D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.06.0☒ 第29卷第6期 北京科技大学学报 Vol.29 No.6 2007年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2007 高精度电磁频谱技术及其在矿产勘探中的应用 李忠)武强)周仁安) 张丽娟) 1)中国矿业大学资源与安全工程学院，北京1000832)滇黔桂石油勘探局，昆明650200 摘要基于大地电磁测深理论，阐述了高精度电磁频谱技术的方法原理，提出了在局部区域内勘探深度和电磁波频率可被 看作具有线性关系，使得地层电阻率可以通过测深曲线进行对应·据此设计了一个多通道探测地下矿层电阻率的观测系统， 采用平板电容器作为传感器，克服了体积效应的缺点，提高了勘探的精度。利用该系统分别对煤层和油气进行勘探，通过与实 际钻孔资料对比，解释符合率大于80%，数据吻合良好 关键词矿产勘探；电磁频谱；平板电容器：多通道探测 分类号P229.2 大地电磁测深是基于电磁感应原理，利用能量 电磁频谱的场源是太阳、太阳黑子活动及闪电 很大的天然电磁场做场源，研究地球的电性变化规 雷击，尤其是太阳辐射，发射出大量的粒子流，当其 律，从而了解地质构造的一种方法，其研究与应用已 达到围绕地球的电离层时，转换为电磁波。由于电 有几十年的历史，具有探测深度大、受高阻层影响 离层远离地球表面，在继续向地层内部传播时，可以 小、分辨能力强、等值范围窄、工作成本低等特点，在 近似地看作是地球表面垂直入射的平面波，地下各 地质填图和区域勘探等方面获得广泛应用 种岩层具有不同的岩性，通常将其视为水平层状介 高精度电磁频谱探测(high precision method of 质，这些岩层具有不同的物理性质（密度、速度、电阻 electromagnetic frequency spectrum,简称HMES)方 率、导磁率等)，从而形成不同的波阻抗界面，电磁 法，是对大地电磁测深方法的改进和发展，早在 波的波阻抗与电阻率、导磁率相关，电磁波在经过 1950年，前苏联地质学家吉洪诺夫(THXOHOB)就对 波阻抗界面时会产生反射，在地面接收并研究不同 大地电磁测深的一维模型进行了研究，之后，Price、 波阻抗界面反射的电磁波，可以得到地层电阻率随 Cantwell、Chouteal和Bouchard等人研究了二维、三 深度变化的信息，结合地质及其他物探资料，可以 维模型，并提出了张量阻抗的概念山.20世纪70 对地层的岩性、物性进行多元解释 年代后，MT的研究主要集中在改进算法、修正图形 等方面2]，有限元法[]、边界元法门相继被应用到 1高精度电磁频谱探测技术原理 二维、三维模型0的计算中，王文祥等研究了大 假设大地为无磁性的均匀导体，不存在电荷积 地低频窗口的截频特性，提出了一种研究电磁波的 累，当电磁波发送到地下时，麦克斯韦(Maxwel)方 新方法一磷论（这种理论有待商榷），并据此研制 程组可以简化为亥姆霍茨方程，如果介质为均匀各 了几种物探仪器-).1995年，中国石油天然气总 向同性，电场沿x方向极化，则亥姆霍茨方程可以 公司将大地电磁频谱方法研究作为其“八五”科技攻 进一步简化，最终得到两个重要公式： 关项目(No·8511404),研制成功了一种被动式探测 =KJp/f (1) 仪器，用于油气、地热、岩性等的探测，取得很好的效 式中，δ为穿透深度，P为上覆地层电阻率，f为电 果].刘宝勤等人从仪器、野外地形和干扰三个方 磁波在地层中的传播频率，K是系数 面探讨了大地电磁频谱方法测点的布设条件，指出 p=(|E2I/八H)/ (2) 在干扰信号和大地电磁频谱相接近时，仪器很难屏 这里，Ex为水平x方向电场强度，H,为水平y方向 蔽干扰4.周仁安等研究了高精度电磁频谱技术， 磁场强度，ω为电磁波的角频率，为相对导磁率， 并利用它寻找天然气，取得了较好的效果[可]. P为对应波阻抗界面的电阻率. 收稿日期：2006-09-05修回日期：2006-11-15 从空中进入地下的电磁波，频率越高，能量越 基金项目：教育部科技重大项目(N。.2004295) 大，越容易被大地吸收；反之，频率低的电磁波则能 作者简介：李忠(1966-)，男，副教授，博士 量衰减很小，可以穿透很深的地层，因此，大地相当
