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21世纪地球物理学新方法技术发展应用综述

摘要：我单位综合物探分院主要职责是运用海、陆、地下三维地球物理勘探技术，为矿产资源勘探、生态文明建设、重大工程建设、绿色能源勘查、海洋潜力开发、地质灾害防治等提供技术支撑。分院举办了首届“中国地球物理学会地球物理科技推广工作委员会主任工作会议”，承办了多次行业主题活动报告会，连续两年被评为“中国地球物理学会优秀科技推广试点单位”。下文介绍单位生产工作中运用的三种物探新方法技术：瞬变电磁、广域电磁、微动探测法。

关键词：地球物理学；瞬变电磁；广域电磁；微动探测；应用现状；

引言：地球物理探索地球的各种物理现象本身的规律性，如研究重力场、地磁场、地电场、地震波场等；并利用这些规律性取得对地球的认识。另一方面，地球物理方法还可激发出多种不同尺度的人工场，如人工电场、电磁场、地震波场等，并利用其探索地球。这样，地球物理可以应用多种物理手段主动灵活地进行目的明确的地球研究，解决经济建设中出现的问题，如矿产资源的探查和开发、环境的监测和保护，各种自然灾害的监测与防治以及为大型基础设施建设和城市地下空间安全提供技术支持等。因此，从某种意义来讲， 地球物理有地球物理场作为理论基础，同时又是研究认识地球的高科技。随着我国经济持续快速发展和人民生活水平的不断提高，对资源和能源提出了新的更高的需求，以及各种基础设施的不断完善，都对物探方法技术提出了更高的要求，各种新物探方法技术正是这种背景下应运而生。

一、瞬变电磁

瞬变电磁法（Time Domain Electromagnetic Methods，简称TEM）是一种针对查明含水地质如岩溶洞穴与通道、采空区探测领域有良好效果的物探勘查方法，在地质勘查有广泛应用。瞬变电磁法是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，来解决有关地质问题的时间域电磁法。

分院最新引进的HPTEM-18等值反磁通瞬变电磁系统运用等值反磁通瞬变电磁原理，等值反磁通瞬变电磁法（OCTEM）是测量等值反磁通瞬态电磁场衰减扩散的一种新的瞬变电磁法。具体的技术思路与方案是：以相同两组线圈通以反向电流时产生等值反向磁通的电磁场时空分布规律，采用上下平行共轴的两组相同线圈为发射源，且在该双线圈源合成的一次场零磁通平面上，测量对地中心耦合的纯二次场。双线圈在地面发射瞬态脉冲电磁场信号，其中一组线圈置于近地表面，在瞬态脉冲断电瞬间，近地表叠加磁场最大，因此，在相同的变化时间下，感应涡流的极大值面集中在近地表，感应涡流产生的磁场最强，随着关断间歇的延时，地表感应涡流逐渐衰减又产生新的涡流极大值面，并逐渐向远离发射线圈的深部、边部方向扩散，即为M.N.Nabighian形象描述的瞬变电磁法的“烟圈效应”。涡流极大值面的扩散速度和感应涡流场值的衰减速度与大地电性参数有关，一般在非磁性大地中，主要与电导率有关：大地电导率越大，扩散速度越小，衰减得越慢。根据地表接收到的涡流场信号随时间的衰减规律即可获得地下电导率信息，这就是等值反磁通瞬变电磁法的物理原理。

基于等值反磁通理论，湖南五维地质科技术有限公司与中南大学研制出了HPTEM-08等值反磁通瞬变电磁系统，该系统消除了瞬变电磁法关断延迟的电磁耦合效应，不受场地限制、满足浅部工程勘察需要，广受好评。经过多年技术攻关，系统现已升级至HPTEM-18，新系统便携化了收发天线、提高了仪器稳定性、校准了早期二次场测量、并改进了瞬变电磁快速反演技术，申报了多项国家发明专利，拥有自主产权，我单位引进后在古城墙维护及病害勘察项目上得到广泛应用。

二、广域电磁法

广域电磁法是二十一世纪初发展起来的电磁探测技术。该方法采用人工场源，从电磁场精确的（非近似的）表达式出发，严格地定义了广域电磁法视电阻率参数，改善了非远区的畸变效应，使得测深能在广大的、不局限于“远区”的区域进行，在同等收发距条件下勘探深度更大。该方法继承了可控源音频大地电磁法（简称 CSAMT 法）使用人工场源的优点，也继承了磁偶源频率测深法（简称MELOS法）非远区测量的优势；改良了CSAMT法远区信号微弱的劣势，拓展了观测适用的范围，同时摒弃了 MELOS 方法的校正办法；用适合于全域的公式计算视电阻率，保留了计算公式的高次项，大大拓展了人工源电磁法的观测范围，提高了观测速度、精度和野外效率。

