大地电磁法及其探测中的应用-北京大学学术报告

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为什么能够测深？—感性认识
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Resistivity / m Apparent Resistivity / m 10 100
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Depth / km
Frequency / Hz
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代～八十年代；二维，九十年代～今天；三维，正在兴起
电磁场频带划分标准和命名
国际电联等关于频段范围的划分标准 频段名称 ITU 极低频 ELF 超低频 SLF 特低频 ULF 甚低频 VLF 低频 美 LF 特低频(ULF) 极低频(ELF) 甚低频(VLF) 俄 极低频(КНЧ) 超低频(СНЧ) 甚低频(ОНЧ) 中 声频大地电磁（AMT） 大地电磁测深（MT） 大地电磁网（Network－MT） 频率范围（Hz） 3－30 30－300 300－3000 3000－30000 30000－300000 <30 30－300 3000－30000 <30 30－300 3000－30000 3000－30000 0.25－1000 0.001－1000 0.00001－0.1 超长波 （100－10）X 106 波段名称 极长波 超长波 特长波 甚长波 长波 波长范围（km） （100－10）X 106 （10－1）X 106 （1000－100）X 103 （100－10）X 103 （10－1）X 103
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大地电磁法野外观测装置
为什么能够测深？—感性认识
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Apparent Resistivity / m 100
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100 0欧Байду номын сангаас米
Period / S
10欧 米
1x104 Apparent Resistivity / m 1x101 1x10
陈小斌（博士）
中国地震局地质研究所
北京大学地球与空间科学学院（学术报告）
2011年7月2日
主要内容
一、大地电磁测深的简单介绍 二、大地电磁测深的基本原理 三、大地电磁测深的应用情况
四、当前存在的问题和主要研究热点
地球电磁法范畴和简介
狭义电磁法：
前身：磁法、大地电流法（Telluric)

大地电磁法（MT）是以天然电磁场为场源来研 究地球内部电性结构的一种重要的地球物理手 段。

基本原理：依据不同频率的电磁波在导体中具 有不同趋肤深度的原理，在地表测量由高频至 低频的地球电磁响应序列，经过相关的数据处
理和分析来获得大地由浅至深的电性结构。
WEM信号
目标
大 地 电 磁 法 原 理 示 意 图
k y ( Earth) k y ( Air) sin
因为地球内部，传导电流远大于位移电流σ>>ωε，从而：
2 k( Earth ) k z2( Earth ) k y ( Earth ) k z ( Earth ) i
故均匀平面电磁波不管以什么角度自空中入射到地面，其 阻抗均为： Z TE i , Z TM i
大地电磁是重要的非地震测深方法

研究对象：地球内部的电性结构（电导率结构） 物理原理：宏观电磁理论（有耗媒质中的低频电磁 波理论）
大地电磁测深的发展情况

吉洪诺夫（苏联，1950），卡尼尔（法国人，1953） 从仪器采集系统和资料处理和管理方式，可将MT分为三个发展阶段：
手工量板阶段：五六十年代，起步阶段。模拟信号、标量阻抗 、手工对量
穿过封闭曲面的电场通量，其值 等于曲面所包围的体电荷密度。
和全球性的地磁观测系统
法拉第电磁感应定律
变化的磁场感应产生电场
Michael Faraday (1791-1867)
麦克斯韦定律
D H j t
变化的电场以及传导电流感应产生磁场
其它的一些关系式
本构方程
边界条件
？
大地电磁正演：理论支持

取时谐因子为i t ，即场可以表示为：
e E (t ) ( )eit d h H

对于某一个频率ω ，麦克斯韦方程为：
E i H H ( i )E E 0 H 0

由此可得两个矢量波方程 2 H k 2 H 0

因此，大地电磁测深的探测对象为地球的电导率 结构。 由简单到复杂，地球的电导率结构可以视为一维 结构、二维结构和三维结构，对应的理论研究也 有一维问题、二维问题和三维问题。

大地电磁正演：关于模型
一维模型
三维模型 二维模型
大电磁正演过程

两大假设：
1）激励场源：垂直入射到地表的均匀平面电磁波
2）地球模型：水平层状导电介质
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为什么能够测深？—感性认识
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Resistivity / m 100
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Frequency / Hz
Depth / km
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1E-005
0.0001
0.001
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0.1
均匀半空间下阻抗、电阻率的关系
在均匀半空间下：
ZTE
Ey Ex i , ZTM i Hy Hx
可以求得电阻率为：
2 2

ZTE

,
ZTM

视电阻率和阻抗相位的定义
TE / TM
ZTE / TM
2

, TE / TM arg(ZTE / TM )
此时矢量波动方程退化为：
dEx 1 E dEx k 2 Z k Ex 0, H y H k dz i dz
y TM 2 x
θ
空气
x
2
z
大地
其解为 ：
Ex Ae
i ( k y y k z z )
,Hy
1 Ex k z Ex i z u
60
40
0
1x10
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0.001
20
Apparent Resistivity / m
1x103
0.01
0.1
1 Period / S
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10000
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Phase / Degree
60
40
20
0
K形曲线
H形曲线
四种典型的三层模型曲线：A、Q
10欧 米
1x103
100 0欧 米
正演指的是对于一个给定的模型， 在一定激发源的作用下，根据一定
的物理原理求其响应的过程。
大地电磁正演：关于激励场源
假设：垂直入射到地表的均匀平面电磁波 激励源与场点要足够远 电离层电流的定向 流动或小规模的扰 动、太阳风、远距 离的雷电和工业用 电等
INTERNAL MAGNETIC FIELD
James Clerk Maxwell (1831-1879)
麦克斯韦方程
关于磁场的安培定律：
关于电场的高斯定律：
法拉第电磁感应定律：
麦克斯韦定律：
H j D t
安培定律、高斯定律
穿过封闭曲面的磁场通量为0， 磁场为无源场，不存在磁单极子。
Johann Carl Friedrich Gauss (1777-1855) 创建了地磁场的球谐分析理论
2E k 2E 0 k 2 i 2