高精度电磁频谱技术及其在矿产勘探中的应用 李 忠1） 武 强1） 周仁安2） 张丽娟1） 1） 中国矿业大学资源与安全工程学院北京100083 2） 滇黔桂石油勘探局昆明650200 摘 要 基于大地电磁测深理论阐述了高精度电磁频谱技术的方法原理提出了在局部区域内勘探深度和电磁波频率可被 看作具有线性关系使得地层电阻率可以通过测深曲线进行对应．据此设计了一个多通道探测地下矿层电阻率的观测系统 采用平板电容器作为传感器克服了体积效应的缺点提高了勘探的精度．利用该系统分别对煤层和油气进行勘探通过与实 际钻孔资料对比解释符合率大于80％数据吻合良好． 关键词 矿产勘探；电磁频谱；平板电容器；多通道探测 分类号 P229∙2 收稿日期：2006－09－05 修回日期：2006－11－15 基金项目：教育部科技重大项目（No．2004－295） 作者简介：李 忠（1966－）男副教授博士 大地电磁测深是基于电磁感应原理利用能量 很大的天然电磁场做场源研究地球的电性变化规 律从而了解地质构造的一种方法其研究与应用已 有几十年的历史具有探测深度大、受高阻层影响 小、分辨能力强、等值范围窄、工作成本低等特点在 地质填图和区域勘探等方面获得广泛应用． 高精度电磁频谱探测（high-precision method of electromagnetic frequency spectrum简称 HMES）方 法是对大地电磁测深方法的改进和发展．早在 1950年前苏联地质学家吉洪诺夫（тихонов）就对 大地电磁测深的一维模型进行了研究．之后Price、 Cantwell、Chouteal 和 Bouchard 等人研究了二维、三 维模型并提出了张量阻抗的概念［1］．20世纪70 年代后MT 的研究主要集中在改进算法、修正图形 等方面［2－5］有限元法［6］、边界元法［7］相继被应用到 二维、三维模型［8－10］的计算中．王文祥等研究了大 地低频窗口的截频特性提出了一种研究电磁波的 新方法——— 论（这种理论有待商榷）并据此研制 了几种物探仪器［11－12］．1995年中国石油天然气总 公司将大地电磁频谱方法研究作为其“八五”科技攻 关项目（No．8511404）研制成功了一种被动式探测 仪器用于油气、地热、岩性等的探测取得很好的效 果［13］．刘宝勤等人从仪器、野外地形和干扰三个方 面探讨了大地电磁频谱方法测点的布设条件指出 在干扰信号和大地电磁频谱相接近时仪器很难屏 蔽干扰［14］．周仁安等研究了高精度电磁频谱技术 并利用它寻找天然气取得了较好的效果［15］． 电磁频谱的场源是太阳、太阳黑子活动及闪电 雷击尤其是太阳辐射发射出大量的粒子流当其 达到围绕地球的电离层时转换为电磁波．由于电 离层远离地球表面在继续向地层内部传播时可以 近似地看作是地球表面垂直入射的平面波．地下各 种岩层具有不同的岩性通常将其视为水平层状介 质这些岩层具有不同的物理性质（密度、速度、电阻 率、导磁率等）从而形成不同的波阻抗界面．电磁 波的波阻抗与电阻率、导磁率相关．电磁波在经过 波阻抗界面时会产生反射在地面接收并研究不同 波阻抗界面反射的电磁波可以得到地层电阻率随 深度变化的信息．结合地质及其他物探资料可以 对地层的岩性、物性进行多元解释． 1 高精度电磁频谱探测技术原理 假设大地为无磁性的均匀导体不存在电荷积 累当电磁波发送到地下时麦克斯韦（Maxwell）方 程组可以简化为亥姆霍茨方程．如果介质为均匀各 向同性电场沿 x 方向极化则亥姆霍茨方程可以 进一步简化最终得到两个重要公式： δ＝κ ρ／f （1） 式中δ为穿透深度ρ为上覆地层电阻率f 为电 磁波在地层中的传播频率κ是系数． ρ＝（｜E 2 x｜／｜H 2 y｜）／ωμ0 （2） 这里Ex 为水平 x 方向电场强度Hy 为水平 y 方向 磁场强度ω为电磁波的角频率μ0 为相对导磁率 ρ为对应波阻抗界面的电阻率． 从空中进入地下的电磁波频率越高能量越 大越容易被大地吸收；反之频率低的电磁波则能 量衰减很小可以穿透很深的地层．因此大地相当 第29卷 第6期 2007年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．6 Jun．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．06．023
