1、 地下介質的電磁波衰減特性及在MT-VCT大地電磁法中的物性反映 寇偉 寇通 鄭州地象科技有限公司，河南 鄭州 450000摘要： MT-VCT大地電磁法從2012年創新提出至今不足十年，其理論方法及其應用仍在不斷探索完善之中，對于不同介質在MT-VCT成像測值中對應的物性反映區間，經過長期實踐總結與驗證，在此給予粗略性的界定，并對MT-VCT成像剖面圖中某些規律性異常顯示給予初步解釋。關鍵詞：MT-VCT大地電磁法，電磁波，物性參數 一、MT-VCT大地電磁法采集電磁信號的屬性與特征 1、在地表采集電磁信號的場源 首先應該確定我們在地面上采集的大地電磁場信號是來自于地下而不是天上，因為地表之

2、上的電磁信號不可能攜帶地下巖層的電磁反應信息。大地電磁場信號應該是一個產生于地核內部及地幔軟流層運動形成的動態地磁場、其散發電磁波垂直向地表面輻射、穿過地殼到達地表后的電磁波剩余能量值。因其不存在電磁波自上而下、形成二次場后再自下而上的兩次衰減，故大地電磁法不存在探測深度越大、信號越弱、探測深度有限的問題。 2、在地表采集電磁信號的屬性 電磁波攜帶能量以電場和磁場交替的形式向地表輻射，在穿透地殼到達地表面過程中要經過數量眾多、不同類型的礦物、巖石等介質層，各層介質對入射電磁波會產生一定的反射、折射、散射和透射作用，使其在介質中經過內摩擦、熱傳導、分子碰撞等作用被吸收損耗。這樣，電磁波能量在其所

3、經過各介質層時都會受到程度不等的吸收和衰減，待之到達地面時所剩余能量就非常微小了。我們拾取到微弱的電磁信號既不是電場信號也不是磁場信號，而是大地電磁場輻射到地表后所剩無幾的電磁波能量值。 3、在地表采集電磁信號所反映地層介質的物性特征 由于大地電磁場源發出電磁波能量值及其經過各層介質具體衰減值的不可測算性，我們所采集到的全頻段電磁波信號值只能是一種反映電磁波穿過所有介質層后剩余能量的相對物性參數值，它同時也表征了各頻點所對應深度層介質對于電磁波能量的綜合吸收性能。電磁波被介質吸收衰減掉的能量越少，在地面上采集到的剩余能量值就越高，說明地層介質對電磁波的吸收衰減性差；反之，電磁波被介質吸收衰減掉

4、的能量越多，在地面上采集到的剩余能量值就越少，說明地層介質對電磁波的吸收衰減性好。因此，我們可以通過采集電磁波到達地面后的剩余能量值，得知地層介質對于電磁波的吸收衰減特性，進而判斷該地層介質的屬性。 二、對電磁波穿過地下介質時電磁反應相關物性參數的認知 1、由電磁感應測值即可反映地下介質的電磁物性特征 電磁波是通過電場與磁場交替傳播的，電場分量與磁場分量都同時攜帶有所遇地層介質的電磁反應信息，故采集其電場分量或磁場分量值所獲取地層信息的內容相同，只是因采集手段和對象不同、其測值大小和范圍亦不同，但對某一剖面勘探時其電場測值與磁場測值的曲線形狀及變化應該是完全一致的。因此，無論是采集電場分量或磁

5、場分量信號都可以獨立反映地層介質電磁反應序列信息，完全沒有必要使用多個電極和電磁感應器同時測取電場分量和磁場分量信號、再去計算出一個視同電阻率的參數值。 2、介質對于電磁波的吸收衰減特性與介質電阻率無關國外大地電磁理論為了研究各向同性大地介質的電阻率和地面電磁場測量值之間的關系引入了波阻抗的概念，假設大地為均勻各向同性介質，定義平面波的波阻抗為Z=E/H、大地介質的視電阻率等于地表波阻抗的平方與頻率之比；又假設大地為均勻導體，由電流通過導體的屈服深度效應推導出h=503/f QUOTE （h地層深度，p視電阻率，f頻率）。其實，地殼層既不是均勻各向同性介質、亦不是均勻導體，電磁波通過地殼層時介

