MT大地电磁法仪与VCT大地电磁成像仪的区别.docx
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1、 MT大地电磁法仪与MT-VCT大地电磁成像仪的区别 郑州地象科技有限公司 寇伟 寇通内容提要:MT大地电磁法仪是目前国内引进较多的天然场源物探仪,近几年由地象科技公司研发的MT-VCT大地电磁成像仪与MT同属于天然场源大地电磁物探法,但深究起来从理论到实现方法有诸多不同点,此文就两者的区别简论之。关键词:MT,MT-VCT,大地电磁,物探方法目前在国内生产或进口的可用于找水定井的物探仪有电磁法仪、直流电法仪、磁法仪、地震法仪等。而在电磁法仪中有人工场源的可控源音频大地电磁法仪(CSAMT)、频谱激电法仪(SIP)、瞬变电磁法仪(TEM)、人工源超低频法仪(ELF)等;还有天然场源的大地电磁法
2、仪(MT)、音频大地电磁法仪(AMT)、地磁测量仪(GDS)等。MT大地电磁法(以下简称MT)从20世纪50年代法国的Cagniard和前苏联的Tikhonov提出,到如今已有60多年。目前国际市场上含有大地电磁法的电磁测深仪主要有:加拿大凤凰公司(phoenix)的V系列大地电磁系统,德国Metronix公司的GMS系列大地电磁系统,美国ZONGE公司的GDP系列大地电磁系统,美国EMI公司的MT-24、EH4系统,等等。这些系统基本上是集多种大地电磁方法于一体,既能做天然场也能做人工源,既能够做电磁法也能做电法,既能够做频率域的也能够做时间域的;从仪器的功能、原理、接收器的电路设计等来看都
3、基本类似,性能指标也基本相同。在此仅对其中的MT大地电磁法进行讨论。MT-VCT大地电磁成像探测仪(以下简称MT-VCT)是由郑州地象科技有限公司自主研发的物探仪,与MT同属于大地电磁天然场源的电磁法物探仪,但是在原理、方法、应用上都有很大的差异。为了便于了解两者的区别,将从场源到应用概略性地加以论述。1、场源的形成和形态不同MT的有效场源信号为电离层电流的定向流动或小规模的扰动、太阳风、远距离的雷电和工业用电等,它们在天空中聚集并以相对均匀的平面电磁波的形式自高空垂直入射到地表之下。MT-VCT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,地幔软流层与地核和地壳
4、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。简论:两种方法采集的都是天然场源信号,都不需要使用大功率电源对大地馈电形成场源。区别在于MT的场源在天上,电磁场来源多且不稳定;MT-VCT的场源在地下,地磁场来源单一且相对稳定。2、场源能量的变化不同MT的场源在地球外部原因的作用下是瞬时变化的,受其感应产生的大地电流场自然也会随其动态变化。由于区域、季节、气候、环境不同,地表之上的磁暴、雷电、电力线、高低频信号等电磁场源信号变化明显,导致天空聚集的电磁场强度随之而变,所以MT的信号强度总量及各频点分量都会随着天气、时间、地域不同产生明显的变化。MT-VCT的场源是地球内部
5、流体缓慢移动切割静磁场形成的,是小幅值瞬时变化的动态磁场。虽然大地电磁场源发射的电磁波能量具有时变性和不规则性,但在没有较大的地质结构变动情况下产生大地电磁的场源条件是相对稳定的、电磁波穿过的介质层是固定不变的,因此向地面辐射的电磁波应该是小幅波动、相对稳定的,不会随着气候、时间、地域不同产生明显变化。简论:MT来自于天空的电磁场信号受影响因素多、变化幅值大,很难形成较为固定的测值判定标准。MT-VCT的场源信号产生于地壳下相对稳定的动态电磁场,不受地域、季节、气候、时间的影响,容易形成一致性高的测值判定标准。3、场源传递能量的形式不同MT认为来自天上场源的能量以垂直入射到地表的均匀平面电磁波
6、形式,依据不同频率的电磁波在导体中具有不同趋肤深度的原理,向下辐射到相应趋肤深度后形成二次场,再反射到地表。MT-VCT成像仪认为地壳层以下的动态电磁场源能量以电磁波形式沿垂直于地面方向向上辐射,电磁波是以电场和磁场在空间交互变化的形式传播的,电磁波的辐射过程也就是电磁能量的传播过程。简论:MT场源传递能量方式是建立在场源是均匀平面电磁波、大地为符合趋肤深度效应的导体两个假设的理论基础上。而实际上天空中聚集地磁场源的变量较多、变化较大,地壳岩层也不符合均匀层状导体特性。MT-VCT假设场源信号是以相对均匀的电磁波穿过地壳介质层向地表传播的,实际上是瞬时微量变动的,细看随时在变、粗看构造不变。4
7、、电磁波能量衰减特征不同MT认为纵向分辨能力随着深度的增加而迅速减弱。因为从天空入射到地表并穿透至深部的低频均匀平面电磁波,会受到电阻率横向和垂向不均匀性的影响而逐渐衰减,并且随着二次场的形成使电磁波发生畸变,通过二次场反射到地表的大地电磁场信号的会随着深度的增大而减弱,频率越低(周期越长)、介质的电阻率越高、介质的穿透(趋肤)深度越深,通过二次场反射到地表上的信号越弱。MT-VCT认为电磁波经过地壳层整体性无差异衰减携带介质信息到达地表。大地电磁场源产生的电磁波能量通过地壳到达地面,相当于经过一个由不同介质层构成的混合介质层,该混合介质层对应于各频率点电磁波会有一个相应的吸收(衰减)率,从宏
