天然電磁場日變規(guī)律實(shí)驗(yàn)觀測

張 輝，楊天春，葛洪亮

(湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

引言

天然電場選頻法是以大地電磁場為工作場源，以巖礦石的電性差異為基礎(chǔ)，在地面測量大地電場的水平分量，并通過對其變化規(guī)律的研究，用來解決水文、工程地質(zhì)和找礦勘探等地質(zhì)任務(wù)的一種交變電磁方法。

天然電場選頻法的理論基礎(chǔ)來源于音頻大地電磁法(AMT)。1953年，L.Cagniard最初提出大地電磁法，隨后，Kenneco于1963年將其發(fā)展為音頻大地電磁法，并用于解決淺部地質(zhì)問題。我國于1968年開始對音頻大地電磁法開始研究。天然電場選頻法的研究從20世紀(jì)70年代才開始，從最初的聲頻大地電場法、音頻大地電場法到天然低頻電場法，再到天然電場選頻法，名稱雖然有變化，但是其基本原理還是相同的。

1977年，國家地質(zhì)總局水文地質(zhì)工程地質(zhì)技術(shù)方法研究隊(duì)，在河北西部太行山地區(qū)開始利用大地電場的聲頻部分，進(jìn)行了一些探測淺層含水構(gòu)造的試驗(yàn)研究工作，并研制了SDD-1型聲頻大地電場儀。1981年，地質(zhì)部召開了聲頻大地電場法技術(shù)評議會(huì)，并開始推廣應(yīng)用［1］。1982年，信永水開始研究聲頻大地電場法的異常特征［2］。1983年林君琴等提出了天然低頻電場法，并研制了DCR-A型天然場電測儀［3］;同年，河南省煤田地質(zhì)勘探公司的喬夫［4］、山東省泰安地區(qū)水利局的張欽朋［5］等也對此方法有一定的研究。1985年韓榮波等正式提出天然電場選頻法，首先提出了選頻的概念，并研制成功了DX-1型天然電場選頻儀［6］。隨后，也有很多學(xué)者對此方法有一定的的研究，但是大多只是在實(shí)踐方面，在理論方面的研究偏少。

1 方法原理

天然電場選頻法的場源主要是由雷電和游散電流組成的。根據(jù)場論可知，在距離場源很遠(yuǎn)的地面所分布的場，可視為一平面波場。對于大地電磁場以及交變電磁場場源而言，在距離場源較遠(yuǎn)的地方，其平面波場方向近似垂直于地面且場的變化規(guī)律服從麥克斯韋方程組:

通過對麥?zhǔn)戏匠探M的求解，可以得到波阻抗與介質(zhì)交流電阻率的關(guān)系［7］:

式中:ρs為交流電阻率，μ為磁導(dǎo)率，Ex為電場分量，Hy為磁場分量，為波阻抗，ω=2πf，f為工作頻率。

式(5)中未考慮Ex和Hy之間的相位差，這是因?yàn)楸痉椒ㄖ皇菧y量大地電場的水平分量，故不考慮Hy。從式(5)可以看出，當(dāng)頻率f一定時(shí)，ρs與成正比，而E=ΔV/MN，于是ρs與ΔV成正比，即在野外可以根據(jù)測得的M、N兩點(diǎn)之間的電位差便可推測地下視電阻率的大小。

根據(jù)平面電磁波在地層中傳播時(shí)的衰減特征，即其振幅沿Z軸方向前進(jìn)1/b距離時(shí)，振幅衰減為地表的1/e(約37%)。其中b為介質(zhì)對電磁波的衰減系數(shù)。通常取距離δ=為電磁波的趨膚深度(或者稱為穿透深度)。在無磁介質(zhì)中［8］:

根據(jù)式(6)可知，電磁波的趨膚深度與電阻率和頻率有關(guān)。當(dāng)頻率一定時(shí)，電阻率越高趨膚深度越大;當(dāng)電阻率一定時(shí)，頻率越低趨膚深度越大。因此，在實(shí)際工作中，我們可以選擇不同的工作頻率從而達(dá)到測深的目的，這也是選頻的由來［9］。但是根據(jù)式(6)求出的目標(biāo)體埋深比實(shí)際深度要大，因此要對深度進(jìn)行校正。有實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)表明，一般在基巖地區(qū)要乘以校正系數(shù)1/2～1/3［10］。

為了更好的說明天然交變電磁場的同源性與天然電場在工作區(qū)范圍內(nèi)對地質(zhì)體的影響具有同一性，了解天然交變電磁場的變化規(guī)律，以便合理的指導(dǎo)野外工作，從而增加采集結(jié)果的可靠性，進(jìn)行天然交變電磁場的日變規(guī)律觀測。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟

