甚低频电磁法的工作方法

1. 甚低频电磁法的工作方法

甚低频电磁法只适用于探测基岩水平剖面，现将其工作方法简述如下。
（一）野外工作方法
依据地质条件，最少应布置3条垂直于探测对象走向的电剖面，其长度以异常形态完整并有正常场出现为准则，点距一般为5m或10m，出现有意义的异常后应加密点距用以详细确定含水地质体的平面位置。
野外观测可分为倾角法和波阻抗法两种。当所探测对象为低阻体时，最好使用倾角法进行甚低频电磁法测量。尤其是在接地条件不良时更是如此。如需要了解测区内水平方向上电阻率的变化，则最好使用波阻抗法进行电阻率填图。
1.波阻抗法
按仪器操作方法分别测出磁场分量（NH）和电场分量（NE），读数均为格值。而后按公式：

地球物理找水方法技术与仪器

计算出相应点位视电阻率，野外常采用MN＝10m、5m等于点距的方法进行观测。装置系数K计算公式为：

地球物理找水方法技术与仪器

式中：f为测量时所选用电台的工作频率，单位为Hz；K衰为测量电场时衰减倍数（与所测磁场相比较）；SΔ为磁性天线的灵敏度，单位为μV/pT；R为电极距，单位为m。
以上各参数及MN＝10m或5m时的K值在仪器说明书中均以给出。
2.倾角法
采用此法工作时，所测磁场水平分量NH在良导体上方应有最大值，由于VLF－FM法振幅系相对测量，所以Hy应被正常场H0除之，并用百分比表示；磁场垂直分量Hz的存在表明地下有良导体，二次场垂直分量幅度通常为水平场幅度的5％以上，曲线形态为双峰式，最小值在良导体的正上方，当低阻良导体顶板埋深较浅时，可用下式推断良导体埋深。

地球物理找水方法技术与仪器

式中：x为极小值点到两侧极大值点距离的平均值。详见图3－3－2。

图3－3－2 6线Hz剖面图

在倾角法所测参数中倾角值D最灵敏，地质效果较好。但由于该方法所用工作频率高，易引起较大的地质噪音，而使倾角曲线杂乱。为了消除地质噪音，减小地形影响，突出异常，通常采用一维数字滤波的方法对所测倾角值进行处理，其滤波算式为：

地球物理找水方法技术与仪器

式中：f2.3为测点f2与测点f3的中间值；M1、M2、M3、M4分别为各测点的观测倾角值。
滤波处理后的曲线零值点或拐点（即异常点）被转变成了极大值，极大值对应着断裂带或岩溶发育带的位置。上述“极大值”多数指负极值点。
（二）质量评价与异常推断解释
1.质量评价
甚低频电磁法是一种被动源电磁法，因而其场强是随机变化的，引起场变的主要原因是空中电离层厚度的变化，因此，该方法只能在每天早上9点至下午4点进行野外观测，衡量野外观测质量也只能在不同时间对重要异常地段进行重复观测，只要检查数据与原始观测异常形态对比基本一致，就确认野外工作质量可信，成果可以利用。
2.异常推断解释
由于甚低频电磁法场强是随机变化的，所以观测电参数，特别是有效电阻率ρS值日变较大，因此该方法只要是绘制ρS曲线剖面平面图，对其异常进行定性解释。该方法对基岩裂隙水、岩溶水分辨能力很强，它在几十米沟谷中配合联合剖面法、音频大地电场法找水效果很好，详见图3－3－3。

图3－3－3 广西来宾凤凰华侨农场测区2线地质、物探综合平面图

由图3－3－3可知，在灰岩裂隙富水带上方，联剖ρS曲线有 
地球物理找水方法技术与仪器
同步低阻异常，甚低频电磁法有效电阻率ρS滤波倾角负极值及音电低值异常与之对应，综合电法各种异常反映非常一致。
但应指出的是，当甚低频ρS曲线低阻异常带很宽时，只有在联剖ρS曲线有低阻正交点情况下，其推断解释可信度才比较高。

