D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.06.0☒ 第29卷第6期 北京科技大学学报 Vol.29 No.6 2007年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2007 高精度电磁频谱技术及其在矿产勘探中的应用 李忠)武强)周仁安) 张丽娟) 1)中国矿业大学资源与安全工程学院，北京1000832)滇黔桂石油勘探局，昆明650200 摘要基于大地电磁测深理论，阐述了高精度电磁频谱技术的方法原理，提出了在局部区域内勘探深度和电磁波频率可被 看作具有线性关系，使得地层电阻率可以通过测深曲线进行对应·据此设计了一个多通道探测地下矿层电阻率的观测系统， 采用平板电容器作为传感器，克服了体积效应的缺点，提高了勘探的精度。利用该系统分别对煤层和油气进行勘探，通过与实 际钻孔资料对比，解释符合率大于80%，数据吻合良好 关键词矿产勘探；电磁频谱；平板电容器：多通道探测 分类号P229.2 大地电磁测深是基于电磁感应原理，利用能量 电磁频谱的场源是太阳、太阳黑子活动及闪电 很大的天然电磁场做场源，研究地球的电性变化规 雷击，尤其是太阳辐射，发射出大量的粒子流，当其 律，从而了解地质构造的一种方法，其研究与应用已 达到围绕地球的电离层时，转换为电磁波。由于电 有几十年的历史，具有探测深度大、受高阻层影响 离层远离地球表面，在继续向地层内部传播时，可以 小、分辨能力强、等值范围窄、工作成本低等特点，在 近似地看作是地球表面垂直入射的平面波，地下各 地质填图和区域勘探等方面获得广泛应用 种岩层具有不同的岩性，通常将其视为水平层状介 高精度电磁频谱探测(high precision method of 质，这些岩层具有不同的物理性质（密度、速度、电阻 electromagnetic frequency spectrum,简称HMES)方 率、导磁率等)，从而形成不同的波阻抗界面，电磁 法，是对大地电磁测深方法的改进和发展，早在 波的波阻抗与电阻率、导磁率相关，电磁波在经过 1950年，前苏联地质学家吉洪诺夫(THXOHOB)就对 波阻抗界面时会产生反射，在地面接收并研究不同 大地电磁测深的一维模型进行了研究，之后，Price、 波阻抗界面反射的电磁波，可以得到地层电阻率随 Cantwell、Chouteal和Bouchard等人研究了二维、三 深度变化的信息，结合地质及其他物探资料，可以 维模型，并提出了张量阻抗的概念山.20世纪70 对地层的岩性、物性进行多元解释 年代后，MT的研究主要集中在改进算法、修正图形 等方面2]，有限元法[]、边界元法门相继被应用到 1高精度电磁频谱探测技术原理 二维、三维模型0的计算中，王文祥等研究了大 假设大地为无磁性的均匀导体，不存在电荷积 地低频窗口的截频特性，提出了一种研究电磁波的 累，当电磁波发送到地下时，麦克斯韦(Maxwel)方 新方法一磷论（这种理论有待商榷），并据此研制 程组可以简化为亥姆霍茨方程，如果介质为均匀各 了几种物探仪器-).1995年，中国石油天然气总 向同性，电场沿x方向极化，则亥姆霍茨方程可以 公司将大地电磁频谱方法研究作为其“八五”科技攻 进一步简化，最终得到两个重要公式： 关项目(No·8511404),研制成功了一种被动式探测 =KJp/f (1) 仪器，用于油气、地热、岩性等的探测，取得很好的效 式中，δ为穿透深度，P为上覆地层电阻率，f为电 果].刘宝勤等人从仪器、野外地形和干扰三个方 磁波在地层中的传播频率，K是系数 面探讨了大地电磁频谱方法测点的布设条件，指出 p=(|E2I/八H)/ (2) 在干扰信号和大地电磁频谱相接近时，仪器很难屏 这里，Ex为水平x方向电场强度，H,为水平y方向 蔽干扰4.周仁安等研究了高精度电磁频谱技术， 磁场强度，ω为电磁波的角频率，为相对导磁率， 并利用它寻找天然气，取得了较好的效果[可]. P为对应波阻抗界面的电阻率. 收稿日期：2006-09-05修回日期：2006-11-15 从空中进入地下的电磁波，频率越高，能量越 基金项目：教育部科技重大项目(N。.2004295) 大，越容易被大地吸收；反之，频率低的电磁波则能 作者简介：李忠(1966-)，男，副教授，博士 量衰减很小，可以穿透很深的地层，因此，大地相当高精度电磁频谱技术及其在矿产勘探中的应用 李 忠1） 武 强1） 周仁安2） 张丽娟1） 1） 中国矿业大学资源与安全工程学院‚北京100083 2） 滇黔桂石油勘探局‚昆明650200 摘 要 基于大地电磁测深理论‚阐述了高精度电磁频谱技术的方法原理‚提出了在局部区域内勘探深度和电磁波频率可被 看作具有线性关系‚使得地层电阻率可以通过测深曲线进行对应．