.554 北京科技大学学报 第29卷 于一个滤波器，这就是大地低频窗口的截频作用， 对电阻率校正为视电阻率， 式(1)表明，截频与深度的平方成反比，与地质体的 2 视电阻率成正比 观测系统结构 根据亥姆霍茨方程，在地层深度一定时，地层电 根据上述思路，可以设计一个采集系统，如图1 阻率也是固定的，因此从该深度开始的一段地层，可 所示 以将电阻率和深度看作具有线性关系，不妨假设 电场传 数据采 0=a十b6,经过坐标平移变换并整理后，式(1) 感器 集通道1 变为： 电场传 数据采 控制线 采集通 感器2 集通道2 道控制 =K2b/f=B/f (3) 数据存 磁场传 数据采 数据线 储处理 式中B可由实际测得 感器1 集通道3 (MPU) 式（③）建立了一个深度增加，上覆层电阻率也随 磁场传 数据采 感器2 集通道4 比例增加的观察系统，在此系统中，探测深度与测 波周期呈线性变化，这说明在一个局部区域内，二者 图1数据采集系统结构 可以被看作具有线性关系·这是因为在相邻深度点 Fig-1 Structure of a data collecting system 上，即使地层电阻率有较大变化，上覆地层电阻率变 数据采集系统是决定探测地下电阻率是否取得 化仍然很小. 正确数据的关键一环，对整个仪器系统的性能有重 在水平均匀层状介质中，根据Swft公式，可以 大影响，电磁波信号的频率及数据处理对数据精 求得第n层介质的表面阻抗： 度、动态范围的要求是决定数据采集系统设计的主 E Z()=H= 要因素，为了适应广泛的地层条件和保证数据能进 行高精度数值计算（如信号衰减等），要求该探测系 统具有较大的动态范围和高分辨率的测量，并适合 恶劣环境下工作和强化环保的要求， 这里，P:、h:、k:分别为第i层介质的电阻率、厚度和 为提高系统的高精确度，系统的电场和磁场信 波数，Zo为地表的阻抗，Z(ω)为第n层介质表面 号采集部分使用了双平板式电容传感器结构，两组 阻抗， 传感器同时采集单点的电场、磁场数据信息，根据平 对3层断面，式(4)可写为： 板电容的大小尺寸，对两个电场（或磁场）传感器进 Z(ω)= 行信号校正，从而获取该点精确的信号数据。根据 地层构造，可以将某一层位的地质体看作一个平行 板电容器，来自上面的电磁波在地下介质中穿行，使 (5) 得地层平行电容器的正负电荷聚集交替变化，因此 在上面两个公式中，当>-1时，F取双曲余 采用平板电容传感器可以使其达到最佳耦合·平板 切函数，反之则取双曲正切函数 传感器的面积大小，决定了不同深度岩性界面相同 根据式(2)，得到相对电阻率公式： 面积内某一厚度地质体在垂向所反射上来的电磁波 P(ω)=|Z(ω)|2/4 (6) 能量大小.另外，平板式传感器还具有抗干扰能力 设定9、2和的值，给出已知频率∫，结合 强、携带方便、测深精度高等优点，由于这种传感器 式(3)，就可以获得3层断面的正演曲线. 接收的信号和电容器平板面积有关，而与探测深度 从这一认识出发，利用理论公式求取地层深度 无关，从而克服了“体积效应”的弊端， 的传统模式就改变为用实际数据直接标定频率与深 3数据处理 度的关系，只要获得每个采集深度点的电场强度、磁 场强度，便可以得到确定的电阻率值，从而获得随深 首先给系统赋予初值，如在式(3)中b=0.1, 度连续变化的电阻率曲线，需要指出的是，由于观 k=503,并进行周期与深度的转换，起始深度、终止 测系统的改变，所获得的电阻率是相对电阻率，它不 深度、采样间隔参数分别赋予初始值H1、H2和S 同于地层视电阻率，利用适当的校正方法，可以将相 （单位：m)
于一个滤波器这就是大地低频窗口的截频作用． 式（1）表明截频与深度的平方成反比与地质体的 视电阻率成正比． 根据亥姆霍茨方程在地层深度一定时地层电 阻率也是固定的因此从该深度开始的一段地层可 以将电阻率和深度看作具有线性关系．不妨假设 ρ＝ a＋ bδ经过坐标平移变换并整理后式（1） 变为： δ＝κ2b／f＝B／f （3） 式中 B 可由实际测得． 式（3）建立了一个深度增加上覆层电阻率也随 比例增加的观察系统．在此系统中探测深度与测 波周期呈线性变化这说明在一个局部区域内二者 可以被看作具有线性关系．这是因为在相邻深度点 上即使地层电阻率有较大变化上覆地层电阻率变 化仍然很小． 在水平均匀层状介质中根据 Swift 公式可以 求得第 n 层介质的表面阻抗： Z（ω）＝ ｜E｜ ｜H｜ ＝Z01F k1h1＋F －1· ρ2 ρ1 F k2h2＋…＋F －1 ρn ρn－1 （4） 这里ρi、hi、ki 分别为第 i 层介质的电阻率、厚度和 波数Z01为地表的阻抗Z（ω）为第 n 层介质表面 阻抗． 对3层断面式（4）可写为： Z（ω）＝ Z01F k1h1＋F －1 ρ2 ρ1 F k2h2＋F －1 ρ3 ρ2 （5） 在上面两个公式中当 ρi＞ρi－1时F 取双曲余 切函数反之则取双曲正切函数． 根据式（2）得到相对电阻率公式： ρ（ω）＝｜Z（ω）｜2／ωμ0 （6） 设定 ρ1、ρ2 和 ρ3 的值给出已知频率 f结合 式（3）就可以获得3层断面的正演曲线． 从这一认识出发利用理论公式求取地层深度 的传统模式就改变为用实际数据直接标定频率与深 度的关系只要获得每个采集深度点的电场强度、磁 场强度便可以得到确定的电阻率值从而获得随深 度连续变化的电阻率曲线．