2. 甚低频电磁法基本原理

甚低频电磁法（VLF）用于水文地质勘探的时间不长，国外直至20世纪70年代才有比较广泛的应用，在我国则是近几十年的事。由于该方法具有不需要自己建立场源，操作简单、测量参数多、野外工作人员少、地质效果良好等优点，而得到推广应用。
甚低频电磁法是一种被动源电磁法，是以利用超长波通讯电台所发射的电磁波的电分量和磁分量在良导体引起感应交变电流为基础的一种方法。超长波通讯电台的发射功率在n×10～n×103kW之间，工作频率为15～25kHz。我国设计的DDS－3型甚低频电磁法仪是以设在日本、澳大利亚和前苏联的海军通讯电台发射的电磁波为场源，工作频率分别为17.4kHz、22.3kHz及17.1kHz。

图3－3－1 甚低频电磁法电磁场空间分布示意图

超长波通讯电台发射的电磁波其空间分布如图3－3－1所示。在远离电台的地区可把这种电磁波看作典型的平面电磁波。由于发射天线是垂直的，故其磁场分量方向是水平的，且垂直于电磁波的传播方向。当地下存在良导体（如地下水、充水溶洞或含水断裂带）时，因受磁场分量的作用，良导体则产生二次场。若良导体走向（如图中的D1）与电磁波的传播方向一致，即磁场分量垂直地作用于良导体，则良导体将会感应出最大的二次电流和二次磁场。若良导体走向（如图中的D2）与电磁波的传播方向垂直，即良导体的走向与磁场分量平行，则良导体受电磁场的作用最弱，产生的二次电流和二次磁场也最弱。因此，根据具体的地质情况，选择方向合适的超长波通讯电台的电磁波作场源，通过二次场的观测，可达到找水和解决其他地质问题的目的。

3. 甚低频法的一次场

VLF的场源是一根垂直地面的鞭状天线，从远处看相当于一个通以电流I=I0eiωt的垂直谐变电偶极子。由它发射的电磁波在大地表面与电离层下界面之间的波导层中可以传播到很远的地方。在远离场源（x》λ）的测点处，电磁场由天波和地波两部分组成。天波是指在地面与电离层之间反复反射而传至测点的电磁波，地波是指从场源经空气直接传至测点的电磁波。当大地为有限导电介质时，近地表处天波的电场强度近于零，而地波的电场强度可分解为垂直分量和水平分量：

地电场与电法勘探

式中x为测点至场源的距离；k0 =ω为空气的角波数；k1 =ω为相对复介电常数，对VLF而言，≫1，因此式（3-3-4）可近似写为：
为大地的角波数，其中ε′为大地复介电常数；Il为电偶极子的偶极矩；F（ω）是与频率及角波数有关的函数。测点处的磁场可由麦克斯威方程Δ×E=-iωμ0H计算，显然它只有y分量：

地电场与电法勘探

由（3-3-1）～（3-3-3）式可见，VLF一次场在远区的电场信号和磁场信号是同相的。
设大地磁导率μ=μ0，则由（3-3-1）及（3-3-2）式有

地电场与电法勘探

式中ε′r=εr-i这表明在地面上方空气中，VLF电场垂直分量远大于水平分量，这时如测量电场水平分量，将受到垂直分量的严重感应影响。相反，在地中则是电场水平分量远大于电场垂直分量。由折射定律可以计算电磁波在大地中的折射角为

地电场与电法勘探


地电场与电法勘探

由于通常ρ＞104 Ω·m，因此，θ1是一个很小的值，实际工作中认为电磁波进入大地后是沿垂直地面的方向向深部传播。因此，VLF电磁场在均匀大地中只有水平分量：

地电场与电法勘探

由式（3-3-7）和（3-3-8）可以计算大地的波阻抗为

地电场与电法勘探

在导电大地中，当1/ωερ≫1时有k1 =
（1-i），代入上式经整理，便得：

地电场与电法勘探

式（3-3-9）就是均匀大地中平面单色波的波阻抗与大地电阻率之间关系的卡尼亚公式。如果大地是不均匀的，则由此式算得的应为视电阻率。由式（3-3-9）可见，通过对VLF波阻抗的测量可获得大地导电特性的信息，这是利用VLF法进行电阻率填图的理论基础。

