超深层大地电磁测深数据采集方法

技术领域

本发明属于地球物理学电磁探测领域，特别是一种被动源频率域超深层电磁测深数据采集方法。

背景技术

大地电磁测深物探方法从上世纪五十年代发明至今已经近七十年，教科书所写都是从麦克斯韦方程组开始、到假设天上电磁场源以平面波入射到大地均匀导体介质中向下传播、到达趋肤深度后在介质中感生出二次电磁场返回地面，通过在地面观测入射的和感生的不同频率的电磁场信号Hx、Hy、Hz、Ex和Ey来求解地下电阻率分布及有关电性结构参数。几十年来虽然在物探仪器和反演方法上有所改进和提高，但在研究方向和理论框架上基本上没有大的改变。

大地电磁法经典理论是建立在以下几个假设及公式推演基础之上：

假设1：大地电磁场的场源位于高空，其形成的均匀平面电磁波垂直入射到地面下。

假设2：地质模型为水平的层状介质，而且每层介质的电性是均匀的各向同性的。

假设3：大地为良导体，可按照趋肤效应原理计算趋肤深度。

假设4：在地球内部为导体时，导电介质中的传导电流远大于位移电流，完全可以通过介质的电导率(电阻率)来表征地下电性结构特征。

在以上假设理想状态下，把天然场源的大地电磁场问题转化为导体的大地电场问题，利用电场理论和有源电法的反演分析方法来表征介质结构、描绘地下构造特征。

其公式推演求证的思路可简单概述为：(1)列出电磁法理论的基础方程--麦克斯韦方程组和赫姆霍茨波动方程，来描述电磁场最根本的规律和电磁场的分布；(2)在水平均匀层状介质中大地电磁场的波阻抗Z＝E/H，推导出介质的电阻率ρ＝Z

大地电磁场高空场源论有几个问题很难说的通：(1)既然是场源具有很大的随机性、不一致性等特征，又怎么会形成均匀的平面电磁波，与场源假设严重不符；(2)在天空中的大地电磁场源信号究竟有多强、可以穿入地下几千米后再反射到地面？(3)地面上网状密布的电力线、工业和民用用电设施等产生的电磁干扰信号与天空上垂直辐射下来的电磁波信号哪个更强、怎么区分？还是说它们都属于有用信号？

趋肤效应原理仅适用于良导体，金属导体的趋肤深度是指行波E和H沿Z方向前进几毫米便快速衰减完，即z＝0。例如铜的趋肤深度：当频率为50Hz时为93.3mm，当频率为1MHz时为0.66mm。由于大地不是良导体、而是不均匀的弱导电媒质，大地中介质的电导率远小于介电常数，电磁波在大地中的传播常数与电导率无关、不存在趋肤效应，若是套用导体的趋肤深度计算公式来计算不同频率下所测地层的深度显然是不合理、不成立的。

在假设地球内部为层状各向同性均匀导体、完全可以通过介质的电导率来表征地下电性结构的前提下，把电磁波简化为TE波和TM波，在地面上对角100米间距埋入4个电极、水平摆放相互垂直的2个磁感应器，来测取TE波的Ey和Hx、TM波的Hy和Ex，代入公式计算视电阻率。因地球内部实质上为非线性不均匀各向异性介质，不可能用电性结构来表征大地介质对电磁波的反应特征。同时，这种采集信号方法使得目前常用的大地电磁法仪在实践中经常出现多解性、不稳定性，尤其是使用4个电极采集电场信号所带来的体积效应、电磁干扰等问题，导致采集到的数据中含有地下有效电磁波信号的成分远少于地面之上干扰信号、勘探的准确性及可信度较差的结果。

发明内容

本发明重新定义了超深层大地电磁测深法的场源、大地电磁场的属性、采集信号表征的地下介质物性特征，包括：

大地电磁场的有效场源是来自于地球内部外地核的导电流体和磁场的相互作用产生的动态电磁场，以及地幔软流层与地核和地壳之间的相对运动、自身蠕动及外部影响产生脉动切割静磁场形成的动态电磁场。在没有大的地质运动影响时，大地电磁场属于变化很小、相对稳定的时变电磁场。

