电磁波在地球物理勘探中的应用

1 引言

电法勘探是地球物理勘探的主要方法之一，通过仪器观测人工或天然产生的电磁场，分析和解释这些场的规律和特点实现地球物理勘探的目的。相比于其他勘探方法，电法勘探应用面广、探测深度大、精确度高[1]。

电法勘探的基本原理是：电磁波在同种介质传播方向不变，不同介质具有一定的电性差异，传播过程中遇到存在电性差异的不同介质时引起电磁波反射，根据反射的结果可以判断地下异常体的位置。电性差异指的是电阻抗的差异，与电导率、磁导率和介电常数有关，一般对电性差异影响最大的是介电常数。

我国的电法勘测最早开始于20世纪30年代，由顾功叙先生开创，早期以从苏联引进技术为主[2]，经过多年发展已经在众多领域都取得了巨大进展，被广泛应用于资源勘探、水文地质、考古环保和地质灾害探测等领域[3]。电磁探测法按照场源的种类可以分为人工场法和天然场法，按照所研究场的响应类型可以分为直流电探测法、频域法和时域法。电磁法如今已经衍生出了很多种类，下面对直流电法、探地雷达（GPR）、瞬变电磁法（TEM）、大地电磁法（MT）和可控源音频大地电磁法（CSAMT）这几种主要的方法进行介绍。

图1.主要电法勘探方法

2 直流电法

直流电法是电法勘探中最早使用，应用广泛的一种物探方式。直流电法通过电极向地下供直流电或低频交流电以形成稳定的电场，测量电极附近的电场分布的勘探方法，该方法主要分为电阻率法和充电法。

2.1 电阻率法

电阻率法使用电极向地下提供稳定的电流，测量周围电势差，从而计算出周围介质的电阻率，进而推断出岩矿石分布和地质结构特征。在传统的电阻率法中多采用等间距排列的温纳装置，如图1所示。其中

，视电阻率和电位差、电流强度的关系为

，其中

。

图2.温娜装置

测量方法分为电测深法和电剖面法，它们分别通过改变电极之间的间距和装置在剖面上的位置来实现对同一测量点不同深度和不同剖面位置的测量。该方法要求地层基本水平，各层之间的电阻率有差异，地形起伏不大，满足以上条件计算得到的电阻率才足够准确。通常用于勘探断层破碎带，含水层厚度和岩溶发育带。

传统的电剖面法和电测深法在铺设一次导线后只能测量一个点的数据，分辨率低，操作复杂。20世纪70年代末基于英国学者等[4]人的阵列电法思想，发展出了高密度电法。其与常规电阻率法的区别在于，将多个电极布置在一个观测点上，由主机自动控制供电电极和接收电机，以此实现多种自由组合形式，提取更多有用的地电信息。高密度电法相比于传统方法有很高的灵活度和效率，只需要一次铺设电极，大大降低了因地形原因电极设置造成的测量误差。

2.2 充电法

充电法的方法和原理与电阻率法相同，区别在于充电法直接对被测物体进行充电，使充电体变成等位体或拟等位体，根据充电体和周围的电场分布特征确定充电体的形状、大小、产状和埋深等，其原理如图3所示。该方法仅限于测对象是良导体，电阻率远小于周围物体，并且有裸露的部分可以用于对被测物体充电。因此这种方法测量深度和大小受限，难以实现深度过深或体积过小物体的探测，多被用于金属矿物和水文勘探。

图3.充电法

直流法虽然经过多年发展，但它仍有很多局限性，主要表现为以下三个方面：其一，直流电法容易受到高阻层和低阻层的屏蔽作用，在高阻层有很大损耗，测量深度大大下降，在低阻层近似于短路，测量精度大大下降；其二，要求被测物体电阻率远小于周围物体，对被测物体和周围环境有要求；其三，需要反复钻孔布置电极，操作复杂成本高，效率低很难实现大范围和大深度探测。

3 探地雷达

探地雷达于1910年由德国学者G.等以专利的形式提出[5]，但直到20世纪80年代才逐步投入使用。探地雷达是一种人工场的时域方法，应用波段一般在UHF/VHF频段，最佳探测深度小于2米。其工作原理是发射无载波的脉冲信号对目标进行照射并接收反射回波，根据回波的波形，振幅和时间变化推断物体形态，深度和位置，如图4所示。探地雷达是目前最为普遍和快捷的浅层地表勘探技术，多被用于水、土壤、岩石和城市地下空间等的勘测[6]。

