電磁測深原理與資源勘探

魏文博中國地質大學（北京）2011年10月一.概述二.電磁場理論基礎三.電磁測深1.地下介質中電磁波場傳播的基本規律2.電磁測深原理3.電磁測深方法四.電磁測深資料的正、反演五.電磁測深資料解釋六.應用電法勘探的物理基礎電法勘探是以巖（礦）石間電磁學性質及電化學性質的差異作為物質基礎。電磁學性質：導電性、介電性、導磁性、激發極化性等等涉及的物性性參數：電阻率（ρ）；

極化率（η）；磁導率（μ）；

介電常數（ε）電法勘探研究的物理場—直流電場、交變電流場、低頻電磁場、高頻電磁波—人工場（主動源）、天然場（被動源）電磁測深—電學性質（電阻率（ρ）；磁導率（μ）；介電常數（ε）

）物理場—低頻電磁場（諧波；脈沖波；偽隨機信號）一.概述電磁測深電阻率法大地電磁測深（MT）人工場方法天然場方法頻率域時間域音頻大地電磁測深寬頻大地電磁測深長周期大地電磁測深電性源磁性源瞬變電磁測深可控源音頻大地電磁測深頻率測深電磁測深方法的應用：沒有一定之規——強調地質前提和物理前提，具體問題具體分析電磁測深法的應用：勘查石油與天然氣和煤田地質構造；尋找金屬與非金屬礦產；水文工程地質、城市環境與建筑基礎、地下管線鋪設的勘查；探測深部地質構造。直流電測深的局限性：1)受高阻和低阻層的屏蔽作用；2)作業空間大、消耗大、勞動強度高、工作效率低

，不容易實現大深度探測；3)對地下被探測目標體的分辨率低。——發展電磁測深方法。電磁測深法定義：以地殼中巖、礦石的導電性和導磁性差異為主要物質基礎，利用多種頻率的諧變（不同形式的周期性脈沖）電磁場作為激勵場，根據電磁感應原理觀測、研究電磁場空間和時間分布規律，尋找地下良導礦體或解決其他地質問題的一組方法技術。二.電磁場理論基礎1、基本方程★麥克斯韋方程組：設：空間中任意光滑曲面S，其邊界為L；求E旋度矢量通過S的通量。

n—S外法線單位矢量。據“斯托克斯定理”：

τ—L的切向單位矢量。故：

根據普通物理：E沿回路L的環路積分等于回路內的感應電動勢u；B的面積分，即穿過回路的磁通量Φ。（法拉第電磁感應）設：空間中任意光滑曲面S，其邊界為L；求H旋度矢量通過S的通量。據“斯托克斯定理”：τ—L的切向單位矢量。（H沿任何閉合回路的環路積分等于穿過該回路的總電流，包括傳導電流和位移電流）（安培-畢薩拉定律）實驗結果的數學表達式，表明自然界中不存在磁場源（磁荷），磁感應強度B是純渦旋場，是由渦旋電流激發的。據“庫侖定律”：介電常數為ε的均勻各向同性介質中，點電荷的電場強度E（dr—沿矢徑方向的單位矢量）。（電場是“有源”的）

★麥克斯韋方程組補充方程：電流連續性方程：（電荷守恒定律）邊界條件：場的法向分量：

場的切向分量：電流法向分量連續性：

2、電磁測深常涉及的電磁場模式1）均勻各向同性介質中的電磁場ε、μ、σ為常數矢量恒等式：

2)電磁場的基本模式★場的波動模式：★場的似穩模式：研究隨時間變化十分緩慢的電磁場，忽略對時間的二次導數。★對于諧變場：

★電磁感應法—電磁感應定律在地球物理勘探方面的具體應用。電磁感應定律：三.電磁測深1.地下介質中電磁波場傳播的基本規律—忽略位移電流垂直入射的平面波場：2.電磁測深原理3.電磁測深方法1)人工源場—近區；反之，即“遠區”。(1)頻率域（EM）：測深技術—多頻，電場源或磁場源，發射諧變場，測電場和磁場，視電阻率頻率響應。▼視電阻率定義：赤道偶極裝置:r—收發距AB-s裝置：n—線圈匝數；S—線圈面積。可控源音頻大地電磁測深(CSAMT):頻率測深(EM):A.電性源方法:B.磁性源方法:視電阻率擬斷面圖阻抗相位擬斷面圖（2）時間域（TEM）：測深技術—電場源或磁場源，發射脈沖信號（方波），測感應場隨時間的變化，視電阻率時間響應。①頻率域與時間域電磁場之間的關系：富里葉變換與反變換——頻率合成：設：矩形脈沖，周期20ms，脈寬10ms，后沿線性下降1ms，前沿響應對后沿無影響；異常體相當于R=1Ω，L=5毫亨的線圈。計算結果：t(ms)）））誤差（%）誤差（%）誤差（%）2.554．84．64．05.040．010．510．09.03．365．15．1諧波數（諧波數（諧波數（

