地球物理学进展  2014, Vol. 29 Issue (6): 2566-2571   PDF    
引用本文
薛军平, 龙霞, 席振铢, 张道军, 李瑞雪, 王鹤. 2014. 实测1~100kHz大地电磁场分析[J]. 地球物理学进展, 29(6): 2566-2571, doi: 10.6038/pg20140614  
XUE Jun-ping, LONG Xia, XI Zhen-zhu, ZHANG Dao-jun, LI Rui-xue, WANG He. 2014. Measured magnetotelluric field in 1~100 kHz frequency band. Progress in Geophysics, 29(6): 2566-2571, doi: 10.6038/pg20140614   
实测1~100kHz大地电磁场分析
薛军平1, 龙霞1,2 , 席振铢2, 张道军1, 李瑞雪2, 王鹤2    
1. 湖南五维地质科技有限公司, 长沙 410205;
2. 中南大学 地球科学与信息物理学院, 长沙 410083
收稿日期: 2014-07-14 修回日期: 2014-07-17 .
基金项目：大洋"十二五"重大项目(DY125-11-R-03)和中央高校基本科研业务费项目(2012QNZT074)联合资助.
作者简介：薛军平, 男, 1980年生, 湖北荆州人, 中南大学硕士, 工程师, 从事电磁法勘探理论与应用研究.(E-mail:32418767@qq.com)
通讯作者：龙霞, 女, 1985年生, 中南大学在在读博士, 地球探测信息技术专业.(E-mail:315154244@qq.com)
摘要：通过实例分析实测1~100 kHz的大地电磁场的幅度、相互正交的电场和磁场相位差、相关度等数据信息,表明当电磁场信号幅值较大且较平稳时,相应的相互正交的电场与磁场的相位差也较平稳,二者相关度也较高,表明相位差的平稳性和相关度高低能反映信噪比高低;根据近十年实测的中国范围内100个地区的1~100 kHz频段大地电磁场数据,统计分析了不同频率电磁场平均值、最小值和最大值,并用最小二乘法拟合最大值、最小值包络线以及平均值曲线,结果表明:天然大地电磁场频谱随频率变化趋势具有规律性,幅值对数和频率对数可采用5次多项式经验公式表征;天然大地电磁场频谱曲线形态基本一致,幅值在一定范围内浮动;在20~30 kHz及50~70 kHz频段常出现信号极值.最后,长沙月亮岛一个固定测点上十二个月的实测数据表明实测天然大地电磁场频谱呈现季节性差异,特别是4~14 kHz频段的电磁场,夏季明显强于冬季.
关键词： 1~100 kHz     大地电磁     频谱     相位差     相关度     变化趋势     季节差异    
Measured magnetotelluric field in 1~100 kHz frequency band
XUE Jun-ping1, LONG Xia1,2 , XI Zhen-zhu2, ZHANG Dao-jun1, LI Rui-xue2, WANG He2    
1. Hunan 5D Geosciences Technique CO., LTD, Changsha 410205, China;
2. School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, China
Abstract: The measured magnetotelluric field in 1~100 kHz frequency band has been studied. The amplitude spectrum of electric field (E) and magnetic field (H), and the phase difference spectrum, coherency spectrum between the crossed E and H were analyzed. In the frequency band where the amplitudes spectrum of the crossed E and H are both larger, the phase difference spectrum curve is always smoother, and also the coherency is higher. Such correlation may be used to reflect the signal noise ratio. The maximum, average, minimum amplitude spectrum curves of the measured E and H are fitted from the measured data of 100 places. It shows that the E, H amplitude spectrum curve forms in different places are similar, with amplitude in a range. The E field changes more than the H filed as the difference of underground medium affect E much more. It reveals that the signal noise ratio is regularly higher in 5~30 kHz frequency band, and there are extremisms in 20~30 kHz and 50~70 kHz frequently, caused by VLF or LF communication waves. Measured data at one site on the Moon-island in 12 months indicate the seasonal difference of the magnetotelluric field in 1~100 kHz frequency band; it is stronger in summer than in winter, especially in the 4~14 kHz frequency.
Key words: 1~100 kHz     magnetotelluric     spectrum     phase difference     coherency     trend     seasonal difference    
0 引 言