4. 甚低频法的应用实例

甚低频法的资料解释主要是定性地确定出低阻体（断裂带或岩溶发育带）的位置。从甚低频法的理论曲线分析可知,利用极化椭圆倾角D曲线的零值点及磁场水平分量极值点的位置均可确定断裂带及低阻发育带的位置。
1.在灰岩地区寻找岩溶塌陷
下面,我们来看一下甚低频法在广西某地岩溶区的应用。该岩溶区为10m厚的黏土所覆盖,下部基岩为泥盆系石灰岩,地下岩溶发育,地表可见塌陷地形。工区测线方位为NE70°,选择NDT台作为场源,用甚低频电磁仪观测电场水平分量Ex和磁场水平分量Hy,并用式（3-17）计算了视电阻率。同时还用NWC台观测极化椭圆倾角D及磁场水平分量Hy和垂直分量Hz。图4-21展示了该区13线上甚低频法及联合剖面法的观测结

图4-21 广西浪桥堡13线综合勘探剖面图

1—黏土；2—溶洞；3—石灰岩
果,由图可见,在该线上甚低频法有明显的极化椭圆倾角及磁场水平分量异常,而联合剖面法及甚低频视电阻率曲线却只反映出较宽的低阻异常带。经钻探验证,在100号点处见到岩溶发育带,95号点为黄土充填的岩溶塌陷。
2.寻找低阻金属矿
图4-22是安徽某铜矿18线的综合剖面图。该矿床为含铜矽卡岩型,产于三叠系岩层与花岗闪长岩接触带附近。区内大理岩和花岗闪长岩的电阻率均为103Ω·m数量级,而矿体电阻率则很低。VLF测量结果,在矿体上方Hy有极大值,而极化椭圆倾角D则有一零交点,异常反映是明显的。20号点附近的尖峰系由高压输电线引起,这是最常遇到的人文干扰之一,但其影响范围有限,易于识别。

图4-22 安徽某铜矿18线VLF综合剖面图（据李金铭,2005）

1—浮土；2—花岗闪长岩（γδ）；3—大理岩与角岩成夹层或互层（M+HS）；4—矽卡岩与角岩成夹层或互层（SK+HS）；5—矽卡岩、角岩与大理岩成夹层或互层（SK+HS+M）；6—条带状石榴子石矽卡岩；7—块状石榴子石矽卡岩；8—含铜矿体

5. 　甚低频电磁法

11.3.1　基本原理
甚低频法（Very Low Frequency EM Method，简称VLF）是在20世纪60年代中期发展起来的一种电磁方法。它利用分散在全球各地数十个频率为15～25kHz的长波电台作为场源，进行地质矿产及工程勘查。这些长波电台是为远方的潜艇导航及通信而建立的，功率强大（500～1000kW），信号稳定。由于VLF法无需发射设备，因此装备非常轻便，工作效率高，成本低。VLF法通过观测地面或地下场的变化情况，从而获得电性不均匀或地质构造信息，达到解决地质灾害问题的目的。
11.3.2　观测方法
在野外工作时，必须先将接收机调准到所选电台的频率f，使接收线圈的面沿垂直轴转动，寻找接收信号最大的方向，线圈面所对的方向即是电台方向，然后照准该方向观测极化椭圆倾角D、电场水平分量Ex和磁场的垂直分量Hz及水平分量Hy，并可计算出相应的视电阻率ρs。ρs的计算公式为：