其通解为 U
Ae
ik r
Be
ik r
最简单模型：均匀半空间问题
假设场源的是沿着x方向极化的电性源（TE模式），由于地 质模型不存在横向的变化，因此，感应的二次场只存在Hy 和Ex分量，即总的电磁场可表示为：
E (Ex ,0,0), H (0, H y ,0)
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2、理论背景
理论基础：麦克斯韦方程
麦克斯韦的第一篇论文是关于椭圆曲 线的，发表于1845年，年仅14岁； 第一篇电磁学论文1855年（24岁），关 于法拉第的磁力线问题；
1873年（42岁），完成电磁学巨著：电 磁通论；
建立起了光、电、磁的统一理论，完 成亘古大业； 1879年（48岁）逝世，英年早逝。
一维正演：层状介质模型
阻抗的递推公式
Z1 (hN 1 )

kN k coth ik N 1t N 1 coth 1 N 1 Z1 (hN 1 ) k N 1
源 信 号

Z 2 (hN 2 ) ...........
1
2
k coth ik3t3 coth 1 3 Z N 3 (h3 ) k3 2 Z N (0) TE TM , TE TM arg(Z N (0)) k Z N 1 (h1 ) coth ik2t2 coth 1 2 Z N 2 (h2 ) k2 k Z N (0) coth ik1t1 coth 1 1 Z N 1 (h1 ) k1 Z N 2 (h2 )
同理可得TM模 式下的阻抗为：
则阻抗为 ：ZTE Ex H y kz
关于场源的垂直入射
当平面电磁波在空气中的传播方向与地面法线方向成θ角 时，因为空气中电导率为零，故有：
k y ( Air) k( Air) sin sin
在地表，电磁场的切向分量连续，故要求：
关于激发场源 关于探测对象 一维正演：阻抗、视电阻率、相位 二维、三维正演
如何探测地下结构？
如 何 探 测 地 下 结 构 ？
如何探测地下结构？

需要一个信号激发源 需要地表响应的观测数据
还需要什么？ 还需要掌握模型在源作用下地表响 应产生的物理过程：这就是正演
正演指的是什么？
大地电磁测深的优缺点

优点
不受高阻层屏蔽、对高导层分辨能力强；
横向分辨能力较强； 资料处理与解释技术成熟；
勘探深度大、勘探费用低、施工方便；

缺点
体积效应，反演的非唯一性较强（跟地震方法
相比） 纵向分辨能力随着深度的增加而迅速减弱
大地电磁体积效应
大地电磁体积效应
1、一些感性认识 2、理论背景 3、正演问题 4、反演问题 5、实际资料的采集和处理
板法 ；
数字化阶段：70～今天。数字信号，张量阻抗，计算机自动正反演技术；新
的观测方式：远参考道、EMAP等；新的资料处理方式：Robust方法、张
量分解方法等；
可视化阶段：正在兴起。国外：Geotools、WinGLink；国内有多家，目前
渐渐成规模化推广。

从理论研究对象的复杂性程度，也可分为三个发展阶段：一维，五十年

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视电阻率和相位
四种典型的三层模型曲线：K、H
Apparent Resistivity / m 1x103
100 0欧 米
1x102
10欧 米 100 0欧 米
10欧 米
1x101
0.001 0.01 0.1 1 Period / S 10 100 1000 10000
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Phase / Degree
欧姆定律
在电导率的突变边界上，电场法向分 量不连续，但电流密度法向分量连续。
Georg Simon Ohm (1789-1854)
1831年法拉第发现“电磁感应定律”。
许多人质疑：“它有什么用？”
法拉第回答： “一个新生的婴儿，您认为有什么用？”
学术关注的第一要义：是新，是与众不同， 其次才是其用途。
据徐文耀
外部磁场
EXTERNAL MAGNETIC FIELD
磁层顶
弧形冲击面
等离子层
极尖
徐文耀
傅承义
磁场场强随频率变化的曲线
关于模型（研究对象）：地球的电性结构

一般情况下，磁导率和介电常数取为真空中值， 即：
0 4 107 H / m, 0 1/ 36 / 109 F / m
（目标：探测地球构造）
主体：大地电磁法（MT)及有关技术
（MT，Magneto-telluric）
广义电磁法：
磁法、电法、电磁法

大地电磁测深法（Magnetotelluric, MT）是以天然电 磁场为场源来研究地球内部电性结构的一种重要的
地球物理手段。
测深方法：重磁电震
非地震方法：重磁电（重力+广义的电磁类）