第一篇　大地電磁方法原理

1.1 方法起源與發展

大地電磁探測方法（Magnetotelluric Method, 簡稱 MT 法）為一種利用自然界寬頻電磁場進行地下電性結構成像之被動式電磁探測技術，其理論基礎可追溯至 Tikhonov （1951）與Cagniard （1953）所建立之基本理論架構。然而，早在 1930 年代，日本學者 Hatakeyama 與 Hirayama 便已率先探討地磁脈動與地電流變化之相位關係，奠定自然場源電磁探測之早期觀測與理論基礎，使東亞地區成為全球大地電磁法發展之重要起源之一（Chang et al., 2020a）。

隨後，隨著電子儀器、感測技術與數值計算能力之快速進步，大地電磁法於日本、中國與韓國等東亞地區迅速發展，並廣泛應用於造山帶構造解析、板塊邊界與隱沒帶系統成像、火山與地熱系統探測、沉積盆地構造研究，以及礦產與能源資源勘探等領域，逐漸成為東亞地區深部地球物理探測之核心技術之一。近二十年來，東亞地區在三維反演演算法、遠程參考雜訊抑制技術、海域與海底大地電磁系統，以及淺海與深海探測平台之研發上皆取得顯著進展，使 MT 法得以進一步應用於島弧—隱沒帶構造、海陸過渡帶動力學與洋殼—大陸邊緣演化等前沿科學議題。

MT 法透過同步量測地表電場與磁場隨時間之變化，並於頻域中建立阻抗張量關係，進而反演地下介質之電阻率結構。由於地球天然的低頻電磁場在地下介質中的傳播與擴散行為對電阻率高度敏感，使 MT 法能有效解析地下深部構造，探測深度可達數十公里，因而逐漸發展為與地震探勘並列之深部地球物理探測核心技術之一。

相較於地震探勘主要反映地下介質之彈性波速結構，大地電磁（MT）方法則直接提供地下介質之電性特徵約束，能有效解析岩性差異、流體含量與溫度狀態等地質資訊。由於地下水、熱液、部分熔融體及黏土化帶通常具有較高導電性，MT 方法對流體分布、熱異常體、地熱儲層以及構造破碎帶等高導電構造具有高度敏感性。因此，MT 探測已廣泛應用於構造地質研究、地熱資源探勘、地下水調查、礦產資源探查及深部地殼與上地幔成像等領域，與地震方法在深部構造解析上具有高度互補性。

在若干特殊地質與觀測條件下，地震探勘往往受限，而 MT 方法則更具可行性與優勢，特別包括以下情境：（1）地震訊號品質不佳或震源佈設困難之地區，例如高山、沙漠、火山地帶或人口稠密區；（2）高衰減、高阻或構造極為複雜之環境，使地震波能量迅速衰減、穿透能力受限之情況；（3）需解析深部流體運移路徑、部分熔融體分布、地熱系統熱源區，以及活動斷層破碎帶等導電異常體之研究。由於 MT 方法不需人工震源，且能穿透數十至數百公里深度，因此在上述情境中往往比地震探勘更容易實施並獲得關鍵地球物理資訊。

在臺灣地區，MT 法已被廣泛應用於造山帶地殼構造研究（Bertrand et al., 2012; Chen and Chen, 2000; Chiang et al., 2015; 徐煥銘, 2006; 陳建志, 1998; 葉涵娜, 2021）、活動斷層探勘（Chang et al., 2023; Chang et al., 2020c）、沉積盆地層序與構造演化分析（游峻一, 2003）、地熱系統評估（Chang et al., 2014; Chiang et al., 2015; Chiang et al., 2021）以及地下水資源調查（Amania, 2021）等課題，並於近年進一步拓展至海域與海底電磁探測，顯示其在複雜構造與高雜訊環境中仍具高度實用價值與技術潛力。

