天然交變電磁場日變規(guī)律的實(shí)驗(yàn)觀測

天然交變電磁場日變規(guī)律的實(shí)驗(yàn)觀測

天然電場選頻法的研究進(jìn)展自然低頻法是以地球磁體為工作場的源，根據(jù)巖屑的電性差，測量地球磁體的水平分量，研究其變化規(guī)律，解決水文、工程地質(zhì)、勘探等地質(zhì)任務(wù)的交變電磁法。天然電場選頻法的理論基礎(chǔ)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(fā)展為音頻大地電磁法,并用于解決淺部地質(zhì)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(jì)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(zhì)總局水文地質(zhì)工程地質(zhì)技術(shù)方法研究隊(duì),在河北西部太行山地區(qū)開始利用大地電場的聲頻部分,進(jìn)行了一些探測淺層含水構(gòu)造的試驗(yàn)研究工作,并研制了SDD-1型聲頻大地電場儀。1981年,地質(zhì)部召開了聲頻大地電場法技術(shù)評議會,并開始推廣應(yīng)用。1982年,信永水開始研究聲頻大地電場法的異常特征。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;同年,河南省煤田地質(zhì)勘探公司的喬夫、山東省泰安地區(qū)水利局的張欽朋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。隨后,也有很多學(xué)者對此方法有一定的的研究,但是大多只是在實(shí)踐方面,在理論方面的研究偏少。1地下主導(dǎo)地位模型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(jù)場論可知,在距離場源很遠(yuǎn)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(yuǎn)的地方,其平面波場方向近似垂直于地面且場的變化規(guī)律服從麥克斯韋方程組:?×→Η=→j+?→D/?t(1)?×→E=-?→B/?t(2)??→D=q(3)??→B=0(4)其中,→Η為磁場強(qiáng)度,→E為電場強(qiáng)度,→D為電位移,→B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,→j為電流密度,q為自由電荷體密度,t為時(shí)間。通過對麥?zhǔn)戏匠探M的求解,可以得到波阻抗與介質(zhì)交流電阻率的關(guān)系:ρs=1ωμ|ExΗy|2(5)式中:ρs為交流電阻率,μ為磁導(dǎo)率,Ex為電場分量,Hy為磁場分量,ExΗy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?yàn)楸痉椒ㄖ皇菧y量大地電場的水平分量,故不考慮Hy。從式(5)可以看出,當(dāng)頻率f一定時(shí),ρs與|Ex|2成正比,而E=ΔV/MN,于是ρs與ΔV成正比,即在野外可以根據(jù)測得的M、N兩點(diǎn)之間的電位差便可推測地下視電阻率的大小。根據(jù)平面電磁波在地層中傳播時(shí)的衰減特征,即其振幅沿Z軸方向前進(jìn)1/b距離時(shí),振幅衰減為地表的1/e(約37%)。其中b為介質(zhì)對電磁波的衰減系數(shù)。通常取距離δ=1b為電磁波的趨膚深度(或者稱為穿透深度)。在無磁介質(zhì)中:δ=1b≈503.3√ρf(6)根據(jù)式(6)可知,電磁波的趨膚深度與電阻率和頻率有關(guān)。當(dāng)頻率一定時(shí),電阻率越高趨膚深度越大;當(dāng)電阻率一定時(shí),頻率越低趨膚深度越大。因此,在實(shí)際工作中,我們可以選擇不同的工作頻率從而達(dá)到測深的目的,這也是選頻的由來。但是根據(jù)式(6)求出的目標(biāo)體埋深比實(shí)際深度要大,因此要對深度進(jìn)行校正。有實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)表明,一般在基巖地區(qū)要乘以校正系數(shù)1/2～1/3。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(qū)范圍內(nèi)對地質(zhì)體的影響具有同一性,了解天然交變電磁場的變化規(guī)律,以便合理的指導(dǎo)野外工作,從而增加采集結(jié)果的可靠性,進(jìn)行天然交變電磁場的日變規(guī)律觀測。2儀器選擇頻率本次實(shí)驗(yàn)選用的儀器為鄭州地校研制并生產(chǎn)的TR-1型天然電場選頻儀,該儀器為指針型讀數(shù),頻率選擇旋鈕共分為0～10個(gè)檔位,分別代表著15.7Hz、23.6Hz、71.8Hz、129Hz、213Hz、320Hz、640Hz、980Hz、1450Hz以及混頻10個(gè)頻率。通過選擇頻率,可以達(dá)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(biāo)配長度20m)。本次實(shí)驗(yàn)主要分三個(gè)步驟完成,首先為不同儀器同點(diǎn)同時(shí)刻測量,然后為不同儀器異點(diǎn)同時(shí)刻測量,最后為日變規(guī)律觀測。前兩次實(shí)驗(yàn)主要目的是驗(yàn)證工作時(shí)間工作范圍內(nèi)天然電磁場的變化規(guī)律,第三次實(shí)驗(yàn)的主要目的是研究天然電磁場的日變化規(guī)律,為實(shí)踐工作中選擇合適的采集時(shí)間提供理論基礎(chǔ)。2.1同點(diǎn)同時(shí)實(shí)驗(yàn)成果本次操作主要是檢驗(yàn)兩臺不同儀器之間的一致性,為下面的異點(diǎn)同時(shí)刻測量做準(zhǔn)備工作。地點(diǎn)選擇在湖南科技大學(xué)校園內(nèi)一處堤上(見圖1實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)一),該處遠(yuǎn)離電纜及電線等各種供電設(shè)備,以避免人為因素而帶來的干擾。本次實(shí)驗(yàn)時(shí)間從8點(diǎn)至18點(diǎn),共計(jì)10h,期間每隔20min讀數(shù)并記錄各儀器各檔位的讀數(shù),電極MN距離20m。數(shù)據(jù)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(jì)算出兩臺儀器的擬合度。