6、質的電阻率對其不起什么作用。比如：高品位鐵礦石的電阻率很小，但在MT-VCT測值與其（較高電阻率）基巖的電磁反映沒有明顯區別，測值都在2以上，遠高于水（01）的測值；石油為不良導體，它的電阻率值很高，但其測值基本上在1以下（略高于水）。3、介質對于電磁波的吸收衰減特性與介質的介電常數無關介電常數（又稱電容率）是用于衡量絕緣體儲存電能性能的參數，是兩塊金屬板之間以絕緣體為介質時的電容量與同樣兩塊板之間以空氣為介質或真空時的電容量之比。介電常數愈小，說明此介質產生的感應電荷削弱原外加電場的能力愈小，即原外加電場減少的愈少，原外加電場與削弱后的原外加電場的比值愈小，此介質的絕緣性愈好，導電性愈弱。由

7、此可見，介電常數主要是表征介質導電性與絕緣性的物性參數，與電磁波衰減特性無關。比如：蒸餾水/海水/淡水的介電常數分別為80/81/81，而電磁波衰減系數分別為0/1000/0.1；粉質粘土/花崗巖/頁巖的介電常數分別為6/5/5-15，而電磁波衰減系數分別為2/0.01-1/1-100。無論是液體還是固體，介電常數與電磁波衰減系數高低相差太多，缺乏可比性。4、介質的硬度、強度、密度與電磁反應物性特征的關系由于地下介質包括液態的水、石油等和氣態的空氣、天然氣等，故硬度、強度、密度等參數都不可能完全等同于介質對電磁波的物性參數，但在評價巖石等固體介質對電磁波的物性反應時，在實踐中是否可以作為近似參

8、數對照借鑒分析使用呢？一般巖石硬度分類有圍巖法、摩氏法、普氏法等。圍巖分類法主要用于描述評價隧道、巷道工程圍巖的穩定性，與巖石的電磁波衰減特性關聯不大。摩氏創立的硬度表是選用十種硬度不同的礦物作為標準將硬度分為10級，從小到大排列依次是滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、長石、石英、黃玉、剛玉、金剛石，相互間只有硬度高低之分、沒有數量關系，對于判定巖石電磁衰減特性意義不大。普氏分類法是通過天然平衡拱分析圍巖應力、得出反映不同介質圍巖抗壓強度的堅固系數，對堅硬程度分級較細、羅列代表性巖石較多，有一定參考意義。巖石強度是指礦巖抵抗外力破壞的能力，根據受力狀態不同，巖石強度可分為單軸抗壓強度、單軸抗拉

9、強度、剪切強度、三軸壓縮強度等。從幾項強度參數列表可知，各種巖石的單軸抗壓強度和剪切強度范圍值對于判定巖石的電磁衰減特征有一定的參考價值，只是標出的范圍都較大，具體指導意義不大。巖石密度是巖石基本集合相（固相、液相和氣相）單位體積的質量。從常見礦物和巖石密度表得知，密度大的巖石其硬度和強度并不見得就高。比如說黃鐵礦的密度為4.9-5.2，而金剛石的密度卻只是2.6-2.9。所以說密度參數對于巖石的地震波反射物性參數有很大關聯，但對于巖石的電磁波衰減特性沒有什么參考價值。 三、對電磁波衰減系數的認知 1、國外大地電磁法原理推導出的電磁波衰減系數與實際不符 國外大地電磁法原理在假設天上的電磁場源以

