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新型ADU-07e MT仪和张量CSAMTThe New MT System GMS-07e and Tensor CSAMT俞历朱自串Yu Li Zhu Zichuan北京欧华联科技有限责任公司Beijing Ouhualian Science and Technology Ltd.德国Metronix公司积36年研发和生产大地电磁仪的基础上，于2008年和2009年相继推出第七代产品ADU-07和改进版和ADU-07e大地电磁测深系统，2011年又推出当今世界上唯一的三组偶极子发射的张量CSAMT可控源电磁观测系统。
在过去三年半时间，国内已先后定购了60套ADU-07和ADU-07e电磁观测系统，并在不同领域获得应用，得到用户一致好评。
ADU-07e由主机ADU-07e、磁场传感器、电极和软件系统组成，总重38kg（图1）图1 ADU-07e大地电磁测深系统ADU-07e MT Syetem一、ADU-07e主要特点1. ADU-07e是全频段电磁观测系统：用于地下勘探的电磁波频率为1,000kHz-10,000S。
其中10kHz-1,000kHz称为无线电MT （RMT）主要接收无线电台发射的电磁波；10Hz-50kHz称为声频MT（AMT），主要接收大气层雷电活动产生的电磁波；10,000S-10kHz为MT+AMT，主要接收太阳活动和大气层雷电活动产生的电磁波，它是大地电磁法的主要频带；1kHz-100,000S称其为超低频MT。
ADU-07e的频带为256kHz-DC，基本覆盖了用于地下勘探的全部电磁波频带范围。
为了适应不同应用目的，ADU-07e分成三个观测频段（图2）：图2 ADU-07e三个观测频段的带宽示意图Frequency Bands of three ADB boards in ADU-07e高频板（ADB HF）：256kHz-1Hz，可延至100 S；中频板（ADB MF）：20kHz-1000 S；低频板（ADB LF）: 1kHz-DC每个频段的ADB板都配置两个24位A/D转换器，以保证频段范围内的高分辨率。
可控源音频大地电磁法及在地质勘探中的应用人民长江 2012 年个分量 ( Ex、Ey、Hx、Hy、Hz) 。
与大地电磁场不同，CSAMT 场源不是全方位的，所以需要两个场源。
为了完全确定阻抗张量，总共需要测量 10 个分量。
张量测量一般用于构造复杂的地区和测深点距比地质构造尺寸大很多的地区。
( 2) 矢量。
CSAMT 利用单一个场源来测量 4 个或5 个分量( Ex、Ey、Hx、Hy，有时加测 Hz) 。
矢量 CSAMT数据提供了关于地下二维或三维构造的信息，但比张量测量的信息少。
矢量 CSAMT 在各向异性不强的地区确定复杂地质构造较为有效。
( 3) 标量。
最简单，也是目前所有商业仪器及野外采用的 CSAMT 形式，亦可称为可控源音频大地电流法( CSAET) 。
它系统地测量电场，只在个别点测量磁场，从而把电场的测量值转换为近似的卡尼亚电阻率。
勘探深度影响到 CSAMT 设计中的每一个参数，如观测频率、发收距等。
CSAMT 的勘探深度与大地电阻率和信号频率有关，可按 Bostick 深度公式计算。
CSAMT 的实际勘探深度为 10 ～ 3 000 m。
3 数据处理与资料解释数据处理主要包括数据编辑、曲线圆滑、主轴判别、静态效应及地形效应校正等。
室内数据处理的过程包括: ① 对数据进行编辑处理，对照野外记录观察原始曲线形态，判断并剔除飞点、跳点，圆滑曲线，压制噪声，在此基础上给出原始电阻率断面图; ② 结合地形、地质资料评估静态、地形的影响程度，并对初步处理后的数据进行静态校正，进而反演计算。
针对工作环境和地质条件复杂且地表电性不均匀的实际情况，综合分析地下介质电导率，同时采用五点二次滤波去噪、曲线平移和设置汉宁窗滤波法进行静态校正，将三者结合取得较好的校正效果，可真实地反映地下的地质情况。
4 工程应用实例广西桂中治旱乐滩水库引水灌区工程是以乐滩水库水源为主的大型引水工程。
引水工程位于桂西山地与桂中盆地过渡地带，干渠工程主要经过的地层有泥盆系、石盆系、二迭系、三迭系及第四系地层。