圖2為同點(diǎn)同時(shí)實(shí)驗(yàn)部分成果圖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,兩臺儀器各檔位的曲線同步性在90%以上,除了極個(gè)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(rèn)為兩臺儀器的同步性達(dá)到預(yù)期要求,可以進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。2.2異點(diǎn)同時(shí)實(shí)驗(yàn)成果本次操作選擇兩處不同的地點(diǎn)同時(shí)讀數(shù)測量,第一處為實(shí)驗(yàn)的地點(diǎn)一,第二處為湘潭市九華工業(yè)園區(qū)東風(fēng)本田4S店東北側(cè)的山坡邊(實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)二),此處地點(diǎn)選擇同樣需要遠(yuǎn)離電纜等供電設(shè)施的干擾,兩處相距3.2km,如圖1所示。時(shí)間與上次實(shí)驗(yàn)時(shí)間一致,仍為8點(diǎn)～18點(diǎn)10h,期間每隔20min讀數(shù),電極MN距離20m;分析方法也與上次一樣。圖3為異點(diǎn)同時(shí)實(shí)驗(yàn)部分成果圖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在不同地點(diǎn),兩臺儀器各檔位的曲線同步性在90%以上,除了極個(gè)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(rèn)為兩臺儀器各檔位的曲線變化形態(tài)基本一致,具有同步性。2.3天然交變磁場的穩(wěn)定性本次操作地點(diǎn)與第一次操作地點(diǎn)相同(圖1中實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)一),觀測時(shí)間為第一天8點(diǎn)至第二天16點(diǎn),共計(jì)32h,期間每隔20分鐘記錄一次數(shù)據(jù),然后根據(jù)采集的數(shù)據(jù)使用Grapher繪制曲線,再根據(jù)繪制的曲線進(jìn)行分析。圖4為日變規(guī)律觀部分成果圖。從圖4,可以得知天然交變電磁場在24h內(nèi)變化幅度比較大,具有波動性,主要表現(xiàn)在下面幾個(gè)時(shí)間段,8點(diǎn)～21點(diǎn)這個(gè)時(shí)間段內(nèi),電位差的值較大;22點(diǎn)～7點(diǎn)電位差的值比較小,這兩個(gè)時(shí)間段的值的大小差別在3倍以上。在上述兩個(gè)時(shí)間段內(nèi),天然交變電磁場仍是隨機(jī)變化的,但是波動在一個(gè)有限的范圍內(nèi);在7點(diǎn)這個(gè)時(shí)刻,天然交變電磁場有個(gè)突變的過程,推測可能是因?yàn)槿粘龅纫蛩匾鸬摹商熘貜?fù)時(shí)刻觀測的部分,雖然曲線的大小有異,但是其變化規(guī)律是相似的(圖4中點(diǎn)化線與實(shí)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(guī)律還是服從一定的規(guī)律。通過上述分析,在實(shí)踐應(yīng)用當(dāng)中,應(yīng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)采集完數(shù)據(jù),如果必須長時(shí)間操作,那么要進(jìn)行日變規(guī)律的觀測,根據(jù)背景場的變化對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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觀測數(shù)據(jù)處理某高速公路監(jiān)控中心的找水應(yīng)用中采用了天然電場選頻法,結(jié)合幾條實(shí)測剖面,闡述天然電場日變規(guī)律觀測在實(shí)踐工作中的應(yīng)用。在工作區(qū)范圍內(nèi),選定一處地下介質(zhì)較穩(wěn)定的地點(diǎn)布設(shè)天然電磁場日變規(guī)律觀測點(diǎn)(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(shí)時(shí)變化規(guī)律,同時(shí)記錄各測線和觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理時(shí),根據(jù)日變觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)對各測線的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。圖5為05測線0～4檔的實(shí)測曲線圖,分析可知,在測線76m和110m位置處各有一比較明顯的低阻異常;圖6為根據(jù)日變觀測數(shù)據(jù)對頻率213Hz的曲線進(jìn)行歸一化處理后的曲線圖(其它幾個(gè)頻率經(jīng)歸一化處理后的曲線圖為213Hz的類似,就不一一羅列說明),分析此圖,110m處的異常仍存在,而76m處的異常已不明顯,推測76m處的假異常為天然電磁場的隨機(jī)變化所引起的。通過鉆孔驗(yàn)證,110m處在深度100m附近見水,且通過抽水試驗(yàn),水量也達(dá)標(biāo)。同時(shí),如果實(shí)際情況允許,建議先進(jìn)行天然電磁場日變規(guī)律觀測實(shí)驗(yàn),選取背景場變化較平穩(wěn)的時(shí)間段進(jìn)行剖面實(shí)測,如圖4中8∶00～11∶00和12∶00～15∶00?；蛘呷兆冇^測與剖面實(shí)測同時(shí)進(jìn)行,對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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不同時(shí)間尺度變化見表1。在不同的時(shí)間天然電場選頻法具有操作簡便、投入低、便捷、抗干擾能力強(qiáng)等其他物探方法不具有的特點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)可知:(1)天然電磁場在局部范圍內(nèi)具有同源性,表現(xiàn)為: