使用多种去噪的措施。如进行选频滤波，可以采用同步检波及积分采样（因为同步检波甚至对同频率的干扰都有很强的压制能力，而积分对对称性干扰压制能力极强），提高接收机的灵敏度并且采取多次叠加等技术，以达到提高信噪比的目的”?。 ２野外采集工作 野外采集数据涉及许多人为的因素和环境的因素。大地电磁测深以随时间变化的大地电磁场为场源，大地场源的频率和强度主要受太阳风活动的控制，场源频率范围宽，信号强度一般很小。在大地电磁测深法常用的频段内，相应周期为ｌＯ一～１０４ｓ。由于大地电磁场磁分量功率谱密度差异，在Ｉｓ附近有一个低能量窗口，即所谓的“噪声洞”。“噪声洞”的存在使
目录 章节号内容页码 1. 立项作业指导书 (2) 2. 设计编写作业指导书 (4) 3. 野外作业指导书 (11) 4. 资料整理作业指导书 (16) 5. 资料野外验收作业指导书 (20) 6. 成果报告编写作业指导书 (23) 7. 成果报告评审作业指导书 (26)
立项作业指导书 1.目的 立项是可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)工作质量的起点，其质量将直接影响成果质量和找矿效果。本规范对可控源音频大地电磁测深法立项工作所必须遵循的规则作了具体规定，以提高立项质量。 2.适用范围 本规范适用于申请上级主管部门、社会企事业单位委托承包、招标承包的可控源音频大地电磁测深法的前期立项工作。 3.总则 可控源音频大地电磁测深法立项工作必须严格执行本规定及 DZ/T地球物理勘查名词术语 GB/T14499-93地球物理勘查技术符号 GB/T0069-93地球物理勘查图式图例及用色标准 4.实施步骤 4.1 综合研究 在确定任务时，应结合具体情况系统地收集和细致地研究目标区内前人工作成果资料(含以往地质、物探、化探、遥感等资料)，作到充分利用已有资料，不作重复工作，分析在以往工作成果基础上获得新成果的可能性和新成果的价值，研究开展可控源音频大地电磁测深法的地球物理前提及方法的有效性。 4.2 项目规划 4.2.1可控源音频大地电磁测深法(以下简称CSAMT)是利用人工源建立谐变电磁场，在固定发收距r的情况下人为的改变电磁场的频率f，以达到探测地下不同深度地层构造的目的。该方法的主要特点是能穿透高阻容屏蔽层，探测深度大，分辨率高。可用于金属矿勘探、油气田勘探、深部地层构造勘探和解决水文工程地质等问题。 4.2.2 CSAMT应用条件 4.2.2.1勘查对象与周围地质体之间存在较明显的电阻率差异。 4.2.2.2勘查对象产生的电性异常能从干扰背景中分辨出来。
万方数据
地质与勘探２００３年 为提高构造勘探分辩率奠定了基础。ＥＭＡＰ资料采集以高效的多道排列式为单位进行，代替了传统的单点式或双点式资料采集。１９９５年在国内首次引进该方法后，在采集方法上进行了全张量方式的改进，并依据国内学者的建议，称之为连续电磁剖面法（ｃｏｎｔｉｎｕｅＥ１ｅｃｔｒｉｃＭａｇｎｅｔｉｃＰｒ０６ｌｅ简称ｃＥＭＰ）。 ２野外工作方法 作为以天然电磁场为场源的ＭＴ和ｃＥＭＰ，属被动源物探方法系列，野外资料采集工作主要在信号接受方面，主要接受水平正交的电磁场分量（Ｅｘ、Ｈｙ、Ｅｙ、Ｈｘ）和垂直磁场分量（Ｈｚ），其中接受电场信号的信号传感器为两对正交的不极化电极对，电极距一般为５０～２００ｍ，接受磁场信号的信号传感器是高灵敏度的感应式线圈磁棒。 图１为ＭＴ野外工作站布置。一般在每个测点 Ｅ 图１常规ＭＴ十字型布站示意图 上为５分量采集（Ｅｘ、Ｈｙ、Ｅｙ、Ｈｘ、Ｈｚ），其中ｘ布站方向为正南北方向，Ｙ为正东西方向。点距根据勘探目的不同而异，一般进行盆地前期油气勘探采用 ４ １～２ｋｍ的点距，而进行大地构造研究和深部地壳结构调查则采用５～１０ｋｍ的点距。 图２为二维ｃＥＭＰ野外工作站布置。ＣＥＭＰ以排列为单位进行布站，资料采集都采用张量方式观测，即每道除记录测线方向（ｘ布站方向）的电场分量外，还观测垂直测线方向（Ｙ布站方向）的电场分量，并布置两水平磁场分量采集站，排列上各道共用水平磁场分量采集站的信息，水平磁分量采集磁棒对应采集电场分量的电偶极平行布置（图２）。为提高资料采集精度，压制相关干扰，在离工区５０～１００ｋｍ的区域内设置４分量的远参考站，测区内各排列与远参考站依次同步采集，资料采集时间一般为８～１５小时。排列内的道数可根据采集单元的多少确定，道间距为２００ｍ，参考站采集单元与排列内各道采集单元通过ＧＰｓ同步控制采集。 图３为三维ｃＥＭＰ小面元网络式采集布置示意图。一个面元网络内的道数，可根据采集系统的多少和点距大小来确定，一般为９道，也可为１６道、２５道等，中心点以四分量（Ｅｘ、Ｅｙ、Ｈｘ、Ｈｙ）或五分量（Ｅｘ、Ｅｙ、Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚ）采集为主，周围道则可用两分量（Ｅｘ、Ｅｙ）采集，共用中心点的磁场分量。面元内的各道与参考站之间利用Ｇｐｓ卫星同步控制开始采集。面元内各道距依设计测网点线距确定。 ３资料采集系统及处理系统简介 从应用ＭＴ近２０年的历程看，仪器制作技术及方法技术的进步，一方面使该方法野外资料采集效率大大提高，另一方面应用领域拓宽，勘探效果日益突出。２０世纪８０年代初，资料采集“靠天吃饭”，信号强时就可获得合格资料，信号弱时就停工休息，庞大的车装采集系统都没有实时处理能力，质量反馈 图２二维ｃＥＭＰ排列式采集示意图 万方数据
