2. 从电磁场到测深曲线
大地电磁测深（MT）观测的是天然电磁场。太阳风与电离层电流体系、全球雷电活动等天然场源，在地球表面产生频率从数万赫兹到数万秒周期的宽频电磁场。这些场源远离测点、随机且不可控，但正因其频谱宽、穿透深度大，才使 MT 成为研究深部电性结构的重要手段。理解 MT 的关键，是弄清三个环节：天然场源如何在地中感应出电流，趋肤深度如何把频率与探测深度联系起来，以及阻抗如何被换算成视电阻率和相位并最终画成测深曲线。
一、天然场源与平面波假设
MT 使用的天然场源按频段大致分为三部分：高频段（约 10 kHz～1 Hz）主要来自全球雷电活动，称为天电（sferics）；中低频段（约 1 Hz～1 mHz）主要来自太阳风与磁层—电离层的相互作用，称为地磁脉动；更低频段则与磁暴等长期变化有关。由于场源距离测点远大于趋肤深度，到达地表附近的电磁场可近似为垂直入射的平面波，这就是 MT 的平面波假设。在该假设下，地表水平电场 E 与水平磁场 H 正交，二者之比即为波阻抗 Z。
需要强调，天然场源信号弱且不稳定，实际观测中必须用磁通门磁力计测 H、不极化电极测 E，并通过多道同步采集与 Robust 估计压制噪声。场源强度随时间和纬度变化，这也是 MT 数据中常出现“死频带”（约 1～5 s 周期附近信号弱）的原因。
二、趋肤深度：频率与探测深度的桥梁
电磁场进入导电地球后按指数规律衰减，振幅衰减到地表值的 1/e 时的深度称为趋肤深度 δ。对均匀半空间，其表达式为：
δ ≈ 503 · sqrt(ρ / f) （单位：m，ρ 为电阻率 Ω·m，f 为频率 Hz）该式说明：频率越低、介质电阻率越高，穿透越深。例如 ρ = 100 Ω·m 时，f = 100 Hz 对应 δ ≈ 503 m，f = 1 Hz 对应 δ ≈ 5030 m，f = 0.01 Hz 对应 δ ≈ 50300 m。因此 MT 用“降频”实现“加深”，一条测深曲线本质上就是随频率降低而逐步加深的探测记录。实际解释中常把 δ 的 1～2 倍作为该频点的有效探测深度范围，并注意高阻层会“屏蔽”其下结构、低阻层会增强分辨能力。
三、波阻抗、视电阻率与相位
在平面波假设下，波阻抗 Z = E/H 是复数，可写成 Z = |Z|·e^{iφ}。由均匀半空间理论，Z 与介质电阻率 ρ 满足 |Z|² = ωμρ（ω = 2πf，μ 为磁导率）。据此定义视电阻率：
ρa = |Z|² / (ωμ) = 0.2 · |Z|² / f （ρa 单位 Ω·m，|Z| 单位 mV/km/nT，f 单位 Hz）相位 φ 是 E 与 H 的相位差。对均匀半空间，φ 恒为 45°；当剖面中出现低阻层时，相位偏离 45°，其偏离方向和幅度反映了电性界面的性质与深度。视电阻率与相位必须联合解释：ρa 曲线对低阻层敏感，相位曲线对界面更敏感，二者互为约束。
四、测深曲线的基本形态与物理含义
把 ρa 和 φ 按频率（常用对数周期）画成双对数坐标曲线，即得 MT 测深曲线。常见形态有：
- 上升型：ρa 随周期增大而升高，说明浅部低阻、深部高阻，如沉积盖层覆盖在结晶基底之上。
- 下降型：ρa 随周期增大而降低，说明深部存在低阻层，如地壳内的导电层或含水层。
- K 型 / H 型 / A 型 / Q 型：分别对应中间高阻、中间低阻、单调上升、单调下降等典型三层曲线形态，是定性解释的常用分类。
- 相位异常：在 ρa 变化平缓处出现相位峰或谷，往往指示薄层或电性过渡带。
下图以一条示例三层模型（覆盖层 50 Ω·m、中间低阻层 5 Ω·m、基底 500 Ω·m）的示意曲线为例，展示频率降低时探测深度增加、ρa 与 φ 同步变化的对应关系。图中数值为教学示意，非实测结果。
读图时应注意：ρa 曲线在中间周期段出现低谷，对应低阻层；相位在该段偏离 45° 并出现峰值，说明电流在低阻层中集中。周期继续增大后 ρa 回升、相位回落，反映高阻基底的影响。实际资料中还要结合二维/三维反演判断异常是真实结构还是地形、静态位移等假象。
五、从观测到曲线的实操要点
实际处理中，先对时间序列做频谱分析得到各频点的阻抗张量，再旋转到主轴方向取 Zxy 或 Zyx 计算 ρa 与 φ。以示例参数说明：若某频点 f = 1 Hz 测得 |Zxy| = 2.0 mV/km/nT，则 ρa = 0.2 × 2.0² / 1 = 0.8 Ω·m；若 |Zxy| = 20，则 ρa = 80 Ω·m。可见 |Z| 变化 10 倍，ρa 变化 100 倍，因此 ρa 对阻抗幅值非常敏感，数据质量直接决定曲线可靠性。
综上，天然场源提供宽频激励，趋肤深度把频率映射为深度，波阻抗经换算得到视电阻率与相位，二者共同构成测深曲线。掌握这条“场源—趋肤深度—阻抗—曲线”的链条，是后续一维/二维反演与地质解释的基础。