全区张量可控源大地电磁法工作原理及应用实例

1.旋转偶极发射装置 旋转偶极发射装置可以发射各种不同极化方向、 不同频率的变化磁场， 组成很多类似于 公式（6）的方程组，从而解出多组张量阻抗要素值。我们称其为旋转偶极发射装置。 1）工作原理 该发射装置是由三个接地电极（U、V、W）组成多偶极发射装置（图 4） 。也即三个电 极分别与全区张量发射机 TXM-22 的三个极性开关连接，在脉冲宽度调制控制器的控制下同 时向地下发送不同强度和不同极性的电流 I1，I2 和 I3。
求取四个张量阻抗要素值。 德国 Metronix 公司研发成功的全区张量 CSAMT 发射系统分为旋转偶极发射装置和交替 偶极发射装置。
E1 xH 2 y E2 xH 1 y H 1 xH 2 y H 2 xH 1 y E xH y E1 xH 2 x Zxy 2 1 H 1 xH 2 y H 2 xH 1 y Zxx
图 4 全区张量 CSAMT 发射装置
由于 I1， I2 和 I3 同时注入地下， 因此它们在地下组成一个合成电流矢量 Ι 。 当改变 I1， I2 和 I3 的强度和极性时，合成电流矢量 Ι 的方向、即磁场极化方向随之改变，因此全区张 量发射装置可以产生任意极化方向的磁场信号。在最简单情况下、即发射电流 I1，I2，I3 之 间成倍数关系改变，极性成正、负关系改变时，可以发射六种不同方向的合成电流矢量，它 们是
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E1 yH 2 x E2 yH 1 x （6） H 2 xH 1 y H 1 xH 2 y E yH y E1 yH 2 y Zyx 2 1 H 2 xH 1 y H1 xH 2 y 目前通用的标量 CSAMT 发射装置，只能产生单一极化方向的线性极化磁场，因此无法 Zyy
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专注物探 20 年图2 Nhomakorabea标量 CSAMT 观测装置
图 3 标量 CSAMT 发射的场强分布图
当地下是二维或三维结构时，电性除沿垂直方向变化外，还沿倾向变化，称其为二维电 性结构；若电性沿垂直方向，两个水平方向都变化时，称其为三维电性结构。定义二维电性 结构需要四个电性参数，即 Zxy、Zyx、Zxx、Zyy，定义三维电性结构需要六个电性参数，即 Zxy、Zyx、Zxx、Zyy、Zzx 和 Zzz。此时电性为张量，称其为张量阻抗。 张量阻抗与电磁场的关系为： （3） 称为张量阻抗关系式。 除了极高频率之外，Ez 分量很小，很难观测到，因此张量阻抗关系归结为[4]：
E1 x ZxxH1 x ZxyH1 y
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E1 y Z y x H 1x Z y y H 1y
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（5）
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E2 x ZxxH 2 x ZxyH 2 y E1 x ZxxH1 x ZxyH1 y
E2 y ZyxH 2 x ZyyH 2 y E1 y ZyxH1 x ZyyH1 y
（7）
E3 x ZxxH 3 x ZxyH 3 y
E3 y ZyxH 3 x ZyyH 3 y
