第六章可控源音频大地电磁测深

éêë1- eikr (1+ ikr
-
1 3
k
2
r
2
)
ù úû
(4.6.5)
式中，s 为均匀介质中的电导率； Idl 为电偶极矩；r 为收发距；q 为 P 点的方位角； Im 、 Km
为第 m 阶修改后的贝塞尔函数。
当| kr |= 1，此时对应的区域称为“近场区”，近场区就是测点距电偶源很近，此时， r = d 当
é êu1h1 ë
+
arcth
u1 u2
cth
æ ç u2h2 è
+ LL
+
arcth
uN -1 uN
öù ÷ú øû
R1*
=
cth
é êu1h1 ë
+
arcth
u1r1 u2 r2
æ cth ç u2h2
è
+ LL +
arcth
r uN -1 N -1 uN rN
öù ÷ú øû
(4.6．19)式至(4.6。23)式是 CSAMT 一维正演的基本公式。
rxy = 0.2T | Zxy |2
（4.6.28）
r yx = 0.2T | Z yx |2
（4.6.29）
jxy = arctg | Im(Zxy ) / Re(Zxy ) |
（4.6.30）
j yx = arctg | Im(Z yx ) / Re(Z xy ) |
（4.6.31）
因为 x 方向(测线方向)平行区域地质构造的走向，所以从构造的角度来说，rxy 即为 rTE ，r yx 即
由于远区电磁场的水平分量都随 r3 衰减，因此阻抗
Z = E0 Hr
iwm0 = 2s
ip
wm0 r e 4
（4.6.18）
与测量点距电偶极子之间的距离 r 无关。
3．过渡区的电磁响应函数
在近区场与远区场之间的过渡区，电场 E、磁 场 H 和阻抗 Z 都可用(4.6.1)式至(4.6.5)式描述。在非 均匀介质中，过渡区的特性十分复杂，它不仅与频
二、仪器与野外工作布置
CSAMT 的供电偶极距一般为 1~3km 长，测点距供电偶极的距离(收
图 4.6.4 张量 CSAMT 野外工作简图
发距)5～10km。一般用不极化电极接
收电场，其电极距 50～100m 不等。由磁棒接收的磁场信号。在实际工作中究竟布置一个还是两
个供电偶极，测量哪些分量，这完全取决于所选择的工作方法，是标量、矢量还是张量 CSAMT。
标量 CSAMT 用于一维或已知构造
主轴方向的二维地区。在构造复杂的地
区，标量 CSAMT 成功与否完全取决于
场源和测量方位的选择以及资料采集的
密度。单场源的工作法，在构造复杂地
区，解释有发生错误的危险。例如，一
条直线延伸且倾角很陡的断层，如果场
源偶极垂直于断层的走向(TM 极化)，用
图 4.6.3 标量 CSAMT 野外工作布置示意图
e wm0s r3
4
(4.6.15)
Idl cosq -ip
Hq » 2p
e wm0s r3
4
(4.6.16)
Hz
»
-
Idl cosq 2pwm0s r3
-ip
e4
(4.6.17)
­ 271 ­
上述(4.613)式至(4.6.17)式说明了远区电磁场的几个十分重要的性质。首先，在均匀介质中，电 偶源远区电场的水平分量正比于介质的电阻率，而与频率无关。远场区的电场和近场区的电场 除了一个常系数 2 以外，没有任何区别；其次，磁场的水平分量和近场区不同，与频率和介质 的电导率乘积之平方根成反比。
R1
J1 (l r )d l
-
Ida 2p
x2 r2
¥ 0
l
l2 + u1
/
R1
J0
(lr)dl
（4.6.22）
ò - Ida
2p
¥ 0
u1 R1
l
l + u1
/
R1
J0 (lr)dl
ò H
z
=
Ida 2p
y r
¥ 0
l
l + u1
/
R1
J1(lr)dl
（4.6.23）
­ 272 ­
其中
R1
=
cth
4.6.2 野外工作方法与技术
一、CSAMT 的观测方式
在油气勘探中，根据场源的布置和测量方式将 CSAMT 分为标量 CSAMT 和矢量 CSAMT
两种方式。
1．标量 CSAMT
标量 CSAMT 布置一个场源，而在
测点同时测量互相垂直的水平磁场分量
和电场分量 (如图 4.6.3)，并以此计算
Cagniard 视电阻率。
4.6.1 CSAMT 的基本理论
