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对现有大地电磁法理论的几点异论 郑州地象科技有限公司 寇伟 寇通 内容提要：本文在研究现有大地电磁物探理论的基层上，重新定义了大地电磁法的场源、采集信号表征的地下介质物性、频率与深度及介质的相互关系。相对于现有大地电磁法理论提出了几点异论：大地电磁场源来自于地下而非天上；地表大地电磁信号不随场源和环境明显变化、也不取决于地下介质的电性结构，而是动态电磁波穿透地壳时受介质电磁特性影响后的相对稳定值；大地电磁信息反映的并不是由地球内部层间界面上反射产生的二次矢量场计算所得的介质视电阻率和相位曲线，而是由电场和磁场交替传播的同一电磁波穿透地壳时携带的不同地层介质信息；大地电磁测深的对象不是地球的电导率结构，其实质是通过地表电磁波剩余能量值来表征地下各层介质的电磁特性；频率域电磁法测深并不适用导体交变磁场电荷的趋肤深度效应原理，而是适用静电磁场的镜像法求解相应波长深度介质层镜像值；大地电磁信号不随探测深度增加而衰减，而仅取决于相应地层介质的电磁特性；频率一定时探测深度与介质电阻率无关，唯一对应于以地表为界面向下延伸一个波长的镜像深度；不可能由测值计算出地层介质视电阻率绝对值来表征地球内部的电导率结构，而是可用以直接反映地层介质相对的电磁特性。 关键词：大地电磁法，场源，频率，深度，镜像理论 电磁法发展简史：（1）20世纪50年代，法国的Cagniard和前苏联的Tikhonov提出了大地电磁法（MT ）；（2）20世纪60年代的Berdichevski等（1969），提出了音频大地电磁法（AMT） ；（3）1971年和1978年，Goldstein和Strangberg提出了可控源音频大地电磁法（CSAMT）。概括而论，频率域大地电磁法理论主要研究三大问题：大地电磁场的场源来自何处，采集的信号表征地下介质的什么物性，如何确定频率与深度、介质的关系。本文是在研究现有大地电磁物探理论的成果基层上，对于大地电磁场的场源、采集信号表征的地下介质物性、频率与深度及介质的相互关系等问题提出了不同的理论认识和观点，试图以此构建一种全新的大地电磁法理论及其物探方法。 一、大地电磁场的场源来自于何处 现论：大地电磁场源自天上。目前国内外教科书中普遍认同的天然场大地电磁场产生的场源有两种。一是雷电说：电磁法探测到的大地电磁场信息主要是由于远处的雷电活动所引起的，雷电产生的电磁能量以波的方式传播，经过在地面与大气电离层之间来回反射，电磁能量迅速减弱趋于均匀。由于地球上几乎每时每刻都有某些地方发生着雷阵雨，所以从远处雷电所产生的天电是一个近似均匀的噪声源。二是太阳风说：星际空间存在着由太阳发出的连续的等离子体流，这种等离子体流通常称作太阳风。太阳发射的带电微粒流破坏了电离层的电磁平衡，从而激起游离气体的自由振动，这样在电离层中产生了发射电磁波的复杂的电流体系，电离层中产生的磁偶极子和电偶极子可以看作大地电磁场的中周期变异的来源。这两种场源学说只是产生的形式不同，但都可以概括为大地电磁场信号来自于天上，可视为自高空垂直入射到地表的均匀平面电磁波，其中有效场源信号为电离层电流的定向流动或小规模的扰动、太阳风、远距离的雷电和工业用电等，而且它是随着天气、时间、地域不同明显变化的。 异论：大地电磁场源自地下。我们认为大地电磁场的场源来自于地下而非天上。地核内南北极及固态的铁镍合金物质构成了强磁静态磁场，同时外地核的导电流体和磁场的相互作用改变原始的磁场和运动状态，产生感应电流形成动态的电磁场。而地幔软流层与地核和地壳之间的相对运动、自身蠕动及外部影响产生的脉动切割静磁场，也会形成了相对稳定的动态电磁场。地壳层以下的动态电磁场源能量以电磁波形式沿垂直于地面方向向上运动，将所穿过地壳各层介质的物理特性信息带到地面，就是我们得以窥视地下介质特性信息的大地电磁场源。电磁波是以电场和磁场在空间交互变化的形式传播的，电磁波的传播过程也就是电磁能量的传播过程。虽然大地电磁场源发射的电磁波能量具有时变性和不规则性，但在没有较大的地质结构变动时是相对稳定的，同时电磁波穿过地质结构稳定不变的介质层时产生的折射吸收效应基本上不会随时间变化产生明显的变化。