应对深地资源勘查电磁新方法的讨论

王庆乙

（北京矿产地质研究院有限责任公司，北京 100012）

0 前言

我国矿产资源勘查，已进入深地资源阶段，据此，研发了新的电磁方法，它们分别是极低频电磁法（WEM）、多通道瞬变电磁法（MTEM）、电性源短偏移瞬变电磁法（SOTEM）和广域电磁法以及相关检测电磁法。笔者在学习和了解的基础上，提出一些问题，进行讨论和商榷。对极低频电磁法（WEM）的长波和超长波的传播，笔者认为不是波导传播，而是长波与超长波的绕射传播，作为全国都能深地资源勘查的场源（WEM），实在是没有必要，而且可能成为一个强大的干扰源。多通道瞬变电磁法（MTEM），实际上是电磁法的拟地震法的应用。对金属矿勘查而言，已四次引入地震法勘查，由于金属矿体缺乏地震法所需的界面条件，未能取得应有的效果。广域电磁法的研发，解决了频域电性源中区（过渡区）与近区的正确测量，是很有创意的。笔者认为，水平电场随着发收距的改变，具有几何测深与频率测深的综合测深能力，应发挥两种测深互补效应。此外，对于电性源频率测深的分辨率，和场区的划分，特别是对场区场量的认识，笔者认为很有必要商榷。对于伪随机信号电性源电磁法来说，当大深度需要大极距电性源时，其长导线与接地电极和大地构成一个具有二阶动态特性的回路，当m序列伪随机信号作为电源供电，一系列矩形脉冲的波形必然遭到严重畸变，其自相关函数的单位脉冲与输出的冲激响应相去甚远。罗延钟等（2016）采用第二种方案进行纠正，虽在理论上存在可行性，实际上，在复杂的条件下，是难于实现的。至于应用反卷积方法，复杂条件也难于实现，且失去了m序列随机信号相关辨识方法的原始定义。

应对深地资源的勘查，不应以深度为目标（2～5 km），必须提高探测方法分辨率才有实际意义。从这个角度来说，新电磁方法未有新的进展。

1 长波与超长波传播机制

极低频电磁法（WEM），是一个电极距达上百公里，电流为数百安培的巨型电性发射源（底青云等，2019）。作为在全国领土范围内，对地下10 km深度内进行油气与金属矿有效勘查的场源。为此，作者建立了电离层—大气层—岩石层全空间的“天波”传播新理论。电性源产生的电磁波向上传播至电离层，由电离层底界面反射至地面，在电离层和地面之间来回反射传播至远方。在充分考虑电离层和空气中位移电流的影响，推导出适合全空间响应的精确表达式，经计算后，认为极低频电性源电磁波依靠波导传播，可实现全国领土范围内地下10 km深度目标的探测。

笔者认为，在极低频电磁法的频率范围内，电磁波的波长是属于长波和超长波的范围，电离层对长波和超长波的电磁波是吸收不反射的，它不可能在电离层和地面的波导传播。电离层反射与在波导传播的电磁波是属短波（其波长在10～100 m）。收音机的短波台，可收到遥远外国的广播，才是依靠短波通过波导，跨洋过海传播被收音机接收到的。中波（波长100～3000 m）已被电离层吸收，是靠在空气中以直达波形式传播，收音机的中波台只能收到本地的电台广播，一个高达300 m的中波天线，只能传播百公里。波长再短的毫米波，电离层既不吸收也不反射，微波可直通电离层可与卫星通讯和宇宙导航。

WEM 的长波与超长波（大地电阻率为100 Ω·m，探测深度达10 km，其极低频为0.13 Hz），其波长约为2.3×106km。电离层和导电大地均对它吸收，因此，只能在空气中，以其特长波长的特强绕射性传播，森林、建筑物、高山甚至地球曲率半径都不能阻挡绕射而过，传播距离可达数千乃至上万公里。

笔者对建设用于全国勘查的巨型电性源的必要性和可行性表示质疑，一个固定位置和方向的电性源，不可能满足自然界多类矿产资不同产状、走向勘查的要求。有可能成为工频干扰之外，又一个全国性的宽带人工干扰源。