2.1 电磁法勘探--可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)由于天然场源的随机性和信号微弱，MT 法需要花费巨大努力来记录和分析野外数据。
为克服MT 法的这个缺点，加拿大多伦多大学教授 D.W.Strangway 和他的学生Myron Goldstein 提出了利用人工（可控）场源的音频大地电磁法（CSAMT ）。
这种方法使用接地导线或不接地回线为场源，在波区测量相互正交的电、 磁场切向分量， 并计算卡尼亚电阻率，以保留AMT 法的一些数据解释方法。
自20世纪70年代中期， CSAMT 法得到实际应用， 一些公司相继生产用于CSAMT 法测量的仪器和应用解释软件。
进入80年代后，该方法的理论和仪器得到很大发展，应用领域也扩展到普查、 勘探石油、 天然气、 地热、 金属矿产、 水文、 工程、 环境保护等各个方面， 从而成为受人重视的一种地球物理方法。
虽然CSAMT 法属于一种人工源的频率电磁深测， 但和通常的频率域电磁测深不同。
这主要因为CSAMT 法测量两个相互垂直的电磁场切向分量计算卡尼亚电阻率， 因而具有较强的抗干扰能力， 且更容易获得对地电变化较灵敏的相位差信息； 又由于波区电磁场十分接近平面波， 因而其资料处理、 解释也较为简便， 可以保留AMT 法中的许多解释方法。
CSAMT 和AMT 或MT 亦有不同， 根本原因是CSAMT 法使用了人工场源，因而极化方向明显，信噪比高，易于观测。
但是，由于使用了人工场源， CSAMT 法必然受场源效应影响， 这主要包括非平面波效应、 场源附加效应、 阴影效应和测深通道的弯曲。
2.2.1 CSAMT 基本理论CSAMT 有2种常用的场源——水平电偶极子和垂直磁偶极子，此处注重讨论其场的特征和快速计算方法。
2.2.1.1水平层状半空间上水平电偶极子的电磁场如图2.2.1所示， N 层水平层状介质中第n 层的电阻率和层厚度分别记为ρn 和h n 。
水平电偶极子（接地导线）位于层状介质表面，偶极矩为P=IdL （I 为谐变电流）。
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∠5×10¯10∕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。
张量可控源电磁法（兼MT、AMT、CSAMT功能）一、引言1950年和1953年TNXOHOB,T.H和Cagniaral,L.分别提出在水平层状均匀介质条件下的大地电磁法理论和实施方案，后经实践检验证明，观测结果往往与实际地质情况不符。
1960年Cantwell,T.提出介质张量电性阻抗概念，很快形成大地电磁场数据的张量阻抗计算和分析理论及方法，使大地电磁法发生了本质性的变革。
由于大地电磁法的场源在1-10Hz和1000-3000Hz左右活动水平很低，称为“死区”，为了弥补这一缺点，1975年Goldstein,M.A 和Strangway,D.W.提出通过接地电极偶子向地下注射不同频率的电流产生的高强度人工电磁场做为场源的可控源大地电磁法，并在1978年投入矿产资源勘探，地下水勘探和油气资源勘探，命名为可控源声频大地电磁法（CASMT）。
CSAMT法是以水平层状均匀介质模型（标量电性阻抗）为前提，历经30余年仍未改变，主要原因是满足张量电性阻抗观测的可控源发射系统非常复杂、难于制造，另一方面在非常简单的地质构造地区，例如平原区浅层以标量电性阻抗模型为前提的CSAMT法尚能获得较好的勘探效果。
2010年德国Metronix公司研制成功了首台满足张量电性阻抗观测的可控源大地电磁仪及其数据处理软件系统,并在地质构造复杂地区获得成功应用,我们称其为“张量可控源电磁法（TCSMT），”传统的CSAMT称其为“标量可控源电磁法”。
Metronix公司研发的张量可控源电磁法的接收系统也是完善的AMT和MT观测系统，发射系统也可简化为CSAMT发射系统应用。
