感應(yīng)電磁法的分類及其在地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

王 乾，藍(lán)俊康

(桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

感應(yīng)電磁法是地球物理勘探技術(shù)中的一個(gè)重要分支，它是以地殼中各種巖礦石的電磁學(xué)差異為基礎(chǔ)，通過(guò)觀察地質(zhì)體重電磁場(chǎng)的時(shí)空分布，在對(duì)銅、鉛鋅、鈾礦、海底熱液硫化物等金屬礦產(chǎn)資源以及油氣、地?zé)岬饶茉吹目辈榉矫婵善鸬街匾淖饔肹1-3]。電磁法在深部勘探方面也將越來(lái)越受到重視，尤其在海洋電磁技術(shù)方面，除海底熱液硫化物等金屬礦產(chǎn)資源勘探以外，電磁法也在海底板塊構(gòu)造方面發(fā)揮重要作用，除此之外，感應(yīng)電磁法在采空區(qū)積水、場(chǎng)地污染調(diào)查以及隧道勘探等實(shí)際工程方面也被廣泛應(yīng)用[4-7]。

1 感應(yīng)電磁法的分類

總體上，感應(yīng)電磁法可按照電磁場(chǎng)隨時(shí)間或頻率變化規(guī)律可分為時(shí)間域電磁法和頻率域電磁法兩大類，其中頻率域電磁法包括大地電磁法(MT)，音頻大地電磁法(AMT)，可控源音頻大地電磁法(CSAMT)，廣域電磁法(WFEM)等等，而時(shí)間域電磁法包括以瞬變電磁法(TEM)為主的眾多門類，除了時(shí)間域電磁法和頻率域電磁法兩大類，后來(lái)又出現(xiàn)了兼顧兩方面特點(diǎn)的時(shí)頻電磁法(TFEM)。

除了按照電磁場(chǎng)隨時(shí)間或頻率變化規(guī)律分類以外，電磁法也可以按其作業(yè)空間可分為地面電磁法、井中電磁法、航空電磁法、海洋電磁法等。除此之外，在各種不同的感應(yīng)電磁法分類之下，又可按照各種電磁法之間的不同特點(diǎn)，例如勘探范圍等進(jìn)行進(jìn)一步的分類。

2 感應(yīng)電磁法的基本原理及應(yīng)用

2.1 瞬變感應(yīng)電磁法

瞬變感應(yīng)電磁法(TEM)是一種時(shí)間域的電磁勘探法，其工作原理主要可以分為三步進(jìn)行，即發(fā)射、電磁感應(yīng)以及接收，整個(gè)的工作過(guò)程見圖1所示。TEM是利用接地線源或者不接地回線向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，一次脈沖磁場(chǎng)在傳播的過(guò)程中遇到地下的礦體等導(dǎo)電介質(zhì)的時(shí)候，該介質(zhì)就會(huì)在脈沖磁場(chǎng)的激勵(lì)下在其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，也可稱之為渦流, 在脈沖間斷期間渦流不會(huì)立即消失，其周圍的空間會(huì)形成二次磁場(chǎng)，由于良導(dǎo)電體內(nèi)的熱損耗，在其周圍空間形成的二次磁場(chǎng)是隨時(shí)間衰減的，我們通過(guò)接收線圈或者電極來(lái)觀測(cè)二次磁場(chǎng)，由于二次磁場(chǎng)隨時(shí)間衰減的規(guī)律主要取決于介質(zhì)的導(dǎo)電性、體積大小等因素，因此我們可以通過(guò)分析二次磁場(chǎng)的變化規(guī)律來(lái)達(dá)到勘測(cè)的目的，從而解決一些尋找礦體或著其他種類的勘測(cè)問(wèn)題[8-9]。

圖1 瞬變感應(yīng)電磁法原理

由于瞬變電磁法具有探測(cè)深度大、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、受地形影響小等特點(diǎn)，成為目前勘探方法中的重要手段，由于瞬變電磁法是在一次場(chǎng)間歇期間采用接收回線在時(shí)間域?qū)Χ未艌?chǎng)進(jìn)行觀測(cè)。它最大特點(diǎn)在于它將一次磁場(chǎng)與二次磁場(chǎng)分離，觀測(cè)純二次場(chǎng)，這也是瞬變電磁法有別于頻率域電磁法的根本之處。隨著瞬變電磁法的發(fā)展，其在勘探領(lǐng)域的重要位置不斷凸顯，瞬變電磁法可用于勘測(cè)巖礦體、石油、非金屬礦物，以及在工程地質(zhì)勘察和環(huán)境評(píng)測(cè)等方面也被廣泛應(yīng)用。

