csamt 法基本理论及在工程中的应用

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1、第27卷第4期煤炭学报Vol.27No.32002年6月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYAug.2002═══════════════════════════════════════════════════════════════文章编号：0253-999（32002）04-0383-05CSAMT法基本理论及在工程中的应用王赟1，杨德义2，石昆法1（1.中国科学院地质与地球物理研究所，北京100101；2.中国矿业大学北京校区，北京100083）摘要：可控源音频大地电磁法（CSAMT）是20世纪80年

2、代兴起的一种电磁勘探技术.它通过测量电场（Ex）与磁场（By）的水平分量求取地下介质的电阻率.经过近20a的技术学习、掌握、更新和改造，在这一技术领域的理论方法、野外数据的采集、室内资料的处理和解释等方面已取得了大量的研究成果；并在地下水资源勘查、地热勘查、工程物探、油气的直接检测、金属矿勘查、煤田地质灾害预测等领域的实际应用中取得了显著的效果.关键词：CSAMT；电阻率；金属矿勘查；地热勘查中图分类号：P631.325文献标识码：A1方法原理CSAMT法是可控源音频大地电磁法的简称.该方法是20世纪80年代末才兴起的一

3、种地球物理新技术，它基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组，麦克斯韦方程组实质上是反映了电荷、电流、电场、磁场随时间和空间变化规律的定律，它综合了电磁现象的相互作用.1.1均匀介质中的麦克斯韦方程组根据理想自由空间中的麦克斯韦方程组，假定在均匀介质中，令初始状态介质内不带电荷，则可得到实用的简谐振荡时均匀介质中的麦克斯韦方程组，即ì▽·E=0，ï▽×E=jωµB，í（1）ï▽·B=0，î▽×B=-jωε'E，式中，B为磁场强度矢量，T；E为电场强度矢量，V/m；为磁导率，在高斯单位制中；ε'称为复µµ=1介电常数，ε'=ε+

4、jσ；ε为介电常数，在高斯单位制中ε=1；σ为电导率，（Ω·m）-1；ω为角频率，ωrad.1.2水平电偶源时场强E和B的公式在方程组（1）的求解过程中，假定电磁场为简谐振动，忽略空气和介质中的位移电流，即令ε=0；绝大多数岩石和矿物的磁导率很小，令（绝对真空的磁导率），这样就只剩下地层的电导率σ的作µ=µ0用.利用电磁场在介质中的边界条件，在实用单位制下，导出水平电偶极源在地面上的电场及磁场（在x，y，z轴上的分量）的公式为IABρ12Ex=3（3cosθ-2），（2）2πr3IABρ1Ey=3sin2θ，（3）4πr

5、收稿日期：2001-11-02384煤炭学报2002年第27卷IABρ1µ0ωEz=（j-1）22ρcosθ，（4）2πrﾍ13IAB2ρ1Bx=-（1+j）3cosθsinθ，（5）4πrﾍµ0ωIAB2ρ12By=（1+j）3（3cosθ-2），（6）4πrﾍµ0ω3IABρ1Bz=j4sinθ.（7）2πµ0ωr式中，I为供电电流强度，A；AB为供电偶极长度，m；r为场源到接收点之间的距离，m；为介质的电ρ1阻率；θ为场矢量同z轴的夹角.1.3视电阻率ρs公式将式（2）沿x方向的电场（Ex）与式（6）沿y方向的磁场

6、（By）相比，假定µ=µ0，再经过一些简单运算，就可获得地下的视电阻率（）公式［1］为ρs2

7、Ex

8、，（8）ρs=5f

9、B

10、2y式中，f为频率，Hz.式（8）说明，在地面上测定的电场（Ex）与磁场（By）之比具有阻抗概念，可获得大地的视电阻率（），称为卡尼亚电阻率.又根据电磁波的趋肤效应理论，结合非均匀介质和均匀分层介质的情况，其ρs有效穿透深度范围可估算为ρH≈（356-503），（9）ﾍf式中，H为有效穿透深度或探测深度，m；为介质的电阻率，Ω·m.ρ从式（9）可见，当介质的电阻率（）固定时，电磁波的有效穿透深度H（

11、或探测深度）与频率f成ρ反比；高频时，探测深度浅；低频时，探测深度深.可以通过改变发射频率来改变探测深度，达到频率测深的目的.2CSAMT法的采集系统2.1野外工作方法20世纪80年代，加拿大凤凰公司（PHOENIX）和美国宗基公司（ZONGE）根据这一理论研究制造了CSAMT的测量仪器系统，编制了软件，建立了野外工作方法（图1）.2.2CSAMT测量仪器CSAMT测量仪器系统包括一套发射系统和接收系统及相应的数据处理软件系统：（1）发射系统包括发电机和发射机，分大、中、小3种功率.大功率发射机为30kW，中功率为8kW

12、，小功率为3kW.发射频率为2n系列及0.667×2n系列，频率范围为213-2～2Hz.（2）接收机系统包括由微机控制的智能化数字接收机、磁图1CSAMT法野外工作布置探头和不极化电极.接收机一次可同时接收上述不同频率系列Fig.1MeasuringofCASMTinthefield的7道电场（Ex）和1道磁场（B