本次實(shí)驗(yàn)選用的儀器為鄭州地校研制并生產(chǎn)的TR-1型天然電場選頻儀，該儀器為指針型讀數(shù)，頻率選擇旋鈕共分為0～10個(gè)檔位，分別代表著15.7 Hz、23.6 Hz、71.8 Hz、129 Hz、213 Hz、320 Hz、640 Hz、980 Hz、1450 Hz以及混頻10個(gè)頻率。通過選擇頻率，可以達(dá)到下述目的:(1)提高抗干擾能力;(2)對比各頻率的異常曲線，從而提高解釋的可靠性;(3)勘探不同的深度。與該儀器配套的還有兩根不極化電極以及電線(標(biāo)配長度20 m)。

本次實(shí)驗(yàn)主要分三個(gè)步驟完成，首先為不同儀器同點(diǎn)同時(shí)刻測量，然后為不同儀器異點(diǎn)同時(shí)刻測量，最后為日變規(guī)律觀測。前兩次實(shí)驗(yàn)主要目的是驗(yàn)證工作時(shí)間工作范圍內(nèi)天然電磁場的變化規(guī)律，第三次實(shí)驗(yàn)的主要目的是研究天然電磁場的日變化規(guī)律，為實(shí)踐工作中選擇合適的采集時(shí)間提供理論基礎(chǔ)。

2.1 不同儀器同點(diǎn)同時(shí)刻測量

本次操作主要是檢驗(yàn)兩臺不同儀器之間的一致性，為下面的異點(diǎn)同時(shí)刻測量做準(zhǔn)備工作。地點(diǎn)選擇在湖南科技大學(xué)校園內(nèi)一處堤上(見圖1實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)一)，該處遠(yuǎn)離電纜及電線等各種供電設(shè)備，以避免人為因素而帶來的干擾。本次實(shí)驗(yàn)時(shí)間從8點(diǎn)至18點(diǎn)，共計(jì)10 h，期間每隔20 min讀數(shù)并記錄各儀器各檔位的讀數(shù)，電極MN距離20 m。數(shù)據(jù)采集完畢使用Grapher繪制各檔位的曲線圖，對比兩臺儀器在各檔位的一致性，并計(jì)算出兩臺儀器的擬合度。圖2為同點(diǎn)同時(shí)實(shí)驗(yàn)部分成果圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)示意圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩臺儀器各檔位的曲線同步性在90%以上，除了極個(gè)別的檔位曲線的同步性稍低，排除儀器本身誤差以及人為因素，認(rèn)為兩臺儀器的同步性達(dá)到預(yù)期要求，可以進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

圖2 同點(diǎn)同時(shí)測量實(shí)驗(yàn)成果

2.2 不同儀器異點(diǎn)同時(shí)刻測量

本次操作選擇兩處不同的地點(diǎn)同時(shí)讀數(shù)測量，第一處為實(shí)驗(yàn)的地點(diǎn)一，第二處為湘潭市九華工業(yè)園區(qū)東風(fēng)本田4S店東北側(cè)的山坡邊(實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)二)，此處地點(diǎn)選擇同樣需要遠(yuǎn)離電纜等供電設(shè)施的干擾，兩處相距3.2 km，如圖1所示。

時(shí)間與上次實(shí)驗(yàn)時(shí)間一致，仍為8點(diǎn)～18點(diǎn)10 h，期間每隔20 min讀數(shù)，電極MN距離20 m;分析方法也與上次一樣。圖3為異點(diǎn)同時(shí)實(shí)驗(yàn)部分成果圖。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在不同地點(diǎn)，兩臺儀器各檔位的曲線同步性在90%以上，除了極個(gè)別的檔位曲線的同步性稍低，排除儀器本身誤差以及人為因素，可以認(rèn)為兩臺儀器各檔位的曲線變化形態(tài)基本一致，具有同步性。

2.3 日變規(guī)律觀測

本次操作地點(diǎn)與第一次操作地點(diǎn)相同(圖1中實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)一)，觀測時(shí)間為第一天8點(diǎn)至第二天16點(diǎn)，共計(jì)32 h，期間每隔20分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，然后根據(jù)采集的數(shù)據(jù)使用Grapher繪制曲線，再根據(jù)繪制的曲線進(jìn)行分析。圖4為日變規(guī)律觀部分成果圖。

圖3 異點(diǎn)同時(shí)實(shí)驗(yàn)成果圖

從圖4，可以得知天然交變電磁場在24 h內(nèi)變化幅度比較大，具有波動(dòng)性，主要表現(xiàn)在下面幾個(gè)時(shí)間段，8點(diǎn)～21點(diǎn)這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，電位差的值較大;22點(diǎn)～7點(diǎn)電位差的值比較小，這兩個(gè)時(shí)間段的值的大小差別在3倍以上。在上述兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，天然交變電磁場仍是隨機(jī)變化的，但是波動(dòng)在一個(gè)有限的范圍內(nèi);在7點(diǎn)這個(gè)時(shí)刻，天然交變電磁場有個(gè)突變的過程，推測可能是因?yàn)槿粘龅纫蛩匾鸬?。兩天重?fù)時(shí)刻觀測的部分，雖然曲線的大小有異，但是其變化規(guī)律是相似的(圖4中點(diǎn)化線與實(shí)線對比)，表明雖然天然交變電磁場是波動(dòng)的，但是其日變化規(guī)律還是服從一定的規(guī)律。

