音频大地电磁法

實驗 音頻大地電磁波法

一、目的

實習頻率域電磁波法，利用音頻大地電磁波法(Audio Magnetotellurics, AMT)之實際操作，了解其原理及操作過程，並依所得之數據作定性分析﹐比較CSAMT 與AMT 法之優缺點。

二、儀器

音頻大地電磁測深法，屬於電探領域領中的一種技術，與傳統地電方法最大差別的是『無源測量』。利用天然交變電磁場之音頻域(…Hz)場源，可避免因大電流供電，對環境造成的影響，但天然電磁場的不穩定性，且在某些頻段上先天不足、訊號微弱，容易受人為活動干擾。在幾十Hz 到104Hz 範圍內，人文活動的電磁場干擾特別嚴重。故大地電磁法野外作業時，必須針對測點位置作詳細篩選，避免過度人為干擾區域，如:商業區、道路旁等人文活動頻繁地區，以利增加資料品質的可信度。另外，AMT 儀器施測步驟及注意事項，也是攸關資料品質好壞的因素之一。

本實驗採用的儀器設備，是由加拿大鳳凰公司(Phoenix Geophysics, Canada)所製造之MTU 系列大地電磁測深儀(圖1) 。儀器接收訊號頻寬範圍約 1/1800 Hz ~384 Hz ，MTU-5儀器主要分成三大部份:(1)MTU-5主機，(2)電場感測器（grounding electrode, E x , Ey ），

(3)磁場感測器（coils, H x 、H y 、 H z ）。MTU-5儀器設備主要功能分述如下:

1) 主機(MTU-5):主要功能為接收來自五組頻道訊號，其中包含H x , 、

H y , 、H z 及E x 、 E y ，再將所收集到的類比訊號經濾波 、增益放大後，轉換成數位信號，並利

用全球定位系統(GPS)，紀錄訊號時間，經、緯度及高程等資料，儲存於主機內部快閃記憶體。

2) 電場感測器（接地電極）:由五個非極化電極(Pb/PbCl)及不等長的

屏蔽電線(約50~100公尺) 數條，配置於測點，量測水平電場訊號E x 、E y 。

3) 磁場感測器（線圈）:共計三組，量測水平與垂直磁場訊號(H x 、

H y 、 H z ) 。此外，假若受到嚴重的訊號干擾，可利用另一組相同儀器之RH x 、RH y ，作為遠端參考點，提昇資料處理的品質。

GPS 衛星定位系統 電場感測器 MTU-5主機(Grounding Electrode) 磁場感測器 (Coils)

圖1. MTU-5系列，大地電磁測深儀系統，接收訊號頻寬範圍約 1/1800 Hz ~384 Hz 。

三、理論

MT 法和AMT 法是利用自0.001Hz(來自電離層) 至100Hz(來自全球雷暴活動) 寬頻率範圍內大地自然電場和磁場的起伏變化測勘深部之地下構造。MT 和AMT 電磁信號產生都不需人工電源，在使用自然

電磁波源時，信號源視為在無限遠，「平面波」可簡化AMT 和MT 數據的數學處理和解釋；而CSAMT 法野外工作的一個缺點就是測點接近發射源而無法產生完全的平面波，必需將CSAMT 計算的視電阻率作近場校正。

3.1 AMT、MT 參數：視電阻率與集膚深度

電磁波在傳播時是會衰減的，所以物質對電磁波會有吸收作用，為了瞭解電磁波衰減訊號的可信度，必需知道有效探測深度的關係，以Z s 代表集膚深度(skin depth)。

Z s =500f (m)

ρ:電阻率(Ωm) f:頻率(Hz) Zs:測深(m)

由上式可知穿透深度與頻率、電阻率間的關係，電阻率與頻率的比值相對於穿透深度成根號正比。比值越大，穿透深度愈深(表1) ，此特性代表，不同的頻率與電阻率在介質中傳播會有不同的衰減速率，假設電阻率不變，即低頻電磁波衰減較少，可穿透深度較深; 反之，高頻波衰減較快，穿透深度較淺。當深度超過集膚深度時，訊號會變得很小，所以較不可信。

當介質電阻率隨深度變化時，當n (代表介質層數) 大於1時，所求出的電阻率為一平均值。由於地層為多層構造，故視電阻率ρa 僅能代表地層的平均電阻率，並非實際介質電阻率。根據集膚效應，低頻訊號代表，所計算出的電阻率，接近較深部介質的電阻率，高頻訊 號則計算淺層或第一層的電阻率。

21Z ρa =, n 1ρa :視電阻率(apparent resistivity)。

Z 1, n :代表n 層介質下第一層的特徵阻抗。

f:頻率(Hz)

μ:磁導係數(H/m)

Z:阻抗(Ω) 由E x 得到 H y

表1. 不同頻率电磁波與電阻率關係表

四、方法

4.1施測地點選擇與注意事項

先選定研究區域，進而找尋位置恰當、雜訊干擾少的優良施測地點。以台灣地區而言，地狹人稠，尋找完全無受干擾的測點非常困難，故選擇測點時，以盡量避開人文活動區為主要考量，如無可避免，也應選擇遠離干擾源之處所。以下為測點選擇主要注意事項說明:

1) 測點要避開高壓電、發電廠、變電所、雷達、地下纜線、無線基

地台等電氣設施，因大地電磁場訊號很微弱，訊號容易受電氣設備干擾大地電場與磁場，嚴重影響資料品質與可信度。

2) 測點避免靠近鐵、公路、住宅區、商業區、工業區等人文活動頻

繁地區。

3) 施測地點應選擇地形平坦、地貌簡單、廣闊空曠等地區，以利施工及擺設儀器，若有地形起伏，兩電極的落差須小於電極展距的10%。

4) 須盡量遠離湖泊、水流較大之河流、沼澤、避開森林、深根植物、地表泥濘等地區，避免影響資料品質。

5) 距離海岸線要有一段距離，避免海水效應，影響資料品質。其關係式為1. 5ρ

f ，假設海水電阻率約為0.25歐姆-米(Ω-m) 、頻率為

0.001Hz 時，則最短距離須大於24 公里遠。

6) 氣候因素，亦是影響資料品質好壞的關鍵。

4.2儀器擺設方式

在每個測點施測時，電磁場水頻分量E x 、E y 與H x 、H y 必須互相正交，並注意測量軸x-y 必須相互垂直，一般x-代表正北N ，y-代表正東E 。原則上，依據地形不同，可依照實際情況旋轉主軸x-y 方位，但旋轉角度不宜超過±44度，如已預知構造走向，則主軸x-y 擺設可與構造接近平行擺設。x 、y 之定位，可藉由具修正磁偏角的指北儀來量測與定位。擺設法如下:

如圖2，四個電場感測器(電極) 分別置放於東、西、南、北向(南北向N-S 稱為E x ，東西向E-W 稱為E y ) ，再將接地電極分別連接於MTU-5主機上; 分別將磁場感測器(線圈) 置於三個不同象限並與主機連接，其中，H x 、H y 為水平放置，H z 為垂直埋設地表下。

4.3實驗步驟與注意事項

1) 先尋找適當的中心點位置，訂定中心點放置主機並接地，再架設指北儀器量測方位。

2) 指北儀必須於水平置放並調整磁偏角後，方可量測E x 、E y 相對位置與埋設、連接電場感測器於四個方位(N-S、E-W) 於MTU-5主機上，測量展距並紀錄，展距不得低於50公尺以下。電極埋設時，感測器頂部須距地表約25公分，並加入導電溶液(Nacl)混合泥土埋入。

3) 將磁場感測器，分別於不同象限埋設H x (N-S)、H y (E-W)與H z 並連接於MTU-5主機上。埋設H x 、H y 時務必注意水平完整埋入於地表下約40公分處，H z 則務必注意垂直埋設於地表下。 4) 以三用電表紀錄背景電阻值、交流電壓與直流電壓(E x 、E y ) 。 5) 將MTU-5主機連接電源後開啟後，輸入相關數據(展距、偏角等) 。利用儀器GPS 功能，紀錄與檢查經、緯度與高程等相關訊

息(如圖3) 。

6) 設定取樣率、濾波方式、增益控制及收集時段等(如圖3) 。 7) 檢查各連接線是否交錯與重複檢查上述動作是否確實完成，離開前將所有訊號連接線埋設於地表下避免干擾。

8) 將資料傳輸至手提電腦中，進行初步資料處理與分析，判別資料品質。

設定參數模式

設定啟動

與停止的

紀錄時間

輸入各磁

棒編號

圖3. WinHost儀器設定參數視窗畫面。

五、資料處理

5 4 6 7

1 原始資料

存放位置 儀器校正檔存放位置 磁棒校正檔存放位置

2 原始資料夾內

檔案數量 3 *.PRM資料夾儀器校正檔 磁棒校正檔 圖4. SSMT2000軟體視窗與操作說明圖。

1. 選擇測點資料存放資料夾(e:\Taipei-Sansau\data)，校正檔資料夾(包含MT 主機與磁棒(e:\Taipei-Sansau\data\cal)與要處理的檔案(1564412A.TBL)

2. 資料夾指定正確的話，選擇資料檔後(打勾) ，SSMT2000會自動選擇對應的校正檔。

3. 檢查校正檔是否都有打勾選定。

4. 按下『Make PFT』鍵後，再按下方的『Save 』鍵後選『Close 』離開畫面。此步驟對同一批資料再處理時可以跳過。

5. 按下『TS to FT』鍵後，會出現一計算視窗，等待資料處理結束關閉後。

6. 按下『Edit PRM』鍵，出現如下視窗後，指定存放路徑後，按下下方『Save Parameter File』鍵，再按『Close 』離開畫面。

處理後的檔案存放資料夾

按下Save 鍵後會出現

7. 按下『Process 』鍵，進行初步資料處理，完成後，輸出之檔案格

式為*.EMT、*.MMT(AMT)或*.MTH、*.MTL(MT)。

8. 在程式集裡(開始->程式集->Phoenix Geophysics MTPlot)，使用MT 繪圖軟體MTPlot ，查看施測結果。

六、實例

(a) (b) (c)

圖4. 利用音頻大地電磁法在車籠埔井場施測結果。(a)圖為視電阻率與相位曲線，紅點為觀測值與曲線模型計算值; (b)圖為經由一維逆推後之層狀構造;(c)圖為車籠埔井誌圖，箭頭線處為低阻區。