感应电磁法的分类及其在地质勘察中的应用

王 乾，蓝俊康

(桂林理工大学环境科学与工程学院，广西 桂林 541004)

0 引言

感应电磁法是地球物理勘探技术中的一个重要分支，它是以地壳中各种岩矿石的电磁学差异为基础，通过观察地质体重电磁场的时空分布，在对铜、铅锌、铀矿、海底热液硫化物等金属矿产资源以及油气、地热等能源的勘查方面可起到重要的作用[1-3]。电磁法在深部勘探方面也将越来越受到重视，尤其在海洋电磁技术方面，除海底热液硫化物等金属矿产资源勘探以外，电磁法也在海底板块构造方面发挥重要作用，除此之外，感应电磁法在采空区积水、场地污染调查以及隧道勘探等实际工程方面也被广泛应用[4-7]。

1 感应电磁法的分类

总体上，感应电磁法可按照电磁场随时间或频率变化规律可分为时间域电磁法和频率域电磁法两大类，其中频率域电磁法包括大地电磁法(MT)，音频大地电磁法(AMT)，可控源音频大地电磁法(CSAMT)，广域电磁法(WFEM)等等，而时间域电磁法包括以瞬变电磁法(TEM)为主的众多门类，除了时间域电磁法和频率域电磁法两大类，后来又出现了兼顾两方面特点的时频电磁法(TFEM)。

除了按照电磁场随时间或频率变化规律分类以外，电磁法也可以按其作业空间可分为地面电磁法、井中电磁法、航空电磁法、海洋电磁法等。除此之外，在各种不同的感应电磁法分类之下，又可按照各种电磁法之间的不同特点，例如勘探范围等进行进一步的分类。

2 感应电磁法的基本原理及应用

2.1 瞬变感应电磁法

瞬变感应电磁法(TEM)是一种时间域的电磁勘探法，其工作原理主要可以分为三步进行，即发射、电磁感应以及接收，整个的工作过程见图1所示。TEM是利用接地线源或者不接地回线向地下发射一次脉冲磁场，一次脉冲磁场在传播的过程中遇到地下的矿体等导电介质的时候，该介质就会在脉冲磁场的激励下在其内部产生感应电流，也可称之为涡流, 在脉冲间断期间涡流不会立即消失，其周围的空间会形成二次磁场，由于良导电体内的热损耗，在其周围空间形成的二次磁场是随时间衰减的，我们通过接收线圈或者电极来观测二次磁场，由于二次磁场随时间衰减的规律主要取决于介质的导电性、体积大小等因素，因此我们可以通过分析二次磁场的变化规律来达到勘测的目的，从而解决一些寻找矿体或着其他种类的勘测问题[8-9]。

图1 瞬变感应电磁法原理

由于瞬变电磁法具有探测深度大、分辨率高、抗干扰能力强、受地形影响小等特点，成为目前勘探方法中的重要手段，由于瞬变电磁法是在一次场间歇期间采用接收回线在时间域对二次磁场进行观测。它最大特点在于它将一次磁场与二次磁场分离，观测纯二次场，这也是瞬变电磁法有别于频率域电磁法的根本之处。随着瞬变电磁法的发展，其在勘探领域的重要位置不断凸显，瞬变电磁法可用于勘测岩矿体、石油、非金属矿物，以及在工程地质勘察和环境评测等方面也被广泛应用。

在应用方面的典型例子有：(1)邢长勇等(2020年)为防止矿井水害利用瞬变电磁法探测叙永一矿1593工作面回风巷煤层倾向上部含水情况，探测出其工作面处可能存在断层或裂隙构造水和采空区积水，并且大体弄清了含水区域的位置[10]。(2)武军杰等(2020年)利用瞬变电磁法探测了辽东白云金矿区的控矿构造和深部形态，探测出了多个褶皱和断层信息，显示出该地区复杂的地质构造，同时也为分析该地区已知矿体的延伸和新矿体的发现提供依据[11]。(3)温亨聪等(2020年)在宝雨山煤矿某一地质资料探测巷利用瞬变电磁法做了超前勘测，探测出探巷前方岩层相对破碎、断裂发育且具有一定富水性引起，并证实了断层的存在[12]。(4)彭莉红等(2019年)利用航空瞬变电磁法在新疆阿奇山地区进行铅锌多金属矿产勘查，勘测并筛选了3处航电异常，其中1处航电异常位置与阿奇山铅锌矿相吻合，根据该异常特征推断了矿体的产状及延伸[13]。

2.2 大地电磁法

大地电磁法(MT)是利用太阳风等入射到地球上的天然交变电磁场作为激发场源来研究岩矿体的电性特征的一类感应电磁法，天然电磁场作为一次磁场且该场为平面电磁波，一次磁场垂直入射到大地介质中，大地介质中将会感应出变化的电场，即大地电流场，并产生二次电磁场，在地球内部，这种电磁场的分布取决于岩矿石的电性结构。在地面上单点观测天然交变电磁场互相垂直的Ex、Ey、Hx、Hy四个分量，分析研究地面波阻抗随频率的变化，从而了解地下的电性结构，以此达到勘探的目的。所以大地电磁法数据处理的核心是正反演[14-16]，其中对于反演简单说即是根据勘测的表面阻抗和视电阻率等数据信息反推出产生它的内在信息，测量得到的数据，会通过反演得到一个合理的地电模型，并以此得到地下介质的分布规律。