需要指出的是由于观 测系统的改变所获得的电阻率是相对电阻率它不 同于地层视电阻率利用适当的校正方法可以将相 对电阻率校正为视电阻率． 2 观测系统结构 根据上述思路可以设计一个采集系统如图1 所示． 图1 数据采集系统结构 Fig．1 Structure of a data collecting system 数据采集系统是决定探测地下电阻率是否取得 正确数据的关键一环对整个仪器系统的性能有重 大影响．电磁波信号的频率及数据处理对数据精 度、动态范围的要求是决定数据采集系统设计的主 要因素．为了适应广泛的地层条件和保证数据能进 行高精度数值计算（如信号衰减等）要求该探测系 统具有较大的动态范围和高分辨率的测量并适合 恶劣环境下工作和强化环保的要求． 为提高系统的高精确度系统的电场和磁场信 号采集部分使用了双平板式电容传感器结构．两组 传感器同时采集单点的电场、磁场数据信息根据平 板电容的大小尺寸对两个电场（或磁场）传感器进 行信号校正从而获取该点精确的信号数据．根据 地层构造可以将某一层位的地质体看作一个平行 板电容器来自上面的电磁波在地下介质中穿行使 得地层平行电容器的正负电荷聚集交替变化因此 采用平板电容传感器可以使其达到最佳耦合．平板 传感器的面积大小决定了不同深度岩性界面相同 面积内某一厚度地质体在垂向所反射上来的电磁波 能量大小．另外平板式传感器还具有抗干扰能力 强、携带方便、测深精度高等优点．由于这种传感器 接收的信号和电容器平板面积有关而与探测深度 无关从而克服了“体积效应”的弊端． 3 数据处理 首先给系统赋予初值如在式（3）中 b＝0∙1 κ＝503并进行周期与深度的转换起始深度、终止 深度、采样间隔参数分别赋予初始值 H1、H2 和 S （单位：m）． ·554· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第6期 李忠等：高精度电磁频谱技术及其在矿产勘探中的应用 .555 其次，在探测区或相邻区域，选择一口已知钴井 表1HMS探测解释煤层与实钻结果对比 进行深度系数B的标定，要求该钻井符合以下条 Table 1 Contrastive results between HMES and practical drilling 件：(1)地层具有代表性：(2)有己知的电阻率测井资 EH井 LC井 料或者钻井取芯的资料：(3)地层倾角≤10°；(4)地 深度/m误差/%厚度/m深度/m误差/%厚度/m 面没有强电干扰， 458.6-462.6-1.804.2660.2-662.4-0.7 2.2 利用式(3)、(5)、(6)以及初始值，在选择的已知 478.4484.6 1.006.2689.6-701.6 1.112.0 钻井旁测得一条电磁波与电阻率的曲线，将这条曲 537.0538.2 1.901.2713.0717.2-0.34.2 线与已知钴井电阻率曲线进行对比，查看两条曲线 575.1-576.8 3.201.7751.2756.8-0.85.6 是否在各自特征点相似，如果二者的相关性不好， 566.4-568.70.772.3 则按一定角度旋转电场和磁场传感器的方向，重新 587.0-590.6-0.893.6 进行采集，直到找到一条相关性最好的曲线为止， 解释符合率：83% 解释符合率：80% 这时的曲线纵坐标是电磁波电阻率，横坐标是采集 实验与实际钻井资料对比显示，绝大部分煤层， 序号 在探测曲线上有明显的显示（如图2），解释符合率 将测得的随深度变化的电阻率曲线，截取一段 大于80%，影响解释正确率的原因有：高精度电磁 与已知钴井的电阻率曲线或者具有电性特征的其他 频谱探测的解释必须建立在对区域地质，尤其是煤 地层分层资料进行比较，获取采样间隔参数S'： 系地层非常了解的基础上；几次实验工作完全孤立 S'=(Hp2-Hp1)/(L2-L1) (7) 进行，因此容易出现层位对比差错，造成符合率降 式中，H1、Hp2分别为已知钴井的第1、2个测井曲 低，但用测井曲线对比后发现两者相差无几·此 线特征点深度，L1、L2分别为新测点与第1、2个测 外，存在一定的深度误差，这是由于HMES探测的 井曲线特征点相似的电磁波电阻率曲线采集点 对象是一定范围内的地质体，因存在倾斜面，它必然 序号 与穿过该地质体的钻井所获得资料有差异，而且仪 定义深度系数R=S'/S,那么定义B1=RB, 器与探测方法也会存在一定的测量误差， 这样B1就是实际确定的深度系数，在实际探测时 用B1代替公式(3)中的B,以对深度进行调整，在 没有深度参考井的新区域，可以利用以前的与该区 域类似的其他区域的深度系数对基本关系式进行校 05 105115125 145 深度m 解释结论 钻井柱状 正，也可以获得满意效果， 