VCT大地电磁电位值成像探水系统原理及应用.docx

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1、VCT大地电磁电位值成像探水系统原理及应用郑州富士达公司 寇 伟一、主要地球物理勘探方法简介 目前国内外在地面用于勘探地下地质结构的技术方法主要包括人工场和天然场两大类勘探方法。人工场地质勘探方法包括主要包括视电阻率法、高密度电阻率法、激电法、瞬变电磁法、核辐射放射法、核磁共振(NMR)、音频大地电磁法、可控源音频大地电磁法等；天然场探水方法包括天然音频磁场法、大地电磁测深法（MT）、磁大地电流剖面法等。人工场电法勘探在勘探地球物理学各分支中，历史最长、方法技术最多、应用面最广。其应用领域遍及固体矿产、油气和水资源勘查，工程勘查，环境监测，及地学基础理论研究等各方面。最早应用的是高密度电阻率法

2、，主要通过视电阻率的变化来探测浅部不均匀地质体的空间分布，因其属于直流电法勘探，会由于地形起伏能产生假异常、因地表电阻率不均匀使得视电阻率曲线复杂化，对曲线推断解释相当困难，具体应用时局限性很大。后来发展的激发极化法(简称激电法)无论从理论上还是方法技术上均有很大进展，它除了被广泛地用于金属矿的普查、勘探外,还广泛应用于寻找地下水。激电法是利用激电二次场的大小与衰减快慢的不同推断岩体的含水情况,其最大的优点是受地形影响小、对岩溶裂隙水的水位埋深和相对富水带反映都比较直观。可以说电法探测一直是应用较广的有效方法，优点是单点探测效果较好、记录探测深度与实际较为接近，但是仪器一般比较笨重，操作起来很

3、复杂，数据处理也相对麻烦、费时，仪器成本不高、但探测费用昂贵。由于用于人工放电的电池组过重移动不便，测1000米深度的点就要在前后各拉1000米的电缆，一个探测点测十几个深度就要半天，不适合大面积勘查探测，仅适合用于小范围精确定井时探测使用。在人工场勘探方法中近时期应用较广的是瞬变电磁法(TEM)。它是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流而产生的二次电磁场的空间和时间分布,从而解决有关地质问题的时间域电磁法。可以利用其在山区查找地下岩溶构造，进而达到查找地下浅层岩溶水和矿产资源的目的。由于采用不接地回线，不存在接地电阻问题，具有施

4、工方便、测地工作简单、工作效率高及地质勘探效果好等优点。TEM法的缺点：受电磁干扰较大，反演存在多解性。最大的缺憾是实际勘探采集的数据量大、资料解释较为复杂，至今未总结出一套像直流电测深曲线那样简便易行的解释分析方法，限制了该方法进一步的推广应用。利用核磁共振(NMR)技术探测地下水资源，是一种新的直接探测的地球物理方法，近20年来在国内外得到了迅速发展。与传统的地球物理勘测地下水的方法相比，具有高分辨力、高效率、信息量丰富和解唯一性等优点。但是，由于其系统比较复杂，必须由专业技术人员使用，理论最大探测深度仅250米（实际探测深度只有150米），且近百万元的设备价格相对较昂贵，只有专业队伍才会

5、配置该装备，实用价值和推广价值都不高。人工场和天然场均有的的大地电磁法作为一种重要的勘探地球物理方法，目前已广泛用于金属矿产勘探、地下水勘探、工程勘探、海洋资源勘探等众多应用领域。采用天然场源的大地电磁法（MT）不受高阻屏蔽的影响，设备轻便，勘探深度能达到数百公里；其缺点是场源不可控制并且信号微弱，浅层易受自然环境的影响，因此主要用于中深层勘探和大构造研究。采用人工场的可控源音频大地电磁法（CSAMT）测深，虽然通过人工发射电磁波解决了场源微弱和多变性问题，增强了信噪比，但同时也引入了场源的影响，而且带有发射机，增加了野外工作的难度。同时，因受限于发射能力，探测深度也受到了很大的限制。目前，国

