本发明涉及地球物理探测技术，具体涉及在研究大地电磁物探理论的成果基层上，重新定义了大地电磁场的场源、采集信号表征的地下介质物性、频率与深度及介质的相互关系，进而提供一种有别于现有方法的一种大地电磁物探方法及装置。
背景技术：
国内外大地电磁法（MT）理论与本发明理论上的区别
电磁法发展历史：（1）20世纪50年代，法国的Cagniard和前苏联的Tikhonov提出了大地电磁法（MT ）；（2）20世纪60年代的Berdichevski等（1969），提出了音频大地电磁法（AMT） ；（3）1971年和1978年，Goldstein和Strangberg提出了可控源音频大地电磁法（CSAMT）。概括而论，频率域大地电磁法理论主要研究三大问题：大地电磁场的场源来自何处，采集的信号表征地下介质的什么物性，如何确定频率与深度、介质的关系。
1、大地电磁场的场源来自于何处
目前国内外教科书中普遍认同的天然场大地电磁场产生的场源有两种。一是雷电说：电磁法探测到的大地电磁场信息主要是由于远处的雷电活动所引起的，雷电产生的电磁能量以波的方式传播，经过在地面与大气电离层之间来回反射，电磁能量迅速减弱趋于均匀。由于地球上几乎每时每刻都有某些地方发生着雷阵雨，所以从远处雷电所产生的天电是一个近似均匀的噪声源。二是太阳风说：星际空间存在着由太阳发出的连续的等离子体流，这种等离子体流通常称作太阳风。太阳发射的带电微粒流破坏了电离层的电磁平衡，从而激起游离气体的自由振动，这样在电离层中产生了发射电磁波的复杂的电流体系，电离层中产生的磁偶极子和电偶极子可以看作大地电磁场的中周期变异的来源。这两种场源学说只是产生的形式不同，但都可以概括为大地电磁场信号来自于天上，而且是随着天气、时间、地域不同明显变化的。
本发明认为大地电磁场的场源来自于地下而非天上。地核内南北极及固态的铁镍合金物质构成了强磁静态磁场，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的脉动切割静磁场，形成了相对稳定的动态电磁场。该场源动态电磁波沿垂直于地面方向运动，将所穿过介质的物理特性信息带到地面，成为我们得以窥视地下介质特性信息的大地电磁场源。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时是相对稳定的，同时电磁波穿过地质结构稳定不变的介质层时产生的折射吸收效应基本上不会随时间变化产生明显的变化。这样，我们在地球表面采集到的大地电磁场信号值亦为相对稳定的，完全能够据其清晰描述地下介质的电磁反应特征和地质构成形态，而且不会随着天气、时间、地域不同产生明显变化。
2、采集的信号表征地下介质的什么物性
传统大地电磁法是通过在地球表面测得的大地电磁场的电场分量和磁场分量计算出地表波阻抗，再代入经验公式得到地下介质的视电阻率值。其认为：在地表测得的电磁波信号与地震波的地表波阻抗概念相同，由亥姆霍兹方程推导得出地表波阻抗等于地表电场分量与磁场分量之比，再由屈服深度效应原理推导得出地下介质的电阻率与地表波阻抗的平方成正比、与频率成反比的结论。由此，几乎所有的大地电磁法探测仪的采样装置都是由两个磁场感应器和两对电极组成，磁场感应器和电极对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，经过模数转换成数字信号并代入公式进行计算，获得反映地下相应深度层介质的视电阻率。
本发明认为大地电磁理论引入波阻抗的概念来定义电磁波的地表波阻抗为Z=电场E/磁场H是错误的。因为：1）波阻抗是计算介质对地震波阻力的参数，地震波是属于物理学中机械波的弹性波，与电磁波是成因和性质完全不同的两种波，地震波阻抗的概念不能引用于电磁波；2）亥姆霍兹方程是用于求解由磁场能量转换成电场能量的关系式，可借助于电磁感应器实现磁场能量向电场能量的两种场能间的转换，而借助于电极和电磁感应器分别在地表拾取大地电磁场的电分量和磁分量信号，是不能相互转换的两个参数，是不能用来代入亥姆霍兹方程进行计算的；3）地下介质对于大地电磁场的电磁波能量主要作用为吸收效应产生的能量损耗，与作用于电场的电阻率、机械波的波阻抗属于场源及岩性反应完全不同的参数，不能放在一个公式中相互求解。
