第四章电磁剖面法

­195­ 第四章 电磁剖面法

电磁剖面法主要应用于矿床的普查、地质填图以及水文地质、工程地质调查中。普查对象 主要是矿体（矿床）、接触带、裂隙破碎带、陡倾斜地层、岩溶带、古河床等。一般情况下，人 工主动源电磁剖面法的研究深度为几十米到一、二百米。对于大地电磁剖面法，其研究深度可 达到结晶基底，并可提供研究区域填图的基础资料。

电磁剖面法的常用方法为不接地回线法、电磁偶极剖面法和航空电磁法等。这些方法既可 以在频率域，也可在时间域采用。被动源方法主要有甚低频法和大地电磁法。

由于文章篇幅及授课学时数问题，电磁剖面法内容只讨论甚低频法，如对电磁剖面法其它内容感兴 趣者可参阅有关文献。

4.4.1 甚低频法

世界上许多国家为了潜艇通讯及导航目的，设立了强功率的长波电台。其发射频率在 15~25kHz 范围内，采用连续的莫尔斯（Morse ）编码的未调制载波。在无线电工程中，将这种 频率称为甚低频（VLF ）。故以这种电台为场源的电磁法，称为甚低频电磁法。注意，这里的“甚 低频”并不是一般电法勘探意义上的低频，实际上它应属于高频电磁法范围。

世界各国作为甚低频场源的那些海军通讯台的发射功率都比较强，所发射的电磁波是连续 的，而且传播很远，因此地球上任何地方至少可以收到

其中一个电台的电磁波。我国能用于找矿或地质填图的

电台有：日本爱知县的 NDT 台，频率为 17.4kHz ，功率

为 500kW ； 澳大利亚西北角的NWC 台， 频率为 15.5kHz

及 22.3kHz ，功率为 1000kW 等。利用这种频带的电磁

法较适合于电导率填图， 还可用于探测大断层、 破碎带、

石墨化地层和矿化带等。在有利条件下还可能探测浸染

和块状硫化矿。

甚低频电台发射的电磁波，在远离电台地区可视为

典型的平面波。由于发射天线是垂直的，可当作位于地

表的垂直电偶极子。其幅射场包括两部分：一部分是垂

直于地面的电场分量，另一部分是平行于地面的磁场分

量。两者都与波的传播方向正交（图 4.4.1（a ））。若地

表附近有导体 D 1、D 2。其中 D 1 的走向与电磁波前进方

向一致，而D 2 的走向与之垂直。则一次磁场对 D 1 的激

发最强，对 D 2 的激发较弱。D 1 内形成涡流，涡流在其周围空间产生相当强的二次磁场 H 2。二 次场有水平水量 H 2x 和垂直分量 H 2z ，H 2z 的出现是地下存在局部电性差异的标志。由于一次场 和二次场的方向、振幅和相位都不相同，所以总场呈椭圆极化（图 4.4.1（b ））。由于一次场为均 匀场，若良导体走向和延深皆很大，则感应二次场的性质近似于线电流场。

最简单的地面 VLF 法通常是观测总场倾角a 、垂直分量 H z 和水平水量H x 。其观测方式是，

先将接收机校准于所选择的电台频率，将接收线圈面沿垂直轴转动，得到一个极大信号时，线

图4.4.1 甚低频法原理示意图

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圈面延伸方向为电台的方向。然后，照准该方向，即以该方向绕水平轴旋转线圈面，观测a 、 H z 及 H x 。由于 VLF 频率很高，故异常值中包含较大的地质噪声，使异常曲线较为杂乱。但本 方法仪器轻便，工作频率高，因此在普查中可作为一种辅助手段。该方法不仅用于地面普查工 作，也可作为航空综合站的一种辅助方法。

下面介绍比较复杂的观测系统：无线电相位系统和电场相位系统。无线电相位系统（H 型） 测定磁场成分。VLF 电磁波近地表的铅直电场与大地的耦合欠佳，几乎不受大地导电性变化的 影响，或影响甚小，故较稳定。相反，VLF 电磁波的磁场则会受到大地电导率变化的强烈影响。 由此可见，测定磁场的实、虚分量时可将铅直电场的相位作为参考信号。为了避开地形影响， 也可仅测虚分量，它主要反映导电区产生的磁场，地形影响主要反映在磁场实分量中，因为其 中的一次场受地形影响较大。

电场相位系统（E 型）VLF 法对电阻率的横向变化反映灵敏，故一般用于覆盖层电导率填 图。实际上，理想的导电平面为等电位面，这时垂直极化的平面波在传播过程中只有垂直于平 面的电场分量。但是，当地面的电导率有限时，电磁波的能量一部分沿电波传播方向传送，而 另一部分传入地下变为热损耗。故合成电场矢量朝波的前进方向倾斜，便出现了电场的水平分 量。

由于电场矢量的铅直分量 E z 的振幅比水平分量 E x 的振幅大 100~200 倍， 故铅直和水平鞭状 天线间正交性的微小偏差，可造成水平天线拾取水平信号振幅的巨大变化。因此，很难通过直 接观测铅直天线和水平天线的电压比来测量倾角。但有一种近似办法：测量水平电场的虚分量， 且与作为参考信号的铅直分量（实分量）相比，可求出大地的电阻率。在理想导电媒质情况下， 电场只有铅直分量，乌莫夫­玻印亭矢量乃与波的前进方向一致，这时波阻抗为

0 e m = = y z

zy H E Z 当介质为有限电导率的水平电场分量与水平磁场H y 形成另一乌莫夫­玻印亭矢量， 指向垂直地面 向下。此能量在地中由于热损耗而被吸收。其阻抗为

) 1 ( 2

0 i H E Z y x xy + = = wrm 求 zy xy Z Z 与 Im 的比值，得

2 Im 0 wre = z x E E 令此比值为倾角，则

Hz

rad f tg } { } { 10 527 . 0 2 } { m 5 0

× - ´ ´ = = W r wre d 此处d 以弧度表示。利用上式可确定均匀介质电阻率

m } { } { 10 6 . 3 2 10 × W ´

´ = Hz rad f tg d r (4.1.1)

因d 很小，将上式变为 m } { } { 10 6 . 3 2 10 × W ´ ´ » Hz rad f d r （4.4.2）