这样，我们在地球表面采集到的大地电磁场信号值亦为相对稳定的，完全能够据其清晰描述地下介质的电磁反应特征和地质构成形态，而且不会随着天气、时间、地域不同产生明显变化。 二、影响各深度层大地电磁场采集信息的因素有哪些 现论：与介质电阻率、深度、激发电磁场源诱因等诸多因素相关 大地电磁测深是在地面上观测具有区域性乃至全球性分布特征的天然交变电磁场来研究地下岩层的电学性质及其分布特征的一种勘探方法。大地电磁场源在地球外部原因的作用下是瞬时变化的，受其感应产生的大地电流场自然也会随其变化，了解这些影响各深度层大地电磁采集信息相关因素，才能真实认知地下介质的电导率结构。由于在大地电磁测深中所观测的天然瞬变电磁场具有很宽的频率范围，大致从 0.0001Hz到 10KHz，不同频率的电磁场迭加在一起，形成一个非常复杂的电磁振动，按其频率高低、振幅大小、振动形式及分布特征可分为三类：雷电干扰，磁暴和磁亚暴，地磁脉动，每类都有各自的不完全相同的激发机制，基本上与场源强度与距离、地理位置、磁暴频率与季节、短周期振动的地磁脉动等等因素相关。大地电磁场中的电场部分，除与场源性质有关外，还与地下介质的电性有关，某一地点地下电性是固定的，因此该地点的电场常具有一个较稳定的极化方向。 异论：仅与大地电磁场瞬时变化和介质电磁特性有关。 我们对地下地质构成进行大地电磁物探工作，就是要采集大地电磁场源发射的电磁波穿过地壳介质层传播到地面的大地电磁信号，用它来认知地下各个深度介质层的构成。虽然大地电磁场源发射的电磁波能量具有时变性和不规则性，但是在地幔层若是没有大的变动情况下产生大地电磁的场源条件是相对稳定的，向地面辐射的电磁波应该是小幅波动、相对稳定的。同时，电磁波穿过的介质层是固定不变的，其对电磁波产生的折射吸收效应基本上不会随时间变化产生明显的变化。因此，我们在地球表面采集到的大地电磁场信号值亦为相对稳定的，不随探测点的地理位置、季节变换而产生大的变化，由此才构成了据以清晰描述地下介质的电磁反应特征和地质构成形态的基础。另外，由于大地电磁场源来自地下而非天上，地表之上的磁暴、雷电、电力线、高低频信号等等不规则变化电磁信号都是与携带地层信息的大地电磁信号无关的电磁干扰信号，都是需要屏蔽掉的无用信号。 三、大地电磁场信息的特征 现论：电场分量和磁场分量组成的矢量场学说。现有大地电磁法认为，由于地球外部太阳风或闪电雷击的作用，在地球表面产生了各种频率的水平电场和水平磁场，然后磁流体垂直穿过地球形成了一个闭合的天然磁场，我们在地表测得的大地电磁场信息就是电磁波在导电地球内部层间界面上反射产生二次场。其特征为由电场分量和磁场分量组成的矢量场，具有在方向上随时间变化的特征，而且不同周期的场和不同时间的场的极化方式具有明显的差异，即测量计算结果会随着电磁场变化周期和时间产生变化。据此，所有的大地电磁法探测仪的采样装置都是由两个磁场感应器和两对电极组成，磁场感应器和电极对分别接收不同频率下电磁波的磁场分量和电场分量模拟信号，经过模数转换成数字信号并进行计算处理，获得反映地下相应深度层的介质视电阻率和相位曲线。 异论：电场与磁场同场各表。（1）大地电磁场源信号是一个产生于地幔层运动、垂直向地表面辐射的电磁波，由于电磁波是靠电场和磁场的相互交替来传播的，电磁波为横波，因此电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。大地电磁场形成的电磁波垂直传播到地表，磁场和电场与地表平行分布，且均为大地电磁场的一种表征形态，而不是将大地电磁场能量分割为电场分量和磁场分量。因此，无论是我们采用电极测取电场信号或是采用磁场感应器测取磁场信号，都可用以独立表征大地电磁场信息。（2）电磁波垂直于地面方向向地球表面传播，从宏观上来看同一个频率下电磁场源连续不断地向地表辐射的电磁波叠加后会形成一个波速和波长相同、两倍于振幅的峰峰值包络线内递进的能量包，我们在地表采集到的每一个频率的信号值，都是该频率电磁波传递到地面时的最大能量值，即它所对应的正是该频率电磁波递进到地表时某一个波长振幅点能量值，不存在测量计算结果会随着电磁场变化周期和时间点不同产生变化的问题。 