根据在南方地区的试验发现，电偶极子方式的 CSAMT 具有机动性强、效率高、成本低但 勘探深度小于 MT，较之磁偶极子方式更适应于南方地区的油气勘探工作。因此，本章中仅介绍 电偶极子方式的 CSAMT 法。
一、均匀半空间介质中接地水平电偶极子 的电磁场
如图 4.6.1 建立直角坐标系。假定电偶极子 向地下供入的是谐变场 e-iwt ，在似稳状态下，我
率、r 有关，而且取决于断面的特性。
二、层状介质的水平电偶极源的频域电磁 响应
电偶极源位于地表( h 0 = 0 )时水平层状介质地
图 4.6.2 电偶极源 CSAMT 方式 的层状介质模型
表面的电磁响应(如图 4.6.2 所示)可表示为
ò ò Ex
=
ivm0 Ida 2p
¥l 0 l + u1 / R1
»
Idl cosq ps r 3
(4.6.6)
Eq
»
Idl sin q 2ps r3
(4.6.7)
Hr
»
Idl sin q 4p r2
(4.6.8)
此时，波阻抗为
Hq
»
-
Idl cosq 4p r 2
Idl sin q H Z » 4p r 2
(4.6.9) (4.6.10)
Z =| Eq |= 2 Hr sr
(4.6.11)
因此
r = r | Eq | 2 Hr
(4.6.12)
而电场和磁场之间的相位差为 0。由(4.6.6)式、(4.6.10)式可以看出，在均匀介质中，电偶源的近
区电场的水平分量正比于介质的电阻率，而与频率无关；磁场的水平分量与电阻率和频率无关。
由于电场和磁场都与频率无关，因而其比值阻抗 z 就不随频率变化，这就说明，近场区的电磁
3．张量 CSAMT
矢量测量要求布置两个场源，因为和天然大地电磁场不同；单场源的电磁场的极化方向是
­ 273 ­
固定的，不能用测量的结果计算张量 阻抗要素。因此，必须两个极化方向 的场源。两个场源既可互相正交布置， 也可分开布置，用张量测量时，必须
记录五个分量( Ex 、 Ey 、 H x 、 H y 、 HZ )，其野外布置图如图 4.6.4 所示。

标量法是有效的；然而如果场源偶极平
行于断层布置(TE 极化)，断层的识别及其位置的确定就十分困难了。在构造复杂的地区，最好
作网格状标量 CSAMT，或者采用矢量和张量 CSAMT。
标量 CSAMT 之所以对地球物理学家和石油公司有吸引力，就是它的效率高、成本低，这
也许是为什么目前大多数 CSAMT 工作仍为标量测量的原因。
三、提高观测质量的措施
所有需要测量电场分量的电法勘探方法都受地形和表层电性不均匀的影响，CSAMT 也不例 外。理论和实际都证明，山谷和表层低阻区具有高电流密度，相反在山峰和表层高阻区具有低 电流密度。前者导致视电阻率升高，后者引起视电阻率降低。因此，在工作设计和测点布置时 必须认真考虑地形和表层不均匀的影响，或者在测量时设法避开，或者在测量之后进行校正。 如果采用后者，在校正之前就必须区分哪些是地形，那些是表层不均匀给测量结果带来的影响。
J
0
(l
r
)d
l
+
ivm0 Ida 2p k12
¶ ¶x
x r
¥æ
0
ç è
u1 R1*
-
l
k12 + u1
/
R1
ö ÷ ø
J1 (l r )d l
（4.6.19）
ò Ey
=
iwm0 Ida 2p k12
xy r3
¥æ
0
ç è
u1 R1*
-
l
k12 + u1
/
R1
ö ÷ ø
J1 (l r )d l
ò - iwm0Ida
­ 270 ­
| kr |? 1，此时对应的区域称为“远场区”，远场区就是测点距电偶源很远，此时 r ? d ，或称
之为波区；介于近场区与远场区之间的广大地区称为“过渡区”。
1．近场区的电磁感应函数
当| kr |= 1，利用指数和复数贝塞尔函数的近似性，(4.6.1)式~(4.6.5)式可化为
Er
第六章 可控源音频大地电磁测深
可控源音频大地电磁测深(Controlled Source Audio—frequency Magnetotelluric，简称 CSAMT) 是一种利用接地水平电偶源为信号源的一种电磁测深法。该方法的工作频率为音频，其原理和 常规大地电磁测深法类似，其实质是利用人工激发的电磁场来弥补天然场能量的不足。由于 CSAMT 具有野外数据质量高、重复性好，解释与处理方法简单(解释方法直接套用 MT 方法)、 解释剖面横向分辨率高、方法不受高阻层屏蔽及工作成本低廉等优点。近年来，该方法不仅在 我国南方和西北地区油气勘探中得到了广泛应用，而且在工程物探、电法找水和地热与金属矿 勘探方面也受到了地球物理工作者的青睐。
