广域电磁法的主要特点

广域电磁法的主要特点鲍力知【摘要】广域电磁法(Wide-FieldElectromagneticMethod,缩写为WFEM)是何继善院士于2010年提出的一种人工源频率域电磁勘探新方法.与已有的可控源音频大地电磁法(CSAMT)相比，同等条件下,WFEM有效观测的平面范围大，获得的观测信号强，数据精度高，对地下电阻率的变化比较敏感，能够比较真实地反映地下电阻率的变化，只测量一个电场分量Ex,通过计算机迭代提取视电阻率，装备轻便,野外效率高.本文介绍广域电磁法的主要特点，以便有益于广域电磁法的推广应用.【期刊名称】《贵州地质》【年(卷)，期】2013(030)001【总页数】5页(P9-13)【关键词】广域电磁法;主要特点;推广应用【作者】鲍力知【作者单位】湖南化工地质勘查院,湖南长沙410004【正文语种】中文【中图分类】P631.3+3广域电磁法(Wide-FieldElectromagneticMethod，缩写为WFEM)是何继善院士于2010年提出的一种人工源频率域电磁勘探新方法。与已有的可控源音频大地电磁法(CSAMT)相比，同等条件下，WFEM有效观测的平面范围大，获得的观测信号强数据精度高，对地下电阻率的变化比较敏感，能够比较真实地反映地下电阻率的变化，只测量一个电场分量Ex，通过计算机迭代提取视电阻率，装备轻便，野外效率高。作为一种新问世的电磁勘探方法，不少同行可能对广域电磁法还不够熟悉。本文介绍广域电磁法的主要特点，以使卑勘查地球物理界的同仁了解这一新方法，在推广应用中取得好的勘查效果。1广域电磁法有交攵观测的平面范围大广域电磁法的最大优点是布置一次场源可以有交攵观测的平面范围大，野外移动场源的次数少，工作效率高。广域电磁法提取视电阻率采用的理论公式与CSAMT不同。以电偶极源为例，CSAMT用的是经过简化了的远区近似公式：电场径向分量磁场方位分量而广域电磁法用的是没有经过简化的完整表达式公式(1)、(2)与(3)、(4)相比，略去了公式级数展开中只有在远区条件下才可以略去的许多高次项。因此，公式(1)、(2)的成立是有条件的，条件就是观测点到场源中心的距离r必须远到r>78(以弓I起的电场强度畸变不超过1%为度)，式中8是所用电磁波的趋肤深度。广域电磁法与CSAMT不同，它使用的是没有经过任何简化的电偶极源的完整公式(3)和(4),适合于偶极子公式(3)和(4)成立的所有区域，包括远区、过渡带甚至一部分近区。即使近到心8，广域电磁法仍然能够正确地反映地下的真实电阻率。图1是p=10Q.m的均匀大地上相同发收距和相同供电极距条件下理论计算的广域电磁法与CSAMT视电阻率的比较。图1均匀大地上相同装置的广域电磁法和CSAMT的视电阻率曲线Fig.1Wider-fieldelectromagneticmethodandapparentresistivitycurveofthesamedeviceonhomogeneousearth不难看出，不论发送的电磁波频率如何变化，WFEM的视电阻率始终是一条Pa=10Q.m的水平线，正确地反映地下的真实电阻率。CSAMT的则只是在电磁波频率f>10Hz时才基本正确地反映地下的真实电阻率，当频率f>10Hz,CSAMT的视电阻率逐渐偏离地下的真实电阻率，最后呈45°直线上升反映为近区交攵应。以频率f>10Hz和f>0.1Hz为例，对于p=10Q.m的均匀大地，f>10Hz时电磁波的趋肤深度S=503m,f=0.1HZ的S=5030m。所用的发收距为r=2000m。CSAMT只是在f>10Hz,也就是发收距r>48时可以有效观测，而广域电磁法直到f=0.1Hz~0.01Hz仍然能够正确反应地下的真电阻率，使用的发收距r<48。可见广域电磁法能够有效观测的平面范围比CSAMT大很多。不难理解，广域电磁法对发收距的要求比CSAMT宽松得多，同等条件下的有效探测范围和探测深度比CSAMT宽广得多。