EH4全新概念電導(dǎo)率張量測(cè)量儀

          通常意義下的電探儀，指的是交、直流電阻率剖面儀。這兩種方法都是有源測(cè)量方法，需要向地下直接供電，并且隨著測(cè)量深度加大，電極布線和供電量都不斷增加，野外勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低。

另一方面，盡管這兩種方法都屬于有源電探，但采集到的視電阻率值都屬于標(biāo)量范疇，對(duì)辨別地下二度體異常的走向無能為力。

大地電磁同屬于電探，但它是無源測(cè)量。利用天然電磁場(chǎng)，雖然避免了大電流供電，但天然電磁場(chǎng)不穩(wěn)定，而且某些頻段先天不足，干擾強(qiáng)，訊號(hào)弱。參看（圖1）大地電磁場(chǎng)水平分量頻譜展示圖。它反映了天然電磁場(chǎng)與人文電磁場(chǎng)的分布情況。在1Hz左右，無論電場(chǎng)和磁場(chǎng)都是低谷；在1000Hz處磁場(chǎng)幾近寂靜，電場(chǎng)有一低谷。在幾十赫茲到104Hz范圍內(nèi)，人文活動(dòng)的電磁場(chǎng)干擾特別嚴(yán)重。這些特點(diǎn)決定了大地電磁法只適合于采集較低頻率。通常觀測(cè)時(shí)間長，分辨率較低，適合解決深層宏觀問題。

所以盡管電探方法起源最早，幾十年來，由于以上的局限性，一直阻礙它的發(fā)展。幾十年來，1000米以內(nèi)，幾百米上下，正是人類經(jīng)濟(jì)、文明活動(dòng)在地殼上層最活躍的深度。其它物探方法，如地震勘探法，自40~50年代之后都開始大展身手，而淺、中深度范圍的電探則相對(duì)寂寞冷落，處于陪襯地位。也正是這種現(xiàn)狀激發(fā)了國內(nèi)外眾多的科學(xué)家和儀器制造商不斷研制開發(fā)新的電探儀器，尋找新的電探方法。

96年中下旬，由美國以研制大地電磁儀器而聞名的EMI公司和以制造高分辨率地震儀著名的Geometrics公司聯(lián)合研制出EH4。這是全新概念的電導(dǎo)率張量測(cè)量儀。它利用大地電磁的測(cè)量原理，但配置了特殊的人工電磁波發(fā)射源。

這種發(fā)射源的天線是一對(duì)十字交叉的天線，組成X、Y兩個(gè)方向的磁偶極子，輕便而且只用于普通汽車電瓶供電，發(fā)射率從500Hz到100KHz，專門用來彌補(bǔ)大地電磁場(chǎng)的寂靜區(qū)和幾百赫茲附近的人文電磁干擾諧波（見圖1）。儀器用反饋式高靈敏度低噪音磁棒和特制的電極，分別接收X、Y兩個(gè)方向的磁場(chǎng)和電場(chǎng)。由18位高分辨率多通道全功能數(shù)據(jù)采集、處理一體機(jī)完成所有的數(shù)據(jù)合成。

由此，EH4的全新概念主要?dú)w結(jié)為如下幾個(gè)方面：

1)  EH4應(yīng)用大地電磁法的原理，但使用人工電磁場(chǎng)和天然電磁場(chǎng)兩種場(chǎng)源；

2)  EH4既具有有源電探法的穩(wěn)定性，又具有無源電磁法的節(jié)能和輕便；

3)  EH4能同時(shí)接收和分析X、Y兩個(gè)方向的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，反演X-Y電導(dǎo)率張量剖面，對(duì)判斷二維構(gòu)造特別有利；

4)  EH4儀器設(shè)備輕，觀測(cè)時(shí)間短，完成一個(gè)近1000m深度的測(cè)深點(diǎn)，大約只需15~20分鐘，這使它可以輕而易舉實(shí)現(xiàn)密點(diǎn)連續(xù)測(cè)量（首尾相連），進(jìn)行EMAP連續(xù)觀察（見圖2）；

5)  在EH4的采集控制主機(jī)中插入兩塊附加的地震采集板，就可使一臺(tái)EH4兼作地震儀和電導(dǎo)率測(cè)量，為一機(jī)實(shí)現(xiàn)綜合勘探首創(chuàng)先例；

6)  實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和顯示，資料解釋簡捷，圖像直觀。

下面我們簡單介紹EH4電導(dǎo)率測(cè)量方法的工作原理。

二、  EH4工作原理

EH4通過發(fā)射和接收地面電磁波來達(dá)到電阻率或電導(dǎo)率的測(cè)探。連續(xù)的測(cè)深點(diǎn)陣組成地下二維電阻率剖面，甚至三維立體電阻率成像。

因此問題的關(guān)鍵是地面電磁波與地下電阻率究竟是什么關(guān)系？EH4是怎樣實(shí)現(xiàn)這種地面測(cè)量的？

首先讓我們來研究電磁波在介質(zhì)中的傳播行為。

1.  電磁波傳播理論、亥姆霍茲方程

地面電磁波發(fā)送到地下，電磁波在巖土中的傳播遵循Maxwell方程。如果假設(shè)大多數(shù)地下巖土為無磁性物質(zhì)，并且宏觀上均勻?qū)щ?，不存在電荷積累，那么Maxwell方程就可簡化為：

                    2H+K2H=0                                        ┉（1）

                    2E+K2E=0                                            ┉（2）

（1）  和（2）稱為亥姆霍茲方程。

其中K=                        ┉（3）

稱作復(fù)波數(shù)或傳播系數(shù)。這時(shí)可將K寫成K=α+ιβ。α稱為相位系數(shù)，β稱為吸收系數(shù)。在EH4測(cè)量的電磁波頻率范圍內(nèi)（0.1Hz~100KHz）， 通?？梢院雎晕灰齐娏?，這時(shí)K進(jìn)一步簡化為

                                                    K=                              ┉（4）

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