MT大地电磁法仪与VCT大地电磁成像仪的区别

mt-vct

    MT大地电磁法仪与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，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。
VCT大地电磁成像探测仪（以下简称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。
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；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。
VCT的场源是地球内部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。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。
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。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、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。
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。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磁特性的测值不同，由此而论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。
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。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。
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。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。
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。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ρ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量模拟信号，由它们计算出地表波阻抗、视电阻率和相位，经过反演计算求取大地深部电导率结构。
VCT在地表采用一个垂直于地面的电磁传感器测取由高频至低频的自下而上的电磁波能量值，来直接表征大地由浅至深介质的电磁反应结构。
简论：MT通过两个相互垂直、平置于地球表面上磁感应器测取大地电磁场的磁场分量，拾取的绝大部分都是直接来自天空中的场源信号，而呈四角对称的电极也会受到地表存在的电力网线工频及其谐波信号强力作用，本来就非常微弱的地下二次场反射信号在地表测取信号中所占份额就更加微小了。VCT采集的是携带地壳各深度层介质电磁特性信息到达地表后的电磁波剩余能量值，采集时会屏蔽地表之上所有的电磁场干扰信号，分析时没有人为地对探测数据进行筛选剔除和计算，直接出表成图，完全能够客观地反映地下各层介质的电磁反应特性。
9、表征地下介质层的物理特性不同
MT视地球为导体，交变的平面电磁波在透过介质向下传播过程中由于介质波阻抗的作用成为一种衰减波，通过在地表观测相互正交的电场和磁场分量可以获取地下电性构造信息，测深结果所表征的就是地下介质层的电导率。
VCT认为电磁波辐射穿透地壳到达地表过程中，各介质层对入射电磁波会产生一定的折射、吸收作用，大部分电磁波能量将在介质中经过内摩擦、热传导、分子碰撞等被吸收损耗掉。由各频点电磁波穿透相应深度介质层衰减后到达地表时的剩余能量值的大小，即可表征地下介质层的电磁特性。
简论：MT自上而下的电磁波在介质波阻抗的作用下逐层衰减，所测得视电阻率值也会逐层递增，同时也会遇到与直流电法相同的高阻层障碍问题。VCT自下而上的电磁波穿过地壳层整体衰减率基本相同，具体到某个频点相应地层介质的衰减率不同，所得各频点所有深度层测值不会出现递增或递减情况，每个频点测值表征的都是对应深度层介质的实际电磁特性。
