长周期大地电磁测深研究

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地 震 地 质
3 2卷
故求取阻抗 张 量 的 各 分 量 及 其 相 位 通 常 是 数 据处理的目标之一。 二维介质中电磁信号的关系通常表示为
( ) [
= E y
E x
Z Z x x y x Z Z y x y y
]( )
H y
H x
( 3 )
式( 3 ) 中E , H分别表示电场和磁场, x 和y 分别 表示电磁波波前平面上相互 垂直的 2个方向, 通常设 x 沿走向方向, y 沿倾向方 向, Z是 阻抗 2 ) 和式( 3 ) 可 以 看 出, 地下介 张量。 通过 式 ( 质的电性完 全 可 以 通 过 地 表 电 磁 场 的 观 测 来 确定, 通 过 观 测 地 表 的 电 磁 场 分 量, 求解电磁 波表面阻抗, 根据阻抗与视 电阻率 的关系 式进 而得到与地下电阻率相关的模型响应。
3 的高频响应较好, 可达 1 0 H z ;而 L MT观 测 系 统 主 要 是 用 于 采 集 长 周 期 或 超 长 周 期 的 电 磁 信 - 5 号, 其工作频率通常在 1 H z 以下, 低至 1 0 H z 。分辨率 和自噪声是 影响仪 器测 量 效 果 的 重 要 参
图2 大地电磁响应系统图示 F i g .2 D i a g r a m m a t i cs k e t c ho f m a g n e t o t e l l u r i c t r a n s f e r f u n c t i o n s .
H 磁场, E电场, W 倾子, Z阻抗;x , y 分别是地理空间方 向的 N 和 E ;阻 抗 是 2分 量 输 入、 2分 量 输 出 的 传 输 函数;倾子是 2分量输入、 1分量输出的传输函数
长周期大地电磁测深研究
— — —青藏高原东部 L M T响应函数及应用
, 2 ) ) 3 ) 肖鹏飞 1 白登海 1 I v a n M. V a r e n t s o v , 2 ) ) 刘 美1 孔祥儒 1
1 ) 中国科学院地质与地球物理研究所, 岩石圈演化国家重点实验室, 北京 1 0 0 0 2 9 2 ) 中国科学院研究生院, 北京 1 0 0 0 4 9 3 ) 俄罗斯科学院地球物理科学研究所地球电磁学研究中心 摘 要 长周期大地电磁( L MT ) 是基于 常 规 MT理 论 发 展 起 来 的 电 磁 测 深 技 术, 青藏高原东部岩 石圈较厚、 视电阻率较低, 应用 L MT方法能够弥补常 规 MT仪 器 对 低 频 信 号 响 应 的 不 足, 获得有用的 MT的数据采集、 处理及反 演 解 释, 并介绍了将 L MT应 用 于 东 喜 马 拉 雅 构 造 深部信息。文中概述了 L MT剖 面 的 岩 石 圈 结 构 探 测 实 例。 实 际 结及其周围地区完成的长周 期 观 测 剖 面— — —下 察 隅— 玉 树 L 观测表明, 在重叠频段内 L MT结果与常规 MT具有 良 好 的 一 致 性;L MT数 据 处 理 实 现 的 阻 抗 和 倾 子 估计, 在深部信息上具有更高的分辨率。 L MT剖面结果揭示了青藏高原东部普遍存在地下低阻体, 为 局部地区部分熔融和地下流体存在的可能性提供了依据。 L MT测深较好地弥 补 了 常 规 MT方 法 在 巨 厚岩石圈和遇到低阻体时探测深度的局限性。 关键词 长周期大地电磁 响应函数 阻抗 感应矢量 倾子 青藏高原
1 长周期大地电磁概述
1 1 L MT电磁响应系统 大地电磁测深是把大地电磁场看作平稳各态 历经 的 随机 过程, 地球作为一个线性系统( 滤 波器) ( 图2 ) , 这个系统就是大地电磁的响应函数。 L MT与 MT方法都是通过观测地面的电磁场来求解地球电磁响应函数。由于视电阻率( ) ρ 与阻抗之间有直接的联系 1 ρ= Z2 ω μ ( 2 )
