廣域電磁法的主要特點(diǎn)

廣域電磁法的主要特點(diǎn)鮑力知【摘要】廣域電磁法(Wide-FieldElectromagneticMethod,縮寫為WFEM)是何繼善院士于2010年提出的一種人工源頻率域電磁勘探新方法.與已有的可控源音頻大地電磁法(CSAMT)相比，同等條件下,WFEM有效觀測的平面范圍大，獲得的觀測信號強(qiáng)，數(shù)據(jù)精度高，對地下電阻率的變化比較敏感，能夠比較真實(shí)地反映地下電阻率的變化，只測量一個電場分量Ex,通過計算機(jī)迭代提取視電阻率，裝備輕便,野外效率高.本文介紹廣域電磁法的主要特點(diǎn)，以便有益于廣域電磁法的推廣應(yīng)用.【期刊名稱】《貴州地質(zhì)》【年(卷)，期】2013(030)001【總頁數(shù)】5頁(P9-13)【關(guān)鍵詞】廣域電磁法;主要特點(diǎn);推廣應(yīng)用【作者】鮑力知【作者單位】湖南化工地質(zhì)勘查院,湖南長沙410004【正文語種】中文【中圖分類】P631.3+3廣域電磁法(Wide-FieldElectromagneticMethod，縮寫為WFEM)是何繼善院士于2010年提出的一種人工源頻率域電磁勘探新方法。與已有的可控源音頻大地電磁法(CSAMT)相比，同等條件下，WFEM有效觀測的平面范圍大，獲得的觀測信號強(qiáng)數(shù)據(jù)精度高，對地下電阻率的變化比較敏感，能夠比較真實(shí)地反映地下電阻率的變化，只測量一個電場分量Ex，通過計算機(jī)迭代提取視電阻率，裝備輕便，野外效率高。作為一種新問世的電磁勘探方法，不少同行可能對廣域電磁法還不夠熟悉。本文介紹廣域電磁法的主要特點(diǎn)，以使卑勘查地球物理界的同仁了解這一新方法，在推廣應(yīng)用中取得好的勘查效果。1廣域電磁法有交攵觀測的平面范圍大廣域電磁法的最大優(yōu)點(diǎn)是布置一次場源可以有交攵觀測的平面范圍大，野外移動場源的次數(shù)少，工作效率高。廣域電磁法提取視電阻率采用的理論公式與CSAMT不同。以電偶極源為例，CSAMT用的是經(jīng)過簡化了的遠(yuǎn)區(qū)近似公式：電場徑向分量磁場方位分量而廣域電磁法用的是沒有經(jīng)過簡化的完整表達(dá)式公式(1)、(2)與(3)、(4)相比，略去了公式級數(shù)展開中只有在遠(yuǎn)區(qū)條件下才可以略去的許多高次項(xiàng)。因此，公式(1)、(2)的成立是有條件的，條件就是觀測點(diǎn)到場源中心的距離r必須遠(yuǎn)到r>78(以弓I起的電場強(qiáng)度畸變不超過1%為度)，式中8是所用電磁波的趨膚深度。廣域電磁法與CSAMT不同，它使用的是沒有經(jīng)過任何簡化的電偶極源的完整公式(3)和(4),適合于偶極子公式(3)和(4)成立的所有區(qū)域，包括遠(yuǎn)區(qū)、過渡帶甚至一部分近區(qū)。即使近到心8，廣域電磁法仍然能夠正確地反映地下的真實(shí)電阻率。圖1是p=10Q.m的均勻大地上相同發(fā)收距和相同供電極距條件下理論計算的廣域電磁法與CSAMT視電阻率的比較。圖1均勻大地上相同裝置的廣域電磁法和CSAMT的視電阻率曲線Fig.1Wider-fieldelectromagneticmethodandapparentresistivitycurveofthesamedeviceonhomogeneousearth不難看出，不論發(fā)送的電磁波頻率如何變化，WFEM的視電阻率始終是一條Pa=10Q.m的水平線，正確地反映地下的真實(shí)電阻率。CSAMT的則只是在電磁波頻率f>10Hz時才基本正確地反映地下的真實(shí)電阻率，當(dāng)頻率f>10Hz,CSAMT的視電阻率逐漸偏離地下的真實(shí)電阻率，最后呈45°直線上升反映為近區(qū)交攵應(yīng)。以頻率f>10Hz和f>0.1Hz為例，對于p=10Q.m的均勻大地，f>10Hz時電磁波的趨膚深度S=503m,f=0.1HZ的S=5030m。所用的發(fā)收距為r=2000m。CSAMT只是在f>10Hz,也就是發(fā)收距r>48時可以有效觀測，而廣域電磁法直到f=0.1Hz~0.01Hz仍然能夠正確反應(yīng)地下的真電阻率，使用的發(fā)收距r<48?？梢姀V域電磁法能夠有效觀測的平面范圍比CSAMT大很多。不難理解，廣域電磁法對發(fā)收距的要求比CSAMT寬松得多，同等條件下的有效探測范圍和探測深度比CSAMT寬廣得多。這就意味著同樣條件下，在野外廣域電磁法布置一次場源可有效觀測的范圍比CSAMT大得多?