在應(yīng)用方面的典型例子有：(1)邢長(zhǎng)勇等(2020年)為防止礦井水害利用瞬變電磁法探測(cè)敘永一礦1593工作面回風(fēng)巷煤層傾向上部含水情況，探測(cè)出其工作面處可能存在斷層或裂隙構(gòu)造水和采空區(qū)積水，并且大體弄清了含水區(qū)域的位置[10]。(2)武軍杰等(2020年)利用瞬變電磁法探測(cè)了遼東白云金礦區(qū)的控礦構(gòu)造和深部形態(tài)，探測(cè)出了多個(gè)褶皺和斷層信息，顯示出該地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，同時(shí)也為分析該地區(qū)已知礦體的延伸和新礦體的發(fā)現(xiàn)提供依據(jù)[11]。(3)溫亨聰?shù)?2020年)在寶雨山煤礦某一地質(zhì)資料探測(cè)巷利用瞬變電磁法做了超前勘測(cè)，探測(cè)出探巷前方巖層相對(duì)破碎、斷裂發(fā)育且具有一定富水性引起，并證實(shí)了斷層的存在[12]。(4)彭莉紅等(2019年)利用航空瞬變電磁法在新疆阿奇山地區(qū)進(jìn)行鉛鋅多金屬礦產(chǎn)勘查，勘測(cè)并篩選了3處航電異常，其中1處航電異常位置與阿奇山鉛鋅礦相吻合，根據(jù)該異常特征推斷了礦體的產(chǎn)狀及延伸[13]。

2.2 大地電磁法

大地電磁法(MT)是利用太陽(yáng)風(fēng)等入射到地球上的天然交變電磁場(chǎng)作為激發(fā)場(chǎng)源來(lái)研究巖礦體的電性特征的一類感應(yīng)電磁法，天然電磁場(chǎng)作為一次磁場(chǎng)且該場(chǎng)為平面電磁波，一次磁場(chǎng)垂直入射到大地介質(zhì)中，大地介質(zhì)中將會(huì)感應(yīng)出變化的電場(chǎng)，即大地電流場(chǎng)，并產(chǎn)生二次電磁場(chǎng)，在地球內(nèi)部，這種電磁場(chǎng)的分布取決于巖礦石的電性結(jié)構(gòu)。在地面上單點(diǎn)觀測(cè)天然交變電磁場(chǎng)互相垂直的Ex、Ey、Hx、Hy四個(gè)分量，分析研究地面波阻抗隨頻率的變化，從而了解地下的電性結(jié)構(gòu)，以此達(dá)到勘探的目的。所以大地電磁法數(shù)據(jù)處理的核心是正反演[14-16]，其中對(duì)于反演簡(jiǎn)單說(shuō)即是根據(jù)勘測(cè)的表面阻抗和視電阻率等數(shù)據(jù)信息反推出產(chǎn)生它的內(nèi)在信息，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，會(huì)通過(guò)反演得到一個(gè)合理的地電模型，并以此得到地下介質(zhì)的分布規(guī)律。

圖2 大地電磁法原理圖

由于大地電磁法不受高阻層屏蔽、設(shè)備輕便，且受地形影響小，阻抗形式簡(jiǎn)潔且解釋簡(jiǎn)單，勘探深度可達(dá)數(shù)百公里，因此目前廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘探、地下水勘探、構(gòu)造探查等領(lǐng)域[17-19]。例如：黃建權(quán)(2019年)等利用大地電磁法在吉首地區(qū)進(jìn)行了頁(yè)巖氣勘探，通過(guò)勘測(cè)得到的視電阻率-斷面圖等圈定了頁(yè)巖層沉積范圍，埋藏深度，為頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)提供地質(zhì)依據(jù)[20]。