据此设计了一个多通道探测地下矿层电阻率的观测系统‚ 采用平板电容器作为传感器‚克服了体积效应的缺点‚提高了勘探的精度．利用该系统分别对煤层和油气进行勘探‚通过与实 际钻孔资料对比‚解释符合率大于80％‚数据吻合良好． 关键词 矿产勘探；电磁频谱；平板电容器；多通道探测 分类号 P229∙2 收稿日期：2006－09－05 修回日期：2006－11－15 基金项目：教育部科技重大项目（No．2004－295） 作者简介：李 忠（1966－）‚男‚副教授‚博士 大地电磁测深是基于电磁感应原理‚利用能量 很大的天然电磁场做场源‚研究地球的电性变化规 律‚从而了解地质构造的一种方法‚其研究与应用已 有几十年的历史‚具有探测深度大、受高阻层影响 小、分辨能力强、等值范围窄、工作成本低等特点‚在 地质填图和区域勘探等方面获得广泛应用． 高精度电磁频谱探测（high-precision method of electromagnetic frequency spectrum‚简称 HMES）方 法‚是对大地电磁测深方法的改进和发展．早在 1950年‚前苏联地质学家吉洪诺夫（тихонов）就对 大地电磁测深的一维模型进行了研究．之后‚Price、 Cantwell、Chouteal 和 Bouchard 等人研究了二维、三 维模型‚并提出了张量阻抗的概念［1］．20世纪70 年代后‚MT 的研究主要集中在改进算法、修正图形 等方面［2－5］‚有限元法［6］、边界元法［7］相继被应用到 二维、三维模型［8－10］的计算中．王文祥等研究了大 地低频窗口的截频特性‚提出了一种研究电磁波的 新方法——— 论（这种理论有待商榷）‚并据此研制 了几种物探仪器［11－12］．1995年‚中国石油天然气总 公司将大地电磁频谱方法研究作为其“八五”科技攻 关项目（No．8511404）‚研制成功了一种被动式探测 仪器‚用于油气、地热、岩性等的探测‚取得很好的效 果［13］．刘宝勤等人从仪器、野外地形和干扰三个方 面探讨了大地电磁频谱方法测点的布设条件‚指出 在干扰信号和大地电磁频谱相接近时‚仪器很难屏 蔽干扰［14］．周仁安等研究了高精度电磁频谱技术‚ 并利用它寻找天然气‚取得了较好的效果［15］． 电磁频谱的场源是太阳、太阳黑子活动及闪电 雷击‚尤其是太阳辐射‚发射出大量的粒子流‚当其 达到围绕地球的电离层时‚转换为电磁波．由于电 离层远离地球表面‚在继续向地层内部传播时‚可以 近似地看作是地球表面垂直入射的平面波．地下各 种岩层具有不同的岩性‚通常将其视为水平层状介 质‚这些岩层具有不同的物理性质（密度、速度、电阻 率、导磁率等）‚从而形成不同的波阻抗界面．电磁 波的波阻抗与电阻率、导磁率相关．电磁波在经过 波阻抗界面时会产生反射‚在地面接收并研究不同 波阻抗界面反射的电磁波‚可以得到地层电阻率随 深度变化的信息．结合地质及其他物探资料‚可以 对地层的岩性、物性进行多元解释． 1 高精度电磁频谱探测技术原理 假设大地为无磁性的均匀导体‚不存在电荷积 累‚当电磁波发送到地下时‚麦克斯韦（Maxwell）方 程组可以简化为亥姆霍茨方程．如果介质为均匀各 向同性‚电场沿 x 方向极化‚则亥姆霍茨方程可以 进一步简化‚最终得到两个重要公式： δ＝κ ρ／f （1） 式中‚δ为穿透深度‚ρ为上覆地层电阻率‚f 为电 磁波在地层中的传播频率‚κ是系数． ρ＝（｜E 2 x｜／｜H 2 y｜）／ωμ0 （2） 这里‚Ex 为水平 x 方向电场强度‚Hy 为水平 y 方向 磁场强度‚ω为电磁波的角频率‚μ0 为相对导磁率‚ ρ为对应波阻抗界面的电阻率． 从空中进入地下的电磁波‚频率越高‚能量越 大‚越容易被大地吸收；反之‚频率低的电磁波则能 量衰减很小‚可以穿透很深的地层．因此‚大地相当 第29卷 第6期 2007年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．6 Jun．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．06．023