1、 地下介质的电磁波衰减特性及在MT-VCT大地电磁法中的物性反映 寇伟 寇通 郑州地象科技有限公司，河南 郑州 450000摘要： MT-VCT大地电磁法从2012年创新提出至今不足十年，其理论方法及其应用仍在不断探索完善之中，对于不同介质在MT-VCT成像测值中对应的物性反映区间，经过长期实践总结与验证，在此给予粗略性的界定，并对MT-VCT成像剖面图中某些规律性异常显示给予初步解释。关键词：MT-VCT大地电磁法，电磁波，物性参数 一、MT-VCT大地电磁法采集电磁信号的属性与特征 1、在地表采集电磁信号的场源 首先应该确定我们在地面上采集的大地电磁场信号是来自于地下而不是天上，因为地表之
2、上的电磁信号不可能携带地下岩层的电磁反应信息。大地电磁场信号应该是一个产生于地核内部及地幔软流层运动形成的动态地磁场、其散发电磁波垂直向地表面辐射、穿过地壳到达地表后的电磁波剩余能量值。因其不存在电磁波自上而下、形成二次场后再自下而上的两次衰减，故大地电磁法不存在探测深度越大、信号越弱、探测深度有限的问题。 2、在地表采集电磁信号的属性 电磁波携带能量以电场和磁场交替的形式向地表辐射，在穿透地壳到达地表面过程中要经过数量众多、不同类型的矿物、岩石等介质层，各层介质对入射电磁波会产生一定的反射、折射、散射和透射作用，使其在介质中经过内摩擦、热传导、分子碰撞等作用被吸收损耗。这样，电磁波能量在其所
3、经过各介质层时都会受到程度不等的吸收和衰减，待之到达地面时所剩余能量就非常微小了。我们拾取到微弱的电磁信号既不是电场信号也不是磁场信号，而是大地电磁场辐射到地表后所剩无几的电磁波能量值。 3、在地表采集电磁信号所反映地层介质的物性特征 由于大地电磁场源发出电磁波能量值及其经过各层介质具体衰减值的不可测算性，我们所采集到的全频段电磁波信号值只能是一种反映电磁波穿过所有介质层后剩余能量的相对物性参数值，它同时也表征了各频点所对应深度层介质对于电磁波能量的综合吸收性能。电磁波被介质吸收衰减掉的能量越少，在地面上采集到的剩余能量值就越高，说明地层介质对电磁波的吸收衰减性差；反之，电磁波被介质吸收衰减掉
4、的能量越多，在地面上采集到的剩余能量值就越少，说明地层介质对电磁波的吸收衰减性好。因此，我们可以通过采集电磁波到达地面后的剩余能量值，得知地层介质对于电磁波的吸收衰减特性，进而判断该地层介质的属性。 二、对电磁波穿过地下介质时电磁反应相关物性参数的认知 1、由电磁感应测值即可反映地下介质的电磁物性特征 电磁波是通过电场与磁场交替传播的，电场分量与磁场分量都同时携带有所遇地层介质的电磁反应信息，故采集其电场分量或磁场分量值所获取地层信息的内容相同，只是因采集手段和对象不同、其测值大小和范围亦不同，但对某一剖面勘探时其电场测值与磁场测值的曲线形状及变化应该是完全一致的。因此，无论是采集电场分量或磁
5、场分量信号都可以独立反映地层介质电磁反应序列信息，完全没有必要使用多个电极和电磁感应器同时测取电场分量和磁场分量信号、再去计算出一个视同电阻率的参数值。 2、介质对于电磁波的吸收衰减特性与介质电阻率无关国外大地电磁理论为了研究各向同性大地介质的电阻率和地面电磁场测量值之间的关系引入了波阻抗的概念，假设大地为均匀各向同性介质，定义平面波的波阻抗为Z=E/H、大地介质的视电阻率等于地表波阻抗的平方与频率之比；又假设大地为均匀导体，由电流通过导体的屈服深度效应推导出h=503/f（h地层深度，p视电阻率，f频率）。其实，地壳层既不是均匀各向同性介质、亦不是均匀导体，电磁波通过地壳层时介质的电阻率对其