2.3 音頻大地電磁法

音頻大地電磁法(AMT)與大地電磁法一樣也是利用天然的大地交變電磁場(chǎng)作為場(chǎng)源，來(lái)測(cè)定地下巖石的電性參數(shù)，但是，音頻大地電磁法所利用的場(chǎng)源主要是由遠(yuǎn)處的雷電活動(dòng)所引起的頻率約為幾至幾千赫茲的音頻大地電磁場(chǎng)，所以它的勘探深度相對(duì)大地電磁法較淺。但是音頻大地電磁法一般使用的儀器輕便，適用于地形復(fù)雜的山區(qū)等地方使用，它的觀測(cè)頻帶寬，從0.1 Hz～100 kHz，探測(cè)深度最大可達(dá)2 000 m，尤其適合各種不同深度的工程勘察和金屬礦勘探，并且音頻大地電磁法可采用張量或標(biāo)量測(cè)量，而且對(duì)二維構(gòu)造反映比較逼真，采用TM、TE兩種模式觀測(cè)，故能較真實(shí)地反映地質(zhì)體分布情況。隨著音頻電磁法的不斷進(jìn)步，它的測(cè)量精度和工作的效率都在不斷提升，在油氣勘測(cè)等很多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[21-24]。例如：孫銀行等(2020年)利用音頻大地電磁法在張掖盆地和酒泉東盆地的中間地帶的甘肅省高臺(tái)隱伏隆起區(qū)域?yàn)榱搜芯吭搮^(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行了勘察，通過(guò)探測(cè)數(shù)據(jù)解釋了該區(qū)域構(gòu)造與區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)產(chǎn)生的起因或影響[25]。區(qū)小毅等(2020年)利用音頻大地電磁法在廣西壯族自治區(qū)南部的北海市，為探究海水入侵現(xiàn)狀進(jìn)行了地質(zhì)勘察，通過(guò)得到的勘測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行二維正演得到的模型結(jié)合咸淡水電阻率特征查明了研究區(qū)海水入侵和咸、淡水發(fā)展情況[26]。

2.4 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是在大地電磁法和音頻大地電磁法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，大地電磁法和音頻大地電磁法使用的是天然場(chǎng)源，天然場(chǎng)源具有一定的抗干擾性弱，信號(hào)較人工場(chǎng)源弱等特點(diǎn)，所以可控源音頻大地電磁法以人工場(chǎng)源代替天然場(chǎng)源，其場(chǎng)源一般可分為電偶極源和磁偶極源，電偶極源即利用兩個(gè)接地電極將交變電流送入地下，而磁偶極源即將電流送入不接地的閉合回線中。

可控源音頻電磁法由于使用了人工場(chǎng)源，所以其抗干擾能力和信號(hào)強(qiáng)度比大地電磁法與音頻大地電磁法更強(qiáng)。而且通過(guò)改變頻率而改變探測(cè)深度的方式使該勘測(cè)方法更快捷和方便，提高了工作的效率，并且其勘測(cè)精度等都得到了很好的加強(qiáng)。但是由于卡尼亞視電阻率公式在非遠(yuǎn)區(qū)計(jì)算時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大誤差，所以用該方法進(jìn)行勘測(cè)時(shí)一般要求接收點(diǎn)距離發(fā)射偶極源的位置要足夠遠(yuǎn)，才可以避免誤差的產(chǎn)生。

可控源音頻大地電磁法相較于大地電磁法和音頻大地電磁法，彌補(bǔ)了一些后者的缺點(diǎn)，所以對(duì)于該方法的應(yīng)用更加的廣泛，目前在金屬礦產(chǎn)、油氣、工程地質(zhì)以及地?zé)豳Y源等勘察領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。例如，(1)王軍成等(2018年)利用可控源音頻大地電磁法在了江蘇句容茅山區(qū)域進(jìn)行地?zé)豳Y源勘查，并通過(guò)實(shí)際地?zé)峋Y料驗(yàn)證了探測(cè)結(jié)果，證明了可控源音頻大地電磁法在地?zé)豳Y源勘查方面是一種行之有效的物探方法[27]。(2)白錦琳等(2018年)利用可控源音頻大地電磁法分別在山東省濟(jì)寧市區(qū)北部以及平邑縣的煤礦和石膏礦進(jìn)行了采空區(qū)勘測(cè)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)與實(shí)際采空區(qū)吻合，證明了可控源音頻大地電磁法在采空區(qū)探測(cè)工作中好的探測(cè)能力[28]。(3)林建勇等(2020年)利用可控源音頻大地電磁法在大平山地區(qū)為查明鐵、銅等礦產(chǎn)資源情況，針對(duì)斷裂構(gòu)造走向、地下延伸而進(jìn)行了勘察，通過(guò)過(guò)對(duì)獲得的勘測(cè)得到的數(shù)據(jù)的視電阻率、相位和二維反演結(jié)果進(jìn)行綜合分析，得到了構(gòu)造的信息，并與鉆井資料驗(yàn)證，證明了可控源音頻大地電磁法在斷裂構(gòu)造勘察領(lǐng)域好的勘察效果[29]。