可控源音频大地电磁法介绍 1.方法原理和仪器 可控源音频大地电磁法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics, 简称CSAMT 卡尼亚电阻率测深曲线，因此又称可控源音频大地电磁测深法。 该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。从而在理论和实践两方面奠定了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法测量的仪器和解释应用软件。主要仪器是美国Zonge公司生产的GDP-16和GDP-32两种多功能电磁仪。现以GDP-32为例说明仪器的技术指标：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（CR）、瞬变电磁法（TEM）、可控源音频大地电磁法（CSAMT）测量。其性能指标为工作频率0.007Hz—8192Hz,工作温度-20℃--60℃，工作湿度5%--100%，时钟稳定度∠5×10ˉ10∕24h,输入阻抗10 Ω ∕D C ,动态范围190dB,最小检测信号电压０.03μv、相位±0.1mard（毫弧度），最大输入信号电压±３２v,自动补赏电压±２.２５v（自动），增益１／８－６５５３６（自动）。 2.方法技术 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。 可控源音频大地电磁测深法是以有限长地电偶极子为场源,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法。需要考虑的装置是： 测点距：２０－１００米 供电电极距：（AB）：１０００－３０００米 接收电极距（MN）：２０－１００米 可测扇区的夹角（?）≤１５° 我们可以用图1来说明最常用的一种赤道偶极装置进行标 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2-3~213Hz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
实验报告 课程名称：地电学 课题名称：大地电磁层状模型数值模拟实验专业：地球物理学 姓名：xx 班级：06xxxx 完成日期：2016 年11月26日
目录 一、实验名称 (3) 二、实验目的 (3) 三、实验要求 (3) 四、实验原理 (3) 五、实验题目 (4) 六、实验步骤 (4) 七、实验整体流程图 (8) 八、程序及运行结果 (9) 九、实验结果分析及体会 (14)
一、实验名称 大地电磁层状模型数值模拟实验 二、实验目的 （1）学习使用Matlab编程，并设计大地电磁层状模型一层，二层，三层正演程序 （2）在设计正演程序的基础上实现编程模拟 （3）MATLAB软件基本操作和演示 . 三、实验要求 （1）利用MT一维测深法及其相关公式，计算地面上的pc视电阻率和ph相位，绘制视电阻率正演曲线和相位曲线并分析。 （2）利用Matlab软件作为来实现该实验。 四、实验原理 （一）、正演的概念： 正演是反演的前提。在实际地球物理勘探中，一些模型的参数是不容易确定的，如埋藏在地下的地质体模型的岩性、厚度、产状等参数，我们把这些描述未知模型的参数的集合定义为“模型空间”。为了获得这些模型参数，可以利用那些可以直接观测的量来推测，而这些能够直接观测的量的集合则被称作“数据空间”。如果把模型空间中的一个点定义为m，把数据空间中的一个点定义为d，按照物理定律，可以把两者的关系写成 式中，G为模型空间到数据空间的一个映射。我们把给定模型m求解数据d的过程称为正演问题。 （二）、MT一维正演模型简介 大地电磁法作为一种电磁类勘探方法，它的模型参数为一组能够表征地球物理勘探目标体的电性参数，即目标体电阻率和相应层的层厚度。所谓一维模型，即介质在三维空间中沿两个方向上模型参数是不变的，只在另一个方向上特征属
可控源音频大地电磁测深CSAMT成果报告编写作业指导书1．目的 本规程对CSAMT成果报告编写所必须遵循的规则作了基本的规定，以保证报告的质量。 2．适用范围 本规范适用于CSAMT成果报告的编写工作。 3．总则 CSAMT成果报告编写必须严格执行本规定。 4．实施步骤 4.1分队在通过野外验收后一个月内拟定报告编写提纲报院物化探部审批。 4.2报告编写提纲已经审批，分队立即组织人员落实编写任务，报告编写时间规定为5个月。 4.3成果报告编写要求 4.3.1成果报告应实事求是，内容全面，突出，立论有据，文字简练，逻辑严密，所用名词、术语、符号、格式等必须统一。
