频率测深法的实际应用

频率测深曲线的解释与其他测深法视电阻率曲线的解释方法基本相同，可用量板法，也可用电子计算机进行，目前多采用后者。与大地电磁测深相比，频率测深野外资料不需 复杂的处理过程就可获得实测曲线，并可直接进行解释。
根据频率测深的特点，适于高阻屏蔽下岩石导电性的研究，那是因为高阻层中电磁波 衰减较小，勘探深度大。前苏联用频率测深法研究基底构造的深度可达20～30km，图4-60是在乌克兰维尼茨地区，为研究结晶基底构造所测得的典型K型曲线，所用供电 频率为0.22～1083Hz，收发距为4.15km，解释结果发现了顶板埋深为4500m的良导电层。

图4-60 维尼茨地区的K型频率测深曲线

图4-61是二道白河—两江剖面频率测深的部分结果，其发收距为2900m，视电阻率 断面图较好地反映了该区地质构造特点，其中突出的是13号和19号两点处的断层，明显 的标志是视电阻率等值线密集而陡立，而且两侧视电阻率值有明显差异。15号点曲线的 解释结果为ρ1＝80Ω·m，ρ2＝25Ω·m，ρ3＝100Ω·m，三个电性层分别与土门子组、白 垩系及侏罗系三个地层相对应，此外15号点曲线反演得出的前两层总厚度为750m，与其 附近600m深钻孔未穿透白垩系地层的具体情况相对照，说明上述解释是基本符合实 际的。

图4-61 二道白河—两江剖面频率测深部分成果（视电阻率等值线单位：Ω·m）

4.3.6.1 装置类型及尺寸的选择
在频率测深中正确地选择装置及其尺寸是非常重要的，直接关系到频率测深的效果。如果频率测深应用于地质构造横向变化相对缓慢的、地层平缓起伏的情况，如石油、煤田勘探中，其主要目的是确定地层厚度的横向变化，则应该选择赤道偶极装置。在使用赤道偶极装置时，记录点为发射电极和接收电极中心连线的中点；改变测点时，发射电极和接收电极均同步移动。这种对于记录点位置的规定源于互换原理，即把发射电极和接收电极互换，得到的测深曲线不变。实际上，测深曲线是发射电极附近、接收电极附近以及它们之间广大区域介质电性的综合反映，因此，将记录点定为AB和MN中点连线的中点是比较合适的。在地质构造横向变化相对缓慢的、地层缓起伏的地区，使用赤道偶极装置做频率测深容易取得较好的效果。
但面对地质构造横向变化相对剧烈的情况(如金属矿区)，做电磁测深的主要目的是确定地质构造的横向变化，还无法对定量地确定构造深度过分关注，则应该选择“CSAMT”装置。因为使用这种装置做剖面工作时，发射电极固定不动，这样，当测量电极在测线上移动测量时，就在测量一个固定分布的电磁场沿测线的横向变化。虽然某个测点电磁场随频率的变化是发射电极附近、接收电极附近以及它们之间广大区域介质电性的综合反映，但同一频率电磁场沿测线的横向变化却能较好地反映测线下方地质构造的横向变化。
正确地选择装置的尺寸也是非常重要的。首先就是要正确地选择收-发距，其原因在于：首先，随着收-发距的减小，能迅速提高信噪比，因为接收点的电磁场强度与收-发距的3～4次方成反比，电磁场强度随收-发距的变化急剧变化，当收-发距很大时电磁场值变得很小，故对其测量精度下降；其次，随着收-发距的减小可缩小体积效应范围，从而增加研究地电断面的详细程度，提高横向分辨率。然而当收-发距减小到某一界限(例如，小于2.5～3倍研究深度)时，频率测深曲线的一些重要特征，如极值点、曲线的上升或下降角度等均变得不明显了，给解释带来困难。而随着收-发距的增加，这些特征变得明显起来。而对所有地层都满足∣k1h1∣≫1的波区条件时，视电阻率曲线有着最简单的统一形式。综合考虑以上因素，一般认为最佳收-发距为研究深度的5倍左右，最小也不能小于3倍研究深度。
r=(3～5)H(4.3.26)
而且必须指出，选择最佳收-发距的问题很复杂，应根据断面的具体情况。如断面类型、装置的分辨能力、等值原理作用范围等来选择。例如，低阻覆盖地区对电磁波的吸收较强烈，故穿透深度浅，应选用更大的收-发距，在高阻覆盖区则相反。
选定了最佳r之后，应令AB满足AB≤r/4这一条件，此时在观测点看AB，可将它看成电偶极子，其误差不超过2%。实际上，有些情况下发射电极AB的长度可大一些，由此产生的装置系数误差对同一测点所有频率的数据造成的影响是相同的，对资料解释并没有太大的影响。而因此带来的信噪比大大提高的好处则非常明显。
测量MN电极的长度则不宜太大，因为随着MN电极距的增大，横向分辨率降低，而接收到的噪声也增大，信噪比并无提高，陡然增加了施工难度。但也不能太小，否则信号太弱。
4.3.6.2 频率范围的选择
通过理论曲线的分析可以算出记录完整频率测深曲线所需要的频率范围。所有理论曲线表明，当λ1/h1≤2时出现左支渐近线。因为λ1= ，故式中的频率对应于得到左支渐近线所必需的高频应使λ1/h1≤2，解得

