EH4全新概念电导率张量测量仪
通常意义下的电探仪，指的是交、直流电阻率剖面仪。这两种方法都是有源测量方法，需要向地下直接供电，并且随着测量深度加大，电极布线和供电量都不断增加，野外劳动强度大，效率低。
另一方面，尽管这两种方法都属于有源电探，但采集到的视电阻率值都属于标量范畴，对辨别地下二度体异常的走向无能为力。
大地电磁同属于电探，但它是无源测量。利用天然电磁场，虽然避免了大电流供电，但天然电磁场不稳定，而且某些频段先天不足，干扰强，讯号弱。参看（图1）大地电磁场水平分量频谱展示图。它反映了天然电磁场与人文电磁场的分布情况。在1Hz左右，无论电场和磁场都是低谷；在1000Hz处磁场几近寂静，电场有一低谷。在几十赫兹到104Hz范围内，人文活动的电磁场干扰特别严重。这些特点决定了大地电磁法只适合于采集较低频率。通常观测时间长，分辨率较低，适合解决深层宏观问题。
所以尽管电探方法起源最早，几十年来，由于以上的局限性，一直阻碍它的发展。几十年来，1000米以内，几百米上下，正是人类经济、文明活动在地壳上层最活跃的深度。其它物探方法，如地震勘探法，自40~50年代之后都开始大展身手，而浅、中深度范围的电探则相对寂寞冷落，处于陪衬地位。也正是这种现状激发了国内外众多的科学家和仪器制造商不断研制开发新的电探仪器，寻找新的电探方法。
96年中下旬，由美国以研制大地电磁仪器而闻名的EMI公司和以制造高分辨率地震仪著名的Geometrics公司联合研制出EH4。这是全新概念的电导率张量测量仪。它利用大地电磁的测量原理，但配置了特殊的人工电磁波发射源。
这种发射源的天线是一对十字交叉的天线，组成X、Y两个方向的磁偶极子，轻便而且只用于普通汽车电瓶供电，发射率从500Hz到100KHz，专门用来弥补大地电磁场的寂静区和几百赫兹附近的人文电磁干扰谐波（见图1）。仪器用反馈式高灵敏度低噪音磁棒和特制的电极，分别接收X、Y两个方向的磁场和电场。由18位高分辨率多通道全功能数据采集、处理一体机完成所有的数据合成。
由此，EH4的全新概念主要归结为如下几个方面：
1) EH4应用大地电磁法的原理，但使用人工电磁场和天然电磁场两种场源；
2) EH4既具有有源电探法的稳定性，又具有无源电磁法的节能和轻便；
3) EH4能同时接收和分析X、Y两个方向的电场和磁场，反演X-Y电导率张量剖面，对判断二维构造特别有利；
4) EH4仪器设备轻，观测时间短，完成一个近1000m深度的测深点，大约只需15~20分钟，这使它可以轻而易举实现密点连续测量（首尾相连），进行EMAP连续观察（见图2）；
5) 在EH4的采集控制主机中插入两块附加的地震采集板，就可使一台EH4兼作地震仪和电导率测量，为一机实现综合勘探首创先例；
6) 实时数据处理和显示，资料解释简捷，图像直观。
下面我们简单介绍EH4电导率测量方法的工作原理。
二、 EH4工作原理
EH4通过发射和接收地面电磁波来达到电阻率或电导率的测探。连续的测深点阵组成地下二维电阻率剖面，甚至三维立体电阻率成像。
因此问题的关键是地面电磁波与地下电阻率究竟是什么关系？EH4是怎样实现这种地面测量的？
首先让我们来研究电磁波在介质中的传播行为。
1. 电磁波传播理论、亥姆霍兹方程
地面电磁波发送到地下，电磁波在岩土中的传播遵循Maxwell方程。如果假设大多数地下岩土为无磁性物质，并且宏观上均匀导电，不存在电荷积累，那么Maxwell方程就可简化为：
2H+K2H=0 ┉（1）
2E+K2E=0 ┉（2）
（1） 和（2）称为亥姆霍兹方程。
其中K= ┉（3）