图4.探地雷达

探地雷达的原理除被用于地表上的直接探测外，还被用于钻孔、坑道等环境下的透射测量上[7]，该方法又被称为“电CT法”，如图5所示。“电CT法”将探地雷达的接收天线和发射天线分别放置在被测介质的两侧，通过改变接收机的深度，得到介质内雷达波速和衰减系数的空间分布。接收机所移动的步长决定了成像精度，被测介质不宜过厚，以免收发天线的距离超过电磁波所能穿透的范围[7]。

图5.电CT法

3.1 回波信号处理

探地雷达接收到的是电磁波的振幅和走波时间，其数据处理是一个很复杂的过程。通常情况下是借助计算机进行处理，自动提取出雷达的剖面图。经过前人的研究，目前探地雷达技术已经基本实现了对非线性散射、衍射、表面反射和环境噪声的识别和移除。在工程上为了更直观的观察回波，通常将回波信号转换成灰阶图的形式。通过研究灰阶图的形状来判断地质结构，灰阶图的颜色深度代表振幅大小，颜色种类代表极性，色块的厚度表示持续时间。对于一个探测区域，将探地雷达在被测介质表面同步移动便可以得到二维连续的灰阶图。

3.2 波速获取

灰阶图等雷达剖面图反映的是电磁波振幅和时间的关系，还需要用波速将走波时间转换成物体的深度信息[8]。一般确定波速的方法有以下四种：第一种是直接使用经验值，如土壤中的波速一般在0.1m/ns左右；第二种是通过已知物体的深度校正，若已知当前环境下某物体的深度，通过测量它的走波时间能够反推出当前介质下的波速；第三种是双曲线拟合，在电磁波遇到电性异常的孤立物体时会有抛物线形状的时距曲线，通过曲线的形状可以大致拟合出波速；第四种是对被测环境下的介质采样，在实验室中测量这种介质的介电常数等电性参数，计算出波速。

实际上，对于探地雷达回波信息的判断并不局限于某一点的具体信号，还需要结合同一点不同时间和周围不同点的回波情况综合判断。局部信号的均匀程度，连续性，震荡程度对于判断介质类型、结构和区分背景噪声都起着至关重要的作用。所以探地雷达的解释成果不仅取决于数据处理的准确性，也很大程度上取决于解释者的经验[9]。

探地雷达采用的是高频宽频带窄脉冲，其探测精度明显高于其他电法探测方法。但也由于其信号衰减较快，探地雷达仅局限于浅层地表的探测。

4 瞬变电磁法

瞬变电磁法于20世纪30年代由苏联学者提出，是一种时域的人工场方法[10]。该方法通过天线发射一次场，在地层中形成涡流，涡流形成二次场，通过分析二次场信息确定地层电性的分布情况，如图6所示。

图6.瞬变电磁法

由于地层中介质的类型不同，所产生的二次场的衰减时间和幅度也不同。测量不同采样时间的感应电动势强度得到瞬变响应曲线，分析二次场的衰减曲线特征，判断地下不同深度的电性特征和规模大小。瞬变电磁法探测深度深，被广泛应用于金属矿物、石油、煤炭和海洋地质勘探当中[11]。

4.1 烟圈效应

在地层中，瞬变磁场的建立不是瞬间完成的，会有一个建立、衰减和传播的过程，也就是烟圈效应。涡流产生的磁场可以等效为一个水平环状电流的磁场，随着时间增加这个电流环向下、向外扩散，如图7所示。