4.3.2报告的附图，附件，附表应目的明确，配置得当，文字说明简练。 4.4成果报告的内容 4.4.1成果报告的正文应包括： a.承担地质任务及完成情况 b.测区地质、地球物理概况 c.野外工作方法与技术要求 d.资料的处理解释 e.地质推断 f.结论与建议 4.4.2成果报告附图包括： a.交通位置图 b.实际材料图 c.曲线类型图 d.电性参数剖面等值线图 e.频率测深工作成果图 f.电性－地质剖面图
d.其他图件 4.4.3成果报告附件包括： a.岩石电性资料说明 b.正反演解释方法论述 c.静态位移校正方法说明 d.正反演解释结果数据表及软盘 e.资料质量统计表 f.其它 4.5报告编写其间，分队要不定期开展讨论会，以便了解进展情况，处理有关问题。对各章节，分队技术负责必须认真审阅修改，以达到各方面的统一，必要时责成编写人修改，补充。 4.6经技术负责统稿后的初稿，报送院有关部门初审，初审通过的报告复制(一式八份)，同时向项目主管单位提交评审申请书。 4.7评审所需资料有：野外验收意见书和补充工作的报告，项目合同书，设计书，设计审查意见书，文字报告及附
题目：大地电磁勘测法 学号： 201220120109 姓名：李星星 班级： 1221201 专业：测控技术与仪器 课程名称：地球物理仪器 课程老师：徐哈宁 二零一五年十二月
目录 1引言............................................................. 1.1定性近似反演法 ............................................... 1.1.1博斯蒂克反演法.......................................... 1.1.2曲线对比法.............................................. 1.1.3拟地震解释方法.......................................... 1.2马奎特反演法................................................. 1.2.1广义反演法.............................................. 1.2.2奥克姆反演法............................................ 1.2.3快速松弛反演法.......................................... 1.2.4共轭梯度反演法.......................................... 1.2.5拟线性近似反演法......................................... 1.2.6聚焦反演法.............................................. 2.1全局搜索最优反演方法.......................................... 2.1.1二次函数逼近反演法....................................... 2.1.2多尺度反演法............................................ 2.1.3模拟退火反演法.......................................... 2.1.4量子路径积分反演算法..................................... 2.1.5遗传算法反演法.......................................... 2.1.6人工神经网络反演法....................................... 2.1.7贝叶斯统计反演.......................................... 2.1.8粒子群优化反演.......................................... 3大地电磁反演方法存在的问题.......................................... 4大地电磁反演技术发展方向............................................ 4.1复杂地电结构条件下电磁理论研究 ................................. 4.2提高反演方法速度的研究 ........................................ 4.3非线性反演理论研究............................................ 4.1混合反演方法的研究............................................ 4.2与其它资料的联合反演研究....................................... 5 学习总结 ........................................................