10、平面電磁波的形式垂直入射到地面的條件下，由麥克斯韋方程組推導出波動方程，其中電磁波衰減系數： 當 時， 此時 -電磁波角頻率，-磁導率，-介電常數，-電導率 按照此公式基本上可以理解為：介質的衰減系數與電磁波角頻率、電導率、磁導率的平方根成正比，與介電常數基本無關。這就是說衰減系數是與頻率的平方根成正比的，高頻（深度小）時的衰減系數大、測值小，低頻（深度大）時的衰減系數小、測值大，電磁波衰減系數與大地電磁法所說的視電阻率會隨著頻率的減小（深度增大）而不斷增高。 按照MT-VCT大地電磁法理論，大地電磁場源在地殼層之下而不在天上，電磁波由下而上傳播至地表而不是按照趨膚深度效應由上至下到相應深度后

11、形成二次場再返回地表，某一深度層介質對電磁波能量的吸收衰減量僅僅與介質本身相關，與介質所處深度位置及探測頻率無關。實踐中可知，液態的海水、淡水、石油等對電磁波的吸收衰減能力強，無論其所處位置深淺、經過衰減到達地表后測得的電磁波剩余能量值都是較低的值；即使是深達萬米之下的水，使用MT-VCT探測儀采集數據成像所顯示的依然是小于1的低值，不會隨著深度的增加而增大。 2、電磁波穿過介質導致衰減的影響因素 地殼層之下形成的大地電磁場以電磁波輻射方式穿透地殼到達地表的過程中，要經過層數巨多、類型各異的介質層，各層介質對入射電磁波會產生一定的反射、折射、散射、透射作用，將絕大部分電磁波能量吸收損耗掉，待之

12、到達地表時就僅剩余非常微弱的大地電磁場能量信號了。而與其電磁波衰減作用相關的介質物性參數應該包括：影響電磁波穿過的介質反射率、折射率、散射率、透射率，影響電磁波穿過介質時形成內摩擦、熱傳導等轉變成熱能造成能量損耗的介質結構參數，影響電磁波磁場分量和電場分量能量傳播的介質的磁導率和電導率，影響電磁波穿過介質難易程度的介質表面硬度、堅固系數、抗壓強度，等等。這些影響因素的作用大小難以析清，它們在不同介質的參數值多不可測量得知，僅用個別參數抽象形成數學模型來計算電磁波的衰減系數肯定與實際有較大出入，在實踐中沒有任何指導意義。3、如何測評不同介質的電磁波衰減特性我們在地面上采集的大地電磁場信號是一個產

13、生于地殼層之下、垂直向地表面輻射的電磁波剩余能量值，其表征了各頻點電磁波通過地下相應各深度層穿透介質能力的大小、或通過各深度層介質衰減后的剩余能量值的大小。由于大地電磁場源發出電磁波能量值及其經過各層介質具體衰減量的不可測算性、不同物探儀器拾取信號方式和性能的不可比性，我們所采集到的電磁波全頻域序列信號值只能是一種反映各深度層介質對于電磁波能量的綜合吸收衰減特性的相對值，而不可能是這些介質對電磁波能量實際衰減量的絕對值。我們利用物探方法只能通過探查地下介質之間的差異大小來判斷地下巖層屬性、異常及構造，都要根據以往勘探數據積累確定的巖性范圍、結合地面勘查和地質資料來判斷介質的屬性，任何儀器都不可

14、能僅憑勘探數據就確定它是什么巖石。所以，我們沒有必要非要通過那些不合實際的假設、僅靠幾個本身就測不準確的介質參數，來抽象推演出不靠譜的數學模型去計算介質的電磁波衰減系數，而是要靠實踐取得的經驗和認識、通過不斷積累和修正來掌握不同介質所在的測值區間及特征，借助于地面勘查、地質資料和個人經驗進行客觀分析與判斷。 四、地下不同介質在MT-VCT成像中的物性反映不同物探方法的原理不同、反映介質的物性不同；即使是原理相同的物探方法，基于對理論的認識不同，實現的方法、采集數據的硬件及反演分析軟件也會存在較大的差異。我們沒有必要去追求不同物探方法反映介質物性的一致性，每一種物探方法都有自己特定的測值區間和反