电法勘探

此时趋肤深度大约相当于第一层厚度的1/3。式(4.3.27)表明，第一层厚度越薄，则为得到该层电阻率所需要的频率变越高。
为了确定视电阻率曲线的右支渐近线，应使趋肤深度大于4～6倍最大勘探深度，用这个原理可以确定最低频率。因为收-发距一般为3～5倍最大勘探深度，因此只要使趋肤深度为1.3～1.5倍收-发距即可。
对在野外实际遇到的所有地电断面而言，频率范围相当宽，从10-1～106Hz。因此，在制作仪器时必须考虑这种情况。但在一台仪器中很难包括这样宽的频带。故一般分段制作仪器，如高频仪或低频仪等。
4.3.6.3 供电电流强度的选择
可根据所用装置及观测信号达到最低可靠信号水平计算出所需的最小供电电流强度。例如，对于赤道偶极装置，从(4.3.5)第一式可得

电法勘探

式中：I为所需的最小供电电流强度；ρωmin为测区预计最小视电阻率；ΔUωmin为最低可靠电位差读数(在大多数无强烈电磁干扰的地区，这个数值大约在50μV左右)。
4.3.6.4 横电场(TE)方式和横磁场(TM)方式的选择
在电法勘探中，一般垂直地质构造方向布置测线，习惯定义测线方向为x方向，那么构造走向在y方向上。所谓横电场方式是指电场方向垂直于测线走向，此时电场方向顺着构造走向(TE极化)，磁场方向垂直于构造走向。横磁场方式是指磁场方向垂直于测线，此时电场方向垂直于构造走向，磁场方向顺着构造走向(TM极化)。由于切向电场的连续性，横电场方式对构造的分辨率较差，但由于受横向影响较小，对深度的确定更准确。横磁场方式则与横电场方式相反，它的横向分辨率较好，但对深度的确定更不准确。因此，在构造复杂地区，标量CSAMT观测方式存在一定的局限性。

（一）装置类型的选择

目前常用的频率测深装置，除AB—MN（赤道偶极）和AB—s外，便是磁偶极子发射情况下测量电场和磁场的方法，即S—MN和S—s装置（S表示发射线圈，s表示接收线圈）。比较这些装置，在测深中被测信号的大小很大程度上依赖于装置类型及收-发距r的大小。在固定收-发距情况下，AB—MN装置具有最大灵敏度，而S—s装置具有最低灵敏度。对于AB—s和S—MN装置，当式中S、N和s、n分别表示发射和接收线圈的面积与匝数）时，由于互换原理可测得相同的信号。在接地条件很差的地区工作时，一般用磁偶极源发射。

通常，来自中等尺寸发射回线的信号比来自中等大小接地电极的信号微弱。由于AB—MN和S—MN装置远区场的电场强度分别为

地电场与电法勘探

故其比值

地电场与电法勘探

在这些式子中，上脚标AB和S分别代表电偶极子和磁偶极子。当在观测点上两种偶极场源产生的电场强度相等时，则有

地电场与电法勘探

如果供电导线长2000 m，则它既能用于供电接地偶极子，也可用于500×500 m²的单匝发射回线。将这些数据代入上式，并设r=10 km，得：

地电场与电法勘探

当供电电压为1000 V，供电回线电阻为250 Ω，则在偶极电路上能获得4 A的供电电流。这一电流在观测点上产生一定的电场。为了从回线场得到相等的信号，从（2-4-10）式看出，在发射回线中的电流应为210 A！这显然是难以做到的。为了得到较强的观测信号，可以增加发射回线的匝数。但是，这需要携带几十倍的供电导线，且其敷设工作量也将惊人地增加。一般，在深部勘探中用AB供电方式，在浅部勘探中则可用回线激发方式。