2 电磁法拟地震法的应用（MTEM）

多道瞬变电磁法（MTEM），是英国学者采用电性源随机编码为发射源，以阵列式多道多次覆盖接收的拟地震方法，在油田上取得探测深度可达4 km的油气高阻层，这是一个洋为中用的新方法，被称为在矿产资源勘查中起放大镜找矿作用（底青云等，2019）。

Lavrent’ev et al.（1986），首次发现扩散方程与波动方程之间，可由积分变换进行构通，并给出了数学表达式，成为波场转换的理论基础。尽管该积分方程为不适定问题，其离散的代数方程但也是病态方程，必须郑重处理。在我国电磁法向地震法靠拢，从数据采集、处理、解释与成像，电磁法以拟地震法的方法被应用。

米萨克N.纳比吉安（1992）《勘查地球物理电磁法 第一卷 理论》一书中明确指出，“二者方程不同，电磁波在大地中衰减非常明显，且有频散，故不能套用地震学的分析方法。”

笔者认为，电磁法的波场传播是以扩散、渗透方式进行，但仍具有反射、折射、干涉等波动性。电磁波与地震波在传播中的不同是电磁波场的频散作用。导电大地传播系数中的相位系数（β）与频率的非线性关系，造成了电磁波的传播中各谐波分量在相位上的相对变化，在传播中信号失去原有波形，从而产生频散效应。据此，笔者认为，拟地震法应用受限于距离。长距离的频散不仅强度衰减严重，而且波形面目全非，无法根据波峰波谷确定波速与形成同相轴。

我国金属矿找矿，曾前后4次引用地震法勘查，均未能取得效果。主要原因是，金属矿一般产状偏陡，金属矿及其围岩成层状太差，构不成地震法的有效反射（刘士毅和颜廷杰，2013）。地震法用于找金属矿不行，拟地震法又会怎样呢！

MTEM 拟地震法探测深度达到4 km，对于我国油气资源向油页岩转型来说，似乎又偏浅了很多。

3 广域电磁法的讨论

3.1 两种测深的综合

广域电磁法是何继善院士团队创新成果。他们利用适应频域电性源全区水平电场分量Ex的表达式，

采用编程迭代求取电阻率ρ值，它克服了CSAMT方法近区无法取值，中区取值不准的困难，实现了频域电性源全区电磁测深的新方法。

笔者认为，可将（1）式分解为两部分，即：

（2）式中

（3）式可知，为偶极平行偶极装置的几何电测深（随发收距），（4）式为同装置的辐射场的频率测深。前者反映由场源至测点间一定深度的横向电性变化，后者为测点下纵向的电性变化，应增加对几何测深的应用，该几何测深是传导电流下的测深。在（3）式中，令，则有

（5）式正是赤道偶极装置下的电场强度值，当φ为任意值时，由（3）式可得

这种偶极平行偶极装置的几何测深，对地电剖面，表层不均性，地层界面的不平行性和水平方向地层急剧变化（断层）有灵敏反映。这样，两种测深的互补、互验，可对测区内地层的纵、横向的电性了解，是有益处的。

几何测深与频率测深方向的不同，它们所测得的电阻率各不相同，但有紧密的联系关系，如（4）式，频率测深各频率测得的电阻率是以几何测深电阻率的百分数表示，即是一个无名数）。每个测点几何测深电阻率是个常数，在研究频率测深结果时总是以1ρ归一化的，这样，频率测深各频率电阻率关系，又与几何测深的电阻率无关。

两种测深的分辨率是不同的。

几何测深：

频率测深：

对于电性源时域测深，则有

（9）式表明，电性源时域测深，由远至近，分辨率不断增强。而频域测深电场分量恰恰相反，这是它的不足之处。

3.2 场区的划分

广域电磁法对远区的定义，水平电场分量Ex其远区规定为，对磁场分量的远区规定为p≥13，这样的规定作为问题的讨论是可以的，作为实际应用未免过于苛刻，远场的信号太微弱了。