通過上述分析，在實(shí)踐應(yīng)用當(dāng)中，應(yīng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)采集完數(shù)據(jù)，如果必須長時(shí)間操作，那么要進(jìn)行日變規(guī)律的觀測，根據(jù)背景場的變化對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，壓制由于天然交變電磁場的波動(dòng)變化而引起的假異常，增加解釋的合理性。

3 工程實(shí)例

某高速公路監(jiān)控中心的找水應(yīng)用中采用了天然電場選頻法，結(jié)合幾條實(shí)測剖面，闡述天然電場日變規(guī)律觀測在實(shí)踐工作中的應(yīng)用。

圖4 日變規(guī)律觀測實(shí)驗(yàn)成果圖

在工作區(qū)范圍內(nèi)，選定一處地下介質(zhì)較穩(wěn)定的地點(diǎn)布設(shè)天然電磁場日變規(guī)律觀測點(diǎn)(類似于高精度磁測中的日變站)，觀測工作過程中天然電磁場的時(shí)時(shí)變化規(guī)律，同時(shí)記錄各測線和觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理時(shí)，根據(jù)日變觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)對各測線的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。圖5為05測線0～4檔的實(shí)測曲線圖，分析可知，在測線76 m和110 m位置處各有一比較明顯的低阻異常;圖6為根據(jù)日變觀測數(shù)據(jù)對頻率213 Hz的曲線進(jìn)行歸一化處理后的曲線圖(其它幾個(gè)頻率經(jīng)歸一化處理后的曲線圖為213 Hz的類似，就不一一羅列說明)，分析此圖，110 m處的異常仍存在，而76 m處的異常已不明顯，推測76 m處的假異常為天然電磁場的隨機(jī)變化所引起的。通過鉆孔驗(yàn)證，110 m處在深度100 m附近見水，且通過抽水試驗(yàn)，水量也達(dá)標(biāo)。

同時(shí)，如果實(shí)際情況允許，建議先進(jìn)行天然電磁場日變規(guī)律觀測實(shí)驗(yàn)，選取背景場變化較平穩(wěn)的時(shí)間段進(jìn)行剖面實(shí)測，如圖4中8∶00～11∶00和12∶00～15∶00?；蛘呷兆冇^測與剖面實(shí)測同時(shí)進(jìn)行，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，壓制因背景場的波動(dòng)而造成的假異常，增加解釋的可靠性。

4 結(jié)束語

天然電場選頻法具有操作簡便、投入低、便捷、抗干擾能力強(qiáng)等其他物探方法不具有的特點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)可知:(1)天然電磁場在局部范圍內(nèi)具有同源性，表現(xiàn)為:在一定范圍內(nèi)，天然場的同步變化，本次試驗(yàn)中表現(xiàn)為電位差的變化;(2)天然電磁場具有波動(dòng)性，在清晨的時(shí)候變化幅度較小，而且有一明顯的上升趨勢，在中午時(shí)刻變化比較劇烈，到傍晚時(shí)，又有一下降趨勢;(3)白天與夜晚的變化幅度差別較大，日變化規(guī)律又有一定的重復(fù)性;(4)在實(shí)踐應(yīng)用當(dāng)中，應(yīng)盡可能在短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集工作，否則必須進(jìn)行歸一化處理，以壓制背景場造成的假異常，增加解釋的合理性。

［1］連 克.聲頻大地電場法在巖溶山區(qū)探測地下水的應(yīng)用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1979(5)：76-85.

［2］信永水.聲頻大地電場法異常特征初探［J］.河北地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，1982(4)：44-53.

［3］林君琴，雷長聲，董啟山.天然低頻電場法［J］.長春地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，1983(2)：114-126.

［4］喬 夫.聲頻大地電場法探測巖溶水的效果［J］.煤田地質(zhì)與勘探，1983(5)：42-45.

［5］張欽朋.聲頻大地電場法找水［J］.工程勘察，1983(2)：53-56.

［6］韓榮波，吳木林.天然電場選頻法在工程地質(zhì)中的應(yīng)用［J］.工程勘察，1985(3)：76-79.

［7］Moroz Y F.Anomalies of the natural electric field on Lake Baika［J］.Physics of the solid Earth，2008(11)：933-940.

［8］李 好，楊天春，王齊仁.天然電場選頻法在地下水勘探工程中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2009(10)：114-116.

［9］匡文龍，楊 沖.觀文礦區(qū)地下暗河中天然電場選頻法的探測研究［J］.湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，26(3)：17-21.

［10］王士黨，楊天春，夏祥青.天然電場選頻發(fā)在溶洞勘查中的應(yīng)用［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，2011(6)：52-55.