2.5 廣域電磁法

由于可控源音頻大地電磁法在勘測(cè)和分析的過(guò)程中，將非遠(yuǎn)區(qū)內(nèi)的電磁波近似成平面波，但顯然在非遠(yuǎn)區(qū)域內(nèi)，電磁波無(wú)法滿足平面波的近似，計(jì)算時(shí)就會(huì)忽略了很多非遠(yuǎn)區(qū)的特征，在非遠(yuǎn)區(qū)內(nèi)勘測(cè)的數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變。在可控源音頻大地電磁法提出之前，DUROUX提出了另一種改進(jìn)大地電磁法的思路，并提出了“磁偶源頻率測(cè)深法”，又稱為 MELOS 法，這個(gè)方法為了突破了遠(yuǎn)區(qū)測(cè)量的限制，把觀測(cè)區(qū)域擴(kuò)大到過(guò)渡區(qū)，擴(kuò)大了測(cè)量范圍，并且提高了信號(hào)強(qiáng)度[30-31]。

而廣域電磁法(WFEM)就是在可控源音頻大地電磁法與MELOS法的基礎(chǔ)上提出的，它采用了適合于全域的不進(jìn)行簡(jiǎn)化的公式進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程迭代反演，不進(jìn)行近似或者取舍，從而將測(cè)量范圍擴(kuò)大到了非遠(yuǎn)區(qū)，讓近區(qū)，過(guò)渡區(qū)，非遠(yuǎn)區(qū)統(tǒng)一起來(lái)，提高了測(cè)量范圍并且大大提高了探測(cè)深度，改變了可控源音頻大地電磁法在非遠(yuǎn)區(qū)時(shí)勘測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生畸變的問(wèn)題。

通過(guò)計(jì)算機(jī)迭代可得到視電阻率的想法，大大提高了工作效率，相較于可控源音頻大地電磁法，WFEM的探測(cè)深度和探測(cè)范圍更大，另外也具有分辨率高、數(shù)據(jù)精度高、抗干擾能力強(qiáng)和施工效率高等優(yōu)勢(shì)[31-32]。

廣域電磁法目前以廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘探(特別是深部找礦)、地?zé)峥碧?、油氣勘探、地?zé)峥碧健⒌刭|(zhì)災(zāi)害勘探、頁(yè)巖氣勘探等眾多領(lǐng)域。如：(1)王宏宇等(2020年)利用廣域電磁法鄂爾多斯盆地西南緣含油富集區(qū)—寧夏固原地區(qū)進(jìn)行了油氣探測(cè)，通過(guò)對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)的處理，基本查明了該區(qū)域的地層分布，構(gòu)造圈閉等信息，并且根據(jù)信息選出的油氣成藏有利區(qū)已經(jīng)鉆見工業(yè)油流，證明了廣域電磁法油氣勘探中的效果顯著[33]。(2)田紅軍等(2020年)利用廣域電磁法在電磁等干擾嚴(yán)重的黔北臺(tái)隆地?zé)嵩囼?yàn)區(qū)進(jìn)行了探測(cè)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的反演獲得了地層電阻率的分布情況，解釋地層信息并于鉆井結(jié)果吻合，證明了廣域電磁法在抗干擾、探測(cè)深度大等方面的能力[34]。(3)李帝銓等(2020年)利用廣域電磁法在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的武陵山區(qū)的在黔北桐梓地區(qū)進(jìn)行了頁(yè)巖氣勘探，探測(cè)查明了該地區(qū)的構(gòu)造格局并圈定了頁(yè)巖氣勘探有利區(qū)，實(shí)現(xiàn)了該區(qū)頁(yè)巖氣勘探的突破[35]。