二、标量可控源电磁法CSAMT当地下介质是均匀水平层状，没有构造（如断层、褶皱、隆起、坳陷）存在时，电阻率只沿深度Z变化，沿水平方向不变时，也即地下介质的电性是标量情况下，入射的平面波场源H在地下介质中感应出与其相垂直的电场E. 此时介质的电性阻抗为标量：Z=EH（1）视电阻率值：ρa=0.2T|Z|2（2）为实现这一原理，CSAMT的野外工作装置如图1所示：图1 CSAMT发射装置只有一组发射电偶极子，只适合探测一维电性结构发射机通过单一接地电偶极子将不同频率的方波电流注入地下，在远离电偶极子的地方接收通过地下传播的不同频率的电磁场信号，例如Hy 和Ex ，根据公式（1）和（2）计算测点下的视电阻率值ρa 。
由于它是单一电偶极子供电，所以在地下形成的电流体系是单一方向的，建立的磁场也是单一方向的，我们称其为标量可控源大地电磁法，简称标量可控源电磁法。
该方法有如下不足：1. 只适合探测水平均匀层状的一维地质情况，但绝大多数情况下地下是有构造存在的，是二维或三维的电性介质，此时地下介质的电性是张量，不是标量。
2. 单一接地电偶极子发射的电磁波在以偶极子中心30°夹角范围内场强弱，易受畸变不适合观测，所以观测范围变小。
3. 为满足发射场源是平面波场源的要求，发射机和接收机的距离（接发距）要等于或大于勘探深度的3-5倍，在小于3-5倍范围内称为近区，无法获得地下构造信息。
4. 移动接地电偶极子发射源后，在同一测点上的观测结果往往互不重合。
5. 如果接地电偶极子定向与地下高导层走向一致时，注入的方波电流大部分被高导层吸收，严重影响勘探效果。
6. 由于CSAMT 观测的是标量阻抗，因此无法与MT 或AMT 在同一测点上观测的张量阻抗兼容。
过去国内进口的可控源声频大地电磁仪CSAMT 或电法工作站所含有的CSAMT 功能都是标量的，均存在上述不足。
三、张量可控源大地电磁法TCSMT 及应用实例1960年Cantwell,T.提出地下介质电性是张量阻抗，1972年Vozoff,K.,对张量阻抗方法进行了系统归纳。
张量阻抗与电磁场的关系为：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡Hz Hy Hx Zzz y Z Zzx Zyx Zyy Zyx Zxz Zxy Zxx Ez Ey Ex z 称为张量阻抗关系式。
除了极高频率之外，Ez 分量很小，很难观测到，因此张量阻抗关系归结为：Hy Zx ZxxHx y Ex += ZyyHy ZyxHx Ey += 可见，在二维或三维构造情况下，电场Ex 不仅由Hy 感应出，而且部分还由Hx 感应出。
由Hy 感应的Ex 依赖于张量阻抗Zxy ，由Hx 感应的Ex 依赖张量阻抗Zxx ，张量阻抗值Zyx ，Zyy 也有类似依赖关系。
我们的目的是在地面观测不同频率的电磁场信号Hx ，Hy ，Ex 和Ey ，然后求解地下不同深度的张量阻抗要素值Zxy ，Zyx ，Zxx 和Zyy 。
根据简单的数学原理可知，从两个代数方程式（公式4）是无法解出四个张量阻抗要素值的。
若有解，至少要有两组相互独立的变化磁场值H 1和H 2，共同组成四个方程式，即：（3）（4）y ZxyH x ZxxH x E 111+= y ZyyH x ZyxH y E 111+=y ZxyH x ZxxH x E 222+= y ZyyH x ZyxH y E 222+=（所谓相互独立的变化磁场是指极化方向不同或极化类型不同的变化磁场）联立该四个方程式便可解出四个张量阻抗要素值 y xH H y xH H y xH E y xH E Zxx 12211221--=y xH H y xH H x yH E x yH E Zyy 21121221--= y xH H y xH H x xH E y xH E Zxy 12212112--= y xH H y xH H y yH E y yH E Zyx 21122121--= 由于标量阻抗可控源法CSAMT 在地面只观测一个磁场水平分量Hy 和一个电场水平分量Ex ，因此无法解出四个张量阻抗要素。
要解出四个张量阻抗要素的必要条件是：（1）在地面要观测互为垂直的四个电磁场分量Hx ，Hy 和Ey ，Ex ；（2）在观测的电磁场信号中至少要有两组极化方向或极化类型不同的磁场信号。
基于此，德国Metronix 公司于2010年研制成功张量可控源电磁法仪器设备和数据处理软件系统，并投入市场。
