磁坐偏角對EH4測量數(shù)據(jù)的影響研究

楊拾鵬 侯 廣 高慶華

(核工業(yè)二一六大隊，新疆烏魯木齊 830011)

EH4系統(tǒng)是由美國EMI公司和Geometrics公司聯(lián)合研制的雙源型電磁系統(tǒng)(見圖1)。由于其自身設(shè)備輕便、速度快、費用低、勘探深度大、精度高等優(yōu)點［1］，近年來在尋找地下水、礦產(chǎn)勘查等領(lǐng)域得到廣泛應用，并已成為一種常用的電磁勘探方法。在EH4野外數(shù)據(jù)采集中，X電極和磁棒沿測線分布，Y電極和磁棒垂直于測線分布，但電極和磁棒的方位角要使用羅盤確定，這就要求在野外使用羅盤之前，先對羅盤進行校正，確保儀器準確，以避免在最初數(shù)據(jù)采集中引起誤差，影響數(shù)據(jù)處理結(jié)果。但在實際的野外操作中，磁坐偏角卻是常常被大家忽略，在我國大陸磁坐偏角從南到北由1°增大到12°，而這種忽略將引起較大視電阻率誤差。

圖1 EH4系統(tǒng)儀器設(shè)備

1 EH4工作原理

EH4采用StrataGem電磁成像系統(tǒng)，測量由人工源和天然源產(chǎn)生的交變電流激發(fā)地下導電介質(zhì)中生成的感應電磁場［2］。深部地質(zhì)體通過低頻信號采集，其信號源頻率為10 kHz～1 kHz，淺部地質(zhì)體通過高頻信號源采集，其信號源頻率為500 kHz～100 kHz，但是由于天然場高頻信號不足，所以使用人工裝置發(fā)射電磁信號，彌補天然場的不足［3］。這種應用天然源和人工源相結(jié)合的方式，能對地下1 km以內(nèi)的地質(zhì)體高分辨率成像，而且工作效率高，一個測點在12次 ～16次疊加時，完成測量只需15 min～20 min［4］。EH4方法原理與 MT法一樣，都是通過在地面測量相互正交的電磁場分量Ex，Hy，Hx，Ey，然后通過卡尼亞電阻率計算公式，計算得到不同頻率的視電阻率，其計算公式為:

其中，ρxy為電場沿構(gòu)造傾向極化方向(TM)的視電阻率;ρyx為電場沿構(gòu)造走向極化方向(TE)的視電阻率［2］。

在電磁理論中，把電磁場在大地傳播過程中，其場振幅衰減到表面值1/e時電磁波所傳播的深度定義為趨膚深度(δ)，表達式為:

由上式可以看出，趨膚深度是隨電阻率和頻率變化的，介質(zhì)的導電性越好，信號頻率越高，場衰減的越快，反映淺部信息;介質(zhì)的導電性越差，信號頻率越低，場衰減的越慢，反映深部信息。因此，在一個寬頻帶上觀測電場和磁場信息，并由此計算出視電阻率和相位，可確定出大地的地電特征［5］。

2 羅盤

2.1 標準方向

真子午線方向:通過地面上某一點并指向地球南北極的方向線，就是過該點的真子午線方向，亦稱真北方向。真子午線方向是通過天文觀測的方法確定的磁子午線方向:磁針自由靜止時所指的方向，即指向地球磁南極、磁北極的方向，稱為磁子午線方向，亦稱磁北方向。磁子午線方向可用羅盤儀測定。坐標縱線方向:高斯平面直角坐標系的縱軸方向，稱為坐標縱線方向，亦稱坐標北方向。在同一投影帶內(nèi)，所有坐標縱線都與中央子午線(縱軸)平行。

2.2 標準方向之間關(guān)系

1)磁偏角。真子午線方向與磁子午線方向之間的夾角稱為磁偏角，以δ表示，如圖2所示。磁子午線北端在真子午線以東者稱東偏，δ取正值;在真子午線以西者稱西偏，δ取負值。地面上各點的磁偏角不是一個定值，隨地理位置不同而異，我國西北地區(qū)磁偏角約為+6°。東北地區(qū)磁偏角則為－10°左右。磁偏角可以從地磁圖上查、通過計算獲得或通過國際地磁參考場(IGRF)獲得。