6、际市场上的电磁测深仪器除了天然场的大地电磁探测仪（MT）之外，较为成熟、用量较大的是人工场和天然场都能做的电磁测深系统。主要有以下几类：加拿大凤凰公司（phoenix）的V-5、V5-2000、V-6、V-8电磁系统；美国EMI公司的EH4大地电磁系统；美国的LIMS仪器系统；德国Metronix公司的MMS-04大地电磁系统。这些大地电磁仪器在我国固体矿产、水资源、油气田勘探等方面发挥了重要作用。基于天然电磁场探测原理，国内有几家生产了天然电场选频法探水仪。天然电场选频法找水仪是利用天然电场与不同的地质构造所产生的电阻率等相关参数的变化，来判断分析是否有地下水，进而了解水的位置、深度、出水量

7、等相关信息。该方法与其它物探方法相比，具有设备小巧轻便，工作方法简单，资料直观易解释等优点。国内现有的天然电场选频探水仪实际能探测的频率仅有3-6个，故而存在以下缺陷：1）在1000米深度内只靠几个频率的分层信息来展现地下复杂的地质结构是很不现实的；2）由于采集的数据量小，只能做一维的单频率行电位值连线图进行分析；3）因代表不同深度层面的几个频率之间相隔甚远，缺乏分析的关联性；4）各频率独立量程下测得的电位值之间不可比，只能从连线图上看出变化趋势，不能看出不同深度电位值的高低变化。这些缺陷的存在大大地影响到了天然电场选频探水仪的推广使用。因其售价仅为3-6万元，远低于动辄几十万元的进口探水仪，

8、若能增加更多的探测频率、改进分析方法，还是大有市场的。二、大地电磁法原理大地电磁测深法（Magnetotelluric,MT）是以天然电磁场为场源来研究地球内部电性结构的一种重要的地球物理手段。大地电磁法的研究对象是地球内部的电性结构，一般都是以电导率结构来代表电性结构。大地电磁法依据的是宏观电磁理论中有耗媒质中的低频电磁波理论。假设大地由均匀各向同性介质所组成，大地电磁探深研究的是由高空向地球垂直入射的平面电磁波及在其中的传播特性，并从中导出地面电磁场与介质电阻率之间的关系式。垂直入射到地表的为均匀平面电磁波，垂直于传播方向的电场分量为横电波（TE）、磁场分量为横磁波（TM），大地电磁测深中

9、研究的仅为场源为横电磁波的情况。大地电磁测深的基本原理：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，在地表测量由高频至低频的地球电磁响应序列，经过相关的数据处理和分析来获得大地由浅至深的电性结构。由于大地电磁场及交变电磁场,在距离场源很远的地面所分布的场,可视为一平面波，其分布方向近似垂直于地面，场的变化服从麦克斯韦方程组。通过对普通型波动方程求解，可以导出波阻抗与介质交流电阻率的关系： （1）式中：表示交流电阻率（m）；f为工作频率（Hz）；Ex和Hy分别为电场分量和磁场分量；为波阻抗。这里不考虑Ex和Hy之间的相位差。根据平面电磁波在地层中传播时的衰减特征，电磁波在介质中穿透深度公

10、式为： （2）式中：为穿透深度（m）。由（2）式可知，电磁波的穿透深度与频率、电阻率有关。当频率一定，电阻率越高穿透深度越大；当电阻率一定，频率越低穿透深度越大。由此可以说，不同的频率对应着不同的探测深度，在不同频率下探测到的电位值，就代表着该频率对应深度的电磁场大小，据此就可以推算出该频率对应深度的电阻率。基于大地电磁法原理开发出的大地电磁探深仪，具有频谱丰富、探测深度大、不受高阻层屏蔽的影响、对低阻层反应灵敏等显著优点，由于场源为平面波，理论相对简单，易于分析和描述地层结构，加之省去了人工源方法的供电设备，仪器相对轻便简单，深受地探工作者的喜爱。三、VCT大地电磁成像探测系统的理论依据和方

11、法在学习国内外各种电磁物探理论和仪器的基础上，总结受到的启示，对相关问题有以下思考：1）大地电磁探测仪中，无论是MT、EH-4、V8等设备，都具有两种探测接受电极，一种是探针式电极棒，用来接收电场分量Ex；另一种是线圈式磁场感应器，用来接收磁场分量Ey。这种做法缺乏理论依据，实际上两种方式接收到的都是电场分量和磁场分量的混合值，无非是探针式接收到的电场分量所占比例可能大一些、线圈式接收到的磁场分量比例可能多一些而已。2）在实践中得知，在同一地点采用不同的接收方法，获取的电位值不同，一般来说使用探针测得的电场分量的电位值要明显低于使用磁探头测得的磁场分量的电位值，会由于两种探测方式拾取电位值的程