采集的数据资料在经过质量验收之后，在数据 图2HMS探测煤层电阻率的典型曲线 中心进行处理：将记录文件输入解释处理程序，输入 Fig.2 Typical curve of coal seam resisticity by HMIES 初始深度和校正后的采样间隔参数，就可以通过程 序进行处理，调整纵横向的比例，获得采集点的最终 4.2探测油气 处理成果图 利用该观测系统在某油田进行探测，经与实际 基于上述思路，观测系统可以直接得到每个深 钻井曲线进行比对，具有很好的对应关系，如图3 度点的相对电阻率值，与MT相比，在探测深度相 所示 同时，HMES分层精度大大提高，使得电磁频谱法 由只能进行区域普查进入勘探阶段，甚至于开发阶 段，在一维解释中，当深度确定时，只需要读取深度 点的电场强度和磁场强度就极容易地获得电磁波电 深度/m 阻率，方便实时处理解释 图3HMS探测油气的电阻率曲线 4系统应用实例分析 Fig-3 Curves of oil resistivity by HMES 4.1探测煤层 在图3中，黑色段为稠油油层，经过三轮注蒸汽 利用上述系统，对滇东恩洪、老厂地区做了高精 采油，油层含水饱和率达90%以上，使得HMES测 度电磁频谱探测实验，数据见表1. 得的电阻率大幅降低
其次在探测区或相邻区域选择一口已知钻井 进行深度系数 B 的标定要求该钻井符合以下条 件：（1）地层具有代表性；（2）有已知的电阻率测井资 料或者钻井取芯的资料；（3）地层倾角≤10°；（4）地 面没有强电干扰． 利用式（3）、（5）、（6）以及初始值在选择的已知 钻井旁测得一条电磁波与电阻率的曲线将这条曲 线与已知钻井电阻率曲线进行对比查看两条曲线 是否在各自特征点相似．如果二者的相关性不好 则按一定角度旋转电场和磁场传感器的方向重新 进行采集直到找到一条相关性最好的曲线为止． 这时的曲线纵坐标是电磁波电阻率横坐标是采集 序号． 将测得的随深度变化的电阻率曲线截取一段 与已知钻井的电阻率曲线或者具有电性特征的其他 地层分层资料进行比较获取采样间隔参数 S′： S′＝（ Hp2－ Hp1）／（ L2－ L1） （7） 式中Hp1、Hp2分别为已知钻井的第1、2个测井曲 线特征点深度L1、L2 分别为新测点与第1、2个测 井曲线特征点相似的电磁波电阻率曲线采集点 序号． 定义深度系数 R＝ S′／S那么定义 B1＝ RB 这样 B1 就是实际确定的深度系数在实际探测时 用 B1 代替公式（3）中的 B以对深度进行调整．在 没有深度参考井的新区域可以利用以前的与该区 域类似的其他区域的深度系数对基本关系式进行校 正也可以获得满意效果． 采集的数据资料在经过质量验收之后在数据 中心进行处理：将记录文件输入解释处理程序输入 初始深度和校正后的采样间隔参数就可以通过程 序进行处理调整纵横向的比例获得采集点的最终 处理成果图． 基于上述思路观测系统可以直接得到每个深 度点的相对电阻率值．与 MT 相比在探测深度相 同时HMES 分层精度大大提高使得电磁频谱法 由只能进行区域普查进入勘探阶段甚至于开发阶 段．在一维解释中当深度确定时只需要读取深度 点的电场强度和磁场强度就极容易地获得电磁波电 阻率方便实时处理解释． 4 系统应用实例分析 4∙1 探测煤层 利用上述系统对滇东恩洪、老厂地区做了高精 度电磁频谱探测实验数据见表1． 表1 HMES 探测解释煤层与实钻结果对比 Table1 Contrastive results between HMES and practical drilling EH 井 LC 井 深度／m 误差／％ 厚度／m 深度／m 误差／％ 厚度／m 458∙6～462∙6 －1∙80 4∙2 660∙2～662∙4 －0∙7 2∙2 478∙4～484∙6 1∙00 6∙2 689∙6～701∙6 1∙1 12∙0 537∙0～538∙2 1∙90 1∙2 713∙0～717∙2 －0∙3 4∙2 575∙1～576∙8 3∙20 1∙7 751∙2～756∙8 －0∙8 5∙6 566∙4～568∙7 0∙77 2∙3 587∙0～590∙6 －0∙89 3∙6 解释符合率： 83％ 解释符合率： 80％ 实验与实际钻井资料对比显示绝大部分煤层 在探测曲线上有明显的显示（如图2）解释符合率 大于80％．影响解释正确率的原因有：高精度电磁 频谱探测的解释必须建立在对区域地质尤其是煤 系地层非常了解的基础上；几次实验工作完全孤立 进行因此容易出现层位对比差错造成符合率降 低．但用测井曲线对比后发现两者相差无几．此 外存在一定的深度误差这是由于 HMES 探测的 对象是一定范围内的地质体因存在倾斜面它必然 与穿过该地质体的钻井所获得资料有差异而且仪 器与探测方法也会存在一定的测量误差． 