本发明的理论是：我们在地面上采集的大地电磁场信号是一个产生于地幔层运动、垂直向地表面辐射的电磁波剩余能量值，其表征了各频点电磁波通过地下相应各深度层穿透介质能力的大小、或通过各深度层介质时的剩余能量值的大小。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。地幔层运动形成的大地电磁场以电磁波辐射方式穿透地壳到达地表面过程中，要经过数量众多、不同类型的矿物、岩石等介质层，各层介质对入射电磁波会产生一定的反射、吸收、散射和透射作用，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，由于电磁波能量所经过各介质层时都会受到程度不等的吸收和衰减，待之到达地面时就仅剩余非常微弱的大地电磁场能量信号。电磁波被介质吸收掉的能量越少，在地面上采集到的剩余能量值就越高，说明地层介质的穿透性好；反之，电磁波被介质吸收掉的能量越多，在地面上采集到的剩余能量值就越少，说明地层介质的穿透性越差。因此，我们可以通过采集电磁波到达地面后的剩余能量值，得知地层介质对于电磁波的吸收特性，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。
3、如何确定频率与深度、介质的关系
传统大地电磁法认为大地电磁信号在介质中的分布依从于趋肤深度效应理论，据此推导出深度与频率、介质视电阻率的关系式：第一步将所测得地表电场分量与磁场分量之比定义为地表波阻抗；第二步定义介质的视电阻率等于地表波阻抗的平方与频率之比；第三步由趋肤深度效应原理推导出：h=503（h—地层深度，p—视电阻率，f—频率）。这一经验公式已被视为大地电磁物探方法的基本方法论，几乎所有的大地电磁物探法都是通过采集电磁波的电场分量和磁场分量信号为基础数据、再进行推导计算不同频率下的视电阻率和对应深度的。
本发明的观点是大地电磁场服从于趋肤深度效应原理结论及推导出的关系式是错误的：趋肤深度效应原理是对交流电流过导体时产生的一种现象的描述，大地电磁场源产生的电磁波与交流电性质完全不同，其穿过地壳介质也不是导体，不可能产生与导体一样的趋肤深度效应。地层介质对于大地电磁场的电磁波能量主要作用为吸收效应、与介质电阻率无关。关系式中的电磁波的电分量和磁分量、地表波阻抗、介质视电阻率、趋附深度分属于不同场源、互不相干的参数，不能放在一个公式中相互求解。
本发明的理论是在介质固定不变时每一个频率对应的电磁波速和波长固定不变，大地电磁场符合镜像理论的基本条件，在地面上采集到各个频率的大地电磁信号与地下相应波长深度层的电磁波能量值互为镜像关系。即每个频率对应着一个相对固定的自上而下一个波长的地层深度，且此对应关系与地层介质电磁特性无关。从宏观角度来看，我们把电磁波从场源穿过地壳到地面视为一超厚的混合介质层，由于该混合介质层对于电磁波的折射率和能量吸收系数一定，不同频率所对应的电磁波速和波长也相应固定不变。在静电磁学中常遇到在特殊形状的边界条件中，由几个点电荷和电流求静电磁场问题，可用放在研究区域外像电荷代替介质分界面上的极化电荷来求解，这种方法称为镜像法。根据唯一性定理，如果引入镜像电荷后，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，该问题的解就是原问题的解。镜像法不仅适用于静电场，而且还适用于静磁域或迅变电磁场。对于大地电磁场而言，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，完全符合原求解区域应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。因此，在地面上拾取到的不同频率对应波长的电磁感应电位值，就是地下相应一个波长深度介质层的电磁波能量的镜像值。