地质灾害勘查地球物理技术手册

11.3.3　技术要求
（1）一般沿测线观测，信号弱时可增大极距长度；
（2）测量时，接收圈方向和电极布置方向与最大信号方向的夹角小于10°；
（3）应用条件：①所要探测的地质体与围岩必须有明显的电阻率差异，②所探测的对象必须是较陡立的条带状（脉状）地质体，③在有覆盖的地区一般表土覆盖在30m以内，④工作区内没有影响观测的强干扰电磁场。
11.3.4　资料处理
（1）地形改正：导电大地的地形影响有时是不可忽略的，因此进行地形改正很有必要。
（2）日变校正：VLF场随机变化是规律性的日变化场量，应进行日变校正。
（3)Fraser滤波：由导电围岩及局部电性不均匀体产生的区域背景地质噪声，常使目标异常发生畸变，甚至淹没。特别是对于Hz和D曲线，上述干扰常使零交点偏移，甚至消失，从而给解释带来困难。Fraser滤波是一种简单有效的处理方法，它利用差分算子[Fn+1,n+2=(Dn+3+Dn+2)-(Dn+1+Dn)]将Hz和D曲线的零交点或拐点变成极值点，从而突出了有用异常，达到了压制背景干扰及地质噪声的目的。Fraser滤波的计算公式为：

地质灾害勘查地球物理技术手册

式中：n=1,2,3……为采样点序号。
11.3.5资料解释原则
（1）对解释结果的可靠性进行分析；
（2）根据曲线反应判断异常性质，结合地质条件确定引起异常的地质因素；
（3）依据上述各种图件进行定性解释，从点到面研究异常特点及规律；
（4）对反映好的典型曲线可进行埋深估算。
11.3.6　成果表达形式
（1）电磁参数曲线剖面图；
（2）视电阻率或参数的剖面平面图；
（3）视电阻率等值线平面图；
（4）综合剖面图。
11.3.7　仪器设备
甚低频电磁法仪器设备见表11-3。
表11-3　甚低频电磁仪一览表

6. 甚低频法的场源

甚低频电磁法是利用频率为15～25 kHz的潜艇通讯用甚低频电台作为它的场源。这种电台的功率相当强大，通常为几百到1000 kW。其辐射天线为几百英尺高的垂直电偶极子。在这一频率范围内可以用于地球物理勘探的电台列于表3-3-1，并将电台位置标于图3-3-1中。
表3-3-1 甚低频场源一览表



图3-3-1 世界甚低频电台的分布

观测表明，在我国境内可利用的VLF电台有日本的NDT台和澳大利亚的NWC台。这两个电台的信号稳定，工作时间长。另外，俄罗斯的UMS台在我国西北地区也可以利用。

7. 地面物探方法

地面物探方法已被证明是探测地下岩性、划分地层和确定地质构造的有效手段之一。几乎所有的地面物探方法均可用于寻找地下水和判定地下水的某些特征。但是绝大多数物探方法并不是直接测定出地下水本身的物性显示，而是通过测定出有利于蓄水的岩石、构造或裂隙、空洞等的物性显示间接判断地下水的存在以及它们的分布情况。当然，在岩石物性的显示中也包含有水的作用，但水的作用一般要较岩石矿物、化学组分、可溶盐含量、结构等方面的作用小得多。因此，准确地说，多数物探方法是间接找水的方法。
这些物探方法，首推电阻率法、磁法、放射性方法、热辐射法也常用到，而地震和重力法等相对使用较少。
近年来，随着应用物理技术的发展，人们力求研制出一些对地下水物性反映比较敏感的物探方法，以达到直接进行找水的目的。但是，在这些所谓“直接找水方法”所测得的物性异常中，除了地下水的作用外，仍然不同程度地包含了岩石本身物理性质和裂隙、通道等因素的影响，只不过它们较前述的一般物探方法包含了更多的地下水本身的物性显示。
考虑到一般电阻率法等间接找水的物探方法已在各种地球物理勘探和专门的水文地质物探专著中有详尽的论述，我们仅在此列表简述（表12-1）。我们将在这里着重介绍那些目前在寻找地下水方面较为有效，又有发展前途的地面物探方法。
表12-1 地面物探方法分类表