10、同为频率域电磁法测深适用的原理不同
MT理论假定：大地电磁场自天上到地下的天然平面电磁波穿透地球时适用导体中交流电流趋肤深度效应原理，对应于不同频率成分的电磁波具有不同的穿透（趋肤）深度，趋肤深度δ （ρ为视电阻率，T为电磁场周期）。
VCT认为大地电磁场源信号以电磁波形式穿过固定不变的介质层传播到地面，完全符合镜像法中原求解区域所满足的泊松或拉普拉斯方程和边界条件不变的唯一性定理要求，拾取信号中对应于不同波长（频率）的值就是在地下一个波长深度介质层的电磁波能量的镜像值。
简论：MT适用趋肤深度效应理论是建立在以下假定基础上：地球为交流电流的导体，地下介质层为均匀平面，趋肤深度取决于电磁波频率和介质的电阻率。然而，在非良导体地下复杂介质层电磁波与交流电流的传导方式和特征是不相同的，单纯把电磁波的电分量假定为交流电场、认定其传导方式符合趋肤深度效应原理是不恰当的。VCT认为自下而上的电磁波穿过固定不变的地壳混合介质层到达地面后的剩余能量值符合镜像理论的基本条件，每个频率的测值与地下相应波长深度层的电磁波能量值互为镜像关系，更符合电磁波传导特征。
11、对于频点对应深度的理论认知不同
MT认为由于不同地质体的导电性不同，大地电磁场穿透不同介质时产生的感应二次场的强度亦不同，随着不同深度层介质电阻率的变化，同一频点所对应的深度也会随之改变，即一定频率下介质层电阻率的大小决定了电磁波的穿透深度。同时，随着频率由大变小、深度由浅到深、电阻率逐渐变大、测值亦随之增高。
VCT认为在地表测量到的自下而上的电磁波信号符合电磁场的镜像原理，对应于不同波长（频率）的值就是在地下一个波长深度介质层的电磁波能量的镜像值。即每一个频率点都对应着一个固定的波长（深度层），每一个频率点的测值就是其对应深度介质层电磁波的能量值（或幅值）。深度层只与频率有关，不随介质电磁特性差异而变化。
简论:MT采集数据计算出某一频点的视电阻率ρ后，由公式δ 计算出对应的趋肤深度值，即某一频点对应的探测深度随着地层介质电阻率而变化。因在现场测取电场分量和磁场分量时会受到各种干扰因素影响，计算出的视电阻率误差较大，导致计算深度失准。VCT根据镜像理论认为频率与深度存在一一对应关系，测值仅表征相应介质层的电磁特性。根据频率（波长）与深度的对应关系就可以频率序列建立固定深度的图表，只需要把相应频点的测值填入其中就可以得到固定深度序列的线剖面图。
12、野外勘探的布线方式不同
MT的采样装置由两个磁场感应器和两对电极组成，每个测点上必须测量彼此正交的电场和磁场。测点应设置在外界电磁干扰小，地表浅部介质电阻率比较均匀的地区。两个磁传感器成90度平放在地面上测取磁场分量HX、HY；两对不极化电极可以选择十字型、T型和L型方式布极来测取电场分量EX、EY，电极距一般取几百米，电极距越大，信号越强。
    VCT采用一个高性能感应式磁感应器（探头）来采集大地电磁场辐射到地表上的电磁波剩余能量值，管状探头的直径7cm、高度40cm，在野外勘探时只需要把探头垂直放在地面上就可以进行勘探，无论是水泥地、马路、岩石上及山林、田间都可以施工操作。
    简论：MT对测点的布线要求高、用时长，尤其是两对电极拉线距离长达几十到几百米、电极棒插入地下土壤的干湿程度、导电性能等都会对拾取信号的真实度产生较大的影响，而在水泥地、马路和岩石上不能施工，在不能远距离拉线布电极和有电力线干扰的地方也不能工作，局限性较大。而VCT只用一个磁感应探头，不受工作地点环境限制。
    13、抗干扰能力不同
    MT的场源信号来自于天上，包括50Hz工业用电也是场源之一，平放着的磁传感器和没有一点抗干扰措施的电极棒插入地下很容易接收到地表上各种电磁波信号，其强度远高于地下反射上来的微弱的二次场电磁波信号，尤其是50Hz工频及其谐波的干扰信号过多过强，导致探测结果明显失真。即使是在采集放大电路板上采取一些抗干扰措施，效果也不会很明显。
    VCT认为只有从地下辐射到地表的电磁波是携带地壳各深度层介质信息的有用信号，地表之上尤其是50Hz电力线等产生的所有电磁信号都视为干扰信号应予以屏蔽掉。经过除对磁感应探头进行特殊抗干扰处理外，还在采集放大电路上采取多种滤波措施增强抗干扰能力，目前仪器抗干扰性能可以达到在离5万伏高压线10米、离22万伏高压线30米处能够正常探测。
    简论：两种都属于天然场源电磁方法，肯定都会受到地上电磁场的干扰，任何一种电磁法物探仪都会采取一定措施来消除干扰，但都不可能完全消除掉电磁干扰。只是MT受场源、采集手段、布线方式等限制，很难有效屏蔽电磁干扰的影响。