8、观角度来看每个频率点经过混合介质层产生吸收效应衰减后对应的能量值是同数量级的数值,不可能有很大的差别,即在地表采集到的电磁波剩余能量值不会随着探测深度的增减而产生变化。简论:由于MT认定采集的信号是从天空场源入射到地下、形成二次场再反射到地表,本身就比人工场源微弱很多的天然电磁场,经过一下再一上的双重衰减肯定更加微弱,而且是深度越大衰减越多,由此严重限制了MT方法的实际探测深度。MT-VCT认定采集的是地壳以下形成的电磁场源辐射到地表的电磁波信号,其中各个频率信号穿过地壳到达地表所经过的介质层及路程完全相同,就宏观意义上来讲各个频率的衰减程度基本上是一样的,只是在微观上表征不同深度介质层实际电
9、磁特性的测值不同,由此而论MT-VCT方法的实际探测深度在不考虑采集器硬件限制的情况下是可以通达地壳之下。5、在地表采集信号所表征的地下介质特性不同MT“是在地面上观测具有区域性乃至全球性分布特征的天然交变电磁场来研究地下岩层的电学性质及其分布特征的一种勘探方法”。在地表采集的大地电磁场信号与地下介质的电性变化有关,某一地点地下介质电性是固定的,那么该地点的电场常具有一个较稳定的极化方向,通过采集不同频率下电磁波的电分量和磁分量值,就可以反映出地下岩矿石电阻率差异的电性结构。MT-VCT是通过采集电磁波到达地面后剩余能量的序列数值,得知地层介质对于电磁波的反射和吸收特性,再由各频点与地层深度的
10、关系得知不同地层介质的电磁特性和介质属性。由于大地电磁场源发出电磁波能量值及其经过各层介质具体衰减值的不可测算性,我们所采集的电磁波全频段的信号值只能是一种反映电磁波穿过所有介质层后剩余能量的相对值,它同时也表征了各深度层介质对于电磁波能量的综合吸收性能。简论:MT认为测值是地下介质电阻率在交变电磁场作用下的电性反映,可以视同于该介质的电阻率值,这是建立在地球为导体、交变电流穿透介质层产生电性反应的假设基础上。实际上介质电阻率只能在电场中对电荷运动产生作用,对于电磁波的传播性能没有直接的作用。MT-VCT认为测值反映的是各深度层介质对于电磁波能量衰减吸收后的剩余能量值,直接反映了介质对电磁波的
11、吸收衰减特性。6、电磁信号的传播特性不同MT认为在地表测得的大地电磁场信息就是电磁波在导电地球内部层间界面上反射产生二次场,向地表反射的二次场电磁波是由垂直于传播方向的电场分量和磁场分量组成的矢量场,极化后的电磁波在传播过程中电场强度矢量随时间或频率变化,以E-极化波和H-极化波来表征地下各向异性介质均匀化为水平层状介质的各向同性电阻率。MT-VCT认为由于大地电磁场形成电磁波垂直传播到地表,电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直,且是通过电场和磁场的相互交替来传播的,磁场和电场是同一大地电磁场的不同表征形态,都可用以独立表征电磁波在穿过地壳层到达地表后携带的地层信息。简论:对于所采集的电
12、磁信号传播特性的认识不同,决定了使用什么装置和方法采集电磁信号。MT认为采集电磁信号是由电场分量和磁场分量组成的矢量场,必须同时采集电场和磁场两个分量才能完整反映地下介质的电性结构。MT-VCT认为电磁波的电场和磁场在交替传播过程中所携带的地层信息是一样的,取一即可。7、电磁波能量的传播特征不同MT所指大地电磁场的极化特征指的是大地电磁场的电场矢量和磁场矢量在方向上随时间瞬态变化的特征。其中:磁场部分的极化特征主要是与场源性质有关,较多地具有原始场的特征;电场部分除与场源性质有关外,还与地下介质的电性有关,对应于固定地层电性的电场常具有一个较稳定的极化方向。至少要在超过一个周期时间内分别动态测
13、取磁场分量和电场分量的数值,才能获取电磁波磁场分量和电场分量的平均值。MT-VCT认为从宏观上来看同一个频率下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。简论:对于所采集的电磁波能量的传播特征的认识不同,决定了使用什么装置和方法来采集电磁信号。MT认为磁场分量主要与天空上场源性质有关,将磁感应传感器平行置于地表之上就可以动态获取磁场分量信息,而使用对称电极插入地下既可以动态获取水平电场分量信息,它们的测值都会随着电磁场变化周期和时间点不同产生变化。MT
14、-VCT认为由于电磁波能量包传播的递进特征,在地表采集的任一频率的信号值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,不存在测值会随着电磁场变化周期和时间点不同产生变化的问题。8、采集电磁波能量的方式不同MT假定电磁波入射到的是水平层状介质且该介质是呈柱状对称的,其中任何一层都可以存在电阻率沿坐标轴的各向异性,作为线性极化波的电磁波可以分解为纯E-电矢量极化波或纯H-磁矢量极化波,通过麦克斯韦方程推导出波阻抗Z=Ex/Hy,再由其计算均匀同性半空间的视电阻率和阻抗相位。采集方式为由两个互相垂直水平放置的磁场感应器和两对对称插入地下的电极,分别接收不同频率下电磁波的磁场分量和电场分
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