天然电磁场结构复杂，它随时空而变化.地球上任一点地磁场都可分为随时间相对稳定和相对变化两部分：相对稳定部分称为基本地磁场，源于地球内部；相对变化部分同时伴生变化的地电场，一般合称为大地电磁场.大地电磁场由多种原因引起：包括太阳风、磁暴、雷电、以及地球上的人工电力及无线电通信等，其频谱很宽.频率几Hz以下的大地电磁场主要由太阳风引起，频率几Hz以上的大地电磁场主要来自于气象活动，特别是与雷暴相关的闪电，及人工分布的电力系统，比如工频及其谐波频率，以及无线电波频率等.研究天然大地电磁场特征，对地球物理勘探、地震监测、无线电通讯及导航，以及卫星定位等都具有重要意义(Strangway et al., 1973; Gr and t， 1991; Chrissan and Fraser-Smith， 1996; Brasse and Rath， 1997).

在地表上探测到的大地电磁场为一次场与地下介质感应二次场的合成场.由于时间或地理位置不同，各种因素引起的一次场不尽相同，而地下介质的电磁性(介电性、导磁性、导电性)差异又引起感应二次场的差异.因此不同时刻或不同地点测得的大地电磁场必定不同(李金铭，2005).大地电磁场测深法在矿产资源勘查及工程地质勘察领域中应用广泛，大量学者致力于该方法的研究(丁茂斌等，2010; 闫永利等，2012; 汤井田等，2012; 詹艳等，2012; 景建恩等，2012;邓明等，2013; 叶高峰等，2013; 王显祥等，2014; 王辉等，2014).针对中国范围实测大地电磁场特征，我国科技工作者展开了一些工作.杨生(2004)以四川松潘—阿坝地区所采集的天然大地电磁信号为例，统计分析了10-3~103 Hz频段的天然大地电磁信号幅度谱特征.曹哲明等(2006)以宜万线铁路隧道的实测数据为例对10 Hz~100 kHz频段天然大地电磁信号进行了简单的趋势分析.此外少有文献对中国范围1 kHz以上天然大地电磁场进行系统研究.为弥补此不足，本文针对1~100 kHz实测天然大地电磁场进行研究.中南大学和湖南五维地质科技有限公司地球物理工作组长期从事电磁法研究(王烨等，2005; 席振铢等， 2010，2011a，2011b，2012; 陈兴朋等，2012; 张道军等，2012; 王亮等，2013; 边祥会等，2013; 邓志钢等，2013)，从2000年至今在全国范围内承担了金属矿、铁路、公路、水坝等高频大地电磁勘探工作，获得遍布中国范围近百个测区几万个测点的天然高频大地电磁场实测数据，并针对性的在湖南长沙月亮岛上实施了一年的观测实验，采用统计分析方法总结出1~100 kHz天然大地电磁场的一些特征. 1 实测电磁场基本参数

本文1~100 kHz天然大地电磁场实测数据采样仪器为美国GEOMETRICS和EMI公司联合开发的EH4电导率成像系统.实测中通常采用十字观测系统，即分别观测水平正交的x、y两个方向的电场Ex、Ey和磁场Hx、Hy.文中以电场Ex、磁场Hy的振幅(电场单位：mV/km/；磁场单位：nT/)以及二者的相位差 θ和相关度C来分析天然大地电磁场信号频谱特征.

当前，大地电磁场理论基于场源为平面电磁波，在一维均匀介质中，相互正交的电场和磁场的相位差为-45°或135°.实际中，地下并非一维均匀介质，但大多数情况下相互正交的电场和磁场的相位差在-45°或135°上下.实测Ex与Hy之间的相位差计算为：θ=angle(xHy*>)，其中xHy*>表示Ex与Hy的互功率谱，为复数，取其辐角主值为相位角.先得到弧度角，再转化为度数角.

理论上，大地电磁信号相互正交的电场和磁场分量是线性相关的，因此以相关度来衡量大地电磁的信噪比.一般的，信噪比越高，相关度越趋近于1，反之信噪比越低，相关度越小.

实测Ex与Hy之间的相关度计算为

其中xEx*>和yHy*>分别表示Ex与Hy的统计自功率谱. 2 实测电磁场信号实例

图 1为成兰铁路线上亚隆纳日隧道段选取的34个不同测点上观测到的天然大地电磁场Ex与Hy的幅值及二者相位差和相关度的频率曲线.图 2为川藏线扎西林段上选取的35个不同测点的.观察可见在5~30 kHz频段测得的Ex与Hy振幅相对较强，且电场与磁场相位差稳定在135°或-45°附近(由于实际观测中不同测点的磁棒或电极布置方向可能相差180°引起两种相位差)，相关度平稳在0.8以上，可见在此频段，信噪比是比较高的.而在1~5 kHz频段和30 kHz以上频段，信号强度降低一个数量级，相位差杂乱无章，相关度也普遍偏低.在信号相对平稳的情况下，当实测磁场Hy＞1×10-5(nT/)时，Ex与Hy相位差平稳，相关度较高，信噪比也较高.

