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阵列天然电磁频谱测深技术基本理论及其应用

阵列天然电磁频谱测深技术基本理论及应用 雷振英 (中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所) (美达地球物理新技术开发有限公司) 一、阵列岩性电磁频谱测深法基本理论 阵列岩性电磁频谱测深法(Array Petro-Sonde, 简称APS)是利 用天然电磁场进行测深的一种新物探方法,探测在天然电磁场作用 下,在近地表形成的综合电场的垂直分量和水平分量,根据其频谱 的局部变化反映岩层电阻率与埋藏深度的关系,进而对地下岩层的 性质和分布特征作出合理的分析和判断。它是利用太阳风辐射到地 球上的等离子流,与地球磁场发生作用所形成的一系列复杂的电磁 波垂直投向地球表面,产生的大地电磁场,以及由雷暴放电所产生 的大地电磁场。高空电磁脉冲在向地下传播的过程中,与不同岩性 的地层界面作用时,形成反辐射脉冲垂直向上传播。这种反辐射脉 冲带有地下岩层的岩性及成分信息,并且它的反射频率是对应岩层 界面深度的函数。由于大地对电磁波传播具有低频窗口的性质,因 此,应用低频窗口理论,在地面上用仪器探测这个带有地下岩层界 面深度和岩性信息反射到地面的二次电场,达到探测地下岩层和构 造的目的。 APS是运用地下电性界面面电荷二次场的概念和电场波倾斜的概 念,在地表同时测量综合电场的垂直分量和水平分量。其优点是: (1) 天然电磁场的电场分量在近地表测量时,因大部分入射 电场反射回自由空间,因而受入射电场的影响显著减小; (2) 近地表空气中测量电场垂直分量和在地中测量电场水平 分量的方案,减小了电场垂直分量和水平分量之间的相互感应影 1 响,提高了信噪比; (3) 在地表同时测量综合电场的垂直分量和水平分量,两者比 值在很大程度上抵消了天然电磁场随时间变化的影响;并采用随机信息 瞬态频谱测量技术,克服了场随时间变化的影响,可得到电场波倾 斜对频率分布的最佳估计,提高了测量精度。 (一) APS的工作场源 天然电磁法的场源是地球天然电磁场,地球天然电磁场是多源 的。包含以下几个部分: (1)高空中的各种电流体系在地层界面中产生的反射波场;其 电磁场特征是短延时、单子波、时差小、频谱宽。 (2)高空中的各种电流体系在地下导电极化介质中产生的激发 极化场;其电磁场特征是长延时、单子波、时差小、频谱窄。 (3)地球内生的自然电场,它是地壳中的某些物理、化学作用 引起的电场; (4)震动引起的地下极化介质中的充放电电流场;其电磁场特 征是长延时、多子波、时差小、频谱窄。 (5)震波引起的电磁幅射场。其电磁场特征是短延时、多子 波、时差小、频谱宽。 APS法的场源为地球电场,主要由大地电场和自然电场及震 (压)电效应电场所组成。 1、大地电场 大地电场是大气层中的各种电流体系在地球内部所产生的感应 电场。地表上小于1Hz 的大地电磁场主要起因于太阳风和地球磁层 及电离层的相互作用;大于1Hz的大地电磁场主要起因于雷暴闪电 所产生的大地电磁场。起因于雷暴闪电产生的电磁波可由电离层和 2 地球表面构成波导来回反射传播,形成波导场。当交变电磁场以波 的形式在地下介质中传播时,由于电磁感应作用,地面电磁场的观 测值将包含有地下介质电阻率分布的信息,而且不同周期的电磁场 信息具有不同的穿透深度。因此,研究大地对天然电磁场的频率响 应,可获得地下不同深度介质电阻率分布的信息。 实际观测资料表明,大地电磁场的变化具有较宽的频谱,其周 期从几毫秒到几十年,在地质勘探中应用的周期范围是几毫秒、几 千秒。大地电磁场的特点是: (1)大地电场的随机性,亦即固定观测点测得的电场的振幅、 频率、方向均随时间而随机变化。 (2)大地电场强度与时间具有明显的关系,它的一般规律是夏 季比冬季强,(北半球)白天比晚上强,其中以中午左右(地方时)变化 最强。 起源于地磁变化的大地电场按一定形式分布于广大地区,有其 区域特征,也称为区域电场。观测结果表明,地表的平均电流密度

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