地壳岩层属于非线性不均匀的弱导电媒质，其电导率σ远小于角频率ω与介电常数ε的积。假设在观察点小范围内可视为均匀平面电磁波，其将具有与导电媒质中均匀平面波相同的特点：(1)振幅沿传播方向按指数衰减；(2)电场和磁场在时间上不同相，在空间上相互垂直且垂直于传播方向；(3)电磁波的速度是频率的函数。因其实际上属于接近于非导电媒质的弱导电媒质，同时还具有电磁波衰减小、电场和磁场之间存在较小的相位差相位常数与非导电媒质中的相位常数基本相同等特点。

根据麦克斯韦的电磁场理论，地壳之下时变的大地电磁场形成电磁波，垂直于地面自下而上穿过地壳向上传播。即使是电磁波在弱导电媒质中的衰减小，但经过地幔和地壳层远距离传播后，较强的电磁波能量消耗殆尽，仅剩下微弱的电磁波能量到达地面。就小范围内进行大地电磁测深而言，虽然在地壳浅中层测深段各个频率对应的介质层不同，但与电磁波从场源到测深层共同穿过的相同长度介质层相比几乎可以忽略不计，可以确定无论探测深度有多深，其测值的数量级应该是基本相同的、是具有可比性的。

大地电磁场向地面辐射的电磁波只是电场与磁场交替变换传播能量，无论是我们采用电极测取电场信号或是采用磁感应器测取磁场信号，都可用以独立表征大地电磁场信息。但是，这并不意味着可以把大地视为单纯的电场或磁场，认定测取值就是大地电场或大地磁场对介质作用所反映的信息，而应该是电磁波的电场分量或磁场分量体现的地下介质电磁反应的信息。尤其是大地属于弱导体媒质，其微小的电导率对于电磁波能量的作用远小于磁导率、介电常数等参数值的影响，在地表所测电磁波能量值中所含介质电导率信息甚微，不可能由其获取到地下介质电阻率表征的电性结构。

大地电磁场形成的电磁波以时变电场和磁场的形式交替产生、携带能量垂直于地面向上传播，电磁波的总能量值为电场能量和磁场能量的总和。从宏观上来看同一个频率下的电磁场源连续不断地向地表辐射的电磁波，叠加后会形成一个波速和波长相同、两倍于振幅的峰峰值包络线内递进的能量包，我们在地表采集到的每一个频率的信号值，都是该频率电磁波传递到地面时的最大能量值，即它所对应的正是该频率电磁波递进到地表时某一个波长振幅点能量值。而且在地表探测点使用电极或磁感应器测量到的是电磁波电场分量或磁场分量的标量值，不存在测量结果会随着电磁场变化周期、采集方向及时间点不同产生变化的问题。

因地壳介质层是固定不变的，其对电磁波产生的衰减效应不会随时间变化产生明显的变化。所以，我们在地面采集到的大地电磁场信号值是相对稳定的，不随测深点的地理位置、季节变换和时间不同而产生大的变化。同时，大地电磁场以电磁波辐射方式穿透地壳到达地表过程中，要经过种类众多、类型不同的非均匀各向异性介质层，绝大部分电磁波能量在介质中经过内摩擦、热传导、分子碰撞等作用被吸收损耗掉，到达地面被测取到的是非常微弱的剩余大地电磁场能量值，其反映的只能是地下各介质层对电磁波能量衰减作用的大小，而不是介质电阻率或磁阻率对电场或磁场的阻抗作用大小。在地表探测点使用电极或磁感应器测取到的电磁波电场分量或磁场分量的标量序列值，都可以独立表征地下各介质层的电磁反应特性，无须同时测取并换算成波阻抗。因使用电极采集电场分量信号存在明显的体积效应和电磁干扰，故选择仅用一个磁感应器采集大地电磁场源辐射到地面电磁波的磁场分量信号，相对独立地体现地下介质电磁反应信息及地质结构。

