天然電磁場日變規律實驗觀測

張 輝，楊天春，葛洪亮

(湖南科技大學土木工程學院，湖南 湘潭 411201)

引言

天然電場選頻法是以大地電磁場為工作場源，以巖礦石的電性差異為基礎，在地面測量大地電場的水平分量，并通過對其變化規律的研究，用來解決水文、工程地質和找礦勘探等地質任務的一種交變電磁方法。

天然電場選頻法的理論基礎來源于音頻大地電磁法(AMT)。1953年，L.Cagniard最初提出大地電磁法，隨后，Kenneco于1963年將其發展為音頻大地電磁法，并用于解決淺部地質問題。我國于1968年開始對音頻大地電磁法開始研究。天然電場選頻法的研究從20世紀70年代才開始，從最初的聲頻大地電場法、音頻大地電場法到天然低頻電場法，再到天然電場選頻法，名稱雖然有變化，但是其基本原理還是相同的。

1977年，國家地質總局水文地質工程地質技術方法研究隊，在河北西部太行山地區開始利用大地電場的聲頻部分，進行了一些探測淺層含水構造的試驗研究工作，并研制了SDD-1型聲頻大地電場儀。1981年，地質部召開了聲頻大地電場法技術評議會，并開始推廣應用［1］。1982年，信永水開始研究聲頻大地電場法的異常特征［2］。1983年林君琴等提出了天然低頻電場法，并研制了DCR-A型天然場電測儀［3］;同年，河南省煤田地質勘探公司的喬夫［4］、山東省泰安地區水利局的張欽朋［5］等也對此方法有一定的研究。1985年韓榮波等正式提出天然電場選頻法，首先提出了選頻的概念，并研制成功了DX-1型天然電場選頻儀［6］。隨后，也有很多學者對此方法有一定的的研究，但是大多只是在實踐方面，在理論方面的研究偏少。

1 方法原理

天然電場選頻法的場源主要是由雷電和游散電流組成的。根據場論可知，在距離場源很遠的地面所分布的場，可視為一平面波場。對于大地電磁場以及交變電磁場場源而言，在距離場源較遠的地方，其平面波場方向近似垂直于地面且場的變化規律服從麥克斯韋方程組:

通過對麥氏方程組的求解，可以得到波阻抗與介質交流電阻率的關系［7］:

式中:ρs為交流電阻率，μ為磁導率，Ex為電場分量，Hy為磁場分量，為波阻抗，ω=2πf，f為工作頻率。

式(5)中未考慮Ex和Hy之間的相位差，這是因為本方法只是測量大地電場的水平分量，故不考慮Hy。從式(5)可以看出，當頻率f一定時，ρs與成正比，而E=ΔV/MN，于是ρs與ΔV成正比，即在野外可以根據測得的M、N兩點之間的電位差便可推測地下視電阻率的大小。

根據平面電磁波在地層中傳播時的衰減特征，即其振幅沿Z軸方向前進1/b距離時，振幅衰減為地表的1/e(約37%)。其中b為介質對電磁波的衰減系數。通常取距離δ=為電磁波的趨膚深度(或者稱為穿透深度)。在無磁介質中［8］:

根據式(6)可知，電磁波的趨膚深度與電阻率和頻率有關。當頻率一定時，電阻率越高趨膚深度越大;當電阻率一定時，頻率越低趨膚深度越大。因此，在實際工作中，我們可以選擇不同的工作頻率從而達到測深的目的，這也是選頻的由來［9］。但是根據式(6)求出的目標體埋深比實際深度要大，因此要對深度進行校正。有實驗及經驗總結表明，一般在基巖地區要乘以校正系數1/2～1/3［10］。

為了更好的說明天然交變電磁場的同源性與天然電場在工作區范圍內對地質體的影響具有同一性，了解天然交變電磁場的變化規律，以便合理的指導野外工作，從而增加采集結果的可靠性，進行天然交變電磁場的日變規律觀測。

