研究生院-大地电磁测深原理及应用

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 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
为什么能够测深？—感性认识
100 1000
0.1
1
10
Resistivity / m 100
1000
10000
10
Apparent Resistivity / m 100
1000
1
Frequency / Hz
Depth / km
10
100
1E-005
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
10
为什么能够测深？—感性认识
1
1x102
0.001
0.01
0.1
1 Period / S
10
100
1000
10000
0.001
0.01
0.1
1 Period / S
10
100
1000
10000
80
80
Phase / Degree
60
Phase / Degree
60
40
40
20 20 0 0
K形曲线
H形曲线
四种典型的三层模型曲线：A、Q
10
为什么能够测深？—感性认识
100 1000
0.1
1
10
Resistivity / m 100
1000
10000
10
Apparent Resistivity / m 100
1000
1
Frequency / Hz
Depth / km
10
100
1E-005
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
10
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
相关的资料处理来获得大地由浅至深的电性结构。

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

, TE TM arg(Z N (0))
四种典型的三层模型曲线：K、H
100 0欧 米 10欧 米
1x103 1x103
10欧 米 100 0欧 米
Apparent Resistivity / m
Apparent Resistivity / m
1x102
1x101
1x10
量分解方法等；

可视化阶段：正在兴起。国外：Geotools、WinGLink；国内有多家，但未 能形成规模化推广。

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
代～八十年代；二维，九十年代～今天；三维，正在兴起
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；

一维正演：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)
θ
空气
此时矢量波动方程退化为：
dEx 1 dEx 2 k Ex 0, H y dz i dz
k y ( Air) k( Air) sin sin
在地表，电磁场的切向分量连续，故要求：
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
Z 2 (h N 2 ) ........... Z N 2 ( h2 ) Z N 1 (h1 ) Z N ( 0)
k N 1
1
2

k3 coth ik 3 t 3 coth 1 Z N 3 (h3 ) k3


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

大地电磁测深的理论基础
1、正演问题 2、反演问题 3、实际资料的采集和处理

大地电磁测深法（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。其基本原理是：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。
u u ( ) ( ) u 0 y y z z u c（c为定值，一般取为），上边界 1 u 0， y u -iku z u 辅助场： I＝- z 侧边界 下边界
TM模式： u Hx i
TE模式：
u Ex
大地电磁测深原理及 应用介绍
陈小斌 2009年12月23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
大地电磁测深的简单介绍

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
10欧 米 100 0欧 米
100 0欧 米
1x103
1x104
10欧 米
Apparent Resistivity / m
1x102
Apparent Resistivity / m
0.01 0.1 1 Period / S 10 100 1000 10000
1x10
1
1x100
0.001
80
1x101
k2 coth ik 2 t 2 coth 1 Z N 2 ( h2 ) k2

k1 coth ik1t1 coth 1 Z N 1 (h1 ) k1
3
4
视电阻率和相位
TE TM
Z N (0)
2
0.1
1
10
1000
10000
1
Depth / km
Frequency / Hz
10
100
1E-005
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
Resistivity / m 100
10
Apparent Resistivity / m 100
1000
1、正演问题
正演指的是什么？
/ Hz
阻抗定义的推广：张量阻抗和倾子矢量
在一维情况下：
Z TE Ey Ex Z TM Hy Hx
在一般情况下，磁场Hy不仅与Ex而且可能同Ey也有关，对于 磁场Hx也一样。这时，电场与磁场的关系用下式表示：
E x Z xx E y Z yx
源 信 号
Ex i dE x Hy , Z TE dz Hy
z 0
一维正演：连续介质模型
100 0 0
1 00 0
源 信 号
1 00
/ m
10
1000
1
0 .1
1
10
1 00
1 00 0
z / km
1 00
/ m
10
1
1 00
10
1
0 .1
0 .0 1
0 .0 1 0
0 .00 01

MT中假设场源可视为自高空垂直入射到地表的均 匀平面电磁波。

地球空间的电磁场主要由两部分组成：相对稳定的 地球基本磁场和变化的外来感应电磁场。
MT中利用的是地球电磁场中变化的部分，即外来 的感应电磁场。 外来的感应电磁场场源：电离层的运动、太阳风、 雷电、工业用电等。 MT中有效的场源：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。
2
大地
其解为 ：
Ex Ae
i ( k y y k z z )
,Hy
1 Ex k z Ex i z u
同理可得TM模 式下的阻抗为：
则阻抗为 ：ZTE Ex H y kz
ZTM
Ey Hx

k z
k2
一维正演：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：
ik r

由此可得两个矢量波方程

其通解为
U Ae
ik r
Be
关于研究对象：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

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。
1 /(i) 1 / i