图2 HMES 探测煤层电阻率的典型曲线 Fig．2 Typical curve of coal seam resisticity by HMES 4∙2 探测油气 利用该观测系统在某油田进行探测经与实际 钻井曲线进行比对具有很好的对应关系如图3 所示． 图3 HMES 探测油气的电阻率曲线 Fig．3 Curves of oil resistivity by HMES 在图3中黑色段为稠油油层经过三轮注蒸汽 采油油层含水饱和率达90％以上使得 HMES 测 得的电阻率大幅降低． 第6期 李 忠等： 高精度电磁频谱技术及其在矿产勘探中的应用 ·555·
,556 北京科技大学学报 第29卷 经过大量实测资料验证，系统可以达到如下指 [2]Patella D.Tramacere A.Smoothing scattered magnetotelluric 标.深度误差：在有井标定地区，误差≤5%；分层精 sounding curves.BOLL Geofis.1992.28(4):269 度：高阻地层≥1m;探测深度：20~4000m [3]Lamarque G.Improvement of MT data processing using station- ary and coherence tests.Geophys Prospect.1999.47(6):816 5结论 [4]Adam A,Szendroi J.Vero J.Different kinds of noises in magne- totelluric data processing Gerlands Beitraege zur Geophysik. (1)高精度电磁频谱技术突破了传统物探技术 1989,98(1):25 的思路，通过对电磁波地层反射信号的观测，经计算 [5]Chen L S,Wang G E.Chen J P.et al.A MT imaging tech 得到地下矿层电阻率曲线，从而获得地下岩性信息， nique.Acta Geophys Sin.1993,36(3):337 [6]Chouteal M,Bouchard K.Two dimensional terrain correction in 判断矿层深度、厚度， magnetotelluric surveys.Geophysics,1988.53(2):854 (2)在矿层厚度远小于探测深度时，可以将上 [7]徐世浙，王庆乙，王车，用边界单元法模拟二维地形对大地电 覆地层看作均匀大地状态，从而得到深度增加，上覆 磁的影响.地球物理学报，1992,35(3)：380 地层电阻率也随之增加，探测深度与电磁波周期呈 [8]张大海，Szarka L,Adam A.三维大地电磁场相关测深曲线研 线性关系，通过三层断面的电阻率一测深曲线，可以 究.石油地球物理学报，2004,39(Sppl):4 [9]徐世浙，沅百尧，周辉，等。大地电磁场三维地形影响的数值 建立深度与电阻率值的对应关系，使得解译方便，从 模拟.中国科学D辑，1997,27(1)：15 而求得矿层厚度和规模、 [10]Szarka L,Zhang D.Correlation between alternative magnetotel- (③)采集系统采用平板式电容传感器，与地下 luric response function and 3-D model parameter//EAGE 65th 目标层形成最佳耦合，从而克服了体积效应的弊端， ConferenceExhibition.Stavanger.2003:106 大大提高了探测精度 [11]王文祥，杨武洋.舜论与天然电磁波法物探.西安：陕西人民 出版社，2002：148 (4)该技术采用天然场源，不需要外加能源系 [12]王文祥，杨武洋.天然电磁波勘探研究的新进展.煤炭科学 统，具有环保的优势 技术，2005,33(1)：18 (5)作为一项新技术，本方法在矿藏勘探方面 [13]郑杰青。浅析大地电磁频谱方法探测昆明地热的效果，云南 应用还比较少，经验也不足，解决的地质问题还不够 地质，1999,18(2)：210 多，这需要在今后的实践中加以改进， [14]刘宝勤，安海静，屈健鹏.中国西北部分地区大地电磁测点 布设条件探讨.西北地震学报，2001,23(1)：78 参考文献 [15]周仁安，桂宝林，王朝栋.高精度电磁频谱法在滇东煤层气 勘探中的应用.云南地质，2004,23(4)：515 ]刘国栋，陈乐寿，大地电磁测深研究。