磁坐偏角對EH4測量數據的影響研究

楊拾鵬 侯 廣 高慶華

(核工業二一六大隊，新疆烏魯木齊 830011)

EH4系統是由美國EMI公司和Geometrics公司聯合研制的雙源型電磁系統(見圖1)。由于其自身設備輕便、速度快、費用低、勘探深度大、精度高等優點［1］，近年來在尋找地下水、礦產勘查等領域得到廣泛應用，并已成為一種常用的電磁勘探方法。在EH4野外數據采集中，X電極和磁棒沿測線分布，Y電極和磁棒垂直于測線分布，但電極和磁棒的方位角要使用羅盤確定，這就要求在野外使用羅盤之前，先對羅盤進行校正，確保儀器準確，以避免在最初數據采集中引起誤差，影響數據處理結果。但在實際的野外操作中，磁坐偏角卻是常常被大家忽略，在我國大陸磁坐偏角從南到北由1°增大到12°，而這種忽略將引起較大視電阻率誤差。

圖1 EH4系統儀器設備

1 EH4工作原理

EH4采用StrataGem電磁成像系統，測量由人工源和天然源產生的交變電流激發地下導電介質中生成的感應電磁場［2］。深部地質體通過低頻信號采集，其信號源頻率為10 kHz～1 kHz，淺部地質體通過高頻信號源采集，其信號源頻率為500 kHz～100 kHz，但是由于天然場高頻信號不足，所以使用人工裝置發射電磁信號，彌補天然場的不足［3］。這種應用天然源和人工源相結合的方式，能對地下1 km以內的地質體高分辨率成像，而且工作效率高，一個測點在12次 ～16次疊加時，完成測量只需15 min～20 min［4］。EH4方法原理與 MT法一樣，都是通過在地面測量相互正交的電磁場分量Ex，Hy，Hx，Ey，然后通過卡尼亞電阻率計算公式，計算得到不同頻率的視電阻率，其計算公式為:

其中，ρxy為電場沿構造傾向極化方向(TM)的視電阻率;ρyx為電場沿構造走向極化方向(TE)的視電阻率［2］。

在電磁理論中，把電磁場在大地傳播過程中，其場振幅衰減到表面值1/e時電磁波所傳播的深度定義為趨膚深度(δ)，表達式為:

由上式可以看出，趨膚深度是隨電阻率和頻率變化的，介質的導電性越好，信號頻率越高，場衰減的越快，反映淺部信息;介質的導電性越差，信號頻率越低，場衰減的越慢，反映深部信息。因此，在一個寬頻帶上觀測電場和磁場信息，并由此計算出視電阻率和相位，可確定出大地的地電特征［5］。

2 羅盤

2.1 標準方向

真子午線方向:通過地面上某一點并指向地球南北極的方向線，就是過該點的真子午線方向，亦稱真北方向。真子午線方向是通過天文觀測的方法確定的磁子午線方向:磁針自由靜止時所指的方向，即指向地球磁南極、磁北極的方向，稱為磁子午線方向，亦稱磁北方向。磁子午線方向可用羅盤儀測定。坐標縱線方向:高斯平面直角坐標系的縱軸方向，稱為坐標縱線方向，亦稱坐標北方向。在同一投影帶內，所有坐標縱線都與中央子午線(縱軸)平行。

2.2 標準方向之間關系

1)磁偏角。真子午線方向與磁子午線方向之間的夾角稱為磁偏角，以δ表示，如圖2所示。磁子午線北端在真子午線以東者稱東偏，δ取正值;在真子午線以西者稱西偏，δ取負值。地面上各點的磁偏角不是一個定值，隨地理位置不同而異，我國西北地區磁偏角約為+6°。東北地區磁偏角則為－10°左右。磁偏角可以從地磁圖上查、通過計算獲得或通過國際地磁參考場(IGRF)獲得。