以及包括磁场 H1 和 H4， H1 和 H5， H1 和 H6 的三个方程组；包括 H2 和 H3，H2 和 H4，H2 和 H5，H2 和 H6 的四个方程组；包括 H3 和 H4，H3 和 H5，H3 和 H6 的三个方程组；包括 H4 和 H5，H4 和 H6 的两个方程组；以及包括 H5 和 H6 的方程组；总计共可组成 15 个方程组，从而可解出 15 组四个张量阻抗要素值。为了在接收点处获得强的磁场信号，每对合成电流矢量的夹角 在 45°- 135°之间。在数据处理中选择 15 组张量阻抗要素中质量最好的一组求取其主轴 方位，计算 TE 模式，TE 模式下的视电阻率和阻抗相位曲线以及其它 MT 参数。 在实际应用中，如果测区内布置有大量的、面积性分布的接收装置，应采用旋转偶极发 射装置相继发送六个方向的合成电流矢量是最佳选择， 此时测区内的任何一点都能观测到最 佳的电磁场信号以及 15 组张量阻抗要素值。如果测区内仅沿剖面线布设接收装置，可采用 交替偶子发射装置，分别发送两个互为垂直的电流矢量便可（后述） 。以节省工作时间，但 只能获得一组张量阻抗要素值。 2）.建立六种不同方向的合成电流矢量 Ι ： 前以述之， 全区张量发射装置可以产生任意方向的合成电流矢量并随之产生的任意极化 方向的磁场信号，但在最简单情况下可以发射六种不同方向的合成电流矢量。现简述如下： 1）向电极 U 注射的电流强度 I1=-2×I2=-2×I3，向 V 和 W 注射的电流强度为 I2 和 I3，并且 I2=I3，此时在地下建立的合成电流矢量 Ι1 方向是 0°= 180°，即南北向（图 5a） ；在中心 点 TXM-22 发射机内的总电流强度为： I=I1+I2+I3=-I2-I3+I2+I3=0 2） 向电极 V 注射的电流强度 I2=-2×I1=-2×I3， 向 U 和 W 注射的电流为 I1 和 I3， 并且 I1=I3， 此时在地下建立的合成电流矢量 Ι2 方向是 120°=-60°（图 5b）; 在中心点 TXM-22 发射 机内的总电流强度： I=I1+I2+I3=I1-I1-I3+I3=0 3)向电极 W 注射电流 I3=-2×I1=-2×I2,向 U 和 V 注射的电流为 I1 和 I2，并且 I1=I2；此时在 地下建立的合成电流矢量 Ι3 方向是 60°=-120°（图 5c） ；在中心点 TXM-22 发射机内的总 电流强度: I=I1+I2+I3=I1+I2-I1-I2=0 4)向电极 U 注射电流 I1=-I3，向 W 和 V 注射的电流为 I3 和 0， 此时在地下建立的合成电流矢



a
b
合成电流矢量 Ι1 方向是 0°=
I1=-2×I2=-2×I3
I2=-2×I1=-2×I3 180° 合成电流矢量
Ι2
方向是 120°=-60°
c
d
合成电流矢量 Ι3 方向是 60°=-120°
I3=-2×I1=-2×I2,
I1=-I3,I2=0 合成电流矢量
Ι4
方向是 30°=-150°
E1 x ZxxH1 x ZxyH1 y
E2 x ZxxH 2 x ZxyH 2 y
E1 y Z y x H 1x Z y y H 1y E2 y ZyxH 2 x ZyyH 2 y
[5]
（5）
（所谓相互独立的变化磁场是指极化方向不同或极化类型不同的变化磁场） 联立该四个方程式便可解出四个张量阻抗要素值 ：
Ex ZxxHx ZxyHy
（4）
Ey ZyxHx ZyyHy
可见，在二维或三维构造情况下，电场 Ex 不仅由 Hy 感应出，而且部分由 Hx 感应出。 由 Hy 感应的 Ex 依赖于张量阻抗 Zxy， 由 Hx 感应的 Ex 依赖张量阻抗 Zxx， 张量阻抗值 Zyx， Zyy 也有类似依赖关系。 我们的目的是在地面观测不同频率的电磁信号 Hx，Hy，Ex 和 Ey，然后求解地下不同深 度的张量阻抗要素值 Zxy，Zyx，Zxx 和 Zyy。但根据简单的数学原理可知，从两个代数方程 式（公式 4）是无法解出四个张量阻抗要素值的。若有解，至少要有两组相互独立的变化磁 场值 H1 和 H2，共同组成四个方程式，即：
Ex Hy
（1）
a 0.2T Z
T 是所观测的电磁波周期。
2
（2）
