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1、北京欧华联科技有限责任公司新的地球物理勘探手段张量可控源大地电磁法主要内容一、引言二、标量可控源电磁法CSAMT三、张量可控源大地电磁法TCSMT及应用实例四、张量可控源电磁法TCSMT与声频大地电磁法AMT观测结果对比五、张量可控源电磁法TCSMT和标量可控源电磁法CSAMT观测结果对比六、张量可控源电磁法仪技术指标一、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1,2，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
2、阻抗计算和分析的理论及方法3，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是时刻变化的太阳粒子活动和大气层雷电活动产生的不同频率的天然电磁波，在1-10Hz和1000-3000Hz左右天然电磁场活动水平很低，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4,，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）5。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
3、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6,并在地质构造复杂地区获得成功应用7,8,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”。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
4、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：a=0.2TZ2 （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a。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，简单标量可控源电磁法。该方法有如下不足：1. 只适合探测水
5、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）要等于或大于勘探的3-5倍，在小于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
6、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3，1972年Vozoff,K.,对张量阻抗方法进行了系统归纳7。张量阻抗与电磁场的关系为：（3）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：（4） 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
7、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H1和H2，共同组成四个方程式，即： （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（6）（5） 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
8、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(5)和(6)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
9、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I1，I2和I3。图2 全区张量CSAMT发射装置由于I1，I2和I3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。当改变I1，I2和I3中的任何一个电流强度和极性时，合成电流矢量的方向、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I1，I2，I3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= 0=180, = 120
10、=-60, = 60=-120, = 30=-150, = 150=-210， = 270=-90可形成六种不同极化方向的磁场信号H1，H2，H3，H4，H5和H6。这样方程组（4）便可扩展成包括发射磁场H1和H2的方程组（7），包括发射磁场H1和H3的方程式（8），（7） （8） 以及包括磁场H1和H4， H1和H5， H1和H6的三个方程组；包括H2和H3，H2和H4，H2和H5，H2和H6的四个方程组；包括H3和H4，H3和H5，H3和H6的三个方程组；包括H4和H5，H4和H6的两个方程组；以及包括H5和H6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
11、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
12、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（5）和（6）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
13、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。张量可控源发射装置由张量发射机TXM-22，TXB-22控制器，供电电极和电缆以及400V/50Hz三相发电机组成。3）张量可控源发射装置的特点 可根据确定好的发射频率和发射时间同时向发射机和接收机预置工作列表（包括发射的波形、最大电流强度和发射角度、频率、叠加次数及每个发射频率工作起、止时间等），便可根据野外接收和发射人员约定的开始时间自动执行工作列表内的所有频率的发射和数
14、据采集工作； 发射装置可任意组合，发射和接收由高精度GPS同步； 可任意编辑发射波形，可使用国产50Hz，400V三相发电机做动力源 由于GPS模块可存储时间信号，因此在GPS信号盲区仍可进行精确同步； 由于发射系统的控制器TXB-07与接收系统主机性能一致，因此两者之间高度同步，于是叠加过程可以在时间域进行，这样大大提高了数据处理速度。 由于可控源场强可控，在电磁干扰大的地区也能获得高质量的观测结果，这与CSAMT法一样。2. 张量可控源电磁法接收系统接收系统由两个或三个磁场传感器（MFS-07e），两对电场传感器（不极化电极）和一台ADU-07e主机组成，是标准的大地电磁测深仪。发射装置和
15、接收系统之间由高精度GPS同步（图5），也可由事先输入的工作列表同步。TXM-22 图5 张量可控源电磁法（TCSMT）组成左图为接收系统，右图为发射系统由于张量可控源电磁法主要用于详查和精查阶段，测点距离一般为20m-150m，所以可采用带卫星站的接收系统，即一台ADU-07e主机带三个卫星站，同时完成四个测点观测任务（图6）。主机与卫星站之间由电缆同步8。如果有几台ADU-07e同时观测，工作效率非常高。接收系统可独立应用于MT和AMT观测。主机卫星站卫星站卫星站图6 一台主机可同时完成四个测点观测3. 张量可控源电磁法的主要特点1）正如前述，张量可控源发射装置可以产生任意极化方向的磁场信号，因此可以求解测点下的多组张量阻抗要素值，这不仅适合探测二维、甚至三维的地质体，而且可选择质量最高的张量阻抗要素值进行反演解释。标量可控源