（二）工作频率范围的确定

通过理论曲线的分析可以提出记录完整频率测深曲线所需要的频率范围。所有理论曲线表明，当λ₁/h₁≤2时出现左支渐近线。因为{λ₁}_m=，故式中的频率对应于得到左支渐近线所必需的高频，即为

这表明，第一层厚度越薄，则为得到该层电阻率所需要的频率便越高。

地电场与电法勘探

为了确定低频界限，可利用磁场视电阻率曲线的右支渐近线性质。不管地电断面如何复杂，当基底电阻率为无穷大时，其右支渐近线均以63 ^° 26′角下降，且在ρ_ω=ρ₁ 轴上的横坐标为1/-8，r/H=6，ν₂ =2 的理论量板曲线重合很好。读得坐标原点的=0.02 s^1/2 ，ρ_ω=130 Ω· m，由{λ}_m=

经理论推导，在低频情况下按磁场定义的理论视电阻率曲线右支渐近线为

地电场与电法勘探

即该渐近线仅与ρ₁和r有关。当ρ_ω=ρ₁时，由上式可确定得到完整曲线所必须的低频范围，即

地电场与电法勘探

由（2-4-11）和（2-4-12）式得：

地电场与电法勘探

在表2-4-1上给出了r/h₁=4时，记录完整频率测深曲线所需要的频率范围。

表2-4-1 为记录完整频率测深曲线的频率范围（Hz）

由表可见，对在野外实际遇到的所有地电断面而言，频率范围相当宽，从10^-2到10⁹ Hz。因此，在制作仪器时必须考虑这种情况。在一台仪器中很难包括这样宽的频带。故一般分段制作仪器，如高频仪或低频仪等。

（三）装置大小的选择

在频率测深中选择最佳收-发距问题是极重要的。其原因在于，首先，随着收-发距的减小可缩小体积效应范围，因而增加研究地电断面的详细程度，提高其分辨能力。其次是，随着收-发距的减小，很大程度上能提高信噪比。这是因接收点的电磁场强度与收-发距r的3～4次方有关，即随r的变化电磁场值发生急剧变化，当r很大时电磁场值变得很小，故对其测量精度不能很好保证，导致视电阻率值受各种干扰的影响。第三，然而当收-发距减小到某一界限（例如小于2.5～3 倍研究深度）时，则频率测深曲线的重要特征，如极值点数目、曲线的上升或下降角度、极值点的幅度等均变得不明显了，给解释带来困难；而随着收-发距的增加，这些特征变得明显起来。且对所有地层都满足 k₁ ·r≫1的波区条件时，ρ_ω曲线有着最简单的统一形式。

考虑到以上情况，只能粗略将最佳收-发距定为研究深度的3～5倍，即

地电场与电法勘探

而且必须指出，选择最佳收-发距的问题很复杂，应根据断面的具体情况，如断面类型、装置的分辨能力、等值原理作用范围等来选择。例如，低阻覆盖地区对电磁波的吸收较强烈，故穿透深度浅，应选用更大的收-发距；在高阻覆盖区则相反。

选定了最佳r之后，应令AB满足AB≤r/4这一条件，此时在观测点处看AB，可将它看成电偶极子，其误差不超过2%。

因此一般取AB、MN、r及H的关系为

地电场与电法勘探

（四）频率测深法应用实例

1.频率测深法在煤田普查中的应用

现举一个在黑龙江绥滨地区电偶源频率测深法的应用实例。工作地区属于普阳煤田范围，是未开发区。

区内中生界地层厚度在800～1300 m之间，覆盖它的新生界地层厚度约为300 m。基底为前古生界的变质岩和花岗岩类，地层倾角小于15^。各层间的电性差异明显，但基底电阻率不太高。地电断面属于QH或HKH型。地层及岩石电阻率见表2-4-2。

