大地电磁介绍07.06.01

MT survey（大地电磁探测）简介

1、大地电磁（MT）测量

大地电磁法（Magnetotelluric mehtod, MT) 是利用天然电磁场作场源，是在地面布设仪器测量5个分量的电磁场（3各相互垂直的磁场分量Hx, Hy and Hz 和2个相互垂直的水平分量Ex, Ey）（图1）.

图1 野外观测装置示意图（包括3个磁场分量，2个电场分量）

2、大地电磁数据处理

对观测记录的5个分量的原始时间序列（time series)数据，通过频谱(spectre)分析，获得各个场分量的频谱，然后计算它们各自的和相互之间的自功率谱和互功率谱(auto, cross- spectrum )，进而计算反映地下构造的张量阻抗(tensor impedance)，以及视电阻率(apparent resistivity)、阻抗相位(impedance phase)等其他参数（图2）。

图2 数据处理流程示意图

电磁场的谱和张量阻抗之间的关系为

Ex = Zxx Hx + Zxy Hy

Ey = Zyx Hx + Zyy Hy

Hz = A Hx + B Hy

其中，Hx, Hy Hz Ex, Ey 分别代表各个场分量的频谱。 Zxx Zxy Zyx Zyy 是张量阻抗的4个元素，A 和 B 是反映构造横向不均匀性的量，称为倾子（Tipper).

利用张量阻抗的元素，例如Zxy Zyx 可以计算视电阻率和阻抗相位。例如：

视电阻率

ρ(xy) ≈ 0.2 |Zxy|2 / f,

相位

φ(xy) = arctag (Im Zxy/ Re Zxy)

其中，f 是频率。

图3 是得到的视电阻率和阻抗相位图

图3视电阻率（上图）和阻抗相位（下图）， 横坐标是数据的周期

3、大地电磁数据反演

对视电阻率和阻抗相位等参数进行反演(inversion)解释得到地下的构造认识。对于资料的反演，目前较成熟的是二维反演方法(2-D inversion)。现世界上可用的先进的二维反演方法有几种，每种方法都有自己的优势，可以选择或对比使用。图4是对观测资料（视电阻率、相位等）进行反演过程示意图

反演得到的是沿每个测量剖面的地下的二维电性结构（电阻率或电导率），基于电性结构，进行地质解释。

4、一些先进数据处理和解释技术的应用

当前，为了提高观测资料的质量，即克服其他干扰因素的影响，一般采用远参考道(remote reference MT)测量法，并结合先进的对数据进行处理的robust 技术，得到资料误差尽量小的视点阻率、阻抗相位以及其他资料，以保证反演解释结果的可靠性。

远参考道方法是，在观测目标区之外的其他地方（一般选择构造相对简单、干扰相对较小的地方），架设另一套完整大地电磁测量仪器（测量5个分量），把这个站称为远基准站（remote station).利用远基准站观测的资料和观测目标区的仪器测量的资料联合进行处理，得到目标观测区的张量阻抗、视电阻率和阻抗相位等参数，达到压制其他干扰影响的目的。

0.001

0.0100.100 1.00010.000100.0001000.00010000.000

0.11.0

10.0

100.0

1000.0

10000.0100000.0

l o g 10(a p p .r e s i s t i v i t y /O h m m )

0.001

0.0100.100 1.00010.000100.0001000.00010000.000

log10(period/sec)

030

60

90

p h a s e (d e g

)

xy

yx

为了克服进地表往往存在的小的三维异常体对资料产生的畸变(distortion)影响，可以采用小点距的的测量方法，或者采用各个相邻测点的测量电场的电极相互连接（称为电磁阵列剖面 EMAP electromagnetic array profile)技术进行测量。

图4 对观测资料（视电阻率、相位等）进行反演过程示意图

5、MT在温泉、地下热水等勘探的应用实例

MT法是基于地下的电阻率（或电导率）的分布，探测研究地质构造。而探测水和流体最重要的的参数之一是它的电阻率参数，而对电阻率参数反映最灵敏的方法是电磁法，特别是确定地下流体或水的几何分布，电磁法是当今最好的方法。

电磁法探测得到的地下物质的电阻率ρr可以由下式（Archie定律）表示：

ρr= ρƒ φ –m

其中，φ 代表地下物质的孔隙度，即裂隙、孔隙或破碎带等在岩层中的体积百分比含量，ρƒ 代表孔隙中所含水或流体的电阻率，m代表孔隙之间的连通程度。一般水和流体中含矿物质越多，流体中的电阻率ρƒ 越低，探测的电阻率越低。孔隙之间的连通性越好，探测的电阻率也越低。

我们利用大地电磁法在许多地热田或温泉地区进行了探测，下面是几个探测的剖面实例。

D/km

上第三系－第四系下第三系：齐家组

万昌组

奢岭新生代－中生代古生代中生代－古生代断裂

lg(ρ)/Ωm

H /k m

图5 在东北某地区地下水探测结果剖面图，纵坐标代表深度，自地表到10km, 图中蓝色代表低电阻率区，推测为含水带。

图6 在大连黄海小平岛的地下热水探测，深度为地表到4000m 。蓝色低阻区为地下水富集区。

热水富集区，并已被钻孔证实。