图7.烟圈效应

由于介质的类型不同，所产生的二次场的衰减时间和幅度也不同。测量不同采样时间的感应电动势强度得到瞬变响应曲线，分析异常的散射场信号，从而反演出实际的电性分布。

4.2视电阻率计算

测得的感应电动势不能直接反应地下的电性分布，视电阻率是反映地下空间电性变化的重要参数，关于瞬变电阻率的研究主要集中于瞬变磁场的正反演计算。瞬变场与视电阻率和时间的关系十分复杂，通常研究早期和晚期两种极限情况[12]。早期，高频和低频共存，主要反映浅层电性，扩散速度与电导率成反比，衰减快；晚期，低频信号占主导反映深层电性，扩散速度与电导率成正比，衰减慢。当不满足早期和晚期条件时候，过去通常用晚期公式代替计算，现有很多种“全域电阻率”计算公式，但也都只是近似计算的方法[13]。因此，瞬变电磁法在技术方面继续解决的是数据处理技术，目前该方法的一维和二维电阻率成像技术较为成熟，而二维或三维瞬变电磁反演技术仍处于探索研究阶段[14]。

瞬变电磁法探测深度高，垂向分辨率高，但浅层识别较差，纵向分辨率差。该方法易受低阻层的影响，当低阻层过厚，响应时间会大幅增加，当信号到达深层时已经几乎衰减殆尽。在瞬变电磁法的基础上发展出了半航空和航空瞬变电磁法，其原理和传统的瞬变电磁法相同，区别是将接收天线或收发天线放到飞行器上，以此增加了覆盖范围和提高了勘测效率，适用于大区域勘探。但由于搭载了航空平台，航磁法响应受不同类型的噪声影响较大，其噪声去除技术仍有待研究和改进[15]。

5 大地电磁法

大地电磁法的理论研究最早于20世纪50年代初由A.N.和L.分别提出[16]，该方法是一种自然场法，通过在地表测量由高频到低频的地层天然电磁响应序列，由于趋肤效应，交变场在向地下传播时，高频部分穿透深度小，低频部分穿透深度大，分析数据可以得到地层由浅到深的电性结构。这种方法最初基于将场源视为垂直入射的均匀平面波源的假设，将问题简化为一维介质模型的边值问题，在这种假设下可以求得解析解[17]。而对于二维和三维问题，随着近年来计算机技术的发展也出现了多种运算性能优良的三维各项同性正反演算法[18]。

这种方法的优点是不需要人工场源，探测深度大、不受高阻层的屏蔽作用影响、对低阻层反应灵敏，但由于自然场的信号随机、微弱，干扰和误差大，观测时间长，通常要将观测结果多次叠加[19]。

6 可控源音频大地法

20世纪80年代起，在大地电磁法的基础上进一步发展出了可控源音频大地电磁法[19]，这种方法把大地电磁法的源换成了人工源，用有限长接地导线作为场源，通过测量正交电场和磁场分量得到卡尼亚阻抗电阻率和相位，联合反演电阻率参数。由于提高到了场源的稳定性，相比于大地电磁法工作效率和精度大大提高，但是人工场的源功率不高，探测深度相对较浅。

2005年何继善等[20]从系统层面上改善了这种方法，提出了广域电磁法。采用同时发送和接收含多个频率成分且振幅接近的伪随机信号，实现近区、过渡区和远区的有机统一，得到广域视距电阻率。克服了大地电磁法场源信号随机性的缺点，同时摒弃了可控源大地电磁法将曲面波简化为平面波的做法，转而使用全域精确公式计算视电阻率。广域电磁法实现了对“非远区”的测量，具有更小的收发距离，提高了深度和探测精度。

7 结语

虽然电磁法具有设备简单，成本低效率高，无损检测的特点。但是也不意味着可以解决所有问题，目前电法探测主要存在以下几点问题：其一，在高导介质环境下，电法勘探的探测深度和分辨率都会大幅下降，如海洋、盐碱地、含水黏土层等；其二，被测物体受限，需要目标与周围介质有足够的电性差异；其三，电磁法的探测结果都具有多解性，数据的解释和分析很依赖于现有研究成果和解释者的经验。

电磁法未来重点解决以下几个问题:

(1)通过阵列组合，从垂向和水平的二维探测向三维探测技术发展；利用多分量线圈发射和接收与背景场消除技术。

(2)去专家化，结合人工智能技术，提高噪声抑制技术和反演的精确度，甚至实现自动解释。

(3)融合多物理场，不仅从电磁信息出发，还与声波和放射性探测等技术相结合实现多维度探测和数据分析。

(4)改进收发系统，解决发射源的功率和精度问题，向着智能化，高功率、小型化的方向发展。

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