目前普通应用的 CSAMT 发射装置只有一组发射电偶极子（图 1） ，发射的电流矢量方向 与电偶极子方向一致，场的极化方向不变，因此只能求取标量阻抗 Z，并且在以发射偶极子 为中心的 30°角范围内发射的场强弱，不能进行观测（图 3） 。我们称该装置为标量 CSAMT 发射装置。




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量 Ι4 方向是 30°=-150°（图 5d） ；在中心点 TXM-22 发射机内的总电流强度： I=I1+I2+I3=-I3+0+I3=0 5)向电极 U 注射的电流 I1=-I2,向 V 和 W 注射的电流为 I2 和 0；此时在地下建立的合成电流 矢量 Ι5 方向是 150°=-210°（图 5e） ；在中心点 TXM-22 发射机内的总电流强度： I=I1+I2+I3=-I2+I2+0=0 6)向电极 V 注射电流 I2=-I3，向 W 和 U 注射的电流为 I3 和 0，此时地下建立的合成电流矢 量 Ι6 方向是 270°=-90°（图 5f） ；在中心点 TXM-22 发射机内的总电流强度： I=I1+I2+I3=I1+I2-I1-I2=0
一、全区张量 CSAMT 和标量 CSAMT
当地下构造是水平层状、电性仅沿垂直方向变化时，称其为一维电性结构。由于电性沿 水平方向不变，所以电性为标量，称其为标量阻抗 Z。 求取标量阻抗 Z 只需在地面观测磁场分量 Hy 及其在地下感应的、互为垂直的电场分量 Ex ，即：
[3]
Z
测点下的视电阻率 a 为：
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全区张量 CSAMT 原理与张量大地电磁法（MT）原理是一样的，所不同的是大地电磁法 的场源是天然的、即被动场源，全区张量 CSAMT 场源是人工发射源、即主动源。天然场源 的频带极宽，从 10000Hz-10000 s 或更宽，所以勘探深度极大；而人工场源限于低频和远区 观测时信噪比的限制，可利用的频带范围一般为 8192Hz— 几十秒，勘探深度一般在 2000-3000m 以内。天然场源信号来自太空，可视为平面电磁波，符合大地电磁法对场源的 要求；而人工场源发射的是非平面电磁波，传播一定距离后方可视为平面电磁波，该距离为 勘探深度的 3-5 倍，所以 CSAMT 方法的发射—接收的距离一般为 7-15km。MT 场源是不同 频率简谐波组成的连续复合波，CSAMT 场源一般是谐波丰富的、不同频率的矩形波序列或 伪随机二进制序列波 （PRBS） ， 所以两者的数据处理方法不同， 但反演解释方法相同。 CSAMT 方法除场源发射设备外，其接收设备与 MT 法相同。 全区张量 CSAMT 方法的最大优点是发射频率和强度可控，可以弥补 MT 法天然场源“死 区”信号弱的缺点，并可在电磁环境噪声大的地区获得高质量的视电阻率曲线和相位曲线。 全区张量 CSAMT 发射机通过三个电极向地下注射电流，在地下建立的是三维电流体系，所 以 CSAMT 法对低阻层和高阻层都敏感[1]。全区张量 CSAMT 方法可在复杂地质条件下进行： ·矿产资源勘探 ·地下水和断层含水性勘探 ·热水资源勘探·小煤窑勘探 ·溶洞勘探 ·工程地质勘探 ·环境勘探 ·浅层油气田勘探
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e
f
合成电流矢量 Ι5
I1=-I2, I3=0 方向是 150°=-210°


I1 = 0°=180°, I2 = 120°=-60°, I4 = 30°=-150°, I5 = 150°=-210°，
I3 = 60°=-120°, I6 = 270°=-90°
可形成六种不同极化方向的磁场信号 H1，H2，H3，H4，H5 和 H6。这样方程组（4）便可扩展成 包括发射磁场 H1 和 H2 的方程组（5） ，包括发射磁场 H1 和 H3 的方程式（7） ，