电磁法测深勘查，作为一种工程行为，以解决实际问题为目标，据笔者所知，场区的划分，无论是电性源还是磁性源，都以H型地层为标准，远区与波区（r→∞）对H型地层它们的视电阻率测深曲线相差不超过5%作为远区定义的，这样距离（r）与深度（H）的比值为即定义为远区。同样，近区与r→0，在H型地层上它们的视电阻率曲线相差不超过5%作为近区定义，即。

3.3 场区场量认识的错误

电性源与磁性源它们产生的电磁波的传播的路径可分为天波、空气波和地层波，天波被电离层吸收，不能返回。这样，场源产生的电磁波场只有空气波与地层波。即在空气中传播的辐射场与在大地中传播的地层波场，它们的场量大小与性质与发收距密切相关，即在近、中、远不同场区，它们的比例关系是不相同的，探测方法与效果也相应的不同。

笔者阅读了许多文献（傅良魁，1983；汤井田和何继善，2005；何继善，2010；陈明生，2012；薛国强等，2015），发现一些学者对于场区场量的认识存在一定的错觉。典型说法“在远区地层波衰减殆尽，只有平面波垂直入射与MT相似”、“为了使变频测深能力的辐射场占主导地位，应在远区观测。随着观测点向场源接近，辐射场的主导地位下降，自有场逐渐占优”。“在近区，地层波（自有场、一次场）强度非常大，在远区，辐射场占优、占主导”。场区的场量真如许多文献所说的那样吗？笔者回答是否定的。可令（1）式，则（1）式可以写为

（3）式（4）式分别为

（11）式可知，正是赤道偶极装置的测深电场强度，它是由地层波在r处测深的电场值，（12）式是频率测深电场值，它是辐射场在r处产生电场值，是以地层波强度为单位的频率测深电场值。

在远区，按广域电磁法的规定，将P=9,k=（1 +i）p 代入（12）式，

可得：

在近区，按=0.1计算，=1.414×0.1代入（12）式可得

计算结果，具有颠覆性的认识。（13）式表明，在远区，地层波强度仍占主导地位，辐射波只占地层波强度的百分之一，远区越远，辐射场越接近平面波，但强度很弱了。在近区，地层波很强，辐射波也增强更快。从（13）式至（14）式可知，辐射场在近区增强至地层波强度的50%。由于辐射场远区弱、近区强。因此，电磁测深近区的精度远高于远区，这是近区时域电磁测深的优势所在（电性源频率测深水平电场Ex除外）。一个辐射源，近区场的强度要高于远区，这是个常识问题，不应得出远区辐射场强度高于近区的错误认识。

4 电性源电磁法相关检测应用的商榷

4.1 电性源自身的动态特性

电性源装置，是由信号源通过两条长导线和接地电极与大地接通，构成信号源电流回路。长导线除了有电阻外，还有电感和电容存在。接地电极（电子导体）与大地（离子导体）在电流流过时将产生电解、电渗等电化学作用，导致接地阻抗与电流的非线性关系。如不考虑接地阻抗的非线性关系，电性源装置是一个由电阻、电感和电容相串联的回路。这是一个具有二阶动态特性的回路，有两个固有频率。由于电阻R与电感L和电容C的关系不同。当电压源信号接入可能形成过阻尼、欠阻尼或临界阻尼不同的过渡过程，造成流入大地电流波形畸变。即使采用恒流源供电，由于m伪随机信号是不同宽度矩形脉冲组合，在脉冲的前后沿产生延时，使矩形脉冲失真严重，此外，电信源大回路对工频以及各种电磁干扰的感应耦合的叠加，使输入大地信号的自相关函数失去δ函数的波形，这样，通过输入输出互相关函数，求取大地δ函数的冲激响应函数将产生严重的失真，这是第一方案（罗延钟等，2015）失利的主因。