2 實驗內容及步驟

本次實驗選用的儀器為鄭州地校研制并生產的TR-1型天然電場選頻儀，該儀器為指針型讀數，頻率選擇旋鈕共分為0～10個檔位，分別代表著15.7 Hz、23.6 Hz、71.8 Hz、129 Hz、213 Hz、320 Hz、640 Hz、980 Hz、1450 Hz以及混頻10個頻率。通過選擇頻率，可以達到下述目的:(1)提高抗干擾能力;(2)對比各頻率的異常曲線，從而提高解釋的可靠性;(3)勘探不同的深度。與該儀器配套的還有兩根不極化電極以及電線(標配長度20 m)。

本次實驗主要分三個步驟完成，首先為不同儀器同點同時刻測量，然后為不同儀器異點同時刻測量，最后為日變規律觀測。前兩次實驗主要目的是驗證工作時間工作范圍內天然電磁場的變化規律，第三次實驗的主要目的是研究天然電磁場的日變化規律，為實踐工作中選擇合適的采集時間提供理論基礎。

2.1 不同儀器同點同時刻測量

本次操作主要是檢驗兩臺不同儀器之間的一致性，為下面的異點同時刻測量做準備工作。地點選擇在湖南科技大學校園內一處堤上(見圖1實驗地點一)，該處遠離電纜及電線等各種供電設備，以避免人為因素而帶來的干擾。本次實驗時間從8點至18點，共計10 h，期間每隔20 min讀數并記錄各儀器各檔位的讀數，電極MN距離20 m。數據采集完畢使用Grapher繪制各檔位的曲線圖，對比兩臺儀器在各檔位的一致性，并計算出兩臺儀器的擬合度。圖2為同點同時實驗部分成果圖。

圖1 實驗地點示意圖

根據實驗結果，兩臺儀器各檔位的曲線同步性在90%以上，除了極個別的檔位曲線的同步性稍低，排除儀器本身誤差以及人為因素，認為兩臺儀器的同步性達到預期要求，可以進行下一步實驗。

圖2 同點同時測量實驗成果

2.2 不同儀器異點同時刻測量

本次操作選擇兩處不同的地點同時讀數測量，第一處為實驗的地點一，第二處為湘潭市九華工業園區東風本田4S店東北側的山坡邊(實驗地點二)，此處地點選擇同樣需要遠離電纜等供電設施的干擾，兩處相距3.2 km，如圖1所示。

時間與上次實驗時間一致，仍為8點～18點10 h，期間每隔20 min讀數，電極MN距離20 m;分析方法也與上次一樣。圖3為異點同時實驗部分成果圖。

根據實驗結果，在不同地點，兩臺儀器各檔位的曲線同步性在90%以上，除了極個別的檔位曲線的同步性稍低，排除儀器本身誤差以及人為因素，可以認為兩臺儀器各檔位的曲線變化形態基本一致，具有同步性。

2.3 日變規律觀測

本次操作地點與第一次操作地點相同(圖1中實驗地點一)，觀測時間為第一天8點至第二天16點，共計32 h，期間每隔20分鐘記錄一次數據，然后根據采集的數據使用Grapher繪制曲線，再根據繪制的曲線進行分析。圖4為日變規律觀部分成果圖。

圖3 異點同時實驗成果圖

從圖4，可以得知天然交變電磁場在24 h內變化幅度比較大，具有波動性，主要表現在下面幾個時間段，8點～21點這個時間段內，電位差的值較大;22點～7點電位差的值比較小，這兩個時間段的值的大小差別在3倍以上。在上述兩個時間段內，天然交變電磁場仍是隨機變化的，但是波動在一個有限的范圍內;在7點這個時刻，天然交變電磁場有個突變的過程，推測可能是因為日出等因素引起的。兩天重復時刻觀測的部分，雖然曲線的大小有異，但是其變化規律是相似的(圖4中點化線與實線對比)，表明雖然天然交變電磁場是波動的，但是其日變化規律還是服從一定的規律。