其中包括张量可控源发射装置，接收系统和数据处理及反演软件系统。
1. 张量可控源电磁法发射装置，分为旋转偶极发射装置和交替偶极发射装置1) 旋转偶极发射装置可以发射不同极化方向、不同强度和不同频率的变化磁场，以组成类似于公式(6)和(7)的方程组，从而解出四个张量阻抗值Zxx ，Zyy ，Zxy 和Zyx ，其原理是：发射装置是由三个接地电极（U 、V 、W ）组成三对偶极发射装置（图2），也即三个电极分别与张量发射机TXM-22的三个极性开关连接，在脉冲宽度调制控制器的控制下同时向地下分别发送不同频率、不同强度和不同极性的电流I 1，I 2和I 3。
图2 全区张量CSAMT 发射装置由于I 1，I 2和I 3同时注入地下，因此它们在地下组成一个在给定频率下的合成电流矢量Ι 。
当改变I 1，I 2和I 3中的任何一个电流强度和极性时，合成电流矢量Ι 的方向、即磁场极化方向随之改变，因此张量发射装置可以产生任意极化方向的磁场信号。
在最简单情况下、即发射电流I 1，I 2，I 3之间成倍数关系改变，极性成正负关系改变时，可以发射六种不同方向的合成电流矢量，它们是 1I = 0°=180°, 2I = 120°=-60°, 3I = 60°=-120°, 4I = 30°=-150°, 5I = 150°=-210°， 6I = 270°=-90°（6） （7）（5）可形成六种不同极化方向的磁场信号H 1，H 2，H 3，H 4，H 5和H 6。
这样方程组（4）便可扩展成包括发射磁场H 1和H 2的方程组（8），包括发射磁场H 1和H 3的方程式（9），yZxyH x ZxxH x E 111+=y ZyyH x ZyxH y E 111+=y ZxyH x ZxxH x E 222+= y yH Z x xH Z E 222y y y +=y ZxyH x ZxxH x E 111+= y ZyyH x ZyxH y E 111+= y ZxyH x ZxxH x E 333+= yyH Z x xH Z E 333y y y +=以及包括磁场H 1和H 4， H 1和H 5， H 1和H 6的三个方程组；包括H 2和H 3，H 2和H 4，H 2和H 5，H 2和H 6的四个方程组；包括H 3和H 4，H 3和H 5，H 3和H 6的三个方程组；包括H 4和H 5，H 4和H 6的两个方程组；以及包括H 5和H 6的方程组；总计共可组成15个方程组，从而可解出15组四个张量阻抗要素值。
为了在接收点处获得强的电磁场信号，每对合成电流矢量的夹角应在45°- 135°之间。
在数据处理中选择15组张量阻抗要素中质量最好的一组求取其主轴方位，计算TE 模式和TM 模式下的视电阻率和阻抗相位曲线以及其它MT 参数。
在实际应用中，如果测区内布置有大量的、面积性分布的接收装置，应采用旋转偶极发射装置相继发送六个方向的合成电流矢量是最佳选择，此时测区内的任何一点都能观测到最佳的电磁场信号以及15组张量阻抗要素值。
如果测区内仅沿剖面线布设接收装置，可采用交替偶子发射装置，分别发送两个互为垂直的电流矢量，但只能获得一组张量阻抗要素值。
2) 交替偶极发射装置在交替偶极发射装置中发射机分别（非同时）向互相垂直的两对偶极子注射电流，在地下建立两组互为垂直或夹角大于45°的电流矢量和相应极化方向的两组磁场，此时按公式（6）和（7）只能解出一组四个张量阻抗要素值。
最简单的偶极发射装置如图3所示。
其它组合也可组成交替偶极发射装置 ，如图4所示。
图3 交替偶极发射装置 图4 交替偶极发射装置在图4中，如果令电极U 的方向为0°，那么电极W 和电极V 的连线方向便为90°。
如果发射机先向电极U 供电，则电流矢量为0°，然后再向电极W 、V 同时供（9）（8）电，则其电流矢量为90°，结果便是交替偶极发射方式（图4中红箭头所示）。
如果同时向电极U供电I1，向电极W供电-I3，向电极V供电I2=0，并且I1=-I3，此时电流便从V向W流动，则合成电流矢量方向为30°（令电极U的方向为0°）。
最终两个合成电流矢量夹角为90°，也是交替偶极发射装置（图4中黑箭头所示）。
野外施工中首先发射六个方向的合成电流矢量，然后选择发射电流最大的、近于垂直的两个发射方向以形成交替偶极发射装置。