結論：（A）迭加諧波的次數越多，誤差越小，尤其是早期信號（高頻成份多）；（B）10次以上諧波的作用可忽略；（C）早期高頻；晚期低頻。②瞬變場（時間域）基本概念：頻率域：利用富氏變換：概率積分瞬變場參數：（忽略位移電流）無磁介質：（米）當一定，，，曲線拐點瞬變場的極限探測深度一定，不同延時的信號，探測深度不同。③瞬變測深視電阻率定義式：AB-s裝置AB-MN裝置（赤道裝置，）與諧變場類似，引入“歸一化距離”——“感應數”UU<<1—“近區”；U>>1—“遠區”。④頻率域與時間域參數類比：（形式上類似）①大地電磁場的特點②均勻大地條件下MT場—低頻諧變場，垂直入射的平面波場。可見，Ey只與Hx有關，Ex只與Hy有關，它們都沿Z軸傳播—線性偏振波。以場沿y方向的分量命名：（Ey–Hx）—E偏振波；（Hy–Ex）—H偏振波。2)天然場方法——大地電磁測深(MT)E偏振波：H偏振波：從上面的討論看，我們對坐標軸x-y的方位并沒有作任何限制。顯然，在均勻各向同性介質中這兩組線性偏振波的分解是任意的。如果取y軸沿磁場H的極化方向，Hy=H，Hx=0；這時，必然Ey=0，Ex=E。所以說，平面波在均勻各向同性介質中E⊥H。——波阻抗故：均勻介質中，波阻抗Zxy與Zyx振幅相同，相位相反；電場相位比磁場落后π/4。③卡尼亞電阻率（視電阻率）④大地電磁測深技術—AMT，寬頻帶MT，長周期MT。EquipmentsanddataacquisitionHxEyEx90°HyHzFivecomponentsAcq.GPS主機盒子電池HxHyHzExEymineoilandgasgeothermalenveromentothersdeepstructureMTU-5,Phoenix,Canadanaturesignal四.電磁測深資料的正、反演1、正、反演理論m—模型空間；d—數據空間。d=G?mG—模型空間到數據空間的一個映射—泛函算子—物理定律。1）正演—已知場源和模型，求物理場分布；①解析解②數值模擬計算③物理模擬2）反演—已知物理場分布，求場源和模型。

①一維②二維③三維2、地球物理反演的基本問題：1）解的存在性：給定數據d，按照物理定律，能否找到滿足要求的模型參數；2）模型構制：若解存在，如何構制問題的數學物理模型，使得反演問題的解能迅速而準確地確定；3）解的非唯一性：若解存在，其是否唯一；4）解的評價：若解是非唯一的，如何從非唯一解中獲取真實解的信息。五.電磁測深資料解釋1、地球物理解釋—地球物理模型（物性參數模型）定性：地球物理異常特征—地質原因（異常源形狀、大小、產狀、埋深等）；定量：計算異常源的幾何參數、物理參數。▲定性與定量的關系。2、地質解釋—結合地質和其他資料給出地球物理模型的地質解釋★一般原則：1）以現代地質理論為指導；2）二個環節—巖石物性研究—實驗室物性測定、從反演獲得物性參數、測井資料；地質建模—3）三個步驟：從已知到未知；各種地球物理資料與地質資料結合；反復調整、修改—趨于真實的地質問題。電磁測深資料解釋的程序：1.嚴格執行野外數據采集技術規范,切實保證觀測數據準確無誤;2.做好野外現場數據預處理,進行干擾信號分析、識別、壓制，

及時控制好觀測數據質量，確保獲得高質量觀測數據；3.認真進行室內數據處理和各種定性圖件的編繪、分析；4.遵循從已知到未知的解釋原則；5.做好地球物理“定性”分析,保證“定性”準確；6.開展多維、多方法“地球物理反演”和反演結果的對比、分析,建立可靠的地球物理模型,進行地球物理解釋；7.物性分析、研究；8.結合多種地球物理和地質資料的綜合分析、解釋。問題：▲直接找礦——僅在特殊有利條件下。▲間接找礦——比較普遍的應用。▲已知礦體向深部和側面延伸。要求：▲地質、礦床和物性條件；▲探測深度（500m—1000m）；▲高分辨率、高精度；▲輕便、高效；▲復雜地形條件。（一）礦產資源勘察方面六.應用方法的應用：沒有一定之規——具體問題具體分析；強調地質前提和物理前提；▲間接找礦—尋找礦床標志和控礦條件