4.2 第二方案的讨论

罗延钟等（2016）采用的第二方案，是不求取大地的冲激函数响应，改为求取输入、输出传输函数Z(iω)。是将失真了m伪随机信号加上所有干扰信号作为大地输入信号，求其自相关函数的傅氏变换，同时将输入自相关函数与输出信号也作互相关函数的傅氏变换，通过两个傅氏变换的功率谱密度函数Sx(iω)和Sxy(iω)的比值，获得大地输入和输出的传输函数Z(iω)。高晋占（2011）是第二方案的原创者，他认为，只要干扰与信号不相关，在理论上是可以消除干扰的。但在实际应用中，同时也指出这个条件未必能很好的满足。第二方案实施者也指出，对传输函数Z(iω)进行反傅氏变换，所得冲激响应会引入较大误差。也说明了第二方案在实际应用中存在不稳定性的问题。

至于，反卷积方案（武欣，2015），只能是一个热门话题。

4.3 实例的对比

笔者阅读了KTY-1型相关检测仪在安徽省铜陵冬瓜山矿上的测试（罗光中，2010①）。冬瓜山矿区工频干扰竟达到330 mV的高强度，相关检测仪重复观测的均方相对误差能达到0.743%的高精度，受到专家们的好评和肯定。但实测结果与当年干扰很小的老资料对比，却有不小的差别。随着测深电极距的加大，等值线反映地质体的形态与规模有所不同，特别是矿体的电阻率，老资料处于低阻带中（图1），而相关检测的矿体最厚处，却在高阻体中（图2）。笔者收集同剖面的多次CSAMT资料，矿体都处于厚低阻带中。

图1 老资料（干扰小）常规电测深剖面

图2 抗强干扰电测深剖面

笔者认为，m伪随机信号的相关检测，虽然在工程和医学应用中获得很好效果。但引入电磁法，由于条件的不同，尚需在实际应用中得以考查和验证。

5 结语

（1）本文讨论了五种电磁新方法。其中极低频电磁法（WEM）、多通道瞬变电磁法（MTEM）、电性源短偏移瞬变电磁法（SOTEM），3种电磁法是专门应对我国深地资源勘查研发的，它们分别以10 km、4 km、1.5 km的勘查深度，包揽我国金属矿和油气资源的有效勘查。笔者对这3种电磁法能有效的解决我国深地资源勘查问题是不能认同的。人工场源电磁法，无论从探测深度还是分辨率都不如地震法，如今电磁法挑战地震法成为油气资源深部勘查的主力方法，应该说是方向性的失误。电磁法充其量在地震法困难地区作补充勘查，配合地震法提供层参数，对于金属矿深部找矿来说，全世界至今尚未有地震法单独发现金属矿的实例下，那么要把电磁法改造为拟地震法投入金属矿的深部找矿，同样是方向性的失误。

矿产资源的一个重要特征是，在规模、形态、产状、走向等方面是千变万化的。这种多样性，要求找矿方法的灵活适应性。但是，我们要建造一个方向固定的巨型人工场源（WEM），供全国找矿应用，不难预料，建造的难度极大，成本很高，利用率低，还会成为全国及邻国一个宽带电磁污染源。这是重大的失误！

（2）深地资源勘查不应以深度为目标（2～5 km）。几乎所有地球物理勘查方法，随着深度增加分辨率相应下降。所以，解决深地资源的勘查应以提高方法分辨率为目标，才能奏效，否则就是一句空话。一个金属铜含量为15～20万t的黄铜矿体，其规模尺寸也只有百把米的一个等轴体。当埋深在300 m时，异常清晰可见，当埋深在1500 m时，异常微弱难辨。如果不提高方法的分辨能力，老方法不能从淹没的干扰中发现矿体异常，那么，虽然方法探测深度可达2 km或更深，但一个中型铜矿山被丢失了。

提高方法的分辨能力，应该重在方法原理上的提高和突破，一味的加大发射功率，终将走到尽头。大多数地质背景的干扰都是水涨船高，无济于事，加强基础理论研究，势在必行。

（3）从方法分辨率角度，考察本文5种电磁法，应该说是不足和欠缺的，其中随机信号相关检测，在理论上是存在提高信噪比的，但是，如何适应大深度电性源电磁法的装备条件，有待进一步的研究。

笔者是在学习中进行讨论的，不正之处，欢迎批评指正！

注 释

①罗先中.2010.抗强干扰电法勘探技术、方法的应用[R].北京勘察技术工程有限公司云中分公司.