该方法是由中南大学何继善院士提出的，是利用电性特征分析预测地层发育、构造形态、断裂展布及含油气情况等的电法类勘探技术，可应用于油气藏、页岩气、金属矿及煤田采空区探测等方面，具有勘探深度大、观测范围广、工作效率高、测量精度高、适应性强等特点。

根据发射偶极AB、接收偶极MN和测线布置方向相对于地质构造走向的关系有TM和TE两种测量方式。

TM模式：发射偶极AB、接收偶极MN和测线布置方向垂直于地质构造方向布设。TM模式横向分辨能力较强，观测的电场受静态影响，地形影响较严重。

TE模式：发射偶极AB、接收偶极MN和测线布置方向平行于地质构造方向布设。TE模式横向分辨能力较高，观测的电场受静态影响，地形影响较小。

TE模式使用较多，该模式是通过人工接地场源（电场源）或非接地场源（磁场源），向地下发送不同频率（范围为0.0117～8192Hz）的交变电流，在广大的、不局限于传统远区的区域内，只观测一个电磁场分量，计算广域视电阻率，达到探测不同埋深地质目标体的频率域电磁测深方法。其视电阻率计算公式为：

式中： （装置系数）

（电磁效应函数）

其中r为收发距，DL为发射源长度，MN为接收极距，I为电流，Ex为x方向电场的水平分量，i为虚数，κ为频率域波速，ψ为张角。

三、微动探测

地球表面时刻处在一种微弱的震动状态下，地球表面的这种连续的微弱振动称为微动。微动是地球表面任何时刻、任何地点都存在的，无固定震源的微弱运动，其振幅约为10-4～10-2mm。微动信号具有以下特点：1、微动信号是随时随地发生的一种振动；2、微动信号的信号强度和传播方向都是随机的；3、微动信号具有振幅和形态随时空变化，但在一定的时间范围内具有统计稳定性；4、根据被动源周期的长短不同，得到的微动信号也分为长短周期两种不同的形式。

微动勘探方法就是以平稳随机过程理论为依据，从微动信号中提取面波（瑞雷波）频散曲线，通过对频散曲线反演获得地下介质的横波速度结构，以探查地质构造的地球物理勘探方法。面波的传播速度随频率发生变化的现象叫做频散。面波的频散特性反应了地下介质的构造特征，是微动勘探的理论基础。

由于微动信号的特殊性，导致微动勘探具有以下优势：1、无损勘探，环境友好；2、分布式采集，操作方便，经济高效；3、抗干扰能力强，适用于人口密集区；4、对断层破碎带、采空区（空洞）等构造导致的低速区域敏感，探测效果好；5、探测范围大，从几米到几十米的浅部工程勘探，到几百米上千米的中深部勘探，以至几公里几十公里的深部构造勘探都能适用。

由于微动勘探的优势，在众多领域都有应用，主要应用领域包括：1、工程勘查：勘查城市排水管道、检测工程裂隙、陷落柱、采空区、岩溶溶洞、寻找断层破碎带；2、资源勘查：地热地下水勘查、油气勘探等；3、活动监测：实时追踪风暴运动、监测地灾及地壳板块活动等。

我单位采购仪器微动勘探设备为A-tom单站式地震仪，为美国Geometrics公司研发生产的便携式地震仪，无需大线电缆，无需连接任何PC机，可根据采集时间长短及接收检波器主频大小，来达不同的探测深度及勘探目的，该系统目前使用情况良好，多次在城市地铁岩溶或坍塌路面等项目上取得较好效果。

结束语：随着科学技术不断发展的过程中，地球物理勘探技术也在不断成长和成熟，但是还有些问题需要进一步研究。我国的经济建设发展需要地球物理方法技术不断进步，并在多个行业领域中充分应用物探的优势。通过加强理论研究、反复试验实践、总结有效经验，不断发展高分辨率、高效率及无损化的地球物理勘探技术是未来趋势。

参考资料：

[1]地磁场与磁力勘探/管志宁编著.地质出版社,2005.8（2015.1重印）:序.

[2]广域电磁法和伪随机信号电法/何继善编著

[3]基于等值反磁通原理的浅层瞬变电磁法/席振铢、龙霞、周胜、黄龙、宋刚、侯海涛、王亮编著.地球物理学报,2016.9

[4]广域电磁法技术规程/何继善、李帝铨、李芳书、凌帆、杨洋、尹文斌、王永兵、张磊起草.湖南省质量技术监督局,2018.9