2.6 時(shí)頻電磁法

時(shí)頻電磁法采用軸向偶極裝置，在具體的測(cè)量過(guò)程中，利用大功率的發(fā)電機(jī)在發(fā)射端通過(guò)電極向地下供電，其發(fā)射的波形可分為為過(guò)零和不過(guò)零兩種波形(見圖3)，重復(fù)發(fā)射多個(gè)周期，在接收端接收電磁分量。它的探測(cè)深度與激發(fā)的最大周期有關(guān)，激發(fā)周期越長(zhǎng)探測(cè)深度越大，而且同時(shí)分辨率更高。

其發(fā)射的兩種發(fā)射波形，可以用不過(guò)零方波激發(fā)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率域處理，用過(guò)零方波激發(fā)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間域處理。得到數(shù)據(jù)后，研究頻率域和時(shí)間域參數(shù)，在時(shí)間域數(shù)據(jù)獲得電阻率信息，在頻率域數(shù)據(jù)提取極化率信息，從而做到了在時(shí)間域和頻率域一體化的特點(diǎn)。隨著時(shí)頻電磁技術(shù)的不斷發(fā)展，目前的時(shí)頻電磁處理技術(shù)既可以從磁場(chǎng)數(shù)據(jù)反演電阻率，也可以從電場(chǎng)數(shù)據(jù)反演電阻率，還可以電、磁兩分量聯(lián)合反演電阻率，同時(shí)還可從時(shí)間域或者頻率域數(shù)據(jù)中提取極化參數(shù)，最后利用電阻率以及激化參數(shù)的異常來(lái)達(dá)到勘探的目的[36]。

圖3 發(fā)射波形示意圖

時(shí)頻電磁法目前在油氣勘探領(lǐng)域發(fā)揮了十分重要的作用，它利用探測(cè)分析得到的電阻率和極化率信息對(duì)圈閉的含油氣性進(jìn)行評(píng)價(jià)，取得了十分顯著的效果。時(shí)頻電磁法具有信號(hào)強(qiáng)，信噪比高，探測(cè)可由激發(fā)周期發(fā)生改變，獨(dú)特的在時(shí)間域和頻率域兩方面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠直接探測(cè)油氣田的激發(fā)極化效應(yīng)從而預(yù)測(cè)油氣的存在及分布等優(yōu)點(diǎn)，也是油氣勘探領(lǐng)域最具潛力的勘探方法之一[37-38]。

時(shí)頻電磁法是在2004年由東方地球物理公司在建場(chǎng)測(cè)深法、時(shí)間域瞬變電磁法和頻率域音頻大地電磁法的基礎(chǔ)上提出的新技術(shù)，該方法同時(shí)具備了時(shí)間域和頻率域電磁法的特點(diǎn)，從開始實(shí)際應(yīng)用到現(xiàn)在，在油氣勘探領(lǐng)域取得很好的應(yīng)用效果。例如，孫志華等(2012年)利用時(shí)頻電磁法在尼日爾A區(qū)進(jìn)行油氣勘探，勘探分析提取了多種反映油氣異常的參數(shù)，并結(jié)合已知的鉆井結(jié)果來(lái)指導(dǎo)油氣勘探[39]。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)感應(yīng)電磁法發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)形成了一個(gè)完整的體系，無(wú)論是瞬變電磁法等的時(shí)間域電磁法，還是可控源音頻大地電磁法等的頻率域電磁法都發(fā)展得較為成熟，在各種金屬勘探、地質(zhì)勘察等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。另外海洋電磁法與航空電磁法也是目前研究的熱門，有待進(jìn)一步的發(fā)展。

(2)目前電磁法儀器的采集數(shù)據(jù)的精度已越來(lái)越高，且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與結(jié)合，采集數(shù)據(jù)與處理數(shù)據(jù)的集成一體化已經(jīng)走向成熟，儀器也已經(jīng)越來(lái)越輕便以適應(yīng)各種復(fù)雜的勘探地形。但是我國(guó)電磁法的儀器整體較國(guó)外電磁法儀器研究水平還有差距，部分電磁法儀器已走在前列或與國(guó)外發(fā)展水平相當(dāng)。

(3)目前各種電磁法的聯(lián)合反演走上熱門，聯(lián)合反演的應(yīng)用頻率大大提高。但目前電磁法的正反演方面、地質(zhì)體的各向異性探測(cè)方面目前還存在一些問(wèn)題。隨著勘探領(lǐng)域正在向深部探索，要求電磁法向更高精度、更大探測(cè)深度發(fā)展。