称作复波数或传播系数。这时可将K写成K=α+ιβ。α称为相位系数，β称为吸收系数。在EH4测量的电磁波频率范围内（0.1Hz~100KHz）, 通常可以忽略位移电流，这时K进一步简化为
K= ┉（4）
这里 为虚数符号；ω是电磁波角频率2πf，单位是rad/s。
2. 波组抗与电阻率
有亥姆霍兹方程变化的磁场感生出变化的电场，我们有磁电关系：
H= ┉（5）
表面阻抗Z定义为地表电场和磁场水平分量的比值。在均匀大地的情况下，此阻抗与入射场的极化无关，和地电阻率以及电磁场的频率有关：
Z= ┉（6）
式中f是频率，ρ是电阻率，μ是磁导率。（6）是可用于确定大地的电阻率：
ρ= ┉（7）
式中ρ的单位是Ω·m，E的单位是mv/km,H的单位是nT。
对于水平分层大地，此表达式不再适用，但用它的计算机得到的电阻率将随频率改变而变化，因为大地的穿透深度或趋肤深度与频率有关。
δ= ┉（8）
式中δ的单位是m。此时由（7）式计算得到的电阻率称视电阻率。在一个宽频带上测量E和H，并由此计算出视电阻率和相位，可确定地下构造。
对于更一般的不均匀大地，阻抗是空间坐标的函数，完整的描述应当是含有四个元素的张量，每个元素与场的正交分量有关：
= ┉（9）
要确定四个阻抗元素，需要几个极化不同的磁场。例如，振幅相位和极化固定不变的单一正弦形式的电场和磁场波列，就不能用于计算这四个未知数。通常要用四个场分量的自功率谱或互功率谱来计算阻抗（例如，Vozoff,1972）。例如，Zxy的一个这样计算出来的解是：
= ┉（10）
式中“*”号表示场量付氏变换后的复共轭，“<>”表示在频带内
=
求平均。用电场作因子，可以得到阻抗的另一表达式：
┉（11）
实际上，对每个抗阻元素有六种估算方法。
=
=
=
=
=
= ┉（12）
也可以有相关函数重写阻抗（Swift,1967）:
= ┉（13）
式中任意两个场A和B的相关
┉（14）
在方程（13）中，Z的解受到磁场极化的很大影响。如果在用于计算功率谱的频率区间内磁场极化固定不变，那么Hx和Hy的相关度接近1，Z的解将很不稳定。
由ZXY的第一种表达式，方程（10）或（11）能够看到噪声的影响。如果磁场的自功率谱存在噪声成分，那么用方程（10）计算的阻抗将减小或畸变。噪声可来自探头本身（或由探头的运动引起），来自采集或处理电子线路，或由局部磁场不满足表面阻抗定义所要求的空间一致性条件而引起。如果是用方程（11），那么自功率谱这一项是电场且位于分子中，当电场含有噪声时阻抗将增大或畸变。如果没有噪声，用两种方法计算得阻抗应当相等。除非用非常大量的接收数据来计算，否则这种情形是罕见的。一般来说两种计算结果是不同的，这种情况是数据存在误差的反映。利用这一点，EH4特设的相关度分析可预见误差对测量数据的影响。
总之，阻抗测量的质量既依赖于高信噪比，又依赖于入射磁场正交分量之间的低相关度。这一点由EH4的发射机及其天线设计来实现。
由于使用了可控发射源，可以实现在数据处理时只采用高振幅讯号区段的数据（Robust平均），以便保证数据的可靠性。
无论用哪一种方法求得阻抗，都可以把它们带入原阻抗方程，由磁场测量求出电场的期望值。电场的这个期望值和测量值之间的相关度是计算阻抗的“成功性”的一种度量。采用某个阻抗值的通用准则是，电场测量值和期望值相关度必须大于某一给定的标准，通常是0.8或更高。
通过计算，可以把阻抗张量旋转到任意方向的坐标轴上。如果地质剖面是真正二维的，这种旋转能到达某个角度，使得Zxx和Zyy变为零，Zxy和Zyx成为主阻抗元素。然后，由计算这些主阻抗元素得到的视电阻率和相位以使Zxx和Zyy为最小的角度画出曲线。一旦确定Zxy和Zyx之中的某个元素反映平行于走向的电场的阻抗，这个角度便能反映地质构造的走向。