    14、野外勘探的效率和效果不同
MT在一个测点要安置两个磁感应器、拉线50--300米埋放4个不极化电极，电极要埋入地下30-40厘米，电极引线必须密封，铺设电缆时不能悬空，布线时间较长。观测时，每一个测点上都要记录足够的频谱成分和足够的长度，采集时间必须为最大周期T的8--10倍，记录时间越长越好。
VCT只需一个人肩背仪器、手提3公斤探头，可随手放置在任何地形地势进行探测。采集时间视探测深度和分层细度而不同，探测深度在1000米之内时采集时间只需要3--15秒，一天可以探测一千多个物理点；探测深度在4000米之内时采集时间需要1--2分钟，一天最多可以探测300个物理点。
简论：由于MT完成一个测点需要半小时以上时间，一般设计一个剖面的探测点数为10--30个、点间距为30--100米，点数再多或点间距再小的话花费的人工与时间就会增加太多。VCT的简单快捷优势使得进行多点密集探测成为可能，一般设计探测达几百米深度的剖面探测点数为100--500点、点间距为1--3米，探测深度达几千米的剖面探测点数为100--300点、点间距为5--10米。地下地层变化多样、构造复杂，若是相隔几十米一个探测点，一般性构造根本看不出来，大的构造也看不出来龙去脉，只有点间距在几米内才能看清构造、掌握细节。
15、测取反映相应深度层的频点数量不同
MT通常是在事先选定好的若干频率上进行测量的，先分别记录磁场和电场分量的数据，然后计算反映地下构造的张量阻抗以及视电阻率、阻抗相位等其他参数。选择的频点一般要考虑到对数坐标上均匀分布，同时避开50Hz工频及其谐波，频点数量相对要少，1000米内约10--40个。如国内购买较多的美国EH-4从0--3000Hz可测1000米深度范围内实际可用频点只有26个。
VCT依据镜像理论认定每个频点对应一个固定不变的波长（地层深度），可以按照对数坐标均匀分布原则在一个探测点根据需要选定采集频点及其地层深度，探测时间随着深度的增大而增加。就探测深度400米、隔2米显示一层的精密型探水仪而言，一个探测点只需7秒钟即可采集200个深度层数据。而探测深度达3000米、隔5米显示一层的深部构造探测仪，一个探测点采集600个深度层数据则需要2分钟；若是要隔1米显示一层的话，单点采集3000个深度层数据就需要6分钟。频率越低、探测的越深，采集信号花费的时间就越长。
简论：MT理论上不同频点对应的探测深度层取决于测值计算出的视电阻率，限制了其只能标出有限频点大概对应的深度层，而不好预先设定更多频点来标定更细的深度分层。VCT理论上每个频点对应一个固定深度层，可以根据最大探测深度和分层细度确定采集时间，按照均匀分布原则、根据探测需要来选择分层细度及频点。这样就可以根据用途来确定探测深度和分层细度，探测深度几十米的堤坝渗漏、管漏、空穴等探测仪就可以细分到隔0.1米一层，探测深度达5000米的石油矿藏探测仪可以细分到1米一层。
16、数据处理及展现方法不同
MT在仪器上显示探测信息的方式主要是把每个探测点上的不同频率点（深度层）计算出来的电阻率值连成折线，构成反映该探测点深度层电性变化的连线图。把探测数据导入到专业制图软件（Surfer或mapgis），还可以绘制成线剖面等值曲线图。
VCT对所探测的数据进行计算、列表、制图的整个过程都是通过地象科技公司研发的计算机分析软件自动完成的，无需人工干预。除可以列出任一深度层连接各点测值的柱状图、任一探测点测深柱状图之外，独创性地以测值及相应色块将测点各层连成行、垂直向下各深度层为列构成CT彩色成像剖面图，其成像结果比等值曲线图能够更真实直观地描绘出地下介质层的电磁结构。
简论：无论采用什么方法反演展现地下介质的电性或电磁结构，首先要保证采集到信号的真实性，即其中主要成分是有用信息而不是干扰信号；其次是探测点要足够多、点间距足够小、分层足够细，即剖面图的分辨率足够高才能看的清楚，而探测点很少、点间距和分层都相隔几十米，仅靠数学模型反演模拟猜测的结果是很难保证其真实性的。

参考文献：
【1】G.波斯坦道弗，1980，大地电磁勘探原理，地质出版社
【2】陈乐寿，王光谔，1990，大地电磁测深法，地质出版社
【3】寇伟，寇通，对现有大地电磁法理论的几点异论，工程技术，2017（1）：42-44.

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