图2 大地电磁法原理图

由于大地电磁法不受高阻层屏蔽、设备轻便，且受地形影响小，阻抗形式简洁且解释简单，勘探深度可达数百公里，因此目前广泛应用于矿产勘探、地下水勘探、构造探查等领域[17-19]。例如：黄建权(2019年)等利用大地电磁法在吉首地区进行了页岩气勘探，通过勘测得到的视电阻率-断面图等圈定了页岩层沉积范围，埋藏深度，为页岩气资源潜力评价提供地质依据[20]。

2.3 音频大地电磁法

音频大地电磁法(AMT)与大地电磁法一样也是利用天然的大地交变电磁场作为场源，来测定地下岩石的电性参数，但是，音频大地电磁法所利用的场源主要是由远处的雷电活动所引起的频率约为几至几千赫兹的音频大地电磁场，所以它的勘探深度相对大地电磁法较浅。但是音频大地电磁法一般使用的仪器轻便，适用于地形复杂的山区等地方使用，它的观测频带宽，从0.1 Hz～100 kHz，探测深度最大可达2 000 m，尤其适合各种不同深度的工程勘察和金属矿勘探，并且音频大地电磁法可采用张量或标量测量，而且对二维构造反映比较逼真，采用TM、TE两种模式观测，故能较真实地反映地质体分布情况。随着音频电磁法的不断进步，它的测量精度和工作的效率都在不断提升，在油气勘测等很多领域被广泛应用[21-24]。例如：孙银行等(2020年)利用音频大地电磁法在张掖盆地和酒泉东盆地的中间地带的甘肃省高台隐伏隆起区域为了研究该区域的地质构造进行了勘察，通过探测数据解释了该区域构造与区域内水文地质产生的起因或影响[25]。区小毅等(2020年)利用音频大地电磁法在广西壮族自治区南部的北海市，为探究海水入侵现状进行了地质勘察，通过得到的勘测数据进行二维正演得到的模型结合咸淡水电阻率特征查明了研究区海水入侵和咸、淡水发展情况[26]。

2.4 可控源音频大地电磁法

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是在大地电磁法和音频大地电磁法的基础上发展起来的，大地电磁法和音频大地电磁法使用的是天然场源，天然场源具有一定的抗干扰性弱，信号较人工场源弱等特点，所以可控源音频大地电磁法以人工场源代替天然场源，其场源一般可分为电偶极源和磁偶极源，电偶极源即利用两个接地电极将交变电流送入地下，而磁偶极源即将电流送入不接地的闭合回线中。

可控源音频电磁法由于使用了人工场源，所以其抗干扰能力和信号强度比大地电磁法与音频大地电磁法更强。而且通过改变频率而改变探测深度的方式使该勘测方法更快捷和方便，提高了工作的效率，并且其勘测精度等都得到了很好的加强。但是由于卡尼亚视电阻率公式在非远区计算时，会产生较大误差，所以用该方法进行勘测时一般要求接收点距离发射偶极源的位置要足够远，才可以避免误差的产生。

可控源音频大地电磁法相较于大地电磁法和音频大地电磁法，弥补了一些后者的缺点，所以对于该方法的应用更加的广泛，目前在金属矿产、油气、工程地质以及地热资源等勘察领域应用广泛。例如，(1)王军成等(2018年)利用可控源音频大地电磁法在了江苏句容茅山区域进行地热资源勘查，并通过实际地热井资料验证了探测结果，证明了可控源音频大地电磁法在地热资源勘查方面是一种行之有效的物探方法[27]。(2)白锦琳等(2018年)利用可控源音频大地电磁法分别在山东省济宁市区北部以及平邑县的煤矿和石膏矿进行了采空区勘测，经过检测与实际采空区吻合，证明了可控源音频大地电磁法在采空区探测工作中好的探测能力[28]。(3)林建勇等(2020年)利用可控源音频大地电磁法在大平山地区为查明铁、铜等矿产资源情况，针对断裂构造走向、地下延伸而进行了勘察，通过过对获得的勘测得到的数据的视电阻率、相位和二维反演结果进行综合分析，得到了构造的信息，并与钻井资料验证，证明了可控源音频大地电磁法在断裂构造勘察领域好的勘察效果[29]。

2.5 广域电磁法

由于可控源音频大地电磁法在勘测和分析的过程中，将非远区内的电磁波近似成平面波，但显然在非远区域内，电磁波无法满足平面波的近似，计算时就会忽略了很多非远区的特征，在非远区内勘测的数据会产生严重的畸变。在可控源音频大地电磁法提出之前，DUROUX提出了另一种改进大地电磁法的思路，并提出了“磁偶源频率测深法”，又称为 MELOS 法，这个方法为了突破了远区测量的限制，把观测区域扩大到过渡区，扩大了测量范围，并且提高了信号强度[30-31]。