场，即使经过近区场校正，也不可能象远区场那样用来研究地电断面性质。
2．远场区的电磁感应函数
远离电偶源后，(4.6.1)式～(4.6.5)式在似稳条件下可简化为
Idl cosq Er » 2p r3s
(4.6.13)
Idl sin q Er » p r3s
(4.6.14)
Idl sin q
p -i
Hr » p
场源对 CSAMT 测量结果的影响(主要是近场区和过渡区测量的影响)是十分明显的。在保证 信号有一定强度的情况下，应尽量在远区测量。实际工作时如果出现了在过渡区测量情况(特别 是高阻区、低频段时)，解释过程中也必须进行校正。场源的影响，本质上就是非平面波的影响， 因为近区和过渡区，由人工场源产生的波都不是平面波。除此而外，场源下面或场源和测点下 面复杂的地质构造，也会导致近区、过渡区甚至远区电磁场的畸变，这种畸变也表现为非平面 波。关于 CSAMT 的校正方法，可参阅有关文献(Zonge，1980)。
们有 P 点的电磁场分量的表达式为
E
r
=
Idl cosq 2ps r3
éë1+ e-ikr (1 + ikr)ùû
(4.6.1)
Eq
=
Idl sin q 2ps r3
éë2 - e-ikr (1 + ikr)ùû
(4.6.2)
图 4.6.1 均匀半空间上的电偶源
H
r
=
Idl sinq 2p r 3
ì ikr ikr
Ex1 = Z xx H x1 + Z xy H y1
（4.6.24）
­ 274 ­
Ex2 = Z xx H x1 + Zxy H y2
（4.6.25）
Ey1 = Z yx H x1 + Z yy H y1
（4.6.26）
Ey2 = Z yx H x2 + Z yy H y 2
（4.6.27）
式中电磁场的振幅和相位均是观测量。解上面方程可得张量阻抗之的四个元素，进而可得视电 阻率与相位
4.6.3 CSAMT 的资料处理和解释
经过实时或现场处理后的资料，一般还不能直接用于解释，必须再处理。
一、资料的再处理
一旦资料合格后，即可进行解释处理或再处理，CSAMT 资料的再处理包括曲线的圆滑、校 正(静校正、地形校正、场源校正)以及为突出某些有用信息而作的特殊处理等。
1．方向旋转(仅限于张量 CSAMT) 由于地形条件的限制，对整个测线而言，并非一贯地保持在同一方向进行测量，故需对实 测场矢量进行合成，然后再投影，得到磁场观测方向(平行和垂直测线的方向)的电场值。 2．阻抗张量估算 对于张量观测方式，按下式以实测电磁场量计算张量阻抗。对任一测点任一频率有
í3I1 ( î
2
) K1 (
2
)+
ikr 2
é êë
I1
(
ikr 2
)
Ko
(
ikr 2
)
-
I
0
(
ikr 2
)
K1
(
ikr 2
)
ù úû
ü ý þ
Hr
=
-
Idl cosq 2p r 2
I1
(
ikr 2
)
K1
(
ikr 2
)
(4.6.3) (4.6.4)
Hz
=
3Idl sin q - 2p k 2r 2
2.矢量 CSAMT
矢量 CSAMT 只用一个场源，在测点测量四个或五个电磁场分量( Ex 、 Ey 、 H x 、 H y 有时
也测量 H z )，野外布置图，如图 4.6.3 所示。矢量 CSAMT 可用于研究二维或三维构造，但与张
量测量相比，反演的非唯一性较严重。由于矢量测量比张量测量少 50％的采集和处理工作，因 此其耗费也较低。
2p k12
xy r2
¥æ
0
ç è
u1 R1*
-
l
k12 + u1
/
R1
ö ÷ l J0 (lr)d l ø
（4.6.20）
ò Ida ¶2
Hx
=2p
¶x¶y
¥ 0
l
+
1 m1
/
R1
J
0
(lr
)dl
（4.6.21）
ò ò H y
=
Ida 2p
æ 2x2
ç è
r3
-
1 r
ö ÷ ø
¥ 0
l
+
l u1
/