大地电磁法 研究专家 单位姓名 中南大学柳建新 中国地质大学(武汉) 胡祥云 成都理工大学王绪本 技术原理 大地电磁法（Magnetotelluric mehtod, MT) 是利用天然电磁场作场源，是在地面布设仪器测量5个分量的电磁场（3各相互垂直的磁场分量Hx, Hy and Hz 和2个相互垂直的水平分量Ex, Ey）（图1）. 图1 野外观测装置示意图（包括3个磁场分量，2个电场分量） 大地电磁数据处理 对观测记录的5个分量的原始时间序列（time series)数据，通过频谱(spectre)分析，获得各个场分量的频谱，然后计算它们各自的和相互之间的自功率谱和互功率谱(auto, cross- spectrum )，进而计算反映地下构造的张量阻抗(tensor impedance)，以及视电阻率(apparent resistivity)、阻抗相位(impedance phase)等其他参数（图2）。
图2 数据处理流程示意图 图3 是得到的视电阻率和阻抗相位图 0.0010.0100.100 1.00010.000100.0001000.00010000.000 0.1 1.0 10.0 100.01000.010000.0 100000.0 l o g 10(a p p .r e s i s t i v i t y /O h m m )0.0010.0100.100 1.00010.000100.0001000.00010000.000 log10(period/sec)0 30 6090p h a s e (d e g )xy yx 图3视电阻率（上图）和阻抗相位（下图）， 横坐标是数据的周期
中国大地电磁测深发展 随着地球科学的发展以及人类对资源的需求不断增长，进行地球深部探测来研究大陆演化奥秘，寻找更多资源，进行环境保护，是当代地球科学的主要任务。地球物理观测是进行地球深部探测的重要方法技术，很多发达国家自上世纪70年代以来，陆续启动了深部地球物理探测计划，获得了一系列重大成果。其中，大陆岩石圈导电性结构的研究是地球深部探测的一个重要组成部分，有关大陆岩石圈导电性的研究可以为大陆动力学、地质灾害防治、矿床成因研究等提供重要的支撑。大地电磁观测是研究地球深部电性结构与构造的主要地球物理方法，被广泛应用于油气勘探、矿产资源勘探以及深部地球物理调查等领域。在研究壳幔构造方面，大地电测深和地震方法一起被视为两大支柱方法，两者相互验证、相互补充，在世界范围内解决大陆动力学问题方面已有许多成功的应用范例。 虽然大地电磁探测已经成为深部地球物理探测的一种主要方法技术，但仍有许多技术问题需要进一步研究与解决。比如大地电磁探测的抗干扰能力较弱，特别是在矿集区及经济发达区等强干扰地区往往很难采集到高信噪比的数据。而无论是研究深部地质构造还是寻找深部的隐伏矿床，都不可能完全避开强干扰地区，为了提高大地电磁的应用效果，需要研究强干扰等特殊地区的数据采集方法技术及特殊处理技术。通过在实验区的大地电磁观测实验，研究适用于不同地质条件及干扰水平地区的大地电磁数据采集方法技术以及精细处理与反演方法以及大地电磁探测与地震探测的集成与约束反演方法，将推动大地电磁探测方法的技术进步，提高大地电磁的应用效果，为获取地下不同深度的准确的电性结构分布以及进行壳幔结构特征研究提供技术支撑。 1地球的导电性及大地电磁探测发展现状 1.1地球的导电性 描述岩矿石导电性通常使用电阻率与电导率参数，它们互为倒数。矿物与岩石的导电性具有很大差别，比如纯金属和石墨的导电性很好，具有低电阻、高电导特征；而水晶的导电性则很差，具有高电阻、低电导特征。地球的地壳与上地幔是由多种岩石与矿物组成的，其导电性受到构造特征、物质成分、晶体结构、岩石矿物和密度、温度、压力等多种因素的影响，在估算地壳与上地幔的总体导