四、测取电磁场信号的物理特性是什么 现论：大地电磁测深的探测对象为地球的电导率结构。假定电磁波入射到的是水平层状介质且该介质是呈柱状对称的，其中任何一层都可以存在电阻率沿坐标轴的各向异性，作为线性极化波的电磁波可以分解为纯E-电矢量极化波或纯H-磁矢量极化波，并且它们在透过介质向下传播过程中由于介质波阻抗的作用成为一种衰减波。通过麦克斯韦方程推导出波阻抗Z=Ex/Hy，再由其计算均匀同性半空间的电阻率ρ。通过地表实测结果计算得到的并不是真正的电阻率，而只能将这一求得的量称为视电阻率，并把阻抗的幅角称为阻抗相位。现有大地电磁法就是通过在地球表面实测的大地电磁场的电场分量和磁场分量计算出地表波阻抗、视电阻率和相位，经过反演计算求取大地深部电导率结构。 异论：大地电磁测深实质是测得电磁波剩余能量值来表征地下各层介质的电磁特性。地幔层运动形成的大地电磁场以电磁波辐射方式穿透地壳到达地表过程中，要经过数量众多、不同类型的矿物、岩石等介质层，各层介质对入射电磁波会产生一定的反射、吸收、散射和透射作用，大部分电磁波能量将在介质中经过内摩擦、热传导、分子碰撞等被吸收损耗掉，待之到达地面时就仅剩余非常微弱的大地电磁场能量信号。因此，我们在地表上采集的大地电磁场信号是一个产生于地幔层运动、垂直向地表面辐射的电磁波剩余能量值，其表征了各频点电磁波通过地下相应各深度层穿透介质能力的大小、或通过各深度层介质时的剩余能量值的大小。电磁波被介质吸收掉的能量越少，在地面上采集到的剩余能量值就越高，说明地层介质的电磁穿透性好；反之，电磁波被介质吸收掉的能量越多，在地面上采集到的剩余能量值就越少，说明地层介质的电磁穿透性越差。我们可以通过采集电磁波到达地面后的剩余能量值，得知地层介质对于电磁波的反射和吸收特性，再由各频点与地层深度的关系得知不同地层介质的电磁特性和介质属性。由于大地电磁场源发出电磁波能量值及其经过各层介质具体衰减值的不可测算性，我们所采集的电磁波全频段的信号值只能是一种反映电磁波穿过所有介质层后剩余能量的相对值，它同时也表征了各深度层介质对于电磁波能量的综合吸收性能。 五、频率域电磁法测深适用什么原理 现论：适用导体交变磁场电荷的趋肤深度效应原理。趋附深度效应理论：交流电流流过导体时，电流方向是交替变化的，电流在导体中所产生的交变磁场对电荷的推斥作用力，迫使电流电荷向导体的表面集中，使得导体的实际有效载流面积减小。交流电流流过导体时，发生电流向导体表面集中的现象，称之为交流电流的趋肤效应；电流离开导体载流面中心向表面集中的程度，可以用趋肤效应深度来衡量。现有大地电磁法理论假定：大地电磁场是以自天上到地下穿透地层的天然平面电磁波为场源，通过在地表观测相互正交的电磁场分量来获取地下电性构造信息；可视地球为导体，交变的平面电磁波穿透地球时适用趋肤深度效应原理，不同周期（频率）的电磁场信号相应地具有不同的穿透深度；天然场中含有从高频到低频丰富的频率成分，对应于不同频率成分的电磁波具有不同的穿透（趋肤）深度，趋肤深度δfile:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg（ρ为视电阻率，T为电磁场周期）；由于不同地质体的导电性不同，大地电磁场穿透不同介质时产生的感应二次场的强度亦不同，通过研究大地对电磁场的频率响应，观测二次场的变化来获得不同深度介质电阻率分布的信息，从而达到探测地下各深度层介质电性结构的目的。 异论：适用静电磁场的镜像原理。镜像法是直接建立在唯一性定理基础上的一种求解静电场问题的方法。在静电磁学中常遇到在特殊形状的边界条件中，由几个点电荷和电流求静电磁场问题，我们可用放在研究区域外像电荷代替介质分界面上的极化电荷来求解,这种方法称为镜像法。镜像法的特点是不直接求解电位函数所满足的泊松或拉普拉斯方程，而是在所求区域外用简单的镜像电荷代替边界面上的感应电荷或极化电荷。由于镜像法不仅可用于静电场，而且可用于静磁域或迅变电磁场。