12、度不同而使所得的两分量的比值明显低于实际值；另外，两个探针之间摆放的距离不同所探测的电场分量的电位值也不相同，电磁线圈的匝数及磁通量大小也都会影响计算结果。3）在实践中还得知，同样运用大地电磁原理的不同厂家的探测仪，在同一区域内探得的数据明显不同；即使是同一台仪器，若换一个同家生产的探头进行探测，也会因为探头参数不同导致探测后计算出的电阻率不同。4）从以上推论可知，由于电场分量和磁场分量存在着不可比性、不确定性，由（1）式计算出的电阻率也同样会有较大的误差，由它带入（2）式计算穿透深度则会带来更大的偏差。另外，常数503.3只是一个经验数据，在不同的地域、不同地质结构、不同深度、使用不同的仪器

13、探测等情况下，经验常数肯定会有较大的出入，由此式计算不同频率所对应的深度值则是很不可靠的。根据对大地电磁理论的理解和思考，VCT大地电磁电位值成像探测仪基于以下立论进行了全新设计。1）在垂直入射到地表的为均匀平面电磁波假定下，无论是采用探针式探头还是采用线圈式探头，在同一点探测到的都是该点电场分量和电磁分量的混合电位值，只有强弱之分，不可能将它们分开计量。既然无法区分，最好的办法就是只在一点拾取信号，并尽可能增加拾取有用电磁信号的强度，这样做即稳定又一致性强。2）虽然靠加大线圈磁通量会使探测数据较为趋于一致，但是由于使用不同的探头、不同仪器处理探测信息的办法与硬件的差异，加之各种干扰等因素的存

14、在，所探测到代表地下电磁场的模拟量电位值具有较大的不一致性。然而，若排除时间的不一致性和各种干扰的存在，使用同一套设备在同一地段探测的数据是完全可比的。既然很难得到和确定地下各层不同介质的实际电阻率，就决定了无论是采用什么理论、何种仪器，只要能够相对清晰地展现和描述地下电性结构，且结果具有较高的稳定性和一致性，那么就说明这种原理、这种仪器是好的、是可用的。3）由于各种不定性的存在，利用（1）式求得的电阻率没有实际的实用价值；各种大地电磁设备初始探测所得的都是代表地下电磁场的模拟量电位值，而电位值与电阻率又是线性成正比的，所以完全可以用直接探测到的电位值替代大家都在使用的电阻率来表征地下的电性结

15、构。这样做的优点在于：1）探测数据只受探头拾取信号强度能力的影响，井表现为绝对值的不同，而电性结构在总体表征状态上是稳定可信的；2）采用的是直接探测出来的实际电位值，不存在公式换算和理论假定，比演算出来的电阻率更加真实可靠。4）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，在地表测量由高频至低频的地球电磁响应序列，经过相关的数据处理和分析可获得大地由浅至深的电性结构，这种电性结构完全可以由电位值替代电阻率来表征。由（2）式可知不同频率下对应不同深度、存在着表征不同介质电性特征的电位值，但不可能由（2）式来计算得出，只能根据经验及不断的验证和修正，来确定不同区域、不同地质构造下的频率和深度

16、的对应关系。四、一般大地电磁法的数据处理方法大地电磁测深通过数据处理来描述地下电性结构一般是采用反演法来实现的。反演则是指根据实测的数据来反推产生这些数据的系统内在信息的一种数学物理过程。反演必须具备两个基本条件：实测的数据和一个先验模型系统。由于实测数据的不充足或者正演本身的等值性，一套观测数据可能有多个模型都能拟合得很好，这就造成了反演的非唯一性。而一般大地电磁探深所运用的正则化反演就是在原有的反演基本条件上再附加一个条件：先验的模型约束条件，以此来减少反演结果的非唯一性。目前MT中绝大多数应用广泛的反演方法都属于正则化反演方法，尤其是高维反演。大地电磁测深的探测对象为地球的电导率结构，通

17、过反演求得的“系统内在信息”指的就是大地内部实际的电导率结构。大地电磁测深反演过程就是根据地表实测的视电阻率、相位等数据来求取大地深部电导率结构的过程，而该电导率结构的正演响应能极好地拟合视电阻率、相位等实测数据。实际资料的处理过程：1）时间序列信号处理。将时间域观测的信号转换到频率域，生成频谱文件；2）以频谱文件为基础，计算阻抗张量、倾子矢量、视电阻率、相位、二维特征量等各种MT参数，进行畸变分析和校正等；3）实际资料的反演解释。资料的定性解释；一维、二维反演；地质解释和结果成图。从与大地电磁法相关的MT、EH-4、V-8、CSAMT等探测仪器的使用办法可知，其资料处理办法和结果有较多的共性