引言 大地电磁测深法（ＭＴ）已广泛应用于地球深部构造研究及矿产资源勘查中，而对数据反演方法的选择则直接影响到其应用效果．目前，大地电磁反演方法大都是基于均匀水平层状介质模型假设条件和Ｌ２范数下提出来的，如博斯蒂克反演法（Ｂｏｓｔｉｃｋ，１９７７）、大地电磁拟地震反演法（王家映，１９８５）、高斯 牛顿法、梯度法、马奎特法、奥克姆法（Ｃｏｎｓｔａｂｌｅ，１９８７）、曲线对比法（徐世浙、刘斌，１９９５）、共轭梯度法（Ｍａｃｋｉｅ等，１９８９、１９９３、２００１）、快速松弛反演法（Ｓｍｉｔｈ等，１９９１、２００１）、拟线性近似反演法（Ｚｈｄａｎｏｖ，１９９６）、聚焦反演法（Ｐｏｒｔｎｉａｇｕｉｎｅ，Ｚｈｄａｎｏｖ，１９９９）等．上世纪９０年代后期，随着非线性反演理论和三维正反演技术的发展，一些非线性反演方法随之兴起，如模拟退火法（师学明等，１９９８）、多尺度反演法（徐义贤，１９９８）、多尺度逼近遗传算法（师学明等，２０００）、共轭梯度极大似然反演法、非线性共轭梯度反演法（Ｒｏｄｉ、Ｍａｃｋｉｅ，２００１）、贝叶斯统计反演法（Ｓｐｉｃｈａｋ等，１９９５）、人工神经网络反演法（Ｓｐｉｃｈａｋ、Ｐｏｐｏｖａ，２０００）、量子路径积分算法（罗红明等，２００７）、阻尼粒子群优化反演法（师学明等，２００９）等．本文回顾了当前国内外主要的大地电磁反演方法并对其进行分类，并在目标函数构建、灵敏度矩阵计算、收敛速度等方面对各种方法进行了对比与评述．最后，讨论了大地电磁反演方法研究中存在的问题和发展方向． １大地电磁反演方法 大地电磁反演方法的研究始终围绕着如何构建目标函数（使用不同的稳定器，如模型参数的范数、最大平滑稳定泛函、最小支撑泛函、最小梯度支撑泛函等）和减少数据计算量（灵敏度矩阵计算等方面）来增强解的稳定性，以求得与实际情况最吻合的地电结构分布．回顾过去，大地电磁反演方法研究经历了从定性近似反演到数值反演、从一维、二维反演到三维反演及线性到非线性全局最优化反演方法的发展阶段．因此，可以将大地电磁反演方法分为三大类：定性近似反演方法、基于目标函数的线性或非线性迭代反演方法和全局搜索最优反演方法． １．１定性近似反演法 １．１．１博斯蒂克反演法 博斯蒂克反演法（Ｂｏｓｔｉｃｋ）是由Ｆ．Ｘ．Ｊｒ．Ｂｏｓｔｉｃｋ［１］于１９７７年基于水平层状介质条件下提出来的一种一维近似反演方法．该方法以低频区视电阻率曲线尾支渐近线的特征为基础，利用渐近线的交点能反映交点以上底层平均电阻率而与底层电性无关的原理来做近似反演，又称为渐近线交点近似方法［２～４］．实际反演时利用相位曲线进行反演的公式如下：其中ρ为反演后的电阻率值； 为测深曲线的相位值，ρａ为测深曲线的幅振值，即视电阻率值；犎为深度值；ω为圆频率；μ为磁导率．Ｂｏｓｔｉｃｋ反演法计算速度快、不需要初始模型，能够直接反映地电结构的特点；但是反演精度低，因为渐近线交点的确定受经验的影响较大，但仍不失为一种为其它反演方法提供初始模型的快捷方法． １．１．２曲线对比法 大地电磁一维连续介质反演的曲线对比法是徐世浙和刘斌［５］针对Ｂｏｓｔｉｃｋ反演法精度低、理论曲线和实测曲线拟合误差较大难以准确分辨地质体界面的缺点而提出来的．曲线对比法以低频电磁波在地下穿透深度大于高频电磁波的穿透深度为理论基础，通过连续的低频来确定深部电导率的分布状态．反演过程中，首先将Ｂｏｓｔｉｃｋ反演（另外也可以用穿透深度法［５］或频率归一化阻抗因子方法［６］）得到的电阻率随深度变化的曲线作为初始模型，将视电阻率随周期变化的曲线转化为电阻率随深度变化的曲线，通过迭代逐步改善初始模型的电阻率值，直至获得满意的结果．另外，张大海和徐世浙［７］把相位信息加入曲线对比法反演过程，使得反演结果更加清晰地反映模型的电性分布．反演得到的拟二维断面图可作为多维反演的初始模型．该反演方法原理简单，具有计算速度快且不用计算偏导数矩阵的优点．
大地电磁法 研究专家 技术原理 大地电磁法（Magnetotelluric mehtod, MT) 是利用天然电磁场作场源，是在地面布设仪器测量5个分量的电磁场（3各相互垂直的磁场分量Hx, Hy and Hz 和2个相互垂直的水平分量Ex, Ey）（图1）. 图1 野外观测装置示意图（包括3个磁场分量，2个电场分量） 大地电磁数据处理 对观测记录的5个分量的原始时间序列（time series)数据，通过频谱(spectre)分析，获得各个场分量的频谱，然后计算它们各自的和相互之间的自功率谱和互功率谱(auto, cross- spectrum )，进而计算反映地下构造的张量阻抗(tensor impedance)，以及视电阻率(apparent resistivity)、阻抗相位(impedance phase)等其他参数（图2）。