因超深层大地电磁场的有效场源是来自于地壳之下相对稳定的时变电磁场，其形成的电磁波穿过地壳辐射到地面后为剩余电磁波能量值，我们采集的能够反映超深层介质信息的大地电磁场信号全部来自于地下，地面上空的电磁场信号皆可视为干扰信号。因此，在按照本发明设计数据采集装置时，除了在信号采集处理电路板上采取各种过滤措施尽可能消除高频和工频干扰之外，关键是对磁感应器进行有效的防电磁干扰屏蔽处理，尽可能使之尽多地接收来自地下的电磁波信号、尽少地接收地面上的电磁干扰信号。只要数据采集装置的抗干扰措施做的足够好，就可以确保使采集到反映深部介质电磁特性信息的有效深度达到万米之下。

具体实施方式

因影响电磁波能量穿过介质时衰减程度的参数较多，若是通过各种假设使之简化形成数学模型来计算和描述影响电磁波传播的各种参数及其权重，其假设本身就带有较强的主观性，不能够客观评价某一种理论和方法的真实性和有效性，只能通过实际实验来客观的验证和评价一种原理的真实性和方法的有效性。本发明重新定义的超深层大地电磁测深原理和数据采集方法，可以通过观察实际验证过的典型勘探剖面上显示构造形态的变化情况，对本发明的内容予以验证，具体实施方式包括：

因液态的水对电磁波的吸收衰减能力强，无论其所处位置深浅、经过衰减到达地表后测得的电磁波剩余能量值都是较低的值，可以将低值的水层作为验证的目标层。在张性断裂构造内，含水裂隙会形成多层向断裂中心倾斜汇聚的V形聚水构造，使用物探设备垂直于断裂勘探时这种V形聚水构造的形态特征明显，可以作为观察物体设备勘探效果的典型剖面。选择一个断裂构造明显、在构造中心已经成功打过一口深水井，而且凿井施工过程录井记录、完钻后测井报告详细完整，将其设定为典型剖面开展有关实验。为了保证实验结果的一致性和可比性，统一应用一台MT-VCT大地电磁镜像测深探测仪，剖面长度设定为400米，点间距2米，测深点数201个。

分别在早、中、晚间隔8个小时的时间各采集一个剖面的数据，分别在春、夏、秋、冬四个季节各采集一个剖面的数据，将数据分别成图后的剖面图放在一起进行比较，可以看到V形含水裂隙构造形态基本一致。说明大地电磁场的有效场源是来自于地壳之下相对稳定的时变电磁场，其形成的电磁波穿过地壳辐射到地面后为剩余电磁波能量值，不会因地面之上时间、季节、气候等因素变化而改变。

观察地面电磁干扰对探测深度及精度影响的实验，是分别使用屏蔽程度不同的磁感应器在同一剖面相同测深点位置采集数据、成图后进行对比分析完成的。当没有对磁感应器磁棒做任何抗干扰屏蔽措施时，探测结果的测值整体过高、根本看不出低值含水构造；当在磁感应器磁棒的外圈套上一层铁皮时作为抗干扰屏蔽层时，探测结果的测值就会显示出高低不同、能够看出低值V形含水构造，但深层测值普遍明显增高、看不到含水低值点；当使用多种屏蔽材料罩在磁感应器磁棒的外层及顶部、使之尽可能与地面之上高低频电磁干扰信号隔离开，仅保留磁棒底部接收地下辐射上来的电磁波信号，从探测结果能够清晰看出低值V形含水构造，只是越向深部除含水低值之外介质的测值会逐渐略有升高，但在构造内万米之下仍有含水低值点显现。说明能够反映超深层介质信息的大地电磁场信号全部来自于地下，地面上空的电磁场信号皆可视为干扰信号；地下不同深度介质衰减程度的大小与深度无关，排除干扰因素后超深层介质的电磁反应测值与浅层介质的测值应该同为一个数量级。

当改变数据采集时间长度，单点测深时间由几秒钟逐渐增加到30分钟，按照不同采集数据时间探测结果形成的剖面图，V形含水裂隙构造的形态基本一致，只不过是采集数据时间越长、分层相对越细、剖面图成像越清晰。说明代表不同深度的电磁波能量频谱序列值，任一频率下电磁波叠加后都会形成一个两倍于振幅的峰峰值包络线内递进的能量包，使得在任一时刻采集到的信号值都是该频率电磁波的最大能量值，不会因采集数据的时间长短而改变。