18、：1）数据处理过程基本相同，都要进行时间域到频率域转换、计算、反演过程；2）不论采用什么参数来表征地下电性结构，都是以在地表探测到的以电位值体现的电磁信号为根本，通过不同理论公式的演算而得到的；3）反演过程中复杂且过多地依赖人工干预，其结果：一是必须是具有较高技术水平的专业人士才能够操作；二是由于操作人员的知识构成和理解方式不同，会导致反演出来的结果大有不同；4）由于探测操作和数据处理都在一台探测仪器上来完成，不能够通过电脑实现上位机软件的运行分析，数据处理软件可用资源和工具大大受限；5）用以表征地下电性结构的参数较多且专业性强，表征方式不够直观。五、富士达VCT大地电磁电位值成像探水仪特点（

19、以VCT-500TS探水仪为例）1、以大地电磁理论为基础。是基于大地电磁法原理开发出的大地电磁探深仪，它以天然的大地电磁场及交变电磁场为场源，视其分布方向近似垂直于地面的平面波，场的变化服从麦克斯韦方程组和趋肤效应原理，由大到小不同的频率对应于由浅入深不同的探测深度。与大MT大地电磁法探测仪相同，都具有频谱丰富、探测深度大、不受高阻层屏蔽的影响、对低阻层反应灵敏、理论相对简单易于分析和描述地层结构等显著优点。2、高性能电磁感应探头。由于采用了高导磁率磁芯材料、特殊的的线圈结构和磁反馈前置放大电路，显著提高了对微弱磁场电磁感应的性能，磁场噪声降低，热稳定性和信噪比（即天然场低活动水平与传感器的噪

20、声之比）均有明显提高。该电磁感应探头保证了在天然电磁场活动最平静的时间也能记录到高质量、全频段的电磁信号。由于只需要单探头探测，仅一公斤多的探头可随手提起在任何地形地势进行探测，放在地面按一下采样键即可实现500至2000个频率点数据的采集及存储工作，方便、快捷、高效。3、采集信号的数据量大。富士达VCT大地电磁探水仪能探测覆盖从1000HZ高频到0.001HZ低频天然场源的电磁信号频带，其中VCT-500TS系列探水仪可以采集500个频率的电磁场信号，由于不同频率成分信号对应于不同的穿透“趋肤深度”，就是说在一个探测点一次采集到的电位值数据可以展现该点500个深度层面的岩石层电性分布结构。4

21、、信号采集处理精度高。探测仪数据采集处理系统由32位CPU工控板控制，存储容量高达4GB，可根据每点信号自适应调整放大倍数，经过特殊设计和技术处理，成功解决了低噪声、高精度、低功耗、低时漂、大容量存储等关键技术，完全适合天然场源具有的大动态范围、宽频带、微弱电磁信号的特点。5、采用计算机脱机处理分析。目前国外高端大地电磁探测仪都还是直接在探测仪上进行存储、计算、分析、显示，但因存储容量、可用资源、软件工具等诸多方面受限，探测点数量不多、测点信息量较少、分析方式单一、图表显示不够详细。富士达大地电磁电位值成像探水仪是探测与分析相分开的，探测仪器专门负责探测操作、数据采集、实时处理及存储，探测项目

22、数据文件存储在探测仪中的4-16GB的SD存储卡上，探测完一个项目后可以随时随地将存储卡数据文件转存在便携式电脑上进行分析。这样，一方面可以边探测边通过计算机脱机分析，既节约时间又可以据情调整探测方案；另一方面可以充分利用各种计算机工具软件资源对探测数据进行更多方位和形式的分析，充分全面的展现地下电性结构和地质状况。6、采用电位值直接成像分析。富士达VCT大地电磁电位值成像探测仪与MT、EH-4、V-8等国外高端大地电磁法探测仪一样，都是通过天然电场的频率域电磁法勘查技术，来观测地层电性参数在纵向及横向上的变化特征，确定地层岩性结构、岩溶发育带或岩石破碎位置以及预测地下水水质的变化规律的。但是

