电磁波在地球物理勘探中的应用 _电磁

1 引言
电法勘探是地球物理勘探的主要方法之一，通过仪器观测人工或天然产生的电磁场，分析和解释这些场的规律和特点实现地球物理勘探的目的。相比于其他勘探方法，电法勘探应用面广、探测深度大、精确度高[1] 。
电法勘探的基本原理是：电磁波在同种介质传播方向不变，不同介质具有一定的电性差异，传播过程中遇到存在电性差异的不同介质时引起电磁波反射，根据反射的结果可以判断地下异常体的位置。电性差异指的是电阻抗的差异，与电导率、磁导率和介电常数有关，一般对电性差异影响最大的是介电常数。
我国的电法勘测最早开始于20世纪30年代，由顾功叙先生开创，早期以从苏联引进技术为主[2]，经过多年发展已经在众多领域都取得了巨大进展，被广泛应用于资源勘探、水文地质、考古环保和地质灾害探测等领域[3] 。电磁探测法按照场源的种类可以分为人工场法和天然场法，按照所研究场的响应类型可以分为直流电探测法、频域法和时域法。电磁法如今已经衍生出了很多种类，下面对直流电法、探地雷达（GPR）、瞬变电磁法（TEM）、大地电磁法（MT）和可控源音频大地电磁法（CSAMT）这几种主要的方法进行介绍。
图1.主要电法勘探方法
2 直流电法
直流电法是电法勘探中最早使用，应用广泛的一种物探方式。直流电法通过电极向地下供直流电或低频交流电以形成稳定的电场，测量电极附近的电场分布的勘探方法，该方法主要分为电阻率法和充电法。
2.1 电阻率法
电阻率法使用电极向地下提供稳定的电流，测量周围电势差，从而计算出周围介质的电阻率，进而推断出岩矿石分布和地质结构特征。在传统的电阻率法中多采用等间距排列的温纳装置，如图1所示。其中
，视电阻率和电位差、电流强度的关系为
，其中
。
图2.温娜装置
测量方法分为电测深法和电剖面法，它们分别通过改变电极之间的间距和装置在剖面上的位置来实现对同一测量点不同深度和不同剖面位置的测量。该方法要求地层基本水平，各层之间的电阻率有差异，地形起伏不大，满足以上条件计算得到的电阻率才足够准确。通常用于勘探断层破碎带，含水层厚度和岩溶发育带。
传统的电剖面法和电测深法在铺设一次导线后只能测量一个点的数据，分辨率低，操作复杂。20世纪70年代末基于英国学者等[4]人的阵列电法思想，发展出了高密度电法。其与常规电阻率法的区别在于，将多个电极布置在一个观测点上，由主机自动控制供电电极和接收电机，以此实现多种自由组合形式，提取更多有用的地电信息。高密度电法相比于传统方法有很高的灵活度和效率，只需要一次铺设电极，大大降低了因地形原因电极设置造成的测量误差。
2.2 充电法
充电法的方法和原理与电阻率法相同，区别在于充电法直接对被测物体进行充电，使充电体变成等位体或拟等位体，根据充电体和周围的电场分布特征确定充电体的形状、大小、产状和埋深等，其原理如图3所示。该方法仅限于测对象是良导体，电阻率远小于周围物体，并且有裸露的部分可以用于对被测物体充电。因此这种方法测量深度和大小受限，难以实现深度过深或体积过小物体的探测，多被用于金属矿物和水文勘探。
图3.充电法
直流法虽然经过多年发展，但它仍有很多局限性，主要表现为以下三个方面：其一，直流电法容易受到高阻层和低阻层的屏蔽作用，在高阻层有很大损耗，测量深度大大下降，在低阻层近似于短路，测量精度大大下降；其二，要求被测物体电阻率远小于周围物体，对被测物体和周围环境有要求；其三，需要反复钻孔布置电极，操作复杂成本高，效率低很难实现大范围和大深度探测。