1）巖漿礦床：主要源于上地幔部分熔融產生的鐵鎂—超鐵鎂巖漿。主要礦產有鉻鐵礦、釩鈦磁鐵礦，銅鎳硫化物礦床。礦體多呈層狀、似層狀、透鏡狀、豆莢狀等產于巖漿體內，少數脈狀礦體進入圈巖之中。

控礦條件：基性、超基性巖漿活動通常與深大斷裂，不同大地構造單元邊界和次級構造單元的接觸帶以及大陸裂谷帶等有關。1.找礦方向——地質條件2）偉晶巖礦床：

一般指花崗偉晶巖礦床，是稀有元素和稀土元素礦產重要來源。偉晶巖礦床多與基狀花崗巖有關偉晶巖礦床大小通常與花崗巖基規模有關，長百米，厚20-30m，產狀復雜。

控礦條件：

花崗偉晶巖主要分布在褶皺帶內，地臺邊緣的區域斷裂帶附近和不同構造單元的結合部位。偉晶巖礦田主要受背斜軸部、地層接觸帶、區域斷裂帶以及次級斷裂和裂隙帶控制。此外偉晶巖礦床的成分常受圍巖成分的影響。

1-花崗巖2-偉晶巖3-片巖花崗偉晶巖產狀示意圖

3）熱液礦床：它是通過含礦熱液而形成的后生礦床，是最復雜、總類最多的礦床。其特點是：

a)礦物運移和富集與熱液活動有關，成礦方式主要是通過充填和交代作用；成礦過程伴有圈巖蝕變，構造對成礦作用控制明顯；礦床類型多，除鎳鉻、金剛石外，多數金屬礦床都與熱液活動有關，如銅、鉛、鋅、汞、鎳、鎢、銅、鈷、鈉、鐵、金、銀等等。

b)熱液礦床分類：●

夕卡巖礦床：產生在中酸性侵入巖與碳酸鹽類的接觸帶附近，是銅、鐵、鉬、鋅礦的主要來源，也是金、銀、鉛、鈷、鉍、鈹、硼等的重要來源。成礦侵入體以小型為主，矽卡巖和礦體大多分布在侵入體上盤的接觸帶內。矽卡巖分鈣矽卡巖和鎂矽卡巖兩種。●控礦條件：構造破碎帶，不同巖性的巖層接觸帶，層間斷裂帶，斷裂構造帶，背斜構造帶等。這些構造部位有利于含礦熱液的侵入和交代，形成矽卡巖和矽卡巖礦床。矽卡巖礦物成分復雜，但由于巖漿熱液中均含有鐵，矽卡巖又很致密，所以矽卡巖帶往往是磁異常帶和高阻帶。

1-浮土；2-大理巖；3-花崗巖；4-錫礦體；5-銅礦體；6-鉛鋅礦體；7-矽卡巖整合接觸的矽卡巖型礦床剖面示意圖

●斑巖型礦床：

主要產于斑巖中及其接觸帶附近的細脈狀滲染型礦床，規模大，品位低。是銅礦和鉬礦的主要來源，也是金礦、鎢礦、錫礦和鉛鋅礦的重要來源。斑巖型礦床主要與具斑狀結構的中酸性淺層或超淺層小型侵入體有關，如花崗斑巖，石英二長斑巖，石英斑巖等。斑巖礦床都和深大斷裂有關，成礦物質來自于上地幔或地殼深部。斑巖銅礦的形成是上升巖漿熱液和地下水發生對流循環的結果。斑巖型金礦均發育在大陸和島弧造山帶中；斑巖銅礦產于島弧或大陸巖漿弧環境；斑巖鉛、鋅礦產于陸相火山盆地邊緣，斑巖型鐵礦與巖漿熱液中鐵質成份沉積或圍巖中鐵質成份析出有關。●高、中溫熱液脈型礦床：

