长周期大地电磁测深研究

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
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。
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 ）
＋ 中图分类号：Ｐ ６ ３ １ ． ３ ２４ 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
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 ｉ
４ ０
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。
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
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
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
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。