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中国大地电磁测深发展

随着地球科学的发展以及人类对资源的需求不断增长，进行地球深部探测来研究大陆演化奥秘，寻找更多资源，进行环境保护，是当代地球科学的主要任务。地球物理观测是进行地球深部探测的重要方法技术，很多发达国家自上世纪70年代以来，陆续启动了深部地球物理探测计划，获得了一系列重大成果。其中，大陆岩石圈导电性结构的研究是地球深部探测的一个重要组成部分，有关大陆岩石圈导电性的研究可以为大陆动力学、地质灾害防治、矿床成因研究等提供重要的支撑。大地电磁观测是研究地球深部电性结构与构造的主要地球物理方法，被广泛应用于油气勘探、矿产资源勘探以及深部地球物理调查等领域。在研究壳幔构造方面，大地电测深和地震方法一起被视为两大支柱方法，两者相互验证、相互补充，在世界范围内解决大陆动力学问题方面已有许多成功的应用范例。
虽然大地电磁探测已经成为深部地球物理探测的一种主要方法技术，但仍有许多技术问题需要进一步研究与解决。比如大地电磁探测的抗干扰能力较弱，特别是在矿集区及经济发达区等强干扰地区往往很难采集到高信噪比的数据。而无论是研究深部地质构造还是寻找深部的隐伏矿床，都不可能完全避开强干扰地区，为了提高大地电磁的应用效果，需要研究强干扰等特殊地区的数据采集方法技术及特殊处理技术。通过在实验区的大地电磁观测实验，研究适用于不同地质条件及干扰水平地区的大地电磁数据采集方法技术以及精细处理与反演方法以及大地电磁探测与地震探测的集成与约束反演方法，将推动大地电磁探测方法的技术进步，提高大地电磁的应用效果，为获取地下不同深度的准确的电性结构分布以及进行壳幔结构特征研究提供技术支撑。
1　地球的导电性及大地电磁探测发展现状
1.1　地球的导电性
描述岩矿石导电性通常使用电阻率与电导率参数，它们互为倒数。矿物与岩石的导电性具有很大差别，比如纯金属和石墨的导电性很好，具有低电阻、高电导特征；而水晶的导电性则很差，具有高电阻、低电导特征。地球的地壳与上地幔是由多种岩石与矿物组成的，其导电性受到构造特征、物质成分、晶体结构、岩石矿物和密度、温度、压力等多种因素的影响，在估算地壳与上地幔的总体导电性时必须考虑不同的矿物组合与导电机制。根据地震学的研究结果，地球内部主要划分为地壳、地幔和地核3个主要的层圈，按照当前地学界比较一致的认识，地壳加上地幔盖层也就是人们通常所指的岩石圈。总体上看，地壳最上部发育的是沉积层，其下即上地壳，主要是花岗质岩层，中地壳是花岗闪长质—闪长质岩层，下地壳则是玄武质岩—变质玄武质岩层；而上地幔盖层主要是由纯橄榄岩和橄榄岩组成。由于上、下地壳与上地幔的物质组成及所处物理状态的不同，其导电性是有明显差异的。
沉积盆地或沉积盖层由于孔隙、裂隙发育及水流体的作用而表现为低阻特征；上地壳主要由火成岩与变质岩组成，通常为高阻特征(2000~5000Ω•m)；相反，在许多区域下地壳却通常表现为低阻特征，对产生低阻层的原因目前学术界尚存在不同看法。有学者认为下地壳低阻层是由于相互连通的石墨层导致的；但大多数地球物理学者认为下地壳的低阻层是由于下地壳中存在的水流体导致的。由于下地壳低阻层的存在，使得利用大地电磁数据确定上地幔的电阻率变得困难，但是在下地壳相对缺失的地区，上地幔的电阻率可以进行估算，大致100~500Ω·m。但是，越来越多的地球物理探测资料已经证实，岩石圈普遍存在“不均匀性”，其各个层圈的导电性也有很大的变化范围。研究表明，地壳中的低阻层可能主要是与地下介质出现局部熔融、塑性、流变等物质状态的改变等等有密切关系。
1.2　大地电磁探测发展现状
大地电磁测深法是以天然的平面电磁波作为场源，通过观测相互正交的电磁场分量来探测地下不同深度介质的导电性结构，其方法理论是建立在求解麦克斯韦方程组的基础上的。大地电磁测深所观测的电磁场中，频率小于1 Hz的电磁场信号主要是由太阳风和地球磁场相互作用产生的，而频率大于1 Hz的电磁场信号则主要来源于世界范围内的雷电活动。这些电磁波在传播到地球表面时，大部分被反射回空气中，但也有很小比例的电磁波传播到地球内部。电磁波在地球内部能够传播的距离用穿透深度(m)来定义：
δ=503σf
式中σ是电导率(S/m)，f是频率(Hz)。地下介质的电阻率越高，电磁波的频率越低，穿透深度就越大。大地电磁探测就是通过在地表观测电磁场各个分量的场值，并经过数据处理获得地下介质的视电阻率以及电场与磁场之间的相位差，进而通过反演计算获得地下介质的电性结构。
