磁偶源频率测深法

频率电磁测深法是通过改变频率达到测深目的的一类电磁法。根据发射场源性质的不同，又有电偶源测深法和磁偶源测深法两种方法。
图3－1－7定性给出了地表电偶极源电磁场的传播情况。实际上不论电偶极源还是磁偶极源，当其置于地表时，它们所产生的电磁场均向四面八方传播，其传播路径可分为天波、地面波（S0）和地层波（S1）。因为频率测深用的是长波和超长波，故向上传播的天波不会被电离层反射回地面，造成一个几乎是垂直向下传播的水平极化平面波（S*波）。在｜k1r｜>>1（r>>λ/2π）区域，地层波衰减殆尽，地下只有S*波垂直入射，出现不均匀平面波区域，即为波区或远区。当｜k1r｜<<1（r<<λ/2π）时，地层波占主导地位，称为S区或近区。其中k为波数，r为发－收距，λ为波长。由此可见，在频率测深方法中，随着频率的不同，由高频到低频，同一观测点可处在波区、中间区和S区。因此，与只研究波区条件下的大地电磁法比较，频率测深的正演理论、工作方法及解释理论都较复杂。

图3－1－6 导电围岩存在时，直立良导体的定源水平线框法异常曲线


图3－1－7地面偶极源电磁场的传播

与直流测深比较，这一方法具有实质性优点：由于用改变频率的方法来控制探测深度，从而减轻了增大供电电极距AB的繁琐劳动；等值原理作用范围窄，故对地层的分辨力强以及勘探深度较大等。近年来，频率测深法已成为国内外应用较广的一种测深方法。
（一）电偶源频率测深测法
电偶源频率测深法发射之不同频率的电流是通过接地电极A、B实现的。接收可用M、N电极测电场（AB－MN），也可用线圈测磁场（AB－s）。
前已指出，由电磁场理论可知，当｜kr｜>1为远区。在这两个区域中场具有不同的特点。由

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称为“趋肤深度”。实际上，近区和远区是以发射和接收之间距离r与趋肤深度δ的比值（即r/δ）大小来区分。r/δ>1视为远区。
下面举一个划分近区和远区的例子。在电阻率为50Ω·m的均匀介质中，频率10Hz的平面电磁波的趋肤深度为

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因此，当r1＝225m （即r1/δ＝0.2）视为近区；r2＝6750m（即r1/δ＝6）处以外则视为远区；225～6750m之间为中间区。如果在这个例子中f＝10000Hz则δ＝36m，故在r1＝225m处（r1/δ＝6.3），即已处于远区范围。这一例子说明，由于频率不同，同一个观测点可处在不同的区域。
从以上讨论可以看出，只用距离来理解近区和远区的概念是不恰当的。若称比值r1/δ＝P为“归一距离”，通常可用归一距离来表示观测点离开场源的尺度。当P>1则视为远区。有两个原因可形成P>1，即远区意味着发－收距很大或者是处于高频段。
很显然，AB连线附近处于近区。在这里记录到的不仅是总的场强E、H或者电流密度j，而且感应成分的场与接地传导类场比较很小。在AB连线很远的地方，当频率足够高时处于远区，感应场成分远大于接地传导场，甚至可以将接地场忽略不计，远区的能量主要以电磁波的辐射形式传播。这时，可将AB接地场源看成为接地偶极子场源。因为随距离的增加电磁场振幅变小，故在远区的地表面上形成不均匀平面波，且沿铅直方向穿透到深处。所谓有效勘探深度指的是有效地作用于测量结果的电流分布极限深度。研究表明，对于某一波长电流的大部分分布在半空间的上部。由于谐变的均匀平面波在导电介质少以指数规律衰减，即

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f为频率，单位为Hz；λ为波长（λ＝2πδ），单位为m；ρ为电阻率，单位为Ω·m。故在相对低频情况下，根据欧姆定律，电流密度正比于电磁场强度，即

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由此可见，涡旋电流密度的穿透深度依赖于波长（或频率）。对于短波或高频，由于趋肤效应，电流密度集中在浅处，而长波或低频其穿透深度深。在频率域电磁法中，一般认为有效勘探深度是较地表振幅衰减e倍的深度，即趋肤深度，写为便于应用的数值的方程形式为