形成溫度大于300°C，主要受斷裂控制，與中酸性侵入體有關，形成深度4.5Km-1.5Km。●低溫熱液礦床：

形成溫度低于200°C，形成深度在2Km—地表范圍內。●蝕變帶：

熱液礦床主要由含礦巖漿熱液在巖體內部或圍巖中通過充填、交代而成。由于含礦熱液富含揮發份，因而在近礦圍巖和巖體內部都會產生強烈蝕變，形成蝕變帶。所以蝕變帶是尋找熱液礦床的重要標志。最重要的蝕變帶有，云英巖化、鈉長石化、鉀長石化、硅化、冰長石化、綠泥石化、絹云母化、千枚巖化、高嶺石化、青盤石化等。可見蝕變帶內富含易風化礦物，因此常形成低速、低阻帶，此外在高溫蝕變過程中原有的磁性物質可能產生清磁作用，形成弱磁或負磁異常帶。所以用物探方法尋找蝕變帶也是一種間接找礦方法。1-大氣降水；2-殼狀礦化帶；3-巖漿熱液

巖漿熱液和地下水發生對流循環形成斑巖型銅礦床示意圖4）尋找內生礦床的物探方法從上述可見，尋找與巖漿活動有關的內生礦床，首先要圈定巖漿巖的分布范圍。這是比較容易的，因為巖漿巖都會形成明顯的磁異常；近而圈定巖漿巖的邊界和隱伏巖體的埋深，因為多數與巖漿活動有關的礦床均分布在巖漿巖與圍巖的接觸帶附近或巖漿巖頂部，少數分布在巖漿巖內部。圍定巖漿巖接觸帶可采用磁法，包括磁場梯度測量，頻率域電磁法和瞬變電磁法。進一步確認是否有內生礦床存在，可通過精細的頻率域電磁法測量和瞬變電磁法測量尋找低阻的蝕變帶或有特征物性差的礦卡巖帶。激發極化法也是一種較有效的找礦方法。尋找與超基性巖有關的礦體也可采用重力法。從上述可見，與巖漿巖活動的各種金屬礦床受各種斷裂帶，裂隙帶，破碎帶，背斜構造帶等所控制，因此用物探方法探測這些控制條件也是一種有效的間接找礦方法。▲直接找礦

1）如果有色金屬礦產，如鉛、鋅、錫、鎢等能形成一定規模的良導體，可采用精細的瞬變電磁法測量直接找礦。2）埋藏較淺的、陡傾角的脈狀礦體，具有清晰的瞬變電磁響應，用瞬變電磁儀往往也能達到直接找礦的目的。3）也可以用物探方法直接尋找產于基性—超基性巖中的烙鐵礦，釩鈦磁鐵礦和銅鎳礦。瞬變電磁法直接尋找陡傾角礦脈▲探測已知礦體向深部和側向延伸

已知土屋銅礦體的MT電阻率斷面銅礦賦存在高低阻接觸帶中

對土屋銅礦在310米深處的有利成礦帶預測圖，有利成礦帶由虛線圈出。

在地面用物探方法從淺向深追蹤

▲找礦方法——合理的工作程序1）合理的找礦工作程序：在區域性地質調查和地球物理路線測量的基礎上，根據成礦地質理論，選定找礦有利地區；開展面積性的地球物理調查，發現物探異常，圈定異常，分析異常的成因，劃分異常的等級；根據物理條件，選擇物探方法，在重要的物探異常區布置系統的地球物理探測工程（強調綜合地球物理）；研究異常——物性研究，已知區現場試驗，布置精測剖面或三維面積性觀測，精細的數據處理，異常特征分析—定性，物理模型設計和正演，反演—綜合地球物理分析—建模，地質解釋，驗證。▲地球物理找礦過程大體上劃分為四個階段：調查—普查—詳查—勘探2）用于礦產資源勘察的電磁探測技術▲由于不同階段的目標不同、不同物探方法的探測精度差異很大，以及物探數據的多解性，因此在礦產資源探測的不同階段要選用不同的物探方法。

電磁法是礦產資源調查和勘探中最常用的物探方法。電磁法可分三大類，即時間域電磁法，頻率域電磁法和直流電法。（1）時間域電磁法：有兩種，一種是通過觀測由地面回線發射的一次場在地下介質中感應出的、隨時間變化的二次場來探測地下電性結構，通常稱為瞬變電磁法（TEM）；另一種是通過觀測由地面偶極源發射的電流脈沖在地下介質中產生的、隨時間變化的二次場來探測地下電性結構，稱為長偏移距瞬變電磁法（LOTEM）。瞬變電磁法分辨率高探測深度適中（與測區地下平均電阻率值有關）。它在圈定斷裂，破碎帶，蝕變帶巖漿巖接觸帶，地下電性分層等方面能提供較可靠的信息，對陡立的地質構造分辨程度高，可直接尋找高導礦體。儀器：國內有多個單位研發或生產瞬變電磁儀，國外廠家生產的瞬變電磁儀有PROTEM，PEM，terraTEM以及V8和GDP-32系統中含有的瞬變電磁功能。