上世纪80年代以后，随着数字电子技术的飞速发展和新的资料处理和解释手段的研究开发，大地电磁法进入了快速发展的新阶段。数据采集的质量和效率不断提高；资料处理方法不断改进，使用Robust估计方法取代传统最小二乘处理方法处理时间序列资料，能最大程度地压制不相关噪声的影响，获得高质量的阻抗张量元素；阻抗张量分解技术能有效分析地下地电构造的复杂程度和提供丰富的构造信息；实用化的二维反演算法多种多样；三维反演正在逐步实用化。可以说，大地电磁探测方法已经成为深部地球物理探测不可替代的地球物理方法之一。
国际上，大地电磁测深已被广泛应用于岩石圈尺度的探测工作。上世纪90年代加拿大进行的岩石圈三维结构研究中，在主要构造区域布设了大量大地电磁测深工作。美国等其他欧美国家也进行了很多这方面的研究工作，对圣安德烈斯活动断裂带的电性结构研究结合地震数据，大体确定了圣安德烈斯断裂带附近地震多发的原因；对美国西北部岩石圈导电性结构的研究，揭示了西北盆山的成因、海洋地幔的俯冲以及火山活动中心的迁移。中国台湾国立中央大学也与加拿大阿尔伯塔大学合作布设3条近东西向大地电磁测深剖面，进行了台湾岛的电性结构探测，并结合地震目录数据探讨了宝岛台湾地震频发的深部原因，进而分析了欧亚板块与太平洋板块、菲律宾海板块的深部接触关系。法国、美国等国家近几年来已经开展了岩石圈导电性结构的三维探测。以美国的USArray计划为例，作为EarthScope的组成部分的USArray是一个大陆尺度的地球物理观测计划，将为北美大陆的构造与演化提供新的约束。
我国的大地电磁探测工作主要是为石油天然气勘探及地球深部结构研究服务。其中用于石油天然气勘探的大地电磁探测频率范围较窄，目标是探测地下几十千米以内的电性结构特征及构造特征。而在地球深部结构探测领域，大地电磁的观测频率范围很宽，探测深度大，最低频率可以达到上万秒，探测深度可以达到几百千米。正是由于大地电磁有较深的探测深度，所以在地球深部构造研究领域发挥着重要的作用。自上世纪80年代以来，我国完成了大量的大地电磁剖面探测工作。其中具有代表性的有以下大地电磁探测工作：1980年~1981年中法合作最早在青藏高原开展的亚东——格尔木和格尔木——额济纳旗两条大地电磁测深剖面测量，完成了整个青藏高原的跨越，揭示了高原的电性结构特征。自1995年起，中国地质大学(北京)在青藏高原共完成大地电磁探测剖面13条，几乎覆盖整个青藏高原。获得的青藏高原电性结构模型为研究高原的壳幔结构以及高原隆升、演化机制提供了重要的地球物理证据。同时，中国地质大学(北京)还在华北完成了两条大地电磁长剖面探测，为研究大华北地区的岩石圈结构特征提供了电性结构依据，也为研究华北岩石圈减薄、克拉通解体提供了有价值的地球物理证据。中国科学院、中国地震局等单位也分别在青藏高原、三江地区、四川盆地等关键地区完成了多条大地电磁探测剖面。在石油勘探领域，中石化与中石油在华南、新疆、青藏高原等地区也开展了大量的大地电磁剖面探测工作。通过这些大地电磁探测工作的开展，以及与国外研究机构与学者的合作与交流，极大地推动了我国的大地电磁探测水平。目前，在大地电磁仪器设备、野外数据采集技术、数据处理技术以及反演成像技术等方面，我国已经处于国际先进行列，得到国际大地电磁同行的认可与赞许。
但我国的大地电磁探测工作与国际发达国家比较，还存在较大差距，主要表现在以下几个方面：一是工作程度低，虽然我们已经进行了大量的大地电磁探测工作，但是与我国的国土面积比较，完成的工作还是远远不够的。在刚刚结束的国际电磁会议上，有报告表明，美国等发达国家的大地电磁探测工作已经做到了覆盖全国，而且有的国家还建立了长期的大地电磁观测台站；二是完成的大地电磁探测工作多是为独立的局部科研项目设计的，造成了剖面位置分散，系统性较差，缺乏贯穿中国大陆不同地质单元的完整的探测长剖面，探测精度与深度也有差异。三是缺乏与其他地球物理方法特别是地震勘探的有效配合。在已经完成的大地电磁探测剖面中，只有少部分剖面同时进行了地震勘探，可以将大地电磁探测结果与地震观测结果进行综合解释，但大部分剖面上没有地震观测结果，给解释工作带来了一定的困难，也影响了解释精度及可靠性。因此，可以说我国的大地电磁探测已经具备了必要的软、硬件条件，有必要进行面积性探测以及关键区域精细测量，并且与地震观测密切配合，为研究地球深部壳幔结构以及矿产资源勘探提供地球物理依据，使深部探测能够带动我国国民经济建设、造福人类和适应地球科学发展的需要。