；蛘哒f在野外移動場源的次數(shù)比CSAMT少得多（電磁法中場源移動要費(fèi)很多的時間和人力）。2廣域電磁法獲得的觀測信號強(qiáng)精度高人工源頻率域電磁勘查方法，一般采用電偶極源或磁偶極源做場源，如公式（1）~⑷表明的，偶極源的電（磁）場強(qiáng)度，與觀測點(diǎn)到場源中心距離的3次方成反比。CSAMT必需在r>78的遠(yuǎn)區(qū)觀測，其其觀測到的電（磁）信號微弱，WFEM允許在r>78的區(qū)域觀測，有時甚至可以在r>78的近區(qū)觀測，它測得的信號比CSAMT強(qiáng)得多。以圖1的參數(shù)為例，對于p=10Q.m的大地而言，當(dāng)頻率f=1Hz，電磁波的趨膚深度8=1590m。CSAMT要求在r=7S(也就是ull.lkm)的遠(yuǎn)區(qū)觀測，當(dāng)發(fā)送偶極距AB=2000m，發(fā)送電流I=10A，理論計算觀測到的電場Er最大只有2.3x10-2pV/mo假設(shè)測量電極距MN=100m,則MN間的觀測電位差為2.3MVO在電(磁)法勘探中，這樣微弱的電位差其觀測是相當(dāng)困難的，在此條件下對儀器精度的要求必然很高。反觀廣域電磁法，它允許在心8(也就是^1.6km)的地方觀測，同樣條件下觀測到的電場Er可以達(dá)到7.77pV/m,MN間的觀測電位差幾乎達(dá)到0.8mV，比CSAMT的信號約大338倍。同等條件下廣域電磁法比CSAMT觀測信號強(qiáng)得多。由于廣域電磁法比CSAMT觀測信號強(qiáng)，其數(shù)據(jù)采集的精度比CSAMT高很多。3對地下電阻率的變化反應(yīng)敏感，比較真實(shí)地反映地下電阻率的變化CSAMT需要測量一組相互正交的電場分量Er和磁場分量H^，它沿用的卡尼亞(Carniard)視電阻率公式是由(1)、(2)兩個遠(yuǎn)區(qū)近似公式相除得到的。事實(shí)上，在人工源電磁法中，I、dL、r、中、3、p等都是已知量，只測量一個場分量Er或H中就能解算出電阻率p。同時測量相互正交電分量Er和磁分量H中再相除的卡尼亞公式是從大地電磁法(MT)照搬過來的，在已知I、dL、r、牧3、p等量的前提下并不必要，反而有點(diǎn)多此一舉。因?yàn)榘垂?1),Er與電阻率成正比，對電阻率的變化比較敏感。而據(jù)公式(2),H中與電阻率的平方根成正比，對電阻率的變化不如Er敏感。兩式相除的商消去了一個，變得只與電阻率的平方根成正比，也就是說變得對電阻率的變化不夠敏感了。廣域電磁法是根據(jù)公式測量Ex解算視電阻率，而Ex與電阻率p成正比，對電阻率的變化比CSAMT敏感。因此廣域電磁法對地下電阻率特別是對深部電性變化的反映，比CSAMT更真實(shí)，更準(zhǔn)確。圖2p=10Q.m的均勻大地上不同發(fā)收距的廣域與CSAMT視電阻率的比較Fig.2Comparisonofwidefieldofdifferenttransmitter-receiverdistanceandCSAMTonthehomogeneousearthofp=10Qm圖2是p=10Q.m的均勻大地上發(fā)收距R分別為1590m、3180m、6360m和12720m時理論計算的廣域電磁法與CSAMT視電阻率曲線。圖中Pa=10Q.m的水平虛線是廣域電磁法的。可以看出，不管發(fā)收距如何變化，廣域電磁法的的視電阻率始終是一條Pa=10Q.m的水平直線，反映了地下的真實(shí)電阻率。同樣條件下的CSAMT的視電阻率，則與WF的大相徑庭。只是在高頻（淺部），能夠反映大地的真實(shí)電阻率。而在中頻和低頻，視電阻率曲線受到嚴(yán)重的畸變，不能反映地下的真實(shí)電阻率。不論發(fā)收距大還是小，當(dāng)頻率低到一定程度（趨膚深度S大到一定程度）總會出現(xiàn)過渡帶低谷和近區(qū)抬起，最后都趨于45°近區(qū)漸近線。不同發(fā)收距的區(qū)別，只是發(fā)收距大的出現(xiàn)過渡帶和近區(qū)效應(yīng)的頻率低一些?；蛘哒f發(fā)收距大的受近區(qū)畸變的范圍小一些而已。圖3二層大地上廣域電磁法與CSAMT視電阻率的比較Fig.3ComparisonofWFEMandCSAMTonthesecondfloor圖3是同樣參數(shù)的二層大地上廣域電磁法與CSAMT視電阻率的比較。容易看出，對于第二層（深部層）的電性變化，不論第二層是高阻還是低阻，廣域電磁法均出現(xiàn)了近乎水平的漸近線，漸近線的值接近或達(dá)到了第二層的真電阻率。