对于大地电磁物探方法而言，大地电磁场源信号以电磁波形式向地面传播，穿过固定不变的介质层到达地面，完全符合原求解区域所满足的泊松或拉普拉斯方程和边界条件不变的唯一性定理要求，拾取信号中对应于不同波长（频率）的值就是在地下一个波长深度介质层的电磁波能量的镜像值。我们在地面采集的频率域大地电磁场信息中，每一个频率点都对应着一个固定的波长，而一个频率点采集到的信号值就等效于与波长距离相等深度介质层电磁波的能量值（或幅值）。波长随着频率的增大而变短，频率越高，波长越短，镜像值对应的探测深度越浅；相反，频率越低，波长越大，镜像值对应的探测深度就越深。 六、大地电磁场信号的衰减特征 现论：纵向分辨能力随着深度的增加而迅速减弱。源自天上的大地电磁场的磁场振幅一般会随着周期的增大而增强，从甚低频到极低频大地电磁测深有效范围内，频率越低（周期越长）、介质的电阻率越高、介质的穿透（趋肤）深度越深，通过二次场反射到地表上的信号越弱。因为从天空入射到地表并穿透至深部的低频均匀平面电磁波，会受到电阻率横向和垂向不均匀性的影响而逐渐衰减，并且随着二次场的形成使电磁波发生畸变，通过二次场反射到地表的大地电磁场信号的会随着频率和深度的增大而减弱。由于大地电磁场测深是通过二次场反射到地表的电磁波信号携带地壳内部消息来了解大地构造的，大地电磁测深待反演的“系统内在信息”指的就是电导率结构，反演的过程就是根据地表实测的视电阻率、相位等数据来求取大地深部电导率结构，在各种反演模型中都充分考虑到了大地电磁场信号的衰减特征而加以修正。 异论：电磁波经过地壳层整体衰减携带镜像深度介质信息到达地表。 假定大地电磁场源所产生各频点的电磁波能量是等值的，它们从地幔层通过地壳到达地面经过由不同介质层构成的一个混合介质层，该混合介质层对于各频率电磁波的折射率不同导致电磁波速度亦不相同。由于波长λ=电磁波速v /频率f，电磁波的频率仅与场源有关、与介质无关，在混合介质层固定不变的情况下，每一个频率点都对应着一个唯一的波长。同时，该混合介质层对应于各频率点电磁波会有一个相应的吸收（衰减）率，从宏观角度来看每个频率点经过混合介质层产生吸收效应衰减后对应的能量值是同数量级的数值，不可能有很大的差别。根据镜像理论，不同频率下测得电磁波剩余能量值为相应波长深度层介质电磁反应的镜像值，该镜像值的大小仅与该深度层介质的电磁特性相关、与该层之上直到地表的介质电磁特性无关，即在地表采集到的电磁波剩余能量值不会随着探测深度的增减而产生变化。 七、测值、深度、频率三者之间的关系 现论：频率一定时穿透深度随介质电阻率增大而加深。认为大地电磁信号在介质中的分布依从于趋肤深度效应理论，据此推导出深度与频率、介质视电阻率的关系式：第一步由亥姆霍兹方程推导得出地表波阻抗等于地表电场分量与磁场分量之比；第二步定义介质的视电阻率等于地表波阻抗的平方与频率之比；第三步由趋肤深度效应原理推导出：h=503×file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.gif（h—地层深度，ρ—视电阻率，f—频率）。这一经验公式已被视为大地电磁物探方法的基本方法论，几乎所有的大地电磁法探测仪的采样装置都是由两个磁场感应器和两对电极组成，磁场感应器和电极对分别接收不同频率下电磁波的磁场分量和电场分量模拟信号，经过模数转换成数字信号，先代入公式计算出地表波阻抗，再代入经验公式得到不同频率下地下介质的视电阻率值及其对应深度。 异论：频率与深度一一对应、与介质电磁特性无关。认为趋肤深度效应原理是对交流电流过导体时产生的一种现象的描述，大地电磁场源产生的电磁波与交流电性质完全不同，其穿过的地壳介质也不是导体，不可能产生与导体一样的趋肤深度效应。地层介质对于穿过的大地电磁场电磁波能量主要作用为吸收（衰减）效应、与介质电阻率大小无关。从宏观角度来看，我们把电磁波从场源穿过地壳到地面视为一超厚的混合介质层，由于该混合介质层对于电磁波的折射率和能量吸收系数一定，不同频率所对应的电磁波速和波长也相应固定不变。