（2）頻率域電磁法

頻率域電磁法是通過在地面觀測隨時間變化的電磁場分量來探測地下的電性結構，其場源是太陽活動產生的電磁波或人工發射的電磁場。

▲典型的頻率域電磁法叫大地電磁法（MT）；它有很多變種，以適應不同的觀測環境。

例如：“遠參道測量”—解決局部電磁噪聲干擾；電磁陣列法（EMAP）—壓制“靜位移效應”；電—電磁剖面法（CEMAP）—提高生產效率；可控源法（CSAMT），—提高信噪比。

▲頻率域電磁法的主要優點：

勘探深度可從地表至幾公里，乃至百公里，取決于儀器所能記錄的頻率范圍；對高導層（體）十分敏感，有利于尋找高導礦體；橫向分辨率高，有利于圈定構造和巖體邊界；儀器設備輕便；二維反演成熟，也可進行三維反演。目前世界各國使用的大地電磁儀主要有GMS-06，V5-2000，MTU-5，MT-24，LIMS，V8和GDP-32中含有的大地電磁功能。應用實例●云南錫礦帶上瞬變電磁探測結果

瞬變電磁場響應曲線

視電阻率響應曲線

1、瞬變電磁法應用效果已知硫化礦體地質解釋剖面圖（根據云南省有色地質調查院資料，2006）●瞬變測深在黑龍江烏拉嘎金礦深部找礦的結果

（據云南省有色地質調查院資料）（據地科院物化探研究所資料）（據地科院物化探研究所資料）（據地科院物化探研究所資料）云南個舊17線地質、物探綜合圖（據云南省有色地質調查院資料）民樂銅礦區101線地質、物探（TEM）綜合在已知礦上TEM方法效果明顯（據云南省有色地質調查院資料）（據云南省有色地質調查院資料）2、頻率域電磁法應用效果●新疆圖拉而根銅鎳礦是全巖礦化，超鎂鐵質巖漿硫化物型銅鎳礦，為查明含巖礦體向深部的延伸情況在礦區進行了兩次大地電磁剖面勘探。圖A中部連續的低阻異常和圖B中部兩個規模較小的低阻異常，是銅鎳礦在深部的展布情況，并得到鉆探證實。圖拉而根MT21線電阻率斷面圖

圖拉而根MT41線電阻率斷面圖

●云南某金屬礦EH－4探測剖面一推測礦已知礦驗證鉆井見礦鉆井見礦云南某金屬礦EH－4探測剖面二Ohm-mOhm-m地質上的氧化還原帶（據地科院物化探研究所資料）（據地科院物化探研究所資料）當前油氣勘探面臨的問題油氣工業面臨：資源消耗增加、資源量短缺、環境保護、可持續發展等問題的挑戰。勘探重點轉移到：1、地面施工條件惡劣的地區——沙漠、高原、灘涂、海洋等2、地質條件復雜的地區——古潛山、碳酸鹽地區、卵礫層覆蓋區、火山巖覆蓋區等3、地殼深部儲油構造——迫切需要發展新技術，提高勘探能力。（二）油氣資源勘察方面1）開展強干擾區、灘涂區電磁探測在黃驊坳陷大港油田開發區和烏馬營地區開展“東部深層電磁勘探新方法同步陣列電磁測深方法試驗”工作。其目的是利用電磁法勘探深度大,成本低廉等優點，了解東部深層－奧陶系的分布及構造特征，以確定該方法在灘海困難區工作的可行性。施工人員蝦池邊正在布設磁站大港油田開發區，輸電線路十分密集、變壓器廣布，文化干擾嚴重。灘海、蝦池、鹵池、公路和車輛、以及地面敷設的各種管線的影響使常規的電磁測深不可能保證觀測質量。大港D01測線二維反演電阻率剖面圖大港D01測線電法、地質綜合解釋剖面圖

深層潛山構造勘探2）在地震工作困難的地區發揮作用古潛山油氣藏是我國東部進行油氣藏勘探的主要目標之一。在東部進行深層古潛山勘探，地震資料深層信息信噪比較低，解釋時多解性強。

實例背景葛2井地震測線設計CEMP測線蘇50井碼頭

存在問題

地震深層品質差，古生界構造解釋多解