1期
肖鹏飞等:长周期大地电磁测深研究— — —青藏高原东部 L MT响应函数及应用
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好的穿透能力;在遇到地下低阻体时, 电磁波衰减得比较快 ( 图1 ) 。因 此, 对于地球深 部探测, 特别是当遇有岩石圈厚度大、 明显低阻区域存在的情形, 要确保大地电磁的深部探测精度, 必须 即 使 延 长 观 测 时 间, 效用也 获得高质量的低频信号。由于现 有 常 规 MT系 统 响 应 频 率 的 限 制, 非常有限, 并不能记录到足够的有效长周期电磁信号。为满足地球深部探测的需要, MT测深发 展了长周期观测的方法和系统。 长周期大 地 电 磁 法 ( L o n gP e r i o dMa g n e t o t e l l u r i c s , 本 文简 称 L MT ) 测 深是基 于大地 电磁 理论发 展 起 来 的 超 低 频 大 地 电 磁 探 测 技 术; 在不破坏平面波假设( Wa i t , 1 9 5 4 ;P r i c e1 9 6 2 ; Ma d d e ne t a l . , 1 9 6 4 ;S r i v a s t a v a , 1 9 6 5 ) 的前提 下, 电磁信号的周期决定其穿透深度。 L MT正 是利用了趋肤深度的原理。 近年来欧 美 的 地 球 物 理 工 作 者 率 先 使 用 了超长周期 大 地 电 磁 观 测 仪 器 研 究 地 壳 和 地 L i z a r r a l d ee t 幔结构, 获得了有用的深部信息( a l . , 1 9 9 5 ;U n s w o r t he ta l . , 2 0 0 3 ;G a l a n o p o u l o s e t a l . , 2 0 0 5 ) 。最 近 几 年 用 于 大 陆 动 力 学 研 究 的长周期大地电磁观测逐渐 在中国发 展起 来, 特别是在青 藏 高 原 的 研 究 中 实 现 了 宽 频 带 与 长周期的结合( 魏文博等, 2 0 0 6 ) 。 在充 分 利 用 前 人 工 作 的 基 础 上, E H S 3 D 计划项目( B a i e t a l . , 2 0 0 3 ) 2 0 0 7年完成 了 青 藏 高 原 东 部 下 察 隅— 玉 树 L MT剖 面。 在 这 条 长 约 5 0 0 k m 的近 S N向剖面上, 利用超低频 L MT观测系统 L E MI - 4 1 7共完成 1 3个 L MT测点, 平均观 0 0 h左右。在长周期资料处理方面, 实 现了 阻 抗( I m p e d a n c e ) 和倾 子 ( T i p p e r ) 的电磁 测周期在 1 响应( T r a n s f e r F u n c t i o n , 电磁响应函数, 也称电磁传递或转换函数) 估 算。 E H S 3 D- L MT测 深 获 得1 0 0 0 0 s 以上的有效周期, 大地电磁响应系 统 对 于 深 部 1 0 0 k m 左 右 的 地 电 信 息, 其分辨率是 MT结果 揭示 基本可靠的。通过初步的建模和反演结果, 结合比较同 期进 行的常 规 MT剖面;L 了该区域地下存在低阻体, 这也验证了本区 MT测深的结果;而 L MT资料也很好地弥补了 常规 MT测深遇到低阻体时表现的局限性, L MT结果还揭示 了局 部地区部 分的熔 融和地 下 流 变 的 可 能性。
第3 2卷 第 1期 2 0 1 0年 3月
地 震 地 质
S E I S MO L O G YA N DG E O L O G Y
V o l .3 2 ,N o .1 ,2 0 1 0 Ma r .