对于大地电磁场而言，电磁波穿过固定不变的地壳混合介质层到达地面后的剩余能量值，完全符合原求解区域应满足的泊松或拉普拉斯方程和边界条件不变的唯一性定理要求，即大地电磁场符合镜像理论的基本条件，在地面上采集到各个频率的大地电磁信号与地下相应波长深度层的电磁波能量值互为镜像关系。因此，在地面上拾取到的不同频率对应波长的电磁感应电位值，就是地下相应一个波长深度介质层的电磁波能量的镜像值。由于电磁波的频率仅与场源有关、与介质无关，在介质固定不变的情况下，每一个频率点都对应于一个唯一的波长，也就是对应于一个唯一的地层深度，且此对应关系与地层介质的电磁特性无关。由于波长随着频率的增大而变短，频率越高，波长越短，镜像值对应的地层深度就越浅；相反，频率越低，波长越大，镜像值对应的地层深度就越深。而且，该地层深度值以地表为界面向下延伸一个波长的镜像深度，与实际海拔高度无关，无论是在哪里、位置高低，只要是在地球上都是以地面为起点向下一个波长来计算深度的。 八、如何由地表测值研究地球内部岩性结构 现论：由测值计算出视电阻率来表征地球内部的电导率结构。 大地电磁测深就是依据不同频率的电磁波在导体中具有不同趋肤深度的原理，在地表测量由高频至低频的地球电磁响应序列，经过相关的数据处理和分析来获得大地由浅至深的电导率结构。对于大地电磁测深而言，“实测的数据”就是在地表实测的大地电磁场的电分量和磁分量计算出的视电阻率、相位等数据；大地电磁测深反演就是根据地表实测的视电阻率、相位等数据来求取大地深部电导率结构的过程，该电导率结构的正演响应能极好地拟合视电阻率、相位等实测数据。由于不同介质带电粒子浓度和迁移率会有较大差异，它们的电导率相差也会很大。一般单质金属矿物具有很好的导电性，其电导率σ可达到104～108S/m，由于趋肤效应的作用，电磁波对其的透射深度很小，相应的电磁波的反射作用较强、其对电磁波的吸收较弱少。而由于硫化物、氧化物、硅酸盐等类型矿物的电导率σ可达到10～104S/m，其趋肤深度较大，大部分的电磁波可以进入矿物质中，故其对电磁波有低反射和高吸收作用。 异论：测值反映了地层介质相对的电磁特性。由于从大地电磁场源垂直向地面传播所经过的介质层复杂多变，每一个相近物质的介质层因各种元素成分不同、其对于电磁波的折射率也会不同，因此我们很难推测计算各个介质层的折射率及电磁波传播的波速和波长，更难以计算电磁波在场源发射时的能量值、穿过各种介质层的损耗量。我们在地面上采集的大地电磁场信号仅仅是一个产生于地幔层运动、垂直向地表面辐射的电磁波剩余能量值，其表征了各频点电磁波通过地下相应各深度层穿透介质能力的大小、也为通过各深度层介质时的剩余电磁波能量值的大小。由于大地电磁场源发出电磁波能量值及其经过各层介质具体衰减值的不可测算性，我们所采集的电磁波全频段的信号值只能是一种反映电磁波穿过所有介质层后剩余能量的相对值，它同时也表征了各深度层介质对于电磁波能量相对的综合吸收性能。电磁波被介质吸收掉的能量越少，在地面上采集到的剩余能量值就越高，说明地层介质的穿透性好；反之，电磁波被介质吸收掉的能量越多，在地面上采集到的剩余能量值就越少，说明地层介质的穿透性越差。因此，我们可以通过采集电磁波到达地面后的剩余能量值，得知地层介质对于电磁波的吸收特性，从而了解不同地层介质相对的电磁特性和介质属性。鉴于尚无直接反映各种介质对于电磁波吸收特性的参数，而可知电磁波穿透介质能力的大小与介质的硬度成正比、与介质对于电磁波的折射率成反比，由此可参照介质硬度和折射率参数值与实际信号值对照逐步探索，总结出不同岩石的电磁波吸收特性参数值，才能对于有效识别不同地层介质的属性。 参考文献： 【1】G.波斯坦道弗，1980，大地电磁勘探原理，地质出版社 【2】陈乐寿，王光谔，1990，大地电磁测深法，地质出版社 【3】刘国栋，陈乐寿，1984，大地电磁测深研究，地震出版社 【4】朴化荣，1990，电磁测深法原理，地质出版社
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发表于 2020-6-1 21:50
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发表于 2020-8-19 09:51
