文档介绍：一、EH4是全新概念的电导率张量测量仪
通常意义下的电探仪,指的是交、直流电阻率剖面仪。这两种方法都是有源测量方法,需要向地下直接供电,并且随着测量深度加大,电极布线和供电量都不断增加,野外劳动强度大,效率低。
另一方面,尽管这两种方法都属于有源电探,但采集到的视电阻率值都属于标量范畴,对辨别地下二度体异常的走向无能为力。
大地电磁同属于电探,但它是无源测量。利用天然电磁场,虽然避免了大电流供电,但天然电磁场不稳定,而且某些频段先天不足,干扰强,讯号弱。参看(图1)大地电磁场水平分量频谱展示图。它反映了天然电磁场与人文电磁场的分布情况。在1Hz左右,无论电场和磁场都是低谷;在1000Hz处磁场几近寂静,电场有一低谷。在几十赫兹到104Hz范围内,人文活动的电磁场干扰特别严重。这些特点决定了大地电磁法只适合于采集较低频率。通常观测时间长,分辨率较低,适合解决深层宏观问题。
所以尽管电探方法起源最早,几十年来,由于以上的局限性,一直阻碍它的发展。几十年来,1000米以内,几百米上下,正是人类经济、文明活动在地壳上层最活跃的深度。其它物探方法,如地震勘探法,自40~50年代之后都开始大展身手,而浅、中深度范围的电探则相对寂寞冷落,处于陪衬地位。也正是这种现状激发了国内外众多的科学家和仪器制造商不断研制开发新的电探仪器,寻找新的电探方法。
96年中下旬,由美国以研制大地电磁仪器而闻名的EMI公司和以制造高分辨率地震仪著名的Geometrics公司联合研制出EH4。这是全新概念的电导率张量测量仪。它利用大地电磁的测量原理,但配置了特殊的人工电磁波发射源。
这种发射源的天线是一对十字交叉的天线,组成X、Y两个方向的磁偶极子,轻便而且只用于普通汽车电瓶供电,发射率从500Hz到100KHz,专门用来弥补大地电磁场的寂静区和几百赫兹附近的人文电磁干扰谐波(见图1)。仪器用反馈式高灵敏度低噪音磁棒和特制的电极,分别接收X、Y两个方向的磁场和电场。由18位高分辨率多通道全功能数据采集、处理一体机完成所有的数据合成。
由此,EH4的全新概念主要归结为如下几个方面:
EH4应用大地电磁法的原理,但使用人工电磁场和天然电磁场两种场源;
EH4既具有有源电探法的稳定性,又具有无源电磁法的节能和轻便;
EH4能同时接收和分析X、Y两个方向的电场和磁场,反演X-Y电导率张量剖面,对判断二维构造特别有利;
EH4仪器设备轻,观测时间短,完成一个近1000m深度的测深点,大约只需15~20分钟,这使它可以轻而易举实现密点连续测量(首尾相连),进行EMAP连续观察(见图2);
在EH4的采集控制主机中插入两块附加的地震采集板,就可使一台EH4兼作地震仪和电导率测量,为一机实现综合勘探首创先例;
实时数据处理和显示,资料解释简捷,图像直观。
下面我们简单介绍EH4电导率测量方法的工作原理。
E
H4工作原理
EH4通过发射和接收地面电磁波来达到电阻率或电导率的测探。连续的测深点阵组成地下二维电阻率剖面,甚至三维立体电阻率成像。
因此问题的关键是地面电磁波与地下电阻率究竟是什么关系?EH4是怎样实现这种地面测量的?
首先让我们来研究电磁波在介质中的传播行为。
电磁波传播理论、亥姆霍兹方程
地面电磁波发送到地下,电磁波在岩土中的传播遵循Maxwell方程。如果假设大多数地下岩土为无磁性物质,并且宏观上均匀导电,不存在电荷积累,那么Maxwell方程就可简化为:
2H+K2H=0 ┉(1)
2E+K2E=0 ┉(2)
和(2)称为亥姆霍兹方程。
其中K= ┉(3)
称作复波数或传播系数。这时可将K写成K=α+ιβ。α称为相位系数,β称为吸收系数。在EH4测量的电磁波频率范围内(~100KHz),通常可以忽略位移电流,这时K进一步简化为
K= ┉(4)
这里为虚数符号;ω是电磁波角频率2πf,单位是rad/s。
波组抗与电阻率
有亥姆霍兹方程变化的磁场感生出变化的电场,我们有磁电关系:
H= ┉(5)
表面阻抗Z定义为地表电场和磁场水平分量的比值。在均匀大地的情况下,此阻抗与入射场的极化无关,和地电阻率以及电磁场的频率有关:
Z= ┉(6)
式中f是频率,ρ是电阻率,μ是磁导率。(6)是可用于确定大地的电阻率:
ρ= ┉(7)
式中ρ的单位是Ω·m,E的单位是mv/km,H的单位是nT。
对于水平分层大地,此表达式不再适用,但用它的计算机得到的电阻率将随频率改变而变化,因为大地的穿透深度或趋肤深度与频率有关。
δ= ┉(8)
式中δ的单位是m。此时由(7)式计算得到的电阻率称视电阻率。在一个宽频带上测量E和H,并由此计算出视电阻率和相位,可确定地下构造。
对于更一般的不