1.2 大地電磁場來源

大地電磁法（Magnetotelluric, MT）所利用之電磁訊號，完全來自於自然界中持續存在之地球電磁場變動，屬於典型之被動式電磁探測方法。地球天然電磁場涵蓋極寬廣之頻譜範圍，從接近直流（DC, <10⁻⁴ Hz）之超低頻變化，一直到數千赫茲（kHz）之高頻訊號，整體跨越超過十個數量級的頻率範圍。依觀測頻帶與探測目標深度之不同，MT 方法可進一步區分為：利用人工或廣播電磁源之無線電大地電磁法（RMT, Radio-MT）、針對淺層構造之音頻大地電磁法（AMT, Audio-MT）、涵蓋寬頻段之寬頻大地電磁法（BBMT, Broadband MT），以及著重於深部探測之長週期大地電磁法（LMT, Long-period MT）。不同頻段之 MT 技術彼此互補，共同構成由近地表至上地幔尺度之多深度探測能力。

從物理成因上，自然界中之大地電磁場主要可分為兩大類場源系統：（1）低頻電磁場源，主要與太陽—地球空間環境之交互作用有關；（2）高頻電磁場源，則主要來自全球雷電活動所激發之電磁輻射。兩者在產生機制、頻率範圍、空間尺度與時變特性上均顯著不同，並共同構成地表可觀測之天然電磁頻譜。

1.2.1 低頻場源：太陽風—磁層—電離層耦合系統

低頻大地電磁場（約 10⁻⁴–1 Hz，對應週期約 1 秒至數小時）主要源自太陽風與地球磁層、電離層之交互作用。太陽持續向外噴發帶電粒子所形成之太陽風，攜帶行星際磁場（Interplanetary Magnetic Field, IMF），當其撞擊地球磁層時，會引發一系列電磁耦合過程，包括磁層電流系統之重組、電離層電流之變化，以及全球尺度之磁暴（geomagnetic storm）與磁亞暴（substorm）事件。這些時變電流系統會在地表產生可量測之磁場與感應電場變化，成為 MT 法最重要之低頻天然場源。

在磁層與電離層中，主要之電流系統包含環電流（ring current）、磁尾電流（tail current）、場向電流（field-aligned currents，又稱Birkeland currents）與電離層Sq電流系統等。這些電流系統在不同時間尺度上變化，導致地表磁場產生從數十秒至數小時不等之擾動。其在地表所誘發之電磁場振幅，通常可達數十至數百nT（奈特斯拉）之磁場變化，對應感應電場強度約0.1–10 mV/km，為深部 MT 探測提供穩定而充足之訊號能量來源（圖1）。

在頻率範圍上，低頻場源可再細分為數個主要頻帶：

A.    超低頻（ULF, <0.01 Hz）：主要對應磁暴與長週期磁層電流變化，可探測地殼至上地函深部構造（>30–100 km）。

b.     極低頻（ELF, 0.01–1 Hz）：主要來自磁層—電離層耦合系統與地磁脈動，適合解析下地殼與上地函構造（約 5–50 km）。

由於低頻電磁場具有空間尺度大、場型近似平面波入射、相位穩定等特性，因此成為深部 MT 探測之理想場源，廣泛應用於造山帶、隱沒帶、岩石圈與上地函構造研究，以及大型地熱系統與深部流體分布之解析。

1.2.2 高頻場源：全球雷電活動與電離層─地表波導

高頻大地電磁場（約1–10⁴Hz，對應週期約0.1毫秒至1秒）主要來自全球雷電活動所產生之電磁輻射。地球上平均每秒約發生 40–100 次雷擊，主要集中於熱帶與副熱帶對流旺盛區域。每一次閃電放電過程，皆會釋放強烈之寬頻電磁脈衝，涵蓋數赫茲至數十千赫之頻率範圍。這些電磁波在地球─電離層所形成之天然波導系統中長距離傳播，使得全球任一測站皆可接收到來自遠方雷暴區之高頻電磁訊號（圖2）。

此類高頻訊號在地表磁場中通常呈現數十至數百pT（皮特斯拉）等級，而對應之感應電場則約為1–100 mV/km，為淺部至中深部地層成像提供高解析度之電磁場源。由於其頻率高、集膚深度淺，因此特別適用於解析近地表至數公里深度之地層結構，例如活動斷層破碎帶、地下水含水層、沉積盆地層序、地熱儲層頂部構造，以及工程與環境地球物理探測。

在頻率分類上，高頻天然電磁場可概略分為：

a.     甚低頻（VLF, 3–30 kHz）：主要用於超淺層導電構造與工程探測；

b.     低頻（LF, 300–3000 Hz）與甚低頻以下頻帶（1–300 Hz）：為音頻大地電磁法（AMT）主要工作頻帶，可有效解析 10 m 至數公里之地下結構。