反觀CSAMT的，當(dāng)?shù)诙訛榈妥钑r，雖有一定的低阻表現(xiàn)，但并不出現(xiàn)漸近線就立即呈45°近區(qū)抬起;當(dāng)?shù)诙訛楦咦钑r，基本上是直接進(jìn)入近區(qū)，完全沒有第二層的反映。圖4是三層地電構(gòu)造上的廣域和CSAMT視電阻率曲線。分為a、b、c、d四個子圖，依次是A、Q、K和H型四種類型的三層斷面的WF和CSAMT的視電阻率曲線?？偟膩砜矗葪l件下廣域與CSAMT視電阻率的差別，主要表現(xiàn)在對深部的探測能力。廣域的視電阻率曲線尾支佑支），基本上都出現(xiàn)了漸近線。除了A型斷面的尾支漸近線的視電阻率值與第三層的真電阻率相差較大外，其它Q、K、H型三種斷面的尾支漸近線的視電阻率值基本都達(dá)到或接近了第三層的真電阻率。從廣域視電阻率曲線的形態(tài)，能夠判斷出斷面的類型和性質(zhì)，一般說來不會發(fā)生誤導(dǎo)。圖4三層地電斷面上的WF和CSAMT視電阻率曲線Fig.4WPandCSAMTcurveofgeoelectricalsectiononthethirdfloorCSAMT的視電阻率曲線，不論是哪一種類型的斷面，視電阻率曲線的尾支（右支）無一例外卜地表現(xiàn)為近區(qū)抬起，嚴(yán)重地偏離了深部的實(shí)際情況，完全不能反映第三層的電性和界面的深度。反而容易產(chǎn)生不確定性甚至發(fā)生誤導(dǎo)，使物探人員作出錯誤的解釋，比如將子圖b的斷面類型誤認(rèn)為是H型，子圖c的斷面誤認(rèn)為有四層，■■等O比較圖4中的廣域和CSAMT視電阻率，不難作出判斷在同等條件下，廣域法的深部探測能力優(yōu)于CSAMT,能夠比較真實(shí)地反映地下的電性分布。4只測量一個電場分量Ex裝備輕便野外效率高廣域電磁法只測量場的一個電分量（Ex或Er）,通過計算機(jī)迭代提取視電阻率，這樣做有兩個好處。—是對電阻率的變化比CSAMT敏感。圖3和圖4都說明了這一點(diǎn)。因?yàn)閺V域電磁法測量電場分量Ex依據(jù)公式（6）提取視電阻率，電場分量Ex與電阻率p成正比（而不是與p的平方根成正比）。廣域電磁法直接從Ex解算視電阻率，p變化1倍Ex也變化1倍;CSAMT計算比值Ex/Hy,p變化1倍比值Ex/Hy僅變化0.3倍。因此廣域電磁法對電阻率的變化比CSAMT敏感。另一個好處是，測量一個電分量，不測磁場分量，使用的儀器輕便許多，野外觀測的手續(xù)簡便很多，野外效率高得多。因?yàn)閮x器不需要具備測量磁場的功能，野外也不需要對磁場進(jìn)行觀測，自然儀器就輕便了，野外觀測簡便了，效率也就提高了。5結(jié)論同等條件下的理論計算和分析表明，廣域電磁法與CSAMT相比，有交攵觀測的平面范圍大，獲得的觀測信號強(qiáng)、數(shù)據(jù)精度高，對地下電阻率的變化更敏感，能夠比較真實(shí)地反映地下電阻率的變化，只測量一個電場分量Ex，通過計算機(jī)迭代提取視電阻率，裝備輕便，野外效率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種值得推廣應(yīng)用的電磁勘探新方法。[參考文獻(xiàn)]【相關(guān)文獻(xiàn)】[1]何繼善廣域電磁測深法研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2010.41(2):1065-1072.[2]何繼善廣域電磁法和偽隨機(jī)信號電法[M].北京:高等教育出版社，2010.7.[3]何繼善，等編譯.可控源音頻大地電磁法[M].長沙:中南大學(xué)出版社，1999.[4]何繼善，鮑力知.垂直線電源的電磁場[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2011.Vol.42(1):130-135.[5]何繼善，鮑力知.海底無限長水平線電源的電磁場[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001,(6):551-554.[6]湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁法及其應(yīng)用[M].長沙:中南大學(xué)出版社，2005.[7]鮑力知.Sommerfeld-Fourier積分索源，《防災(zāi)減災(zāi)工程理論與實(shí)踐》[M].長沙:中南大學(xué)出版社，2001,P50-53.[8]何繼善，鮑力知.海洋電磁法研究的現(xiàn)狀和進(jìn)展[M].地球物理學(xué)進(jìn)展.14(1):7-9,1999.[9]KaufmanAA,KellerGV.Frequ