6、不起什么作用。比如：高品位铁矿石的电阻率很小，但在MT-VCT测值与其（较高电阻率）基岩的电磁反映没有明显区别，测值都在2以上，远高于水（01）的测值；石油为不良导体，它的电阻率值很高，但其测值基本上在1以下（略高于水）。3、介质对于电磁波的吸收衰减特性与介质的介电常数无关介电常数（又称电容率）是用于衡量绝缘体储存电能性能的参数，是两块金属板之间以绝缘体为介质时的电容量与同样两块板之间以空气为介质或真空时的电容量之比。介电常数愈小，说明此介质产生的感应电荷削弱原外加电场的能力愈小，即原外加电场减少的愈少，原外加电场与削弱后的原外加电场的比值愈小，此介质的绝缘性愈好，导电性愈弱。由此可见，介电常
7、数主要是表征介质导电性与绝缘性的物性参数，与电磁波衰减特性无关。比如：蒸馏水/海水/淡水的介电常数分别为80/81/81，而电磁波衰减系数分别为0/1000/0.1；粉质粘土/花岗岩/页岩的介电常数分别为6/5/5-15，而电磁波衰减系数分别为2/0.01-1/1-100。无论是液体还是固体，介电常数与电磁波衰减系数高低相差太多，缺乏可比性。4、介质的硬度、强度、密度与电磁反应物性特征的关系由于地下介质包括液态的水、石油等和气态的空气、天然气等，故硬度、强度、密度等参数都不可能完全等同于介质对电磁波的物性参数，但在评价岩石等固体介质对电磁波的物性反应时，在实践中是否可以作为近似参数对照借鉴分析
8、使用呢？一般岩石硬度分类有围岩法、摩氏法、普氏法等。围岩分类法主要用于描述评价隧道、巷道工程围岩的稳定性，与岩石的电磁波衰减特性关联不大。摩氏创立的硬度表是选用十种硬度不同的矿物作为标准将硬度分为10级，从小到大排列依次是滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石，相互间只有硬度高低之分、没有数量关系，对于判定岩石电磁衰减特性意义不大。普氏分类法是通过天然平衡拱分析围岩应力、得出反映不同介质围岩抗压强度的坚固系数，对坚硬程度分级较细、罗列代表性岩石较多，有一定参考意义。岩石强度是指矿岩抵抗外力破坏的能力，根据受力状态不同，岩石强度可分为单轴抗压强度、单轴抗拉强度、剪切强度
9、、三轴压缩强度等。从几项强度参数列表可知，各种岩石的单轴抗压强度和剪切强度范围值对于判定岩石的电磁衰减特征有一定的参考价值，只是标出的范围都较大，具体指导意义不大。岩石密度是岩石基本集合相（固相、液相和气相）单位体积的质量。从常见矿物和岩石密度表得知，密度大的岩石其硬度和强度并不见得就高。比如说黄铁矿的密度为4.9-5.2，而金刚石的密度却只是2.6-2.9。所以说密度参数对于岩石的地震波反射物性参数有很大关联，但对于岩石的电磁波衰减特性没有什么参考价值。 三、对电磁波衰减系数的认知 1、国外大地电磁法原理推导出的电磁波衰减系数与实际不符 国外大地电磁法原理在假设天上的电磁场源以平面电磁波的形
10、式垂直入射到地面的条件下，由麦克斯韦方程组推导出波动方程，其中电磁波衰减系数： 当 时， 此时 -电磁波角频率，-磁导率，-介电常数，-电导率 按照此公式基本上可以理解为：介质的衰减系数与电磁波角频率、电导率、磁导率的平方根成正比，与介电常数基本无关。这就是说衰减系数是与频率的平方根成正比的，高频（深度小）时的衰减系数大、测值小，低频（深度大）时的衰减系数小、测值大，电磁波衰减系数与大地电磁法所说的视电阻率会随着频率的减小（深度增大）而不断增高。 按照MT-VCT大地电磁法理论，大地电磁场源在地壳层之下而不在天上，电磁波由下而上传播至地表而不是按照趋肤深度效应由上至下到相应深度后形成二次场再返