: 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 0 2 5 3 - 4 9 6 7 . 2 0 1 0 . 0 1 . 0 0 4 d o iwk.baidu.com
1 / 2 p ( T )=( T / ) πμ σ
( 1 )
式( 1 ) 中,p ( T )是给定周期 T的 电 磁 趋 肤 深 度:波 在 地 下 介 质 传 播 中 振 幅 衰 减 到 地 面 振 幅 的 1 / e 的深度,σ为穿透介质的平均电导率。从式( 1 ) 可见:电磁场变化 的周 期越长, 电磁 场能量 在传播过程中损耗越小, 因而其穿透能力越强。
3 由于大地电磁 测 深 中 所 观 测 的 天 然 瞬 变 电 磁 场 具 有 很 宽 的 频 率 范 围, 可以从 1 0 H z 到 - 5 1 0 H z ;对于高频率的电磁波, 在穿 过 地 下 物 质 时 衰 减 得 快, 而低频( 长 周 期) 电磁信号具有较
〔 收稿日期〕 2 0 0 9 - 0 5 - 2 6收稿, 2 0 0 9 - 1 2 - 2 4改回。 〔 基金项目〕 国家自然科学基金重点项目( 4 0 6 3 4 0 2 5 ) 资助。
,与水平分量之间有线性关系 在水平非均匀介质中 H Z≠ 0
( Wx ) H Wy z=
( )
H y
H x
( 4 )
式( 4 ) 中 W 表示倾子( t i p p e r ) 。利用磁场 的 垂 直 分 量 可 以 判 断 介 质 结 构 的 性 质, 而 倾 子 Wx、 Wy 对岩层的产状反应非常灵敏, 可以根据其大小以及在坐标轴旋转过程中的变化规律来判断 介质 的特征。对于二维介质在电性主轴方位( x 方向平行构造走向) 时:Wx =0 。 1 2 L MT测深的实现 大地电磁最为关键的理论基础是平面波 假 设, 除 了 两 极 和 赤 道 地 区 会 影 响 假 设 的 正 确 性, Wa i t ( 1 9 5 4 ) 和P r i c e ( 1 9 6 2 ) 还提 出, 如果电 磁波 场的 横向范 围并 不 远大 于其穿透 深度, C a g n i a r d ( 1 9 5 3 ) 所提出的 MT理论公式将不能成 立。 Ma d d e n等 ( 1 9 6 4 , 1 9 8 6年重 印 ) 则认为 C a g n i a r d最 初关于 MT理论中 平 面 波 的 假 设 普 遍 适 用 于 中 纬 度 地 区 周 期 < 1 0 0 0 0 s 的 测 深。 而 S r i v a s t a v a ( 1 9 6 5 ) 指出周期在 1 d之内, 地球曲率的影 响 是 可 以 忽 略 的。在 现 有 的 L MT方 法 研 究 中, 认为 平面波假设仍然适用, 平面波特性意味着时 间 不 变, 电 磁 场 是 谐 变 场。可 以 由 正 交 的 电 场 和 磁 场求解阻抗。平面波假设不满足的情况下, 所带来的影响是畸变。 MT测深取决于观测系统的主要参数, 如工作频率、 分辨 率、 自噪声和 漂移等。 技术上实现 L L MT测深通常是结合常规 MT观测工作开展 的, 与 常 规 MT方 法 相 互 补 充。 常 规 MT观 测 系 统
+ 中图分类号:P 6 3 1 . 3 2 5
文献标识码: A
文章编号: 0 2 5 3 - 4 9 6 7 ( 2 0 1 0 ) 0 1 - 0 0 3 8 - 1 3
0 引言
大地电磁法( Ma g n e t o t e l l u r i c s , 简称 MT ) 是2 0世纪 5 0年代初期由 T i k h o n o v ( 1 9 5 0 , 1 9 8 6年重 a g n i a r d ( 1 9 5 3 ) 分别提出的。他们提出, 如果同时测量到电场和磁场的变化, 那么 就可以 印) 和C 得到复阻抗, 这可以描述电磁场在地球内部的穿透状况。而电磁场在地球内部的穿透深度 取决 于观测信号的周期和地球内部电性结构, 这正是大地电磁法的基本原理。这条基本原理 被归纳 于描述电磁场传播中指数衰减的趋肤深度关系式中
图1 电磁波传播的不同情况 F i g .1 D i f f e r e n t s i t u a t i o n so f e l e c t r o m a g n e t i c w a v ep e n e t r a t i o n .
a 较长周期电磁波;b较短周期电磁波; c 低阻区电磁波的强烈衰减
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