图2 数据处理流程示意图 图3 是得到的视电阻率和阻抗相位图 图3视电阻率（上图）和阻抗相位（下图）， 横坐标是数据的周期 0.0010.0100.100 1.00010.000100.0001000.00010000.000 0.1 1.0 10.0 100.01000.010000.0 100000.0 l o g 10(a p p .r e s i s t i v i t y /O h m m )0.0010.0100.100 1.00010.000100.0001000.00010000.000 log10(period/sec)0 30 6090p h a s e (d e g )xy yx
大地电磁数据反演 对视电阻率和阻抗相位等参数进行反演(inversion)解释得到地下的构造认识。对于资料的反演，目前较成熟的是二维反演方法(2-D inversion)。现世界上可用的先进的二维反演方法有几种，每种方法都有自己的优势，可以选择或对比使用。图4是对观测资料（视电阻率、相位等）进行反演过程示意图 反演得到的是沿每个测量剖面的地下的二维电性结构（电阻率或电导率），基于电性结构，进行地质解释。 一些先进数据处理和解释技术的应用 当前，为了提高观测资料的质量，即克服其他干扰因素的影响，一般采用远参考道(remote reference MT)测量法，并结合先进的对数据进行处理的robust技术，得到资料误差尽量小的视点阻率、阻抗相位以及其他资料，以保证反演解释结果的可靠性。 远参考道方法是，在观测目标区之外的其他地方（一般选择构造相对简单、干扰相对较小的地方），架设另一套完整大地电磁测量仪器（测量5个分量），把这个站称为远基准站（remote station).利用远基准站观测的资料和观测目标区的仪器测量的资料联合进行处理，得到目标观测区的张量阻抗、视电阻率和阻抗相位等参数，达到压制其他干扰影响的目的。 为了克服进地表往往存在的小的三维异常体对资料产生的畸变(distortion)影响，可以采用小点距的的测量方法，或者采用各个相邻测点的测量电场的电极相互连接（称为电磁阵列剖面 EMAP electromagnetic array profile)技术进行测量。
第47卷 第4期2011年7月 地质与勘探GEOLOGY AND EXPLORATION Vol.47 No.4 July ,2011 [收稿日期]2010-10-26;[修订日期]2011-03-05;[责任编辑]郝情情三 [基金项目] 十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAB01B07)资助三 [第一作者]席振铢(1966年-),男,2002年毕业于中南大学,获硕士学位,在读博士生,副教授,现主要从事电磁法勘探理论与应用研究,E -mail:xizhenzhu@https://www.doczj.com/doc/203725285.html,三 低阻覆盖层对高频大地电磁测深的影响 席振铢,冯万杰,李瑞雪,陈兴朋 (中南大学地球科学与信息物理学院,湖南长沙 410083) [摘 要]低阻覆盖层对电磁波具有屏蔽效应,会降低高频大地电磁测深的探测能力三通过一维正演模拟,对无低阻覆盖层时探测能力和有低阻覆盖层时探测能力的变化进行对比研究,表明有低阻覆盖时,探测能力普遍下降;在相同探测能力条件下,高频大地电磁测深可探测异常体上覆围岩厚度与异常体厚度的比值,和围岩与异常体电阻率比值呈线性关系三通过綦江县某铁矿测区的找矿实例,验证了低阻覆盖层对高频大地电磁测深探测能力的影响规律三 [关键词]高频大地电磁 低阻覆盖层 探测能力 EH-4 正演模拟 [中图分类号]P631.2 [文献标识码]A [文章编号]0495-5331(2011)04-0673-06 Xi Zhen-zhu ,Feng Wan-jie ,Li Rui-xue ,Chen Xing-peng.Effect of a low-resistivity cover on high-frequency magnetotelluric sounding [J ].Geology and Exploration ,2011,47(4):0673-0678. 