阵列岩性电磁频谱测深法基本理论及其应用

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1、阵列岩性电磁频谱测深法基本理论及其应用雷振英（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(ArrayPetro-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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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为2安培／平方公里。若取大陆的平均电阻率为10-2欧姆·公里，海洋的平均电阻率为2.10-4欧姆·公里，则可以算出大陆的平均电场强度约为20毫伏／公里，海洋的平均电场强度约为0.4毫伏／公里。然而无论是电流密度，还是地壳的电阻率都随地区而变化，所以不同地区的大地电场强度差异很大。在中纬度地区的低电阻率地层中，大地电场强度一般不超过0.5～1毫伏／公里，在高电阻率基岩隆起的地区也不超过3～10毫伏／公里，在南、北极地区竟达1伏／公里，特别是在强干扰

8、期间甚至可达10伏／公里。由于趋肤效应，大地电场强度随地层深度按指数规律衰减，电场的频率和介质的电导率越高，衰减得越快。初步计算表明，周期3为24小时的谐变场，没有穿透到1200公里以下的深度。关于日变化的形成过程，可用吉什和鲁尼的涡旋电流线分布图中的全部涡旋相对于太阳中心至地球中心的连线的位置是固定的。然而当地球自转一周时，各个涡旋将依次通过地面上的每一条固定的子午线；或者，在地面上的某一固定的观测点将依次穿过同纬度上的各个电流线。因此地