论时域电磁场中大地的电磁学性质研究

周临风 朱巧凤

摘 要：在頻率域电磁探测中，大地的电磁学参数主要是大地的介电常数、磁导率及电阻率。这些参数代表了大地的电磁特性，是非常重要的几个参数。在时域电磁场中，大地的电磁学性质亦由大地的介电常数、磁导率与电阻率在不同频率中的表现来表征。影响地下介质电磁学参数的因素严格来说有频率、电磁场强度、压力与温度等诸多因素。在电磁法勘探中所使用的频率往往都相对较低，而且地表的大多数地层的岩性都为非磁性物质，因此往往都仅用直流情况下的电导率来表征地下介质的电学性质，且认为大地的磁导率等于自由空间的磁导率，介电常数为直流情况下的介电常数。

关键词：电磁场强度；电磁法勘探；电阻率

0引言

时域电磁场勘探（又称瞬变电磁法勘探）是地球物理勘探的重要勘探方法。 当布置在地表（或地下）的回线源（线源）通以脉冲电流向地下发射脉冲磁场（电场）时。回线源（线源）产生的脉冲磁（电）场使地下导电介质发生电磁感应现象而产生感应涡流形成二次电场（或磁场）；而瞬变电磁法测量的既是在一次场脉冲的间歇期测量这种由地下地质体产生的二次电场和磁场。

随着瞬变电磁法的应用越来越广泛，低阻屏蔽层对瞬变电磁方法的影响越来越严重。近十余年来我国铁路与公路建设高速发展，如今我国已建成隧道（洞）近万座，公路运输与铁路运输作为我国主要的运输手段，隧道的安全决定了运输的安全，直接保证了我国的经济发展。因此必须重视隧道施工过程中的质量检测，在隧道质量检测中隧道表面衬砌后的病害所造成的危害尤其严重，一旦发生问题，需要整治的设备非常多，一年或几年内想全面彻底解决，非常困难。瞬变电磁方施工方便、工作效率高的特点正适合进行铁路衬砌的检测。然而，由于瞬变电磁法对低阻体敏感，当类似隧道衬砌内钢筋支护网的低阻屏蔽层位于欲探测地质目标体上面时，将会对瞬变电磁探测结果造成影响，而铁路隧道内衬砌后灾害瞬变电磁探测既是此种地球物理情况。

1常见岩石和矿物的电阻率

按照导电机理的不同，固体矿物可以分为金属导体、半导体和固体电解质三类。其中，各种天然金属属于金属导体，这类矿物的电阻率都比较低；大多数的金属矿物属于半导体范畴。其电阻率值普遍都高于金属导体类矿物；而绝大多数造岩矿物均属于固体电解质的范畴，其电阻率值都很高，而且在干燥环境下此类造岩矿物可视为绝缘体。下表为各矿物与岩石的电阻率值。

由上表可知，各种矿物与岩石的电阻率值不是一个确定的值，其值往往是在一定范围内变化的，即同一种矿物可能有不同的电阻率值，而不同的矿物也可能表现出同样的电阻率。所以，由矿物组成的岩石与各种矿物的实际电阻率的变化范围较大。下图为几种物质的电阻率分布范围曲线。

2 影响岩石电阻率的因素

影响岩石与矿物的电阻率的因素有多种，主要的因素有岩石的成分与结构、岩石所含水分的多少（含水率）、以及岩石的温度和所受压力等。其中，在瞬变电磁勘探中，水对地下岩石与矿物电阻率值的影响作用尤其突出，虽然纯水的导电性很差，但由于水是一种良好地溶剂，它可以溶解各类盐类从而变成导电溶液。所以，一般含水量大的岩石的电阻率低，而含水量小或不含水的同类岩石的电阻率要高一些。而岩石的孔隙度决定岩石可以含水的能力，岩石所在区域的水文地质条件决定岩石周围储水的情况，一般来说，在潜水面以下的岩石孔隙中基本都充满了地下水，此时岩石的含水量就等于岩石的孔隙度。下面两表列出了几种常见天然水的电阻率和常见岩石的孔隙度。

需要说明的是，除去岩石的孔隙度，影响岩石电阻率的另一个重要因素是岩石的孔隙结构即岩石的流通性，当孔隙间连通较好时水分对岩石电阻率的影响较大，岩石显示出低电阻率若连通性不好，则岩石电阻率主要显示为岩石骨架的电阻率，其值通常都较高。

总之，很多因素都能影响岩石的电阻率，在瞬变电磁勘探中，岩石的含水率，孔隙度，连通性与其矿化程度是其中最主要的几个方面。

参考文献：

[1] 刘俊，杨海燕，林云.地下瞬变电磁法全区视电阻率二分搜索算法[J].工程地球物理学报.2012（05）

[2] 闫述，陈明生，傅君眉.瞬变电磁场的直接时域数值分析[J].地球物理学报.2002（02）