圖2 磁偏角、子午線收斂角、磁坐偏角示意圖

2)子午線收斂角。真子午線與坐標縱線之間的夾角稱為子午線收斂角，以γ表示。坐標縱線北端在真子午線以東者γ取正值，反之γ取負值。地面上某點的子午線收斂角計算式為:

其中，λ為地面點經(jīng)度與中央子午線經(jīng)度之差;φ為地面點的緯度。由式(1)可知，緯度愈低，子午線收斂角愈小，當?shù)孛纥c位于赤道上，則γ=0;緯度愈高，子午線收斂角愈大，在兩極時γ=λ。

3)磁坐偏角。坐標縱線與磁子午線之間的夾角稱為磁坐偏角。磁子午線北端在坐標縱線以東者，磁坐偏角取正值;反之，磁坐偏角取負值。磁坐標偏角常以δm表示，δm=δ+γ。

2.3 羅盤校對

在EH4測量中，羅盤主要負責方位角的測量，如測線方位，X，Y電極方位和X，Y磁棒方位。在實際工作中通常所說的方位角為坐標縱線，但是羅盤所指的方向為磁子午線方向，所以會引起一個磁坐偏角大小的誤差，且這個誤差常會被忽略。在野外工作之前要根據(jù)計算的子午線收斂角和國際地磁參考場查詢的磁偏角，對羅盤進行校對。

3 磁坐偏角對EH4測量的誤差分析

3.1 EH4工作方法

EH4測深是在測點上記錄相互垂直的兩個水平電場和磁場的時間序列。在剖面上測線方向垂直于巖層走向布設(shè)，連續(xù)進行類似測點測量，提供垂向視電阻率(ρxy)和側(cè)向電阻率(ρyx)。

在野外工作時，先使用GPS確定測量位置(中心點)，在中心點處用羅盤確定電極方向，其中x為沿測線方向，y為垂直于測線方向，并用測繩確定極距。在距離前置放大器3 m以外，沿x，y方向布置兩組相互正交的高頻磁探頭。具體布設(shè)見圖1。

3.2 實測結(jié)果分析

在觀測之前，使用羅盤確定電極和磁棒方位時，要確保羅盤校正磁坐偏角，確定方位角準確。在野外實際測量中，對校正前、校正后及最大磁坐偏角做觀測，反演視電阻率計算均方誤差結(jié)果見表1，并繪制頻率與視電阻率圖，見圖3。

表1 不同偏角視電阻率均方誤差對比表

從表3可得，隨著磁坐偏角角度的增大，引起視電阻率均方誤差增大，X方向的變化強于Y方向，且視電阻率的均方誤差大于規(guī)范所規(guī)定的15%的要求。由圖2可得，在視電阻率和頻率曲線上，高頻部分相對于中、低頻部分視電阻率偏差較小，即隨著探測深度的加大視電阻率偏差增大。

圖3 頻率—視電阻率圖

4 結(jié)語

1)對地理坐標中標準方向及關(guān)系介紹，推導出經(jīng)常被工作者忽略的磁坐偏角表達式。2)通過對不同磁坐偏角的實際測量，分析對比不同磁坐偏角對EH4測量帶來均方誤差大小，經(jīng)過計算得出，當磁坐偏角為5°和10°時，均方誤差均大于規(guī)范要求的15%，并隨著磁坐偏角的增大均方誤差增大，應在實際工作中引起高度重視。

［1］勞累公司.高頻大地電磁法操作手冊［Z］.1998.

［2］石應駿，劉國棟.大地電磁測深法教程［M］.北京:地震出版社，1985.

［3］聞秋香，羅向前，孫君道.磁羅盤工程校準方法研究［J］.科學技術(shù)與工程，2011，11(28):6936-6939.

［4］葉益信，鄧居智，方根顯.高頻大地電磁測深(EH4)在熱儲構(gòu)造勘查中的試驗研究——以撫州地熱區(qū)為例［J］.地質(zhì)與勘探，2011，47(4):649-653.

［5］張 瑩，張勝業(yè).EH-4資料處理解釋系統(tǒng)的研究［J］.工程地球物理學報，2005，2(4):311-315.

［6］徐新學，趙憲堂，王寶勛，等.大地電磁測深資料常規(guī)反演方法的應用現(xiàn)狀及進展［J］.地質(zhì)調(diào)查與研究，2004，27(sup):71-75.