这种独特的关系和解析设计，使得EH4不同于一般的电探方法而具有识别实际二维构造的能力。
3. 趋肤深度
根据公式（8）可以算出趋肤深度δ（表1.1）。δ这里有双重意义。首先，δ可定义为电磁波在地下介质中传播时，其振幅衰减到原来的1/e倍时所达到的深度。第二，可用在发射源到接收点之间合适距离的估计。因为根据接收点离开场源的距离r，可以将电磁波场分为：
① 远源场， r >>δ
② 近源场， r<<δ ┉（15）
③ 过渡场， r≈δ
一般要求在接近过渡场附近的远源场状态下工作，以距离为r=1-3δ约300～500m左右为佳。
表1.1 不用频率电磁波之趋肤深度
|
|
0.1 |
1 |
10 |
100 |
1000 |
10000 |
|
1000 |
5.03 |
15.9 |
50.3 |
159 |
503 |
1,591 |
|
100 |
15.9 |
50.3 |
159 |
503 |
1,591 |
5,030 |
|
10 |
50.3 |
159 |
503 |
1,591 |
5,030 |
15,910 |
|
1 |
159 |
503 |
1,591 |
5,030 |
15,910 |
50,300 |
|
0.1 |
503 |
1,591 |
5,030 |
15,910 |
50,300 |
159,100 |
|
0.01 |
1,591 |
5,030 |
15,910 |
50,300 |
159,100 |
503,300 |
|
0.001 |
5,030 |
15,910 |
50,300 |
159,100 |
503,300 |
1,591,000 |
三、 据采集方式与质量保证机制
1. 分辨率
EH4又称StratagemMT,既可控源变频大地电磁测量，所不同的是其磁偶极子发射天线为X，Y方向的垂直线圈。垂直磁偶极子发射的场以TE型波为主，分辨率高，分层定厚能力强。
鉴于效率和磁电传感器频谱范围的限制，EH4的测量频段为10Hz~100KHz（见图3），其探测深度大致在10m~800m。对于加强型发射源和配置了低频磁探头的EH4，其低频段可延伸至0.1Hz，通常可达1200m以上至1500m，特殊高电阻率地区，甚至可达到2000m以上。500Hz以上用可控源发射，500Hz以下利用天然地磁场。因此，EH4是天然和人工场源的双源型大地电磁测量仪。目的是加强高频讯号，增加采集数据的可靠性和提高分辨率。
地层的分辨率主要取决于频率精度.横向分辨率主要取决于点偶极子长度。EH4高频电极电缆长26m，最大极距约50m，低频电极距最长可达300m，X方向一对，Y方向一对，测两个方向的电场分布。分辨率跟效率是一对矛盾，无论纵向或是横向，如果分得太细太密，势必影响测量效果。
2. 采集方式和质量监控
仪器的另一优点体现在数据采集方式和处理方法上。（图4）是开始采集显示在控制器屏幕上的数据形式，事实上，单频测量是很困难的，仪器首先以时间系列采集电磁脉冲。60ms一次，分14次。每60ms又分为三段，20ms-帧作一次付氏变换。图4左为20ms的时间域记录，分Hy,Ex,Ey,Hx四道。图4右为其付氏变换结果，一半为振幅，一半为相位，所以共八道。
左边部分时间域数据存入X文件，每20ms、4096样点，2进制码。右边部分频率域数据存入Y文件，ASCⅡ码。
这些数据先后在频率域中分别转换显示出Hy-Ex和Hx-Ey的相对振幅（图5上）， 相位（图5中）和相干度（图5下）。
最后从图6展示出视电阻率、相位变化和相干度（图6上），并由此计算出真电阻率—深度曲线（图6下）。