23、，其它探测仪都是先将探测到的电场分量（Ex，Ey）和磁场分量（Hx，Hy）代入公式求出地层的平均视电阻率（）作为基本参数，再与f为频率（Hz）一起求出该频率的趋肤深度（m），通过不同频率探测不同深度的地层变化。基于自己的理解，富士达大地电磁电位值成像法是采用直接探测到的大地电磁电位值信号来替代国内外都在使用的电阻率来表征地下的电性结构。采集到的大地电磁电位值数据不存在公式换算和理论假定，比演算出来的电阻率更加真实，经过各种滤波净化处理后成像结果更接近现实。7、多种模式成像分析软件。富士达VCT大地电磁电位值成像探水仪计算机分析软件，是在充分利用高密度探点及分层所获取的大容量地下电磁电位值信息的

24、基础上，运用独特的滤波技术和近似反演，直接按行、列和频率（层）等多种图表形式来描绘不同纵向截面和平面的剖面成像情况，既可以精确地列出每行、列、频率点的电位值，又可以浓缩成单屏彩色成像显示剖面的结构图，以4种颜色及其各自10种色差形成的剖面电位值成像CT彩图，比其它探测仪的展现形式更多、信息量更大，成像结果更真实、更直观、更逼近地下实际的电性结构。8、探水更加简单快捷精准。由于VCT大地电磁电位值成像探水仪使用了高精度磁探头单点探测，实现了手提探头边走边测；而数据文件转存电脑脱机分析，又使得边探测边分析边调整探测方案、连续的由粗测到精测到定井成为可能。同时，单个探测项目一次最多可以探测99行99

25、列、近1万个探测点，采集到的几百万个频率的电位值数据可以形成的近千个各种剖面彩色成像CT图表和1万个探测点、几万条不同频率（层）的电位值纵深柱形图。使用者无需具备专业技术知识即可看懂；连续不停地通过普测排查、重点勘测、定点精测三个环节，就能够在科学、详实分析的基础上确定构造断裂的位置、走向分布,异常带的宽度，了解地层的垂向和横向变化以及与地下水的关系，半天之内就能精准无误地找到最佳打井位置。六、富士达VCT-500TS大地电磁电位值成像探水仪的主要性能技术指标：1、具有超强抗干扰能力，自动降噪处理。2、测量范围：0.001V3.6V。3、放大倍数：每个探测点自适应调整至最佳放大倍数。4、探测值

26、分辨率：0.001V。8、采用大容量可充电电池供电，连续工作时间超过100小时。9、7050mm液晶屏显示，探测过程全部汉字提示操作。10、手提式电磁感应探头，感应大地电磁信号灵敏度高且不失真。11、内置4-16GB大容量SD卡存储器，可存储几百万个探测点数据。12、单次探测项目拟定可以探测99行99列500频率（层），共采集到近500万个电位值。13、多层次多视角显示地层电位分布状况，可以按频率横剖、按行或列竖剖，通过单图表显示、多图表比较、电位值列表、层叠式点电位彩色分布图等多种形式展示。14、可以通过采集的99行99列500个频率（层）的近500万个电位值数据，把探测区域地下切分成近千个

27、各类的彩色成像剖面CT图，可以清晰反映地下地质结构和含水层的分布及水量。15、可以任意选择显示近1万个探测点（每点从上至下分500层）的电位值纵深柱形图，精准展现纵深各层（频率）电位值大小，进而推算出打井不同深度存在含水裂岩或溶岩的厚度及水量。六、富士达VCT-500TS大地电磁电位值成像分析软件功能1、数据转存与导入功能。将SD存储卡的数据转存到电脑硬盘指定文件夹并导入数据库中；2、项目数据导出功能。将数据库中的项目数据倒出存储到硬盘文件夹中；3、项目数据计算功能。对数据库中的指定项目数据进行计算处理；4、频率与深度设置修改功能。根据当地地质结构状况和打井探深资料修改频率与深度设置表；5、点纵深分析功能。显示所有单点纵深500个频率（深度）的电位值彩色柱形图；6、行连线分析功能。显示500个频率所有单行的电位值彩色柱形图；7、纵深剖面分析功能。显示所有行单行纵深剖面500个频率（层深）的二维彩色VCT图；8、平行剖面分析功能。显示500个频率单频率平行剖面的二维彩色VCT图；（注：具体操作办法按照软件使用指南操作。）