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虽然从概念上讲，趋肤深度是表示电磁波穿透的深度，但它并不是代表实际有效的研究深度。研究深度是一个比较模糊的概念。它给出任一测深方法在特定地质条件下的平均特性。根据经验，有效研究深度可由下式表达：

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这一规律可推广到所有利用平面电磁波的电磁勘探方法中。
（二）磁偶源频率测深法
磁偶源频率测深法是将可以改变频率的交流电源输出到不接地回线上，或接在称为发射线圈（线框）的多匝小型线框上。发射装置的一次交变磁场在地中感应出二次电场，从而它又产生二次磁场。一次磁场和二次磁场叠加在一起形成总磁场。在远区，二次磁场占优势。与接地的情况一样，远区场在地表具有不均匀平面波性质，且沿铅直方向向深处传播。近区场的特点与直流电场的特点基本相似。
因为 所以归一距离表示为

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在忽略位移电流作用的导电介质中波长等于：

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电场强度E是根据接地的或不接地的MN测得的点位差△U（ω），用下面的公式计算出来的

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式中：ΔU（ω）为在接收线上产生的感应电动势；le为有效的接收线长度。在低频段，接地测量的
借助于空心感应线圈或带有铁磁心的桶装线圈测量磁场强度H。在线圈中产生的电动势 正比于磁通量 的变化速度，即

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式中：S为测量线圈的总面积；B为感应强度。测量信号的振幅正比于磁场强度即

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式中：q为转换系数，q＝ωμS。
磁偶源在水平地层上的视电阻率（ρω/ρ1）测深曲线特征与上述电偶源的曲线特征基本上相同的，故不赘述。

（一）仪器简介
EH-4（StratagemTM）电导率成像系统是1995年下半年，由美国Geometrics公司和EMI公司联合推出的新一代电磁法仪器。其突出优点是采用人工源和天然源相结合的方式进行数据采集，同时配以较强的实时现场处理功能，从而在整体上提高了电磁法工作的效率和效果。此外，其信号处理技术和资料处理方法均采用了当今电磁法研究领域的最新成果，更提高了仪器的领先性。
电磁法勘探具有不受高阻屏蔽，对低阻层反映灵敏和工作效率高等优点，是替代常规直流电法的理想方法。国内外先后有各种频率测深仪推出，包括磁偶源和电偶源两种方法（CSAMT即属电偶源频率测深法）。上述方法均为频率域对应频点测量，最突出的问题是低频部分的近场效应问题，且大多数采用标量测量方式，在电阻层非水平条件下，应用效果不很理想。另外，资料处理方法也相对落后。
电磁法的另一个领域是以测量大地构造为主的大地电磁测深法。其特点是在时间域观测大地电磁场的时序变化，再通过频谱分析获取不同频率的电磁场的信号进行处理分析。
EH-4电导率成像系统是根据天然电磁波频谱特征，结合上述两种类型电磁法的优点研制而成的一种新型电磁法设备。其观测采集、信号处理采用了大地电磁法的整套理论，而在高频段天然电磁的信号微弱频段采用了人工磁偶源加以补充，从而克服了频率测深法的近场问题和大地电磁测深法频段过低的问题，使其更加适合中浅层地质问题的勘探。此外，由于对电磁法勘探原理的深入认识，EH-4系统采用以矢量方式来确定阻抗元素的办法计算地层电阻率，从而更准确地确定地层电性特征。
（二）基本原理
电磁法的理论是以电磁波传播的麦克斯韦方程为基础，根据电磁波在介质中的传播理论，介质的电阻率值与电磁场的分量满足以下公式：