11、回地表，某一深度层介质对电磁波能量的吸收衰减量仅仅与介质本身相关，与介质所处深度位置及探测频率无关。实践中可知，液态的海水、淡水、石油等对电磁波的吸收衰减能力强，无论其所处位置深浅、经过衰减到达地表后测得的电磁波剩余能量值都是较低的值；即使是深达万米之下的水，使用MT-VCT探测仪采集数据成像所显示的依然是小于1的低值，不会随着深度的增加而增大。 2、电磁波穿过介质导致衰减的影响因素 地壳层之下形成的大地电磁场以电磁波辐射方式穿透地壳到达地表的过程中，要经过层数巨多、类型各异的介质层，各层介质对入射电磁波会产生一定的反射、折射、散射、透射作用，将绝大部分电磁波能量吸收损耗掉，待之到达地表时就仅
12、剩余非常微弱的大地电磁场能量信号了。而与其电磁波衰减作用相关的介质物性参数应该包括：影响电磁波穿过的介质反射率、折射率、散射率、透射率，影响电磁波穿过介质时形成内摩擦、热传导等转变成热能造成能量损耗的介质结构参数，影响电磁波磁场分量和电场分量能量传播的介质的磁导率和电导率，影响电磁波穿过介质难易程度的介质表面硬度、坚固系数、抗压强度，等等。这些影响因素的作用大小难以析清，它们在不同介质的参数值多不可测量得知，仅用个别参数抽象形成数学模型来计算电磁波的衰减系数肯定与实际有较大出入，在实践中没有任何指导意义。3、如何测评不同介质的电磁波衰减特性我们在地面上采集的大地电磁场信号是一个产生于地壳层之下
13、、垂直向地表面辐射的电磁波剩余能量值，其表征了各频点电磁波通过地下相应各深度层穿透介质能力的大小、或通过各深度层介质衰减后的剩余能量值的大小。由于大地电磁场源发出电磁波能量值及其经过各层介质具体衰减量的不可测算性、不同物探仪器拾取信号方式和性能的不可比性，我们所采集到的电磁波全频域序列信号值只能是一种反映各深度层介质对于电磁波能量的综合吸收衰减特性的相对值，而不可能是这些介质对电磁波能量实际衰减量的绝对值。我们利用物探方法只能通过探查地下介质之间的差异大小来判断地下岩层属性、异常及构造，都要根据以往勘探数据积累确定的岩性范围、结合地面勘查和地质资料来判断介质的属性，任何仪器都不可能仅凭勘探数据
14、就确定它是什么岩石。所以，我们没有必要非要通过那些不合实际的假设、仅靠几个本身就测不准确的介质参数，来抽象推演出不靠谱的数学模型去计算介质的电磁波衰减系数，而是要靠实践取得的经验和认识、通过不断积累和修正来掌握不同介质所在的测值区间及特征，借助于地面勘查、地质资料和个人经验进行客观分析与判断。 四、地下不同介质在MT-VCT成像中的物性反映不同物探方法的原理不同、反映介质的物性不同；即使是原理相同的物探方法，基于对理论的认识不同，实现的方法、采集数据的硬件及反演分析软件也会存在较大的差异。我们没有必要去追求不同物探方法反映介质物性的一致性，每一种物探方法都有自己特定的测值区间和反映介质物性的特
15、点、都有自己相对独立的区分不同介质物性参数的体系。关键是每一种物探仪器都应该要做到：一致性好，硬件检测校准后的指标相同、误差小，重复性勘探结果的近似程度高；采集数据真实可靠，采集数据中含有真实反映地下介质物性的信息所占比例要高、干扰信号要少；测深精度高，测深分层细密、成像清晰度高，不能依靠人为删补数据成图造成多解性。物探分析的主要目标是要找异常、找构造，也就是要找与上下层或左右明显不同的介质及其形成的构造。在MT-VCT大地电磁法成像数据剖面图设计由蓝绿黄红四种颜色且各有10种色差的MT-VCT成像色块图，用以显示从低到高的测值区间，以便在MT-VCT成像剖面图上一眼就能看出蓝色块低值与红色快