由于电磁波的频率仅与场源有关、与介质无关，在介质固定不变的情况下，每一个频率点都对应于一个唯一的波长，也就是对应于一个唯一的地层深度。由于波长随着频率的增大而变短，频率越高，波长越短，镜像值对应的地层深度就越浅；相反，频率越低，波长越大，镜像值对应的地层深度就越深。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种上述的大地电磁物探方法及装置。该方法重新定义了大地电磁场的场源、采集信号表征的地下介质物性、频率与深度及介质的相互关系，进而提供一种有别于现有方法的一种全新的大地电物探方法。
一种用于大地电磁场物探的探测装置，该装置主要包括电磁感应装置、数据采集板和控制板、计算机数据分析及自动成像软件。
所述的电磁感应装置为大地电磁场物探探测装置的信号采集器，由高导磁磁芯和多组线圈及屏蔽层组成，用以拾取自下而上带有大地电磁场全频段的电磁波信号能量值；鉴于大地电磁场源信号来自于地下而非天上，该电磁感应装置除底面以外均用电磁屏蔽层罩住，以屏蔽掉来自于地表以上的各种电磁干扰信号。
数据采集板由高精度线性稳压电源、多级信号放大器、多级低通滤波器、有源50Hz陷波器组成，从接受电磁感应器的大地电磁场信号能量值开始，对信号能量值进行滤波、放大、陷波、隔直工作，过滤掉无用的电磁干扰信号，并降低电路本身产生的噪声干扰和信号漂移。
控制板主要包括CPU及其外围电路，用于控制采集数据板按照规定程序进行数据采集、将数据采集板放大处理后的模拟信号转换成数字信号并将数据存储到存储器中。
所述的电磁感应装置采集的信号能量值是从地幔层电磁场源辐射到地表的电磁波能量值，来自于空中的各种电磁信号都属于干扰信号，固将电磁感应器除底面以外在其周边用电磁屏蔽层罩住加以屏蔽，使其尽可能只能接收来自于地下的电磁波信号。
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，采集的电磁波全频段的信号能量值只能是一种反映电磁波穿过地壳所有介质层后剩余能量的相对值，同时也表征了各深度层介质对于电磁波能量的吸收性能。鉴于尚无直接反映各种介质对于电磁波吸收特性的参数，而可知电磁波穿透介质能力的大小与介质的硬度成正比、与介质对于电磁波的折射率成反比，由此可参照介质硬度和折射率参数来认知地下各深度层介质的地质属性和构造，
所述的电磁感应装置采集的大地电磁波信号能量值完全符合镜像理论原求解区域应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，各个频率的大地电磁信号与地下相应波长深度层的电磁波能量值互为镜像关系，即地层深度h=波长λ。
由于波长λ=电磁波速v /频率f，当地壳混合介质层的综合电磁波速v一定的条件下，频率f与波长λ呈反比且为一一对应关系，因此，地层深度h与频率f呈反比且为一一对应关系。据此总结大量定井打井实验结果创建形成了稳定可靠的频率域大地电磁法频率f与地层深度h的对应关系表，从而可以将在地表采集到的全频段各频点信号值在对照表中查知相应深度层h、形成自上而下显示各深度层介质电磁特性的测深剖面图。
因以地表为界面的大地电磁信号与地下相应波长深度层的电磁波能量值互为镜像关系，即可界定一定频率f所对应的地层深度h是自地表向下一个波长λ的距离，与探测点所处的位置、海拔高度、地下地壳层厚度及地层介质属性基本无关，只要是在地球地表上频率f与地层深度h的一一对应关系都是有效的。
所述的测深剖面图的建立如下：以各探测点连成一线为横轴、各深度层为纵轴列表，先将各点的不同深度层数值填于表格中；再将以蓝绿黄红多种颜色、每色分成多级色差按规定数值段赋色，根据每格的数值所对应色块涂色形成表格式二维地层剖面彩色图表，来形象表征地下介质电磁特性及结构。
本发明具有如下的优点：
