論時域電磁場中大地的電磁學性質研究

周臨風 朱巧鳳

摘 要：在頻率域電磁探測中，大地的電磁學參數(shù)主要是大地的介電常數(shù)、磁導率及電阻率。這些參數(shù)代表了大地的電磁特性，是非常重要的幾個參數(shù)。在時域電磁場中，大地的電磁學性質亦由大地的介電常數(shù)、磁導率與電阻率在不同頻率中的表現(xiàn)來表征。影響地下介質電磁學參數(shù)的因素嚴格來說有頻率、電磁場強度、壓力與溫度等諸多因素。在電磁法勘探中所使用的頻率往往都相對較低，而且地表的大多數(shù)地層的巖性都為非磁性物質，因此往往都僅用直流情況下的電導率來表征地下介質的電學性質，且認為大地的磁導率等于自由空間的磁導率，介電常數(shù)為直流情況下的介電常數(shù)。

關鍵詞：電磁場強度；電磁法勘探；電阻率

0引言

時域電磁場勘探（又稱瞬變電磁法勘探）是地球物理勘探的重要勘探方法。 當布置在地表（或地下）的回線源（線源）通以脈沖電流向地下發(fā)射脈沖磁場（電場）時。回線源（線源）產(chǎn)生的脈沖磁（電）場使地下導電介質發(fā)生電磁感應現(xiàn)象而產(chǎn)生感應渦流形成二次電場（或磁場）；而瞬變電磁法測量的既是在一次場脈沖的間歇期測量這種由地下地質體產(chǎn)生的二次電場和磁場。

隨著瞬變電磁法的應用越來越廣泛，低阻屏蔽層對瞬變電磁方法的影響越來越嚴重。近十余年來我國鐵路與公路建設高速發(fā)展，如今我國已建成隧道（洞）近萬座，公路運輸與鐵路運輸作為我國主要的運輸手段，隧道的安全決定了運輸?shù)陌踩?，直接保證了我國的經(jīng)濟發(fā)展。因此必須重視隧道施工過程中的質量檢測，在隧道質量檢測中隧道表面襯砌后的病害所造成的危害尤其嚴重，一旦發(fā)生問題，需要整治的設備非常多，一年或幾年內想全面徹底解決，非常困難。瞬變電磁方施工方便、工作效率高的特點正適合進行鐵路襯砌的檢測。然而，由于瞬變電磁法對低阻體敏感，當類似隧道襯砌內鋼筋支護網(wǎng)的低阻屏蔽層位于欲探測地質目標體上面時，將會對瞬變電磁探測結果造成影響，而鐵路隧道內襯砌后災害瞬變電磁探測既是此種地球物理情況。

1常見巖石和礦物的電阻率

按照導電機理的不同，固體礦物可以分為金屬導體、半導體和固體電解質三類。其中，各種天然金屬屬于金屬導體，這類礦物的電阻率都比較低；大多數(shù)的金屬礦物屬于半導體范疇。其電阻率值普遍都高于金屬導體類礦物；而絕大多數(shù)造巖礦物均屬于固體電解質的范疇，其電阻率值都很高，而且在干燥環(huán)境下此類造巖礦物可視為絕緣體。下表為各礦物與巖石的電阻率值。

由上表可知，各種礦物與巖石的電阻率值不是一個確定的值，其值往往是在一定范圍內變化的，即同一種礦物可能有不同的電阻率值，而不同的礦物也可能表現(xiàn)出同樣的電阻率。所以，由礦物組成的巖石與各種礦物的實際電阻率的變化范圍較大。下圖為幾種物質的電阻率分布范圍曲線。

2 影響巖石電阻率的因素

影響巖石與礦物的電阻率的因素有多種，主要的因素有巖石的成分與結構、巖石所含水分的多少（含水率）、以及巖石的溫度和所受壓力等。其中，在瞬變電磁勘探中，水對地下巖石與礦物電阻率值的影響作用尤其突出，雖然純水的導電性很差，但由于水是一種良好地溶劑，它可以溶解各類鹽類從而變成導電溶液。所以，一般含水量大的巖石的電阻率低，而含水量小或不含水的同類巖石的電阻率要高一些。而巖石的孔隙度決定巖石可以含水的能力，巖石所在區(qū)域的水文地質條件決定巖石周圍儲水的情況，一般來說，在潛水面以下的巖石孔隙中基本都充滿了地下水，此時巖石的含水量就等于巖石的孔隙度。下面兩表列出了幾種常見天然水的電阻率和常見巖石的孔隙度。

需要說明的是，除去巖石的孔隙度，影響巖石電阻率的另一個重要因素是巖石的孔隙結構即巖石的流通性，當孔隙間連通較好時水分對巖石電阻率的影響較大，巖石顯示出低電阻率若連通性不好，則巖石電阻率主要顯示為巖石骨架的電阻率，其值通常都較高。

總之，很多因素都能影響巖石的電阻率，在瞬變電磁勘探中，巖石的含水率，孔隙度，連通性與其礦化程度是其中最主要的幾個方面。

參考文獻：

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