频率测深的基本原理及工作方式

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。

频率域电磁测深法它用改变频率的方法代替直流电测深改变供电极距AB的方法来改变探测深度，减少了劳动强度，提高了工作效率；当探测深度很大时，直流电测深须布设很大的AB极距和相应的MN极距，而频率测深采用较低的频率容易达到较大的探测，这样野外施工难度小得多；在接地不良地区，频率测深法可以采用感应式向地下输入不同频率的电磁场，从而解决了直流电测深接地困难的问题；频率测深等值原理作用范围更窄，对地层分辨能力强，等等。

频率测深是一种频率域的电磁测深方法，与直流测深方法不同，它是用改变频率的方法来控制探测深度，而无须增大供电极距A、B。因电磁波的穿透深度与其波长有关，理论上可以证明，在均匀各向同性半空间中，电磁波在电阻率为ρ的介质中传播的波长λ≈

。若地层电阻率ρ不变，改变电磁波的频率f，就可以改变其波长λ，从而改变电磁波的穿透深度。向地下发送由高频到低频（n·10～100kHz）的电磁波时，高频电磁波衰减快，穿透深度小，只反映浅部地电断面的特点；低频电磁波衰减慢，穿透深度大，可以反映较深处地电断面的特点。于是通过变频的方法就可以达到探测不同深度地电断面的目的。

频率测深的激发方式有两种。一种是利用接地电极AB作为场源，将谐变电流送入地下，由于接地电极之间的距离比它到测量电极或测量线圈间的距离小得多，因此场源可视为水平电偶极子，如图2-3（a）所示。另一种激发方式是在不接地水平线圈中通以谐变电流作为场源，由于水平线圈的直径比场源到测量电极或测量线圈之间的距离小得多，因此场源可视为垂直磁偶极子，如图2-3（b）所示。频率测深的接收装置可以是测量电极M、N，也可以是接收线圈，它们分别测量电场分量和磁场分量。

图2-3 频率电磁测深法的装置形式

（a）水平电偶极子装置；

（b）垂直磁偶极子装置

频率测深方法属于低频电磁法，因此可以忽略位移电流的影响，视为似稳场。在频率测深法中，虽然收-发距r是有限的，但在高频情况下，观测地段可处于“远区”。这时电磁波的传播是以平面波的形式入射到地表的，所以“远区”又称为“波区”。而只有在波区，地电断面中各层的电阻率、层厚等才能影响电磁场的分布。随着频率的降低，同一测点又可以处于“中间区”或“近区”。而“近区”的电场类似于直流电场，仅与纵向电导有关。

在这里需注意：“远区”是指收-发距r很大或频率f很高的范围，这时电磁场为辐射场，电磁波具有平面波的性质（注：电磁波为球面波，当其远离场源传播时，半径r会逐渐增大，当r很大时，我们所研究的电磁波的那部分球面可视为平面，这个范围的电磁波称为平面波）。“近区”是指收-发距r很小或频率f很低的范围，这时电磁波不具有平面波的性质，且受场源影响较大。位于“近区”和“远区”之间的范围，称为“中区”或“中间区”。

由于垂直磁偶极子场较水平电偶极子场衰减快，因此，在较大深度的探测中多采用电偶极子场源。但磁偶极子场源是用不接地线圈激发的，在某些接地条件较差的测区，或解决某些浅层地质问题的探测中，磁偶极子场源还是经常被采用。