1、制作出VCT成像物探仪专有的电磁感应器及数据采集装置，该装置核心技术的特点与实用价值：（1）简单，只需要把电磁感应器放置在地上即可采样，比其它大地电磁法需要插埋2对电极和放置2个电磁感应器要简单的多。（2）可靠，将采集到的电磁波能量值直接放大并模数转换处理生成电位值后即可用于分析，比其它方法需要将生成的电场分量和磁场分量代入经验公式计算成视电阻率后再分析要更加可靠。（3）快捷，在1个测深点的采样时间只需要3—15秒钟，比美国EH4、加拿大V8等MT方法单点探测40多分钟的速度要快几百倍。（4）适用，其它方法因要把电极埋在土中且对于土壤湿度和探测场地还有诸多要求，受地形限制很多地方不能实施探测，而本发明的电磁感应器可置于水泥地、岩石、厂区、山地等除深水之外的任意地形进行探测，适用性强。
2、用电磁感应器采集到的电磁波信号电位值来直接表征地下介质电磁特性信息，该核心技术的特点与实用价值：（1）直接采用电磁感应器采集的各频点电位值数据来表征相应深度层介质的电磁特性，不必使用多个电极和电磁感应器同时测取电场分量和磁场分量信号、再计算成其它参数值。（2）认定所采集到的是反映各频点相应深度介质层留存的电磁波相对能量值，即可根据采集数值的相对大小所表征的地下各深度层介质电磁特性进行综合分析，进而识别地下各深度层介质的地质属性。（3）鉴于尚无直接反映各种介质对于电磁波吸收特性的参数，而可知电磁波穿透介质能力的大小与介质的硬度成正比、与介质对于电磁波的折射率成反比，由此可参照介质硬度和折射率参数来认知地下各深度层介质的地质属性和构造，如：地下空穴中空气的电磁波穿透性好、折射率低，对应采集的电位值相对就高；水的折射率大、对电磁波能量的吸收性好，对应采集的电位值相对就低。
3、创建出专有的频率与镜像深度对应关系表，该核心技术的特点与实用价值：（1）确立了频率与地层深度的一一对应关系，否定了物探界几十年来一直公认的频率对应的深度层会随地下各层介质电阻率高低而变化的理论，使以往只能模糊判定探测数值对应的深度范围变成精准给出其对应深度层。（2）经过长期实践探索建立的频点与深度层对应关系表，验证结果显示500米深度以上探标定深度与实际深度差距小于10米，至3000米深度层的差距小于50米。（3）目前本发明实际可用的VCT成像深部地质探测仪探测精度为：隔5米显示一层的最大深度为3000米、隔10米显示一层的最大深度为4500米；需要再细分层时，可将采样时间不断加倍，显示分层数量也会不断加倍，目前本发明对深层分析的精准度和分层细度已远高于国内外现有其它物探方法。
4、独创表格式彩色地层扫描剖面二维图像自动成像技术，该核心技术的特点与实用价值：（1）VCT成像剖面图是靠大量的探测数据堆砌成像的，扫描的列数（探测点）和行数（深度层）越多、图像就越清晰，而通过VCT成像法的单电磁感应器秒级高速采样技术，才能实现这一靠几百个探测点几十万个数据堆砌的成像技术；（2）VCT成像二维彩色剖面图是靠自有分析软件自动生成的，整个导入数据、计算成图过程只需要十分钟左右，适合野外勘探现场大数据快捷分析；（3）VCT自动成像技术无需人为判定筛选和修饰处理、全部保留探测到的原始数据，其成像结果比等值曲线图能够更真实、更直观、更详细地描绘出地下介质的电磁结构；（4）VCT成像分析软件除了能够自动生成表格式二维线点垂直剖面图、层平行剖面图之外，还具有的按照实际比例压缩成像、任意选段着色分析等功能，有无断层构造或介质分层、断层的宽窄与倾角、含水裂隙走向与宽窄、含水层位置及宽厚等在剖面图上清晰可见，完全可以通过不同的线层CT剖面图来观察地下地质结构、“看”水、“看”矿、“看”石油、“看”深部断裂来预报地震。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步的描述。
一种用于大地电磁场物探的探测装置，其特征在于：该装置主要包括电磁感应装置、数据采集板和控制板、计算机数据分析及自动成像软件。