从以上数据显示的各个阶段可以看出，在EH4的设计中随时都穿插了对数据质量，信噪比监控的机制，以保证操作员对数据质量的评估。
下面是EH4数据采集的总流程图（图7），可见讯号质量监控有几种标志：
（1） 相干度；
（2） 讯号相对干扰背景的强度；
（3） 相位关系；
（4） 频率范围。
理论上讯号的相关性好，相干度高；噪音属于无序，相干度低。如图4中所示，Hy和Ex高频脉冲的电、磁道相关性好，是信号。低频部分磁道的脉冲明显，电道上不明显，判断为60周电源干扰。同样的图4中，电磁道的相对强度都超过0.10，即振幅A在范围0.10<A<10之间，属于信号，否则很可能为噪音。
由普通物理知道，在真空中电场和磁场有90°相位差。而在均匀地下介质中，则为45°。因此，地下电场与磁场的相位曲线不会超出45°或 135°。相干度的标准可根据事先的默认标准，也可视不同测量地区特点而设置。
总之，有了以上四个方面参数，EH4测量从这些标准当中作出评估，保证采集可靠的野外数据。
四、 功能齐全的正反演解释软件
长期以来，关于变频电磁测量一直没有比较实用的软件。为此，劳雷公司调查了国内外大学和研究机构，博采众长，并结合EH4快速密点的采集技术，开发了其独特的Born近似反演，联合共轭梯度最小二乘法CGLS和快速系数反演RRI,通过应用平滑约束优化高斯–牛顿方法，以多次迭代逼近理想的解释成象。既保证了反演解释的稳定性，又具有快速成象的优点（参看软件说明）。
五、 应用范围及其范例
西部找水的有力武器
仪器自96年进入我国以来，短短几个月里就在西北干旱地区找水初见成效。在陕西富平隐伏岩溶区找到700m深部裂隙水（彩图1），中国地质矿产报第2377期声称这是“渭北旱塬隐伏岩溶区找水获重大突破”。紧跟着又在中蒙边境阿拉善盟苏宏图地区发现100多米深处的地下水源。最近，由新疆“二水”与保定水文所合作，借助EH4在罗布泊 – 这个世界上最缺水的地方，找到了深部多层地下水（彩图2）；为此，人民日报，南方周末，中国地质矿产报和北京日报欢呼“干旱极地”打出生命之泉。石油部物探局五处也利用EH4在四川峨眉山度假村找到1200米深的地下热泉。突破寻找深部水资源障碍。当前，正值西部大开发和西北找水工作全面启动，拥有一台卓有成效的找水仪器是很多勘探队伍所梦寐以求。
工程地质和环境调查的好帮手
EH4可以在800m～1200m的深度范围内，针对地下岩土或目标体的电阻率连续成象，所以也能用作环境污染调查和工程地质调查，为核电站基础选址，或矿巷及铁路隧道修建作超前预测等。
这里例举银川茹萁沟煤矿火烧区调查（彩图3），利用EH4不但正确勾绘出了火烧区的地下深度和范围，同时指示出煤层在地下的走向和展布。
EH4的应用范围远不止于此，随着人类对环境和工程监测要求的提高和深入，各个部门运用该仪器来解决多种特殊问题。如中科院兰州冰川、冻土研究所利用EH4调查冻土下限，也获得了很好的效果（彩图4）。
不同凡响的找矿尖兵
EH4在煤田和金属、非金属矿方面也体现出他不同凡响的功效。我国某部地质三所利用EH4在1997年至1998年间，在200~500米的深度范围上，连续查找出数处不同规模，不同品位的金属矿源，其中某些浸润性矿带的EH4勘探剖面上还清楚显示出羽状的氧化还原带原形，体现出仪器超群的高分辨率（彩图5）。
（彩图6）是北京首钢地质研究所1999年利用EH4在秘鲁寻找铁矿所作的三维测量例证之一。因为设计资料所有权的保密，这里没有打出深度和坐标。但从这些垂直切片和横向切片，不难看出矿体的延伸和走向成象非常成功，反映该仪器具有很高的灵敏度和稳定性。
联系人 杨永军
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