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甚低频电磁法工作原理
2010/3/13
甚低频(VLF)电磁法是近30年发展起来的一种勘探手段,它具有不需自己建立场源,成本低,效率高,仪器轻便,测量参数多,方便野外工作使用,资料的解释简单且具有良好的地质效果诸多优点,因而被用于寻找暗河、岩溶、断层、含水破碎带等。根据甚低频电磁法自身的特点,用它来确定覆盖层的厚度并取得了良好的效果,拓宽了甚低频在工程实践中的应用范围。

1 原理及方法
1.1 工作原理
  甚低频(VLF)电磁法是用频率为15~25 kHz电台发射的电磁波作为场源,在地表、空中或地下探测场的参数变化,从而获得电性局部差异、地下良导体或地下构造的信息,其实质是利用电磁波(一次场)在传播过程中遇到导体或磁性感应体时,将使其极化而产生二次电流,从而引起感应二次场,二次场与一次场合成后,改变了一次场的振幅、方向和相位,研究和测定这种引起一次场的畸变参数特性,就能反映地下导体或磁性感应体的实际存在。
1.2 测量方法
  通过详细的野外调研,确定好测线方向和测点间距以后,按如下方法进行野外测量。
  首先选台定向。在中国境内可以利用的VLF电台有2个:日本的NDT台和澳大利亚的NWC台,这2个电台的信号稳定,工作时间长。选定发射台(一般选NWC台),3用EM-16发射台的方向。这时方式选择开关置于EM-16,并使异相/电阻率的刻度指0,EM-16把手内的2个线圈呈水平状态,EM-16R装置向下。在水平面内转动整个仪器,直到电台信号为0。这时EM-16把手的长轴(S线圈)指向电台,而短轴(R线圈)与磁场成最大耦合,长轴方向即为电台方向,然后将方式开关打到EM-16R。
  然后测量读数。在与把手长轴成一直线的方向上打电极M和N,它们相距10 m,并把电缆与EM-16R控制台连接起来,先把电阻率测程开关置于×1 000的位置(根据情况可改变测程),转动位于EM-16上的异相/电阻率控制旋钮,一直到扬声器中的电码声达到最小。转动EM-16R控制台上的相位控制旋钮,使电码声进一步减小,以致达到消失。这时分别由异相/电阻率控制和相位控制旋钮上的刻度读出电阻率和相位角(读出的电阻率值乘以测程开关的倍数才是所测的大地电阻率值)。

2 覆盖层厚度的确定与资料解释
2.1 厚度的确定
  在地质工作中,特别在水文地质和工程地质勘察中,通常要求确定覆盖层的厚度,如果覆盖层下面是基岩,则可看成是二层地电断面。这种情况下可以用甚低频电阻率仪(如加拿大Geonics公司生产的EM-16R)测量视电阻率ρa和相位角φ,并在已知ρ1或ρ2/ρ1(利用甚低频视电阻率测量仪,在覆盖层较厚或基岩出露的地区测得的视电阻率,即为ρ1或ρ2)的情况下根据所得数据对二层曲线进行反演,求出地断面的参数h1和ρ2。具体方法有量板法、图解式算法和解析法,常用解析法来求地断面的参数h1和ρ2,用另2种方法进行对比校正,解析法算式如下:
  (1)根据测得的ρa值和已知的ρ1值,由ρa=ρ1|Q|2求出|Q|值;
所有符号单位按国际标准单位输入,整个求解过程可由程序实现。
2.2 资料解释
  甚低频异常解释的原则和程序要事先根据解正问题的理论计算和模拟方法对不同介质的模型进行研究,将在这些模型上所得的甚低频场参数的理论和试验曲线,作为解释甚低频电磁异常时对比的标准。
  覆盖层的电导率和厚度对甚低频异常的幅度和形态都有很大的影响。研究覆盖层对甚低频异常的影响,对于其异常的解释具有很大的意义。O.Olsson研究了有盖层时理想导电半平面的甚低频异常,描述了覆盖层电导率和厚度变化对其异常曲线特征及幅度的影响[1];Vozoff计算了不同频率下,改变覆盖层厚度,覆盖层电导率或围岩电导率对甚低频电磁法或天然电磁法二次垂直磁分量HZ与水平分量H0的影响[2];Saydam用网格解法研究了覆盖层电导率及其厚度变化对倾角异常及偏心率的影响[3]。综合他们的研究成果可得出:①HZ/H0峰值频率响应与围岩电阻率无关;②HZ/H0峰值大小取决于所有3个参数:覆盖层厚度、覆盖层电阻率和围岩电阻率;③覆盖效应是随着覆盖层厚度与电阻率的平方根的比而变化的,这种效应具有正常的集肤效应的含意。