所述的电磁感应装置为大地电磁场物探探测装置的信号采集器，由高导磁磁芯和多组线圈及屏蔽层组成，用以拾取自下而上带有大地电磁场全频段的电磁波信号能量值；鉴于大地电磁场源信号来自于地下而非天上，该电磁感应装置除底面以外均用电磁屏蔽层罩住，以屏蔽掉来自于地表以上的各种电磁干扰信号。使用时将电磁感应器垂直放置于地面上，拾取自下而上带有大地电磁场全频段的电磁波信号。
数据采集板由高精度线性稳压电源、多级信号放大器、多级低通滤波器、有源50Hz陷波器组成，从接受电磁感应器的大地电磁场信号能量值开始，对信号能量值进行滤波、放大、陷波、隔直工作，过滤掉无用的电磁干扰信号，并降低电路本身产生的噪声干扰和信号漂移。
控制板主要包括CPU及其外围电路，用于控制采集数据板按照规定程序进行数据采集、将数据采集板放大处理后的模拟信号转换成数字信号并将数据存储到存储器中。
所述的电磁感应装置采集的信号能量值是从地幔层电磁场源辐射到地表的电磁波能量值，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，采集的电磁波全频段的信号能量值只能是一种反映电磁波穿过地壳所有介质层后剩余能量的相对值，同时也表征了各深度层介质对于电磁波能量的吸收性能。鉴于尚无直接反映各种介质对于电磁波吸收特性的参数，而可知电磁波穿透介质能力的大小与介质的硬度成正比、与介质对于电磁波的折射率成反比，由此可参照介质硬度和折射率参数来认知地下各深度层介质的地质属性和构造。实际采集到的微弱的大地电磁场信号都是微伏级的，由于同类装置采集的数据之间具有可比性，可以相对表征电磁波穿过地层介质时的剩余能量值。比如：含有水分地层介质的电磁波能量值在0-1微伏范围内，比较坚硬的石英岩脉等能量值在6-30微伏范围内。各种岩石的属性还要根据其硬度、折射率等参数值与实际信号值对照逐步探索，总结出不同岩石的电磁波吸收特性参数值，才能对于有效识别不同地层介质的属性。
由于大地电磁场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，完全符合镜像理论原求解区域应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，采集到的各个频率的大地电磁信号与地下相应波长深度层的电磁波能量值互为镜像关系，即地层深度h=波长λ。由于波长λ=电磁波速v /频率f，当地壳混合介质层的综合电磁波速v一定的条件下，频率f与波长λ呈反比且为一一对应关系，因此，地层深度h与频率f呈反比且为一一对应关系。据此，我们根据大量定井打井实验结果创建了频率与深度对应关系表，并经过多年将定井与打井结果进行对比验证及修正，形成了稳定可靠的频率域大地电磁法频率f与地层深度h的对应关系表，从而可以将在地表采集到的全频段各频点信号值在对照表中查知相应深度层h、形成自上而下显示各深度层介质电磁特性的测深剖面图。因以地表为界面的大地电磁信号与地下相应波长深度层的电磁波能量值互为镜像关系，即可界定一定频率f所对应的地层深度h是自地表向下一个波长λ的距离，与探测点所处的位置、海拔高度、地下地壳层厚度及地层介质属性基本无关，只要是在地球地表上频率f与地层深度h的一一对应关系都是有效的。
数据处理及分析软件是将采集的电磁波能量信息存储于数据库中，再根据频率与深度关系表进行数据计算处理和列表工作，形成以点数据分析、层数据分析、各种剖切成像分析的彩色柱状图和彩色数据块状剖面图。分析软件包含有传统物探分析所用的连线图法，由于它只能一维观察单点测深数据或单线同层数据，要观察整个线剖面数据只能借助于其它绘图软件来绘制等值曲线图。本发明独创性地发明了以采样电位值数据及相应色彩自动生成表格化彩色二维地层剖面图像技术，即将各探测点连成一线、各深度层电位值排列成表自动生成二维剖面图表，再以多种颜色、每色分成多级色差按数值段赋色形成CT彩图，来形象表征地下介质电磁特性及结构。该剖面图成像分析技术可以用于按探测线向下剖切、按各探测线同点向下剖切，也可以对同一深度层平行剖切成图。由于独创的VCT成像剖面图完全是由实际探测值数据直接堆砌自动生成的，没有经过人为的筛选、拟合计算和假设推断，所以更能真实展现地质结构的状况。