北京：地震出版社， 1984,6 High precision method of electromagnetic frequency spectrum and its application in mineral exploration LI Zhong,WU Qiang),ZHOU Ren'an2),ZHA NG Lijuan) 1)ResoureesSafety Engineering School.China University of Mining and Technology,Beijing 100083.China 2)Dian-Qian-Gui Bureau of Oil Exploration,Kunming 650200.China ABSTRACI Based on the magnetotelluric (MT)theory,a technical law of high precision electromagnetic spectrum was illustrated.From comparative analysis of experiment,the exploring depth and the electromagnetic frequency could be regarded as a linear relation in local area,which made the stratum resistivity correspond to the exploring sounding curve.An observation system of underground coal seam resistivity using multi channel exploring method was designed.As a sensor,the paralleled capacitor overcame the disadvantage of volume effec- tiveness and improved the exploring precision.The system is adopted to explore coal seam and oil-gas.In com- parison with the practical drilling data,the accordance gives out a satisfied result with a figure of 80or more. KEY WORDS mineral exploration:electromagnetic spectrum:paralleled capacitor;multi-channel exploring method
经过大量实测资料验证系统可以达到如下指 标．深度误差：在有井标定地区误差≤5％；分层精 度：高阻地层≥1m；探测深度：20～4000m； 5 结论 （1） 高精度电磁频谱技术突破了传统物探技术 的思路通过对电磁波地层反射信号的观测经计算 得到地下矿层电阻率曲线从而获得地下岩性信息 判断矿层深度、厚度． （2） 在矿层厚度远小于探测深度时可以将上 覆地层看作均匀大地状态从而得到深度增加上覆 地层电阻率也随之增加探测深度与电磁波周期呈 线性关系．通过三层断面的电阻率－测深曲线可以 建立深度与电阻率值的对应关系使得解译方便从 而求得矿层厚度和规模． （3） 采集系统采用平板式电容传感器与地下 目标层形成最佳耦合从而克服了体积效应的弊端 大大提高了探测精度． （4） 该技术采用天然场源不需要外加能源系 统具有环保的优势． （5） 作为一项新技术本方法在矿藏勘探方面 应用还比较少经验也不足解决的地质问题还不够 多这需要在今后的实践中加以改进． 参 考 文 献 ［1］ 刘国栋陈乐寿．大地电磁测深研究．北京：地震出版社 1984：6 ［2］ Patella DTramacere A．Smoothing scattered magnetotelluric sounding curves．BOLL Geofis199228（4）：269 ［3］ Lamarque G．Improvement of MT data processing using stationary and coherence tests．Geophys Prospect199947（6）：816 ［4］ Adam ASzendroi JVero J．Different kinds of noises in magnetotelluric data processing．Gerlands Beitraege zur Geophysik 198998（1）：25 ［5］ Chen L SWang G EChen J Pet al．