表2-4-2 普阳煤田电阻率表

图2-4-26 绥滨地区部分频率测深曲线

测深剖面线沿南西—北东向布置，基本上垂直于地层走向。在工作区内，由于基底深度由北向南逐渐变深（由1100 m到2000 m），故发-收距r的选择相应地由北向南逐渐加大，由4000 m到7500 m。在图2-4-26上给出了部分视电阻率和相位实测曲线。南部的曲线类型均属HKH型。所对应的地质层位是，砂土层（高阻）—第三系砂砾层（低阻）—煤系地层（电阻率稍高）—海相层（低阻）—高阻基底。但是，由于煤系地层由南向北逐渐变薄乃至尖灭，因此曲线中部的K型越来越不明显，视电阻率曲线变成QH型。由图还可以看出，相位曲线的变化幅度比视电阻率曲线更加明显。当埋深很大，使比值r/H较小，或基底与上覆层电性差异较小，使高阻基底在视电阻率曲线上反映不明显时，相位曲线却能清晰地反映出基底。曲线中部的K型部位在相位曲线上反映更明显，且由北向南K区越来越宽。这与煤系地层逐渐变厚的趋势完全一致。这便证明相位曲线具有较好的分层能力。

图2-4-27是推断地质断面图，（a）是采用曲线拟合法的定量解释结果。拟合法采用了人工修改断面参数的人机联作反演法。9 号测深点（r=6000 m，AB=950 m，MN=200 m）的解释结果是：

图2-4-27 绥滨地区频率测深推断解释结果

地电场与电法勘探

这一解释结果与该点的打钻结果相近，侏罗系顶板的钻探深度为372 m，而测深深度为370 m。12号测点（r=5700 m，AB=1000 m，MN=180 m）的解释结果是：

地电场与电法勘探

与该点的打钻结果比较，侏罗系顶板的钻深深度为364.2 m，而测深深度为380 m。由此可见，该地区频率电磁测深工作给出了相当满意的结果。

2.频率测深法在寻找地下水中的应用

在寻找地下水的地质工作中，频率测深方法应用得较广泛。磁偶极发射源的频率测深方法对寻找华北平原的层压水有较大的贡献。电偶极发射源的频率测深方法在找水方面也作过同样的贡献。由于层间含水层一般较薄，所以利用上述方法直接确定含水层是较困难的。通常确定基岩起伏或包括隔水层在内的含水低阻层，以及确定对储水有屏障作用的断层等。

下面举一个河西走廊山丹地区的找水实例。找水工作区位于长城以南的干旱地区。丰城堡剖面方向为北西36°，离长城1700 m，且平行于它。根据附近的山丹水5孔的资料，地电情况列于表2-4-3。由表可见，卵砾石为高阻的第一层，变质砂岩为高阻基底。黄土质亚粘土及泥岩为中间低阻层。在这一层中赋存着储水性较好的第四系砾石层沉积。第三系泥岩为底部隔水层。上述地电断面为较典型的H型断面。

表2-4-3 山丹水5孔地电资料

利用浅层频率测深仪（频率范围174.5～500 kHz，共24个频点），当发-收距r=500 m时测得的等视电阻率断面图（见图2-4-28）。由于发-收距较小，该图只反映了浅部电阻率变化情况。这一图件的重要贡献在于，在第33 号点附近发现一断层，北盘上升，即隔水性较好的第三系红层和寒武系变质砂岩隆起，组成了本区储存地下水的天然屏障。经打钻确定落差约为200 m。断层北部为高电阻率区，与埋藏较浅的寒武系变质砂岩层对应。断层以南见到H型曲线，其中间低阻层为第四系黄土质亚粘土和第三系泥岩，尾支为寒武系地层反映。在图 2-4-29 上给出了该剖面南端丰 6 孔的井旁频率测深实测曲线。r=1500 m。实测曲线与H-算出λ=720 m。因量板上坐标点的λ/h₁ =8，故h₁ =90 m，h₂ =180 m，h₁ +h₂ =270 m。钻探结果是寒武系变质砂岩顶板埋深为284.6 m。由此可见，频率电磁测深结果较好地反映了地电断面。

从该区水文地质条件看，南部50 km远处有祁连山脉，其积雪融化是主要的层压水源。当遇到屏障断层时便形成储水构造。打钻结果，地下水自喷溢水，水量十分丰富。

图2-4-28 丰城堡剖面视电阻率断面图

图2-4-29 丰6孔井旁测深曲线解释