这就意味着同样条件下，在野外广域电磁法布置一次场源可有效观测的范围比CSAMT大得多。或者说在野外移动场源的次数比CSAMT少得多（电磁法中场源移动要费很多的时间和人力）。2广域电磁法获得的观测信号强精度高人工源频率域电磁勘查方法，一般采用电偶极源或磁偶极源做场源，如公式（1）~⑷表明的，偶极源的电（磁）场强度，与观测点到场源中心距离的3次方成反比。CSAMT必需在r>78的远区观测，其其观测到的电（磁）信号微弱，WFEM允许在r>78的区域观测，有时甚至可以在r>78的近区观测，它测得的信号比CSAMT强得多。以图1的参数为例，对于p=10Q.m的大地而言，当频率f=1Hz，电磁波的趋肤深度8=1590m。CSAMT要求在r=7S(也就是ull.lkm)的远区观测，当发送偶极距AB=2000m，发送电流I=10A，理论计算观测到的电场Er最大只有2.3x10-2pV/mo假设测量电极距MN=100m,则MN间的观测电位差为2.3MVO在电(磁)法勘探中，这样微弱的电位差其观测是相当困难的，在此条件下对仪器精度的要求必然很高。反观广域电磁法，它允许在心8(也就是^1.6km)的地方观测，同样条件下观测到的电场Er可以达到7.77pV/m,MN间的观测电位差几乎达到0.8mV，比CSAMT的信号约大338倍。同等条件下广域电磁法比CSAMT观测信号强得多。由于广域电磁法比CSAMT观测信号强，其数据采集的精度比CSAMT高很多。3对地下电阻率的变化反应敏感，比较真实地反映地下电阻率的变化CSAMT需要测量一组相互正交的电场分量Er和磁场分量H^，它沿用的卡尼亚(Carniard)视电阻率公式是由(1)、(2)两个远区近似公式相除得到的。事实上，在人工源电磁法中，I、dL、r、中、3、p等都是已知量，只测量一个场分量Er或H中就能解算出电阻率p。同时测量相互正交电分量Er和磁分量H中再相除的卡尼亚公式是从大地电磁法(MT)照搬过来的，在已知I、dL、r、牧3、p等量的前提下并不必要，反而有点多此一举。因为按公式(1),Er与电阻率成正比，对电阻率的变化比较敏感。而据公式(2),H中与电阻率的平方根成正比，对电阻率的变化不如Er敏感。两式相除的商消去了一个，变得只与电阻率的平方根成正比，也就是说变得对电阻率的变化不够敏感了。广域电磁法是根据公式测量Ex解算视电阻率，而Ex与电阻率p成正比，对电阻率的变化比CSAMT敏感。因此广域电磁法对地下电阻率特别是对深部电性变化的反映，比CSAMT更真实，更准确。图2p=10Q.m的均匀大地上不同发收距的广域与CSAMT视电阻率的比较Fig.2Comparisonofwidefieldofdifferenttransmitter-receiverdistanceandCSAMTonthehomogeneousearthofp=10Qm图2是p=10Q.m的均匀大地上发收距R分别为1590m、3180m、6360m和12720m时理论计算的广域电磁法与CSAMT视电阻率曲线。图中Pa=10Q.m的水平虚线是广域电磁法的。可以看出，不管发收距如何变化，广域电磁法的的视电阻率始终是一条Pa=10Q.m的水平直线，反映了地下的真实电阻率。同样条件下的CSAMT的视电阻率，则与WF的大相径庭。只是在高频（浅部），能够反映大地的真实电阻率。而在中频和低频，视电阻率曲线受到严重的畸变，不能反映地下的真实电阻率。不论发收距大还是小，当频率低到一定程度（趋肤深度S大到一定程度）总会出现过渡带低谷和近区抬起，最后都趋于45°近区渐近线。不同发收距的区别，只是发收距大的出现过渡带和近区效应的频率低一些。或者说发收距大的受近区畸变的范围小一些而已。图3二层大地上广域电磁法与CSAMT视电阻率的比较Fig.3ComparisonofWFEMandCSAMTonthesecondfloor图3是同样参数的二层大地上广域电磁法与CSAMT视电阻率的比较。