地球电磁学

第三章地球电磁学

概述

地球电磁学（Erath Ealctromagnetics 或Geo-Electromagnetics, 简称EM；又可称谓―电磁地球物理学‖，EM Geophysics）（B.Tezkan,，1999）[1]是在地球表面测量天然的或（和）人工产生的电场或（和）磁场，利用电学原理或电磁感应原理对测量数据进行分析，研究地球内部的电性、电化学性质等，应用于地质构造研究、矿床资源和环境工程等浅层勘探、深部结构探测、地震灾害预测等众多领域，是最古老的地球物理学分支学科之一。地球电磁学方法是由传统的电法、磁法和20世纪50年代兴起的电磁法发展起来的，它具有系统的理论基础、完备的数据观测和处理解释技术，是地球物理学中类别最多、应用范围最广、最具活力的学科，是罕有的既能探测地下目标体、又能观测空间环境独具特点的学科（赵国泽等，2009）[2 ]。

电法（傅良魁等，1961）[3]可以追溯到19世纪初P.Fox在硫化金属矿上发现的自然电场现象，30年代被试图用于寻找金属矿。20世纪20年代，法国科学家什柳姆别尔热等创立和发展了电法勘探的理论。1924年，在原苏联著名地球物理学家彼德罗夫斯基领导下，组成了世界上的第一支电法勘探队。我国电法勘探始于20世纪30年代，由当时北平研究院物理研究所的顾功叙先生所开创。在19世纪末、20世纪初被正规地投入生产找矿，至今已有众多的电法勘探方法。

磁法（谭承泽，1983[4]；北京大学等，1986[5]）是基于地磁现象和岩石磁性发展起来的方法。19世纪末，利用地磁异常可定量探测地下构造。20世纪30年代，A.A.洛加乔夫制造出感应式航空磁力仪,并用于研究大地构造及地质填图。中国于1936年在攀枝花等地开始试验性磁法勘探，1950年后我国开始进行大规模的地面、航空、海洋和井中磁测。磁法中随时间变化成分的研究和应用属于地球电磁学的范畴。

电磁法以20世纪50年代初提出的大地电磁法（Tikhonov, A. N，1950[6]：Cagniard，1953[7]）为标志，使电磁法进入新的历史发展阶段。它将19世纪后期、20世纪早期分别单独测量磁场和电场探测地下结构的方法相结合，同时测量随时间变化的电、磁场，利用电磁感应原理，探测地下的构造和结构。电磁法一经提出即得到快速发展，并促推了其它传统电、磁法的发展，衍生出包括可控源方法在内的多种新电磁技术。60年代，我国开始发展大地电磁法，起初以研究强震区深部结构为主，后逐步发展成为包括深部结构探测、油气构造探查、矿床和地热资源勘探、地震和火山监测等众多应用领域的主要地球物理方法。

至今，地球电磁学方法至少包含20多种，其中绝大多数在我国得到研究应用，有的方法还是我国自主发展或提出的。电磁学方法的应用，涉及人类活动或社会经济发展的几乎所有方面，探测深度从地表（0米）到数百千米。较浅层的勘探包括：探查地下管线、铁路（公

路）路基、桥梁(大坝)基础、隧道地质构造、核废料分布等。较深层的勘探包括：勘探金属矿/非金属矿、地下水、地热田、煤田、油气田等。深部探测包括：地壳上地幔直至地幔过渡带的结构，也包括活动构造区（断裂构造），潜在的活动地震、火山区的深部构造等。此外，通过监测地下电性的变化，或者空间电磁场的变化，进行地震等自然灾害的监测预测以及环境监测。

自1949年来，特别是近30多年来，上述方法在我国得到了深入的研究和广泛的应用，取得大量成果。我国几乎所有已开采或即将开采的较大型的金属矿区都采用了电磁勘探，是矿产资源的首选勘探方法之一。我国在寻找大型水源地、地热以及水利基础探测方面取得良好效果。我国所有的大型油气田，都进行了电磁法勘探，是世界上电磁勘探工作量最多的国家（赵国泽等，2007）[8]。

在我国大陆具有重要科学研究意义的地区都开展了深部电磁探测工作。20世纪80年代在我国部署的11条地学大断面（GGT）的大地电磁测深探测，最早提出了我国岩石圈厚度的分布图象（刘国栋，1994）[9]。90年代以来，我国在青藏高原及其周边地区的大地电磁探测结果，引起国内外专家的关注（Chen，etal,1996[10];Wei et al,2001[11]）。基于大量的探测结果，我国专家提出，在地块内部的地壳具有成层性结构，而在构造活动区或造山带地壳结构呈现高阻体和低阻带相互交织的特点(赵国泽，等，2004)[12]。

自50年代末至今，利用电磁法进行地震预测经过起步阶段、推广应用阶段和机理研究阶段的发展，已经可以给出某些强地震前物理上可解释的异常现象（钱复业等，1980[13]，秦馨菱等,1991[14]）。刘国栋负责的对1976年唐山地震的监测[15]、90年代初对祁连山地震监测（张云琳等，1994）[16]、1998年赵国泽研究组对张北地震的监测（汤吉等，1998）[17]等试验发现，地震前视电阻率减小。在2004年印尼苏门答腊9级地震、2008年汶川8级地震和2010年玉树地震前又记录到新的地震前兆现象（钱复业等，2009）[18]。

我国电磁地球物理学的研究、发展和应用得到了国际同行的普遍认可，世界著名的大地电磁专家Vozoff曾说：―现在大地电磁的首都在中国‖(王家映，2006)[19]。自1984年至今，已经成功举行了九届全国地球电磁学术研讨会，从1994年的第三届会议开始，每届会议都吸引国际知名专家参加，之后更名为―中国国际地球电磁学术研讨会‖。2003年在中国地球物理学会的支持下，成立了―地球电磁专业委员会‖，建立了网站[20]。2008年在北京举办了盛况空前的―第19届国际地球电磁感应学术研讨会‖，注册专家、学者达到480多人，其中境外248人，会议报告和展示论文近400篇，是往届最大规模的研讨会参会人数和论文的近两倍，在国际上产生重要影响（Toivo Korja & Guoze Zhao 2010）[21]。

第三章地球电磁学的概论、第五节展望主要由赵国泽执笔，并进行全文统稿；第二节浅层勘探主要由李金铭、何展翔、牛之琏、王永涛等执笔，何展翔统稿；第三节深部探测和其它节大地电磁部分主要由刘国栋、赵国泽等执笔；第四节地震监测主要有赵玉林、钱复业等执笔；第五节海洋探测主要由李予国、魏文博等执笔。所有执笔人以及林品荣、黄清华等参与了文字修改和讨论。