而广域电磁法(WFEM)就是在可控源音频大地电磁法与MELOS法的基础上提出的，它采用了适合于全域的不进行简化的公式进行计算机编程迭代反演，不进行近似或者取舍，从而将测量范围扩大到了非远区，让近区，过渡区，非远区统一起来，提高了测量范围并且大大提高了探测深度，改变了可控源音频大地电磁法在非远区时勘测数据产生畸变的问题。

通过计算机迭代可得到视电阻率的想法，大大提高了工作效率，相较于可控源音频大地电磁法，WFEM的探测深度和探测范围更大，另外也具有分辨率高、数据精度高、抗干扰能力强和施工效率高等优势[31-32]。

广域电磁法目前以广泛应用于矿产勘探(特别是深部找矿)、地热勘探、油气勘探、地热勘探、地质灾害勘探、页岩气勘探等众多领域。如：(1)王宏宇等(2020年)利用广域电磁法鄂尔多斯盆地西南缘含油富集区—宁夏固原地区进行了油气探测，通过对探测数据的处理，基本查明了该区域的地层分布，构造圈闭等信息，并且根据信息选出的油气成藏有利区已经钻见工业油流，证明了广域电磁法油气勘探中的效果显著[33]。(2)田红军等(2020年)利用广域电磁法在电磁等干扰严重的黔北台隆地热试验区进行了探测，通过对数据的反演获得了地层电阻率的分布情况，解释地层信息并于钻井结果吻合，证明了广域电磁法在抗干扰、探测深度大等方面的能力[34]。(3)李帝铨等(2020年)利用广域电磁法在地质构造复杂的武陵山区的在黔北桐梓地区进行了页岩气勘探，探测查明了该地区的构造格局并圈定了页岩气勘探有利区，实现了该区页岩气勘探的突破[35]。

2.6 时频电磁法

时频电磁法采用轴向偶极装置，在具体的测量过程中，利用大功率的发电机在发射端通过电极向地下供电，其发射的波形可分为为过零和不过零两种波形(见图3)，重复发射多个周期，在接收端接收电磁分量。它的探测深度与激发的最大周期有关，激发周期越长探测深度越大，而且同时分辨率更高。

其发射的两种发射波形，可以用不过零方波激发得到的数据进行频率域处理，用过零方波激发得到的数据进行时间域处理。得到数据后，研究频率域和时间域参数，在时间域数据获得电阻率信息，在频率域数据提取极化率信息，从而做到了在时间域和频率域一体化的特点。随着时频电磁技术的不断发展，目前的时频电磁处理技术既可以从磁场数据反演电阻率，也可以从电场数据反演电阻率，还可以电、磁两分量联合反演电阻率，同时还可从时间域或者频率域数据中提取极化参数，最后利用电阻率以及激化参数的异常来达到勘探的目的[36]。

图3 发射波形示意图

时频电磁法目前在油气勘探领域发挥了十分重要的作用，它利用探测分析得到的电阻率和极化率信息对圈闭的含油气性进行评价，取得了十分显著的效果。时频电磁法具有信号强，信噪比高，探测可由激发周期发生改变，独特的在时间域和频率域两方面数据进行分析，能够直接探测油气田的激发极化效应从而预测油气的存在及分布等优点，也是油气勘探领域最具潜力的勘探方法之一[37-38]。

时频电磁法是在2004年由东方地球物理公司在建场测深法、时间域瞬变电磁法和频率域音频大地电磁法的基础上提出的新技术，该方法同时具备了时间域和频率域电磁法的特点，从开始实际应用到现在，在油气勘探领域取得很好的应用效果。例如，孙志华等(2012年)利用时频电磁法在尼日尔A区进行油气勘探，勘探分析提取了多种反映油气异常的参数，并结合已知的钻井结果来指导油气勘探[39]。

3 结语

(1)感应电磁法发展到现在已经形成了一个完整的体系，无论是瞬变电磁法等的时间域电磁法，还是可控源音频大地电磁法等的频率域电磁法都发展得较为成熟，在各种金属勘探、地质勘察等领域应用广泛。另外海洋电磁法与航空电磁法也是目前研究的热门，有待进一步的发展。

(2)目前电磁法仪器的采集数据的精度已越来越高，且随着计算机技术的不断发展与结合，采集数据与处理数据的集成一体化已经走向成熟，仪器也已经越来越轻便以适应各种复杂的勘探地形。但是我国电磁法的仪器整体较国外电磁法仪器研究水平还有差距，部分电磁法仪器已走在前列或与国外发展水平相当。

(3)目前各种电磁法的联合反演走上热门，联合反演的应用频率大大提高。但目前电磁法的正反演方面、地质体的各向异性探测方面目前还存在一些问题。随着勘探领域正在向深部探索，要求电磁法向更高精度、更大探测深度发展。