一、自然电场法
这是一种比较“古老”又行之有效的物探方法。这种方法以地下存在的天然电场为场源。由于天然电场主要与地下水通过岩石孔隙、裂隙通道时的渗透作用和离子扩散、吸附作用有关，因此可根据在地面上测量到的电场变化情况，查明地下水的埋藏、分布和运动状况。这种方法主要用于寻找地下掩埋的古河道、基岩含水破碎带，以及确定水库、河床和堤坝的渗漏通道，也可测定抽水井的影响半径和地下水流速。
自然电场法的使用条件，主要决定于地下水渗透作用形成的过滤电场的强度。一般只有在地下水埋藏较浅、水力坡度较大和所形成的过滤电场强度较大时，才能在地面测量到较明显的自然电位异常。为加强其异常显示，可采用人工场的充电法。
二、激发极化法
这种方法是根据供电极断电后，由电化学作用引起的岩石和地下水放电电场（即二次场）的衰减特征来寻找地下水。二次场的衰减特征可用视极化率（ηs）、视频散率（Ps）（交流极化法的基本测量参数）、衰减度（D）、衰减时（τ）表示。判断地下水存在效果较好的测量参数通常是τ和D。τ是指二次电位场（ΔUz）衰减到某一规定数值时（通常规定为50%）所需的时间（单位为s）。D亦是反应极化电场（即二次场）衰减快慢的一种测量参数（用百分数表示）。由于岩石中的含水或富水地段水分子的极化能力较强，因此二次场一般衰减较慢，故D和τ值相对较大。
激发极化法和电阻率法一样，分为测深法、剖面法和测井法。其中，激发极化测深法用得最多，主要用于寻找层状或似层状分布的含水层以及较大的溶洞含水带，并可确定它们的埋藏深度。还可根据含水因素（Ms）和已知钻孔涌水量的相关关系，大致估计设计钻孔的涌水量。
由于激发极化所产生的二次场值小，故这种方法不适用于覆盖层较厚（如大于20 m）和工业游散电较强的地区。
三、交变电磁法
电磁法是近20～30年才推出的新物探方法。目前已在生产中使用的有甚低频电磁法（利用超长波通讯电台发射的电磁波为场源）、频率测深法（以改变电磁场频率来测得不同深度的岩性）、地质雷达法（利用高频电磁波束在地下电性界面上的反射来达到探测地质对象的目的）等。其中，甚低频法对确定低阻体（如断裂带、岩溶发育带和含水裂隙带）比较有效。而地质雷达则具较高的分辨率（可达数厘米），可以测出地下目的物的形状、大小及其空间位置。
近年来，前苏联科学家又设计出一种新的能直接寻找地下水的电磁法，即核磁找水法。其原理如下：由于水具弱磁性，故在磁场作用下，其磁矩将沿地磁的方向排列。当在垂直地磁场方向施加一定强度和频率的人工磁场时，水分子就会产生核磁共振现象。其磁振动率将会在地面铺设的金属线圈中产生一定的电流感应讯号。测定出这种讯号的强度，就可确定出地下水的埋深和富集程度。
四、放射性探测法（天然放射性找水法）
放射性探测法，是随着近年来核辐射理论迅速发展而推出的一种崭新的地球物理探测方法。它不用人工场源、测量仪器体积小，操纵方法简单、工效高，使用不受地形条件限制，是一种很有前途的物探方法。
自然界存在三个放射性元素系（铀—镭系、钍系和锕系）和一些不成系的天然放射性元素，但在岩石和水中分布较广泛的，主要有铀（U）、镭（Ra）、氡（Rn）、钍（Th）和钾（40K）。天然放射性元素发生衰变时能放出α、β、γ射线，而这些射线的强度可利用核辐射探测仪器加以测定。尚需指出，用放射性方法所测量到的射线主要是氡及其子体产生的，而铀、镭等元素放出的射线是次要的，故氡及其子体是放射性探测法首先重视的对象。
放射性探测法主要适用于寻找基岩地下水。这是基于以下原因：①不同类型岩石，由于其放射性元素含量不同，其放射性强度常有差异；②岩石中断裂带和裂隙发育带，常是放射性气体运移和聚积的场所，故可形成放射性异常带；③在地下水流动过程中（特别是在出露地段），由于水文地球化学条件的突然改变，可导致水中某些放射性元素的沉淀或富集，从而形成放射性异常。
放射性探测的方法很多，目前使用较多的方法有：
（1）γ测量法。所测量的是铀、钍、钾等放射性元素及其子体辐射出的射线的总强度。
（2）放射性能谱测量法。它除能测量出γ射线总强度外，并能区分出铀、钍、钾的γ辐射强度。
（3）射气测量法。该方法是用射气仪（测氡仪）测量土壤中放射性气体（主要是氡气）的浓度，以发现浮土下基岩中的放射性异常带。
（4）α径迹测量法和α卡法。这两种方法均是测量土壤盖层中α射线的方法。
（5）210Po法。它和α卡法一样，是一种测量土壤层中氡气长期积累量的化探方法。