15、映介質物性的特點、都有自己相對獨立的區分不同介質物性參數的體系。關鍵是每一種物探儀器都應該要做到：一致性好，硬件檢測校準后的指標相同、誤差小，重復性勘探結果的近似程度高；采集數據真實可靠，采集數據中含有真實反映地下介質物性的信息所占比例要高、干擾信號要少；測深精度高，測深分層細密、成像清晰度高，不能依靠人為刪補數據成圖造成多解性。物探分析的主要目標是要找異常、找構造，也就是要找與上下層或左右明顯不同的介質及其形成的構造。在MT-VCT大地電磁法成像數據剖面圖設計由藍綠黃紅四種顏色且各有10種色差的MT-VCT成像色塊圖，用以顯示從低到高的測值區間，以便在MT-VCT成像剖面圖上一眼就能看出藍色

16、塊低值與紅色快高值異常；需要觀察反映不同介質物性的某一測值區間時，還可以利用分析軟件具有的設定過濾區段顯示功能來同時顯示兩個區段內的色塊，以便觀察不同介質在勘探剖面圖上的分布及位置。MT-VCT大地電磁法從2012年創新提出至今不足十年，其方法理論及其應用仍在不斷探索完善中，對于不同介質在MT-VCT成像測值上對應的反映區間仍處在驗證、總結與修正階段，對于地下某些超乎尋常的介質電磁反應現象仍未能給出科學、精準的解釋。根據目前在實踐中總結與驗證得出的成果，只能對于地下不同介質在MT-VCT成像剖面圖中的測值區間給予粗略性的界定，對于MT-VCT成像剖面圖中某些規律性異常顯示給予初步解釋。雖然MT

17、-VCT大地電磁法在貧水區找水定井、地熱勘探定井中的應用已較為成熟，但是在油氣勘探、礦產資源勘查、海底勘探等方面的應用剛剛進入探索期，還需要在實踐中不斷學習、探索、成長。1、MT-VCT成像剖面圖中各種介質電磁特性的測值區間根據以往應用中總結出的不同介質電磁特性在VCT成像中的測值區間大致為：測值0-1：液態水或石油。一般來說地下空隙內蓄水或聚水多的含水層的測值低，含水裂隙內測值較低，細小裂隙和孔隙內測值稍高，無論含水點圍巖是泥土、泥巖或是花崗巖等，只要有含水裂隙或孔隙，都會是1以下的低值。測值1-2：不含水的各種第四系土層，砂，小礫石，煤，破碎的面巖，結塊的卵石和碎石，膠結的卵石和砂礫巖，各

18、種不堅硬的面巖、泥灰巖、泥巖、泥質砂巖，等等。測值23：砂質面巖，片狀砂巖，普通砂巖，砂巖，灰巖，白云巖，中粗粒花崗巖，等等。測值34：很硬的石灰巖、白云巖，不硬的花崗巖，硬的砂巖，硬大理巖，黃鐵礦，等等。測值45：硬度高的花崗巖、花崗質巖石，石英質礦脈，很硬的礫巖，很硬的鐵礦石，中深層堅硬的砂巖和石灰巖，等等。測值56：堅硬且完整性較高的石英質礦脈，純度略差的石英巖，深層很硬的花崗巖、石英斑巖硅質面巖及硬度很高的巖石，等等。測值6以上：極硬、極致密和韌性最大的石英質礦脈，石英巖，幾千米之下堅硬的花崗巖、石英斑巖硅質面巖，等等。 2、地下液態水和石油在MT-VCT成像中的低值物性反映在MT-VCT成像剖面圖中水、石油等液體都顯示出明顯的低值異常，測值約在0-1范圍內。液體對電磁波的折射率大、將電磁波能量轉換成熱能的吸收衰減性好，其對應的MT-VCT測值相對就低，在地下容水空間大的含水層內測值低于0.4的深度層點多、賦水性好，而只存在細小孔隙裂隙含水時測值低于0.4的深度層點明顯就少。液態石油的折射率和對電磁波能量的吸收衰減性略低于水，其對應的測值區間略