大地電磁探測方法(Magnetotelluric Method, 簡稱MT法)，最初為Louis Cagniard提出。目前與地震探勘方法一起，大地電磁探測方法已成為深部地球物理探勘的重要手段，由於MT法提供了地下深部電阻率構造分布，因此能在許多震測法難以應用的地區及岩層，協助提供地層構造解析。在台灣，大地電磁法也被廣泛運用於一些地殼構造(陳建志, 1998)與淺部斷層構造(徐漢倫, 2007)，以及沉積層序變遷之探勘工作上(游峻一, 2003b)。
大地電磁訊號來源自自然界太陽風與地球磁場交互作用產生之低頻電磁場源，以及高空閃電等自然電離層現象之高頻電磁場源。大地電磁方法的測深，取決於不同頻率的電磁場集膚深度(Skin Depth)：不同頻率的電磁場訊號，具有不同的地殼穿透深度，所以可依照此特性，推演出不同深度下範圍內的地殼物質電阻率大小：


……………………………………………………………….…….(式2.2.3-1 )
上式中；為集膚深度(m)， 為電磁波角頻率， 為磁通率，σ為導電度，為電阻率，而T則為電磁波週期。

而電阻率的推算，則來自於同時量測電磁場的阻抗張量(Impedance tensor)：

……………………………………………………………………….(式2.2.3-2 )

上式中，為x方向電場與y方向磁場對所得出的阻抗，而為y方向電場與x方向磁場對所得出的阻抗。

由阻抗張量，我們可以進一步推算地殼物質的視電阻率(Apparent resistivity)：

…………………………………………...……………….(式2.2.3-3 )

式中，為視電阻率(ohm-m)。

另外由相位(Phase)(為電場與磁場的相位差)也可推導出不同頻率之地層視電阻率:

…………...………………………………….(式2.2.3-4 )


經過建立頻率-視電阻率變化曲線，我們可以進一步經過反演算，得出不同深部之真實電阻率分布。由於台灣地區的大地電磁訊號，多帶有大量的隨機(incoherence)與同調(coherence)雜訊，Egbert (1997)建議可以利用同時序多站方法，利用Robust multivariate errors-in variate (RMEV)法，或遠程參考站(remote reference)對隨機雜訊進行消除。


研究團隊透過科技部的經費支持，目前已完成四套自製的模組化整合低頻大地電磁儀探測系統，並透過與國內廠商合作，自製出了兩台高頻之記錄器(最高資料採集頻率:10000Hz)，搭配添購之高頻磁力感測模組，作為淺層的調查研究使用。上述大地電磁感測紀錄器，均為具衛星正時功能之野外移動式系統。

儀器之性能諸元詳見下段敘述:
一般大地電磁儀器分為幾個重要部分：電場感測器(俗稱電極或探頭)、磁場接收器以及資料紀錄儀。在地球物理測量中，電極的接收品質主要由三個特性影響：電極的雜訊頻譜範圍、溫度係數以及極化程度的長時間穩定性(張秀成, 1989)。為了使電極能方便的在野外測量，本研究計畫電場感測器應使用非極化電極，以減少因感應所產生之量測雜訊。在電極的選擇上我們採用鉛-氯化鉛(Pb-PbCl2)非極化電極，根據我們前導試驗的實驗顯示，鉛-氯化鉛非極化電極，較銅-硫酸銅非極化電極要有較小之雜訊，在保存與維護上也有較好的表現，通常其壽命可達一年以上。


磁場接收器部份則採用三軸通量閘磁力感測器(fluxgate magnetometer)，現代的通量閘磁力感測器，能量測0.1 nT 至1 mT 的靜態與交流磁場。感測器由軟磁芯、拾波線圈與激發線圈組成，激發線圈反向纏繞在兩磁芯上，使其激磁方向相反。兩磁芯通常為細長的形狀，以減小激磁方向的去磁因子（demagnetization factor），增加激發磁場強度，在交流激磁下，拾波線圈接收磁芯受外磁場（即待測磁場）影響造成的磁通量變化，形成感應電壓。環型通量閘可設計為包含兩組正交的拾波線圈，成為具有X 及Y 兩個感測方向的雙軸磁強計。由感測方向正交的三個通量閘組成的三軸（X-Y-Z）向量式磁強計，能精確量測地磁場的強度與方向。商業化的通量閘典型尺寸為1 至6 cm，可為單軸、雙軸或三軸式，低頻（1 Hz）雜訊可達到3 pT/Hz1/2 以下(鄭振宗、呂志誠, 2010)。本研究計畫採用適於大地電磁量測使用的英國Bartington公司的寬頻三軸通量閘感測器Mag-639與獨立電源供應器。Mag-639的磁強度量測範圍為±100uT(24 bit資料紀錄器條件下解析度約為0.01nT)，內在雜訊小於@1Hz。


而模組化的四套低頻大地電磁系統資料紀錄器部分，主要採用具GPS衛星同步正時功能的英國製EDR-210紀錄器，最高的取樣頻率為3000Hz，有六個通道可以記錄資料。為因應未來聯合地震儀的施測目的，需要至少8個獨立通道，以及高採樣率之需求；因此現有六通道記錄儀EDR-210紀錄器無法適用，所以我們另外自製高頻大地電磁儀所適用之資料紀錄儀，選擇改用取樣率10ks/S，ADC為24位元，並有GPS衛星同步正時功能之自製系統，在不同波道可設定不同的採樣率紀錄，並同時有CF卡及內建固態硬碟紀錄大量資料。經過驗證，可連續於野外運用12V電池，獨力支持及紀錄大地電磁資料至少七日。






圖1、大地電磁測站之現地佈設方式示意圖



大地電磁測站之設備及現場佈設照片



左:大地電磁計錄儀主機佈設，中: 通量閘磁力儀埋設，右: 電極埋設方式