圖2 磁偏角、子午線收斂角、磁坐偏角示意圖

2)子午線收斂角。真子午線與坐標縱線之間的夾角稱為子午線收斂角，以γ表示。坐標縱線北端在真子午線以東者γ取正值，反之γ取負值。地面上某點的子午線收斂角計算式為:

其中，λ為地面點經度與中央子午線經度之差;φ為地面點的緯度。由式(1)可知，緯度愈低，子午線收斂角愈小，當地面點位于赤道上，則γ=0;緯度愈高，子午線收斂角愈大，在兩極時γ=λ。

3)磁坐偏角。坐標縱線與磁子午線之間的夾角稱為磁坐偏角。磁子午線北端在坐標縱線以東者，磁坐偏角取正值;反之，磁坐偏角取負值。磁坐標偏角常以δm表示，δm=δ+γ。

2.3 羅盤校對

在EH4測量中，羅盤主要負責方位角的測量，如測線方位，X，Y電極方位和X，Y磁棒方位。在實際工作中通常所說的方位角為坐標縱線，但是羅盤所指的方向為磁子午線方向，所以會引起一個磁坐偏角大小的誤差，且這個誤差常會被忽略。在野外工作之前要根據計算的子午線收斂角和國際地磁參考場查詢的磁偏角，對羅盤進行校對。

3 磁坐偏角對EH4測量的誤差分析

3.1 EH4工作方法

EH4測深是在測點上記錄相互垂直的兩個水平電場和磁場的時間序列。在剖面上測線方向垂直于巖層走向布設，連續進行類似測點測量，提供垂向視電阻率(ρxy)和側向電阻率(ρyx)。

在野外工作時，先使用GPS確定測量位置(中心點)，在中心點處用羅盤確定電極方向，其中x為沿測線方向，y為垂直于測線方向，并用測繩確定極距。在距離前置放大器3 m以外，沿x，y方向布置兩組相互正交的高頻磁探頭。具體布設見圖1。

3.2 實測結果分析

在觀測之前，使用羅盤確定電極和磁棒方位時，要確保羅盤校正磁坐偏角，確定方位角準確。在野外實際測量中，對校正前、校正后及最大磁坐偏角做觀測，反演視電阻率計算均方誤差結果見表1，并繪制頻率與視電阻率圖，見圖3。

表1 不同偏角視電阻率均方誤差對比表

從表3可得，隨著磁坐偏角角度的增大，引起視電阻率均方誤差增大，X方向的變化強于Y方向，且視電阻率的均方誤差大于規范所規定的15%的要求。由圖2可得，在視電阻率和頻率曲線上，高頻部分相對于中、低頻部分視電阻率偏差較小，即隨著探測深度的加大視電阻率偏差增大。

圖3 頻率—視電阻率圖

4 結語

1)對地理坐標中標準方向及關系介紹，推導出經常被工作者忽略的磁坐偏角表達式。2)通過對不同磁坐偏角的實際測量，分析對比不同磁坐偏角對EH4測量帶來均方誤差大小，經過計算得出，當磁坐偏角為5°和10°時，均方誤差均大于規范要求的15%，并隨著磁坐偏角的增大均方誤差增大，應在實際工作中引起高度重視。

［1］勞累公司.高頻大地電磁法操作手冊［Z］.1998.

［2］石應駿，劉國棟.大地電磁測深法教程［M］.北京:地震出版社，1985.

［3］聞秋香，羅向前，孫君道.磁羅盤工程校準方法研究［J］.科學技術與工程，2011，11(28):6936-6939.

［4］葉益信，鄧居智，方根顯.高頻大地電磁測深(EH4)在熱儲構造勘查中的試驗研究——以撫州地熱區為例［J］.地質與勘探，2011，47(4):649-653.

［5］張 瑩，張勝業.EH-4資料處理解釋系統的研究［J］.工程地球物理學報，2005，2(4):311-315.

［6］徐新學，趙憲堂，王寶勛，等.大地電磁測深資料常規反演方法的應用現狀及進展［J］.地質調查與研究，2004，27(sup):71-75.