基于卡尼亚电阻的电磁测深法根据观测的频段 分为(王烨等,2005;Tang et al .,2007;汤井田等,2009;陈乐寿,2009):(1)大地电磁测深法(MT),工作频率为340Hz ~0.0001Hz;(2)音频大地电磁测深法(AMT),工作频率为8192Hz ~0.1Hz;(3)高频大地电磁测深法(HMT ),工作频率为10Hz ~100kHz三HMT 研究深度在地下1000m 以内,这正是人类活动最活跃的范围,因此,以美国EH4电导率成像系统为代表的HMT,在浅部矿产资源二地下水二地热二场地工程及隧道岩溶勘探中应用广泛(曹小飞,2009;欧阳承新等,2009;席振铢等,2010)三但是,在很多地质任务中(谭捍东等,2003;樊战军等,2007;胡久常等,2007)往往碰到有低阻覆 盖的现象,会对HMT 产生屏蔽作用,降低HMT 的探测能力三 HMT 探测能力分为横向和纵向探测能力,横向探测能力与工作网度和电偶极长度有关;纵向探测 能力与工作频率和地质体有关三低阻覆盖层对HMT 探测深度影响与其它电法勘探一样,一直是地 球物理勘探的研究内容之一(B.R.Spies,1989;闫述等,2009),其对于HMT 施工前的设计和后期资料处理,都是至关重要的三 Evjen(1938)首先引入了探测深度的概念,并定 义为 一个地下的水平薄层对地表的总测量信号贡献最大的那个深度”三Spies(1989)研究了MT 等电磁法的探测能力问题,并认为MT 法探测厚约1.5倍趋肤深度下的被掩盖的半空间是可能的,且最大探测深度实际是不受限制的三Huang(2005)对电磁法探测能力的影响因素进行定量的研究,认为对于一个给定的趋肤深度,电磁法的探测能力随着异常体导电性的增加而增加,随着探测阈值的增大而下降,并建议在环境噪音大或地表电阻率低(<50mS /m)时用较高的阈值,如20%或30%,而在干扰小的地区和异常体电阻率低时,就可以用较小的阈值,如5%或10%三 为了更有效地进行HMT 的野外作业二仪器设计参数的选择和试验参数的选取,有必要对有低阻覆盖时HMT 探测能力的变化规律进行研究三 3 76
大地电磁测深的野外工作方法简介 大地电磁测深的野外工作，首先必须根据所要研究的地质、地球探测问题和任务进行施工设计；然后根据设计1，正确的进行观测布极，资料采集时要求观测资料要求观测资料必须包含有足够的频率成分，足够的记录长度并满足一定的质量指标。最后对观测资料进行自评。下面介绍野外工作中值得重视的几个环节。 一施工设计 在进行MT野外施工之前，应根据地质任务的要求进行施工设计，主要包括以下内容：（1）收集工区及邻区已有的地质和地球物理资料，初步建立起工区的地层-电性关系模式。根据地质任务的要求，结合已知的构造走向和地质露头情况，确定测线间距、测点距离、测线方位，并根据勘探目标的深度和地层电性特征，提出对观测数据最低频的要求。 （2）对工区进行现场实地踏勘，了解工区的地形、交通、地质露头情况及各种电干扰源（铁路、输电线、水电站和煤矿等）的分布情况。提出避开电干扰、确保野外观测质量的措施。 （3）根据有关规范要求和实际情况，提出仪器一致性点和质量检查点的要求，提出对电极距的基本要求。 二、野外资料采集 1、选点MT法观测质量与测点所处环境关系很大，为了获得高质量的野外观测资料，测点选择的原理是： （1）根据地质任务及施工设计书，布置测线、测点，在施工中允许根据实际情况在一定范围内调整，但必须满足规范要求。若测区范围内发现有意义的异常，应及时申请加密测线、测点，以保证至少应有三个测点位于异常部位； （2）测点尽量不要选在狭窄的山顶或深沟底，应选开阔的平地布极，至少在两对电极的范围内地面相对高差与电极距之比小于10%； （3）布极应尽可能避开近地表局部电性不均匀体； （4）所选测点应远离电磁干扰源。