塔里木盆地地下水发远景区研究

式中，ρxy为介质电阻率，Ex、Hy分别为相互垂直的一组电场强度和磁场强度，f为电磁波的频率。
根据电磁波的趋肤效应，频率越低，电磁波在介质中的传播距离越远，反之则越近。通过在地表观测不同频率电磁场的变化，可以经上式求得介质的电性变化，这就是电磁法赖于勘探的基础。
上述的电阻率公式仅是一个简单的理论公式，实际地层的电阻率需四个张量阻抗元素来确定，通过在地表观测两组互相正交的电磁场分量，在实测值与理论值之间进行比较来确定地层的视电阻率值。
EH-4的基本工作原理大致如下：首先通过不同的频率窗口观测两组电磁场的时序变化，然后进行频谱分析，获得对应时序频段的功率谱，之后通过功率谱计算张量阻抗元素，从而求取对应频率的视电阻率和相位值。同时给出谱的相关度及电磁场相关度，供资料质量分析使用。最后通过视电阻率的视相位随频率变化进行一维连续的Bostik反演，获取单点的初步结果。对多点资料再进行拟二维的EMAP反演，从而得到更详细的地层变化特征。
（三）工作方式和主要技术指标
EH-4电导率成像系统可以采用两种工作方式，即单点测深和EMAP连续剖面方式。
观测方式有四种：
（a）Ex、Hy——标量方式；
（b）Ex、Ey、Hy——矢量方式；
（c）Ex1、Ex2、Hy——标量方式；
（d）Ex、Hy、Ey、Hx——矢量方式。
即EH-4系统可以针对不同的地质条件，采用矢量和标量方式工作，布极也可以有不同方式。
设备主要技术指标：磁棒频率范围100kHz～10Hz；发射机功率36mA/m2；主机CPU486，主频66M，硬盘850M。
（四）主要技术特点
（1）EH-4电导率成像系统是在吸收了近十余年来电磁法技术的新成果和新认识基础上发展出来的一种新仪器设备，其技术的领先性是不言而喻的，无论其采集方式、资料处理方法和智能化程度均远远领先于现有同类方法。
（2）应用于干旱地区时，采用磁偶源发射或天然场，克服了由于接地阻抗过大而不能供电的弊病（相对电偶源而言），极大地提高了工作效率，同时部分可控源方式避免了近场校正带来的客观误差。
（3）采用时序采集办法，极大地提高了频点的密度（100kHz～10Hz为58频点），是其它现有方法的4～5倍，从客观上提高了电磁法的纵向分辨能力。其电性分辨能力不仅远大于直流电测深，而且也比现有可控源电磁法（CSAMT）明显提高。
（4）资料处理采用EMAP方法，有效提高了电磁法对静态问题的处理手段，使应用更趋简单和易于掌握。同时EMAP的应用和电磁法的固定电极距较小的优势，能够有效提高勘探的横向分辨率。
（5）系统的标准配置频段100kHz～10Hz，其探测深度较为适中，更适合中浅深度的水文地质和工程地质工作。
（6）由于近地表电性不均匀性和地形等影响，虽然EH-4系统采用EMAP方法处理这种影响，但其对解释结果仍存有一定的误差，目前在此方面只能通过已知资料进行校正和再解释。
（7）EH-4系统低频段以接收天然场为主，事实上使其低频部分抗干扰能力较差。加之天然场信号不太稳定，时常引起频点缺失问题和低频资料变形问题。对此，目前只能以避开干扰区和掌握观测时间两方面去减小该类影响。

磁偶源频率测深法是将可改变频率的交流电源输出到不接地回线上，或接在称为发射线圈（线框）的多匝小型线框上。发射装置的一次交变磁场在地中感应出二次电场，从而它又产生二次磁场。一次磁场和二次磁场叠加在一起形成总磁场。在远区，二次磁场占优势。与接地的情况一样，远区场在地表面具有不均匀平面波性质，且沿铅直方向向深处传播。近区场的特点与直流电场的特点基本相似。

因为k=

（1-i），所以归一距离表示为

地电场与电法勘探

在忽略位移电流作用的导电介质中波长等于：

地电场与电法勘探

故

地电场与电法勘探

电场强度E是根据接地的或不接地的MN测得的电位差ΔU（ω），用下面公式计算出来的

｜E｜=ΔU（ω）/l_e

式中ΔU（ω）为在接收线上产生的感应电动势；l_e为有效的接收线长度。在低频段，接地测量的l_e≈

。

借助于空心感应线圈或带有铁磁心的筒状线圈测量磁场强度H。在线圈中产生的电动势ε（ω）正比于磁通量Φ=SB=SB₀e^-iωt的变化速度，即

地电场与电法勘探

式中S为测量线圈的总面积；B为磁感应强度。测量信号的振幅正比于磁场强度，即

｜ε（ω）｜=ωS｜B｜=ωμS｜H｜=q｜H｜

式中q为转换系数，q=ωμS。

磁偶源在水平地层上的视电阻率（ρ_ω/ρ₁）测深曲线特征与上述电偶源的曲线特征基本上是相同的，故不赘述。