A MT imaging technique．Acta Geophys Sin199336（3）：337 ［6］ Chouteal MBouchard K．Two-dimensional terrain correction in magnetotelluric surveys．Geophysics198853（2）：854 ［7］ 徐世浙王庆乙王军．用边界单元法模拟二维地形对大地电 磁的影响．地球物理学报199235（3）：380 ［8］ 张大海Szarka LAdam A．三维大地电磁场相关测深曲线研 究．石油地球物理学报200439（Suppl）：4 ［9］ 徐世浙沅百尧周辉等．大地电磁场三维地形影响的数值 模拟．中国科学 D 辑199727（1）：15 ［10］ Szarka LZhang D．Correlation between alternative magnetotelluric response function and3－D model parameter∥EAGE 65th Conference ＆ Exhibition．Stavanger2003：106 ［11］ 王文祥杨武洋． 论与天然电磁波法勘探．西安：陕西人民 出版社2002：148 ［12］ 王文祥杨武洋．天然电磁波勘探研究的新进展．煤炭科学 技术200533（1）：18 ［13］ 郑杰青．浅析大地电磁频谱方法探测昆明地热的效果．云南 地质199918（2）：210 ［14］ 刘宝勤安海静屈健鹏．中国西北部分地区大地电磁测点 布设条件探讨．西北地震学报200123（1）：78 ［15］ 周仁安桂宝林王朝栋．高精度电磁频谱法在滇东煤层气 勘探中的应用．云南地质200423（4）：515 High-precision method of electromagnetic frequency spectrum and its application in mineral exploration LI Zhong 1）W U Qiang 1）ZHOU Ren’an 2）ZHA NG L ijuan 1） 1） Resources ＆ Safety Engineering SchoolChina University of Mining and TechnologyBeijing100083China 2） Dian-Qian-Gui Bureau of Oil ExplorationKunming650200China ABSTRACT Based on the magnetotelluric （MT ） theorya technical law of high precision electromagnetic spectrum was illustrated．From comparative analysis of experimentthe exploring depth and the electromagnetic frequency could be regarded as a linear relation in local areawhich made the stratum resistivity correspond to the exploring sounding curve．An observation system of underground coal seam resistivity using mult-i channel exploring method was designed．As a sensorthe paralleled capacitor overcame the disadvantage of volume effectiveness and improved the exploring precision．The system is adopted to explore coal seam and oi-l gas．In comparison with the practical drilling datathe accordance gives out a satisfied result with a figure of80％ or more． KEY WORDS mineral exploration；electromagnetic spectrum；paralleled capacitor；mult-i channel exploring method ·556· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