16、高值异常；需要观察反映不同介质物性的某一测值区间时，还可以利用分析软件具有的设定过滤区段显示功能来同时显示两个区段内的色块，以便观察不同介质在勘探剖面图上的分布及位置。MT-VCT大地电磁法从2012年创新提出至今不足十年，其方法理论及其应用仍在不断探索完善中，对于不同介质在MT-VCT成像测值上对应的反映区间仍处在验证、总结与修正阶段，对于地下某些超乎寻常的介质电磁反应现象仍未能给出科学、精准的解释。根据目前在实践中总结与验证得出的成果，只能对于地下不同介质在MT-VCT成像剖面图中的测值区间给予粗略性的界定，对于MT-VCT成像剖面图中某些规律性异常显示给予初步解释。虽然MT-VCT大地电
17、磁法在贫水区找水定井、地热勘探定井中的应用已较为成熟，但是在油气勘探、矿产资源勘查、海底勘探等方面的应用刚刚进入探索期，还需要在实践中不断学习、探索、成长。1、MT-VCT成像剖面图中各种介质电磁特性的测值区间根据以往应用中总结出的不同介质电磁特性在VCT成像中的测值区间大致为：测值0-1：液态水或石油。一般来说地下空隙内蓄水或聚水多的含水层的测值低，含水裂隙内测值较低，细小裂隙和孔隙内测值稍高，无论含水点围岩是泥土、泥岩或是花岗岩等，只要有含水裂隙或孔隙，都会是1以下的低值。测值1-2：不含水的各种第四系土层，砂，小砾石，煤，破碎的面岩，结块的卵石和碎石，胶结的卵石和砂砾岩，各种不坚硬的面岩
18、、泥灰岩、泥岩、泥质砂岩，等等。测值23：砂质面岩，片状砂岩，普通砂岩，砂岩，灰岩，白云岩，中粗粒花岗岩，等等。测值34：很硬的石灰岩、白云岩，不硬的花岗岩，硬的砂岩，硬大理岩，黄铁矿，等等。测值45：硬度高的花岗岩、花岗质岩石，石英质矿脉，很硬的砾岩，很硬的铁矿石，中深层坚硬的砂岩和石灰岩，等等。测值56：坚硬且完整性较高的石英质矿脉，纯度略差的石英岩，深层很硬的花岗岩、石英斑岩硅质面岩及硬度很高的岩石，等等。测值6以上：极硬、极致密和韧性最大的石英质矿脉，石英岩，几千米之下坚硬的花岗岩、石英斑岩硅质面岩，等等。 2、地下液态水和石油在MT-VCT成像中的低值物性反映在MT-VCT成像剖面图
19、中水、石油等液体都显示出明显的低值异常，测值约在0-1范围内。液体对电磁波的折射率大、将电磁波能量转换成热能的吸收衰减性好，其对应的MT-VCT测值相对就低，在地下容水空间大的含水层内测值低于0.4的深度层点多、赋水性好，而只存在细小孔隙裂隙含水时测值低于0.4的深度层点明显就少。液态石油的折射率和对电磁波能量的吸收衰减性略低于水，其对应的测值区间略高于水、但明显低于其它固态介质，地下聚油多的断裂构造内测值相对就低，而散布在砂岩细小孔隙裂隙内油的测值相对偏高。3、MT-VCT成像剖面图中的高值异常反映在MT-VCT成像剖面图中地下空穴中气体的电磁波穿透性好、折射率小，其对应的测值基本上为4以上
20、的高值。固体测值范围大多数与介质硬度和强度的参数值较为吻合，随着介质硬度与强度的增加其测值递阶增高。然而，在MT-VCT成像剖面图上会有规律性地出现一些高值异常情况，与其硬度和强度参数值相比明显会高出许多，就像是加热处理后同样硬度的金属、淬火急速冷却的与缓慢降温退火的存在着非常明显的差异一样。目前对这种现象的理解是岩浆上涌或喷发后迅速冷却、或者是岩层间产生剧烈摩擦等地质构造运动，导致该类介质表面硬度明显增大形成的。比如：在上下两种地层之间、或覆盖层之下会有一薄层明显高于两种地层测值、大于4的带状高值，以此可判断覆盖层深度或分层深度；曾经遇到过路边第四系土层中（地表10米之下）出现约1米厚看似烧烤过的浅黑色土层，在其上探测时该层测值明显高出上下土层一倍以上；含矿石英细、中脉带的测值约在4-6之间，含矿石英中、大脉带的测值约在5-7之间；而纯度较高的石英脉呈现6-20的红色高值反映，在MT-VCT成像剖面图上明显清晰可见。 参考文献：【1】寇伟，寇通，对现有大地电磁法理论的几点异论，工程技术，2017（1）【2】陈清礼、肖希等，电磁波衰减系数特性分析，石油天然气学报，2014（8）
个人主页