通過上述分析，在實踐應用當中，應在盡可能短的時間內采集完數據，如果必須長時間操作，那么要進行日變規律的觀測，根據背景場的變化對采集的數據進行歸一化處理，壓制由于天然交變電磁場的波動變化而引起的假異常，增加解釋的合理性。

3 工程實例

某高速公路監控中心的找水應用中采用了天然電場選頻法，結合幾條實測剖面，闡述天然電場日變規律觀測在實踐工作中的應用。

圖4 日變規律觀測實驗成果圖

在工作區范圍內，選定一處地下介質較穩定的地點布設天然電磁場日變規律觀測點(類似于高精度磁測中的日變站)，觀測工作過程中天然電磁場的時時變化規律，同時記錄各測線和觀測點的數據。數據處理時，根據日變觀測點的數據對各測線的實測數據進行歸一化處理。圖5為05測線0～4檔的實測曲線圖，分析可知，在測線76 m和110 m位置處各有一比較明顯的低阻異常;圖6為根據日變觀測數據對頻率213 Hz的曲線進行歸一化處理后的曲線圖(其它幾個頻率經歸一化處理后的曲線圖為213 Hz的類似，就不一一羅列說明)，分析此圖，110 m處的異常仍存在，而76 m處的異常已不明顯，推測76 m處的假異常為天然電磁場的隨機變化所引起的。通過鉆孔驗證，110 m處在深度100 m附近見水，且通過抽水試驗，水量也達標。

同時，如果實際情況允許，建議先進行天然電磁場日變規律觀測實驗，選取背景場變化較平穩的時間段進行剖面實測，如圖4中8∶00～11∶00和12∶00～15∶00。或者日變觀測與剖面實測同時進行，對采集的數據進行歸一化處理，壓制因背景場的波動而造成的假異常，增加解釋的可靠性。

4 結束語

天然電場選頻法具有操作簡便、投入低、便捷、抗干擾能力強等其他物探方法不具有的特點。通過實驗可知:(1)天然電磁場在局部范圍內具有同源性，表現為:在一定范圍內，天然場的同步變化，本次試驗中表現為電位差的變化;(2)天然電磁場具有波動性，在清晨的時候變化幅度較小，而且有一明顯的上升趨勢，在中午時刻變化比較劇烈，到傍晚時，又有一下降趨勢;(3)白天與夜晚的變化幅度差別較大，日變化規律又有一定的重復性;(4)在實踐應用當中，應盡可能在短時間內完成數據采集工作，否則必須進行歸一化處理，以壓制背景場造成的假異常，增加解釋的合理性。

［1］連 克.聲頻大地電場法在巖溶山區探測地下水的應用［J］.水文地質工程地質，1979(5)：76-85.

［2］信永水.聲頻大地電場法異常特征初探［J］.河北地質學院學報，1982(4)：44-53.

［3］林君琴，雷長聲，董啟山.天然低頻電場法［J］.長春地質學院學報，1983(2)：114-126.

［4］喬 夫.聲頻大地電場法探測巖溶水的效果［J］.煤田地質與勘探，1983(5)：42-45.

［5］張欽朋.聲頻大地電場法找水［J］.工程勘察，1983(2)：53-56.

［6］韓榮波，吳木林.天然電場選頻法在工程地質中的應用［J］.工程勘察，1985(3)：76-79.

［7］Moroz Y F.Anomalies of the natural electric field on Lake Baika［J］.Physics of the solid Earth，2008(11)：933-940.

［8］李 好，楊天春，王齊仁.天然電場選頻法在地下水勘探工程中的應用［J］.西部探礦工程，2009(10)：114-116.

［9］匡文龍，楊 沖.觀文礦區地下暗河中天然電場選頻法的探測研究［J］.湖南科技大學學報：自然科學版，2011，26(3)：17-21.

［10］王士黨，楊天春，夏祥青.天然電場選頻發在溶洞勘查中的應用［J］.勘察科學技術，2011(6)：52-55.