8. 用甚低频法寻找地下管道、洞穴

甚低频法是近十几年发展起来的一种物探方法。该方法是利用军用电台发射频率为15～25kHz的电磁波作场源的电磁法，具有场强均匀、噪声低、电台工作时间长、成本低、效率高等优点。
甚低频法的基本原理是，电台发射的电磁波在传播过程中遇到良导体或磁性感应体时，将使其极化，产生二次场，二次场与一次场合成的总场与一次场在振幅、相位上均有一定的差异。通过测量这些差异，可发现引起差异的良导体或磁性感应体。
江苏省地矿局第二水文地质工程地质大队曾在连云港市郊做过试验，取得了明显的效果徐邦国，1987。甚低频法在城市建设中的应用试验。见：物化探技术在城市工程中应用经验交流会资料，地矿部物化探科技情报网。。
1.寻找低阻供水管道
由图5-4-12可知，在东西向剖面上，水平分量Hx曲线上出现平缓的极大值异常，垂直分量Hz曲线上出现平缓的极小值异常，极大值点与极小值点的位置与水管位置吻合。

图5-4-11 地下铸铁管上天然电场选频法观测结果

（据韩荣波，1987）

图5-4-12 低阻供水管道上Hx、Hz平面剖面图

（据徐邦国，1987）
1—水平分量Hx曲线；2一垂直分量Hz曲线；3—水管位置；4—井盖；5—测线及编号
在南北向剖面上，异常反映明显，可能是东西向管道口径较粗大。经查证，由异常极值点推断的管道位置较实际管道位置偏南1m。
利用实测曲线可推断水管中心埋深h，即

地球物理勘探及地球化学勘探方法在城市建设中的应用

式中，x为极小值点到两侧极大值点的距离的平均值。图5-4-13是6线的解释结果，算得水管埋深为1.44m，与实际埋深的1.4m相吻合。
2.寻找高阻防空洞试验
已知防空洞洞顶埋深0.4m，洞底埋深1.7m、宽1.3m，在垂直防空洞走向上布置了三条测线，线距5m，点距1m，图5-4-14是其中一条剖面的观测结果。由图可看出，倾角法水平分量Hx曲线平缓，垂直分量Hz曲线上有异常反映，其特征与低阻时相反，在洞顶正上方出现极大值，其两侧出现极小值，利用极大值点到两侧极小值点的距离代入式（5-4-3），可求得高阻防空洞中心埋深为1.15m，与实际中心埋深1.05m十分接近。

图5-4-13 6线Hz剖面图

（据徐邦国，1987）

图5-4-14 防空洞上甚低频法观测结果

（据徐邦国，1987）