容易看出，对于第二层（深部层）的电性变化，不论第二层是高阻还是低阻，广域电磁法均出现了近乎水平的渐近线，渐近线的值接近或达到了第二层的真电阻率。反观CSAMT的，当第二层为低阻时，虽有一定的低阻表现，但并不出现渐近线就立即呈45°近区抬起;当第二层为高阻时，基本上是直接进入近区，完全没有第二层的反映。图4是三层地电构造上的广域和CSAMT视电阻率曲线。分为a、b、c、d四个子图，依次是A、Q、K和H型四种类型的三层断面的WF和CSAMT的视电阻率曲线。总的来看，同等条件下广域与CSAMT视电阻率的差别，主要表现在对深部的探测能力。广域的视电阻率曲线尾支佑支），基本上都出现了渐近线。除了A型断面的尾支渐近线的视电阻率值与第三层的真电阻率相差较大外，其它Q、K、H型三种断面的尾支渐近线的视电阻率值基本都达到或接近了第三层的真电阻率。从广域视电阻率曲线的形态，能够判断出断面的类型和性质，一般说来不会发生误导。图4三层地电断面上的WF和CSAMT视电阻率曲线Fig.4WPandCSAMTcurveofgeoelectricalsectiononthethirdfloorCSAMT的视电阻率曲线，不论是哪一种类型的断面，视电阻率曲线的尾支（右支）无一例外卜地表现为近区抬起，严重地偏离了深部的实际情况，完全不能反映第三层的电性和界面的深度。反而容易产生不确定性甚至发生误导，使物探人员作出错误的解释，比如将子图b的断面类型误认为是H型，子图c的断面误认为有四层，■■等O比较图4中的广域和CSAMT视电阻率，不难作出判断在同等条件下，广域法的深部探测能力优于CSAMT,能够比较真实地反映地下的电性分布。4只测量一个电场分量Ex装备轻便野外效率高广域电磁法只测量场的一个电分量（Ex或Er）,通过计算机迭代提取视电阻率，这样做有两个好处。—是对电阻率的变化比CSAMT敏感。图3和图4都说明了这一点。因为广域电磁法测量电场分量Ex依据公式（6）提取视电阻率，电场分量Ex与电阻率p成正比（而不是与p的平方根成正比）。广域电磁法直接从Ex解算视电阻率，p变化1倍Ex也变化1倍;CSAMT计算比值Ex/Hy,p变化1倍比值Ex/Hy仅变化0.3倍。因此广域电磁法对电阻率的变化比CSAMT敏感。另一个好处是，测量一个电分量，不测磁场分量，使用的仪器轻便许多，野外观测的手续简便很多，野外效率高得多。因为仪器不需要具备测量磁场的功能，野外也不需要对磁场进行观测，自然仪器就轻便了，野外观测简便了，效率也就提高了。5结论同等条件下的理论计算和分析表明，广域电磁法与CSAMT相比，有交攵观测的平面范围大，获得的观测信号强、数据精度高，对地下电阻率的变化更敏感，能够比较真实地反映地下电阻率的变化，只测量一个电场分量Ex，通过计算机迭代提取视电阻率，装备轻便，野外效率高等优点，是一种值得推广应用的电磁勘探新方法。[参考文献]【相关文献】[1]何继善广域电磁测深法研究[J].中南大学学报(自然科学版)2010.41(2):1065-1072.[2]何继善广域电磁法和伪随机信号电法[M].北京:高等教育出版社，2010.7.[3]何继善，等编译.可控源音频大地电磁法[M].长沙:中南大学出版社，1999.[4]何继善，鲍力知.垂直线电源的电磁场[J].中南大学学报(自然科学版)2011.Vol.42(1):130-135.[5]何继善，鲍力知.海底无限长水平线电源的电磁场[J].中南工业大学学报，2001,(6):551-554.[6]汤井田，何继善.可控源音频大地电磁法及其应用[M].长沙:中南大学出版社，2005.[7]鲍力知.Sommerfeld-Fourier积分索源，《防灾减灾工程理论与实践》[M].长沙:中南大学出版社，2001,P50-53.[8]何继善，鲍力知.海洋电磁法研究的现状和进展[M].地球物理学进展.14(1):7-9,1999.[9]KaufmanAA,KellerGV.Frequ