1.2.3 地球天然電磁場振幅與頻譜特性

從整體頻譜角度而言，地球天然電磁場涵蓋從接近直流（<10⁻⁴ Hz）至數十千赫（>10⁴ Hz）之極寬頻帶，其磁場振幅與電場強度隨頻率而顯著變化。然而，於整體連續頻譜中，存在一個天然能量顯著降低之頻率區段，稱為電磁場「能量低谷頻帶」（dead band），約落在 0.1–10 Hz 之間（圖3）。此頻帶同時遠離主要低頻場源（太陽風─磁層耦合）與高頻場源（全球雷電活動），使天然電磁能量顯著衰減，造成該頻段之訊噪比最低，亦為MT與AMT探測中最具挑戰性的頻率範圍之一。此外，在高頻段約3–5 kHz附近亦常出現另一個相對低能量區間，主要受高頻電磁波在地表快速衰減及電離層─地面波導傳播效率降低之影響，對淺層 AMT 觀測品質亦具一定限制。

在低於約 0.1 Hz 之頻帶，地磁擾動主要受磁層與電離層電流系統控制，天然磁場振幅顯著提升，適合進行中深部至深部構造探測；而在高於約 10 Hz 之頻帶，全球雷電活動所產生之電磁輻射透過地表—電離層波導系統長距離傳播，使高頻訊號能量大幅增強，成為淺層與工程尺度探測之主要能量來源。相較之下，0.1–10 Hz 之 dead band 頻段缺乏強而穩定之天然場源，使得此頻率範圍之電磁能量普遍偏低，需透過延長觀測時間、遠程參考法與穩健統計估計等技術，方能獲得可靠之頻譜與阻抗估計結果。

綜合天然場源分布與實測經驗，地球天然電磁場於不同頻率範圍之振幅特性可概略歸納如下（如表1所示）：

a. 超低頻至極低頻（10⁻⁴–10⁻² Hz）：

■    磁場振幅：約 10–500 nT

■    電場強度：約 0.01–1 mV/km

■    探測深度：約 30–300 km

■    場源特性：以磁層與電離層電流系統為主，適合深部地殼與上地函構造研究。

b. 低頻（10⁻²–10⁻¹ Hz）：

■    磁場振幅：約 5–100 nT

■    電場強度：約 0.05–5 mV/km

■    探測深度：約 10–50 km

■    場源特性：磁層–電離層耦合與地磁脈動主導，為中深部 MT 成像之主要工作頻帶。

c. 能量低谷頻帶（dead band, 約 0.1–10 Hz）：

■    磁場振幅：約 0.1–10 nT

■    電場強度：約 0.01–1 mV/km

■    探測深度：約 1–15 km

■    場源特性：天然能量最低，訊噪比差，資料品質高度依賴觀測時長、遠程參考法與穩健頻譜估計技術。

d. 音頻頻帶（10–10³ Hz）：

■    磁場振幅：約 1–100 pT

■    電場強度：約 1–100 mV/km

■    探測深度：約 10 m–5 km

■    場源特性：全球雷電活動主導，適合淺層地質構造、地下水與工程地球物理探測。

e. 甚低頻（>10³ Hz）：

■    磁場振幅：約 0.1–10 pT

■    電場強度：約 10–500 mV/km

■    探測深度：<100 m

■    場源特性：雷電近場與人為電磁雜訊影響顯著，主要用於極淺層與工程探測。

上述振幅範圍會隨地磁活動強度、當地雷電分布、季節變化與日夜電離層狀態而顯著改變。於磁暴期間，低頻磁場振幅可較平靜期放大1–2個數量級，顯著提升深部MT訊號品質；而於熱帶雷暴旺盛季節，高頻訊號能量則明顯增強，有利於AMT與淺層成像之解析度提升。相對而言，dead band頻段在多數時間內能量偏低，成為MT與AMT探測中最具挑戰性、亦最需依賴長時間觀測與高階資料處理技術之關鍵頻率區。

以上內容節錄自《大地電磁方法原理與探查技術指南》張竝瑜◎著．印書小舖出版

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