在不能调整测点位置的情况下应采取其它措施减小电磁干扰。 1、观测装置的布设 每一测点上需要测量彼此正交的电磁场水平分量及垂直磁场分量，野外采集装置的布设示意如图 2 1）布极 （1）方位：如果已知测区的地质构造走向，最好取x,y分别与构造的走向和倾角平行，这样可直接测量入射场的TE极化波和TM极化波，若地质构造走向未知，则通常取正北为x轴，正东为y轴。全区的各测点x和y取向尽量保持一致，以便在确定测区介质电性主轴方位角时，能有统一的标准。 （2）方式：野外电极布置一般采用“+”字型布极方式，此种方法能较好的克服表层电流场不均匀的影响，若仪器安装在“+”字交汇点附近，还有助于消除共模干扰。特殊情况下，因地形等原因，也可采用T形或L形布极方式， （3）电极距：电极距的长度一般在50-300m之间。若地形条件允许，两端电极应尽量水平，如测点周围地表起伏不平，电极两端不在同一水平面上，则应按实测水平距计算电极距。
本科生实习报告 实习类型生产实习 题目音频大地电磁测深实习报告 学院名称地球物理学院 专业名称勘查技术与工程（石油物探）学生姓名 学生学号 指导教师陈进超闵刚 实习地点成都理工大学 实习成绩 2015年 9月-2015年11月
音频大地电磁测深 摘要 电法勘探是勘探地球物理学中一个重要分支，是电学、电磁学、电子学及电化学在解决地质找矿及地质学问题中发展起来的一门应用科学。电法勘探（常称为电法或电探）的地球物理学基础是地壳中多数岩矿石之间存在的电学性质的差异，它是通过观测和研究由电性差异引起的人工或天然电磁场的空间和时间分布规律及其变化特点，从而达到查明地下地质构造或矿产分布的一组勘探方法的总称。 音频大地电磁测深（AMT）原理是基于大地电磁测深法原理，是在五十年代初期提出的一种较新的地球物理探测方法。它是频率域交变电流法，是通过对地面电磁场的观测，来实现不同深度的探测，进而研究地下岩矿石电阻率的分布规律的一种物探方法。由于高频衰减快、低频衰减慢的特性，高频主要反映浅层，而低频主要反映深层。大地电磁测深理论的关键是研究地面电磁场与地下岩矿石的电阻率存在的关系。 关键词：电法勘探；AMT；大地电磁测深；频率域交变电流。
实习内容 一、方法原理 AMT（音频大地电磁测深）法是电法勘探的一种重要方法。该方法不同于高密度电法、联合剖面法和大功率激电法，主要原因是后3种方法为直流电流法，所用的原理是几何测深，即通过增大供电电极距AB，来实现对地下不同深度的探测，由于地下电流线受高阻屏蔽低阻吸引的影响，导致后3种方法的局限性，探测深度仅停留在浅部地层，但浅层分辨率高。该方法野外作业相比直流电法，工作量明显减少，而且适应于野外不同地形，满足对地下浅、中、深地层不同深度的探测，但由于交流电法受干扰影响大，分辨率较低，因此AMT主要适用于对较深地层的探测。 该方法的场源为大地电磁场（天然场），具有很宽的频率范围，它主要由太阳风与地球磁层、电离层之间复杂的相互作用，以及雷电活动等这些地球外层空间场源引起的区域性，乃至全球性的天然交变电磁场，不同频率的电磁场相互叠加在一起，是一个非常复杂的电磁振荡。大地电磁场入射到地下时，一部分被介质吸收衰减；一部分反射地面，它带有反映地下介质电性特征的电磁场信息，人们通过观测地表的电、磁场分量，来研究地下地质结构及其分布特征。 我们知道电磁波来传播过程中实惠衰减的，是因为物质等对电磁波会有吸收作用，为了了解电磁波衰减讯号的可信度，必须知道有效探测深度等概念，以Zs 代表穿透深度，得到式： （1） Z s=500√ρ s 上式中：ρ为电阻率（Ω.m），f为频率（Hz）,Zs为测深。由该式可以知道穿透深度与频率及电阻率的关系。 当介质电阻率随深度变化时，当介质层数趋于1时，所求出的电阻率为平均值。由于地层为多次构造，所以视电阻率值ρs能代表地层的平均电阻率，而并非实际介质电阻率。根据趋肤效应，低频讯号计算出的电阻率境界较深部介质的电阻率值，高频讯号则用于计算浅层或第一层的电阻率值。