图 1 九寨沟某测区34个测点的Hy，Ex Fig. 1 Measured Hy，Ex data of 34 sites in Jiuzhai Valley

图 2 扎西林测区35个测点的Hy，Ex Fig. 2 Measured Hy，Ex data of 35 sites in ZhaXilin area
3 实测电磁场幅度谱统计特征

由前文的实测电场磁场曲线可见，在一个测区里，不同测点的实测电磁场曲线形态基本一致.基于此，以各测区多测点的平均电磁场代表该区的电磁场水平.下面对100个信号相对平稳的测区的实测电磁场幅度谱进行统计分析.图 3即为各地的平均电场、磁场频谱散点图，根据散点分布图统计出电场和磁场的最大值、最小值和平均值，并根据它们分别拟合出上包络线A(f)Max、下包络线A(f)Min和平均值曲线A(f)Ave，(A代表Ex与Hy的振幅值)，分别对应图中的上、中、下拟合线.拟合方法采用的是最小二乘法，大概过程为：取y=log10(A)(这里A为Ex与Hy的振幅值)，x=log10(f).经过多次数值计算，振幅谱密度函数模型取以下5次多项式拟合效果较好：

并计算拟合的标准偏差：

式中Δ为拟合函数的计算值与实测统计值的差值，n为参与拟合的数据点的个数.标准偏差的单位与其变量一致，为(nT/)或(mV/km/)，拟合函数的各系数以及拟合标准偏差见表 1.
图 3 不同地区天然大地电磁场平均频谱 Fig. 3 Measured Hy，Ex data of different places

表 1 拟合函数系数以及拟合标准偏差 Table 1 Coefficient and fitting offset of the fitting function

虽然选取的测点都位于噪声相对小，信号比较稳定的地区，但是不可避免存在环境噪声以及仪器噪声，所以根据实测统计数据拟合的曲线仅代表天然大地电磁场频谱密度的大致分布.

下面根据图 3所示的实测数据点分布以及拟合的频谱密度函数曲线形态来分析天然大地电磁场频谱的形态及其数据范围：
(1)信号频谱曲线形态：中国范围不同地区电磁场频谱曲线大体趋势是一致的.以平均值曲线H(f)Ave，E(f)Ave来看，从1 kHz往2 kHz信号减弱；2 kHz附近出现信号低谷；然后随着频率增大缓慢增强，快接近20 kHz时信号达到最强，然后随着频率增大信号渐弱.

(2)信号极值点：由于(甚)长波电台以及航空航海无线电导航的影响，实测信号在20~30 kHz之间可能出现信号极大值，对应频点16.25 kHz，20 kHz，22.5 kHz，25 kHz，28.75 kHz，30 kHz；在50~70 kHz之间可能出现信号极大值，对应频点53.75 kHz，60 kHz，68.75 kHz.

(3)信号频谱数据范围：图 3显示天然大地电磁场的数据范围，图 4显示其最大值与最小值的比值，表征各地天然大地电磁场的动态幅度规律.磁场幅值大体集中在10-6~10-3(nT/ Hz)范围，均值在10-5~10-4(nT/ Hz)之间；在1 kHz附近，地方差异较大，最大达三个数量级，随着频率增大，地方差异减小，3~100 kHz地方最大差异约一个数量级.电场幅值大体集中在10-3~101(mV/km/ Hz)范围，均值在10-1(mV/km/ Hz)上下；电场的地方差异总体比磁场大：1 kHz附近，地方差异最大达三个数量级，随着频率增加，地方差异减小，到10 kHz附近，地方差异最大达两个数量级，再随着频率增加，差异程度增加，到100 kHz附近达三个数量级.总体上看，在3~30 kHz频段，实测电磁场幅值地方差异相对较小.

图 4 天然大地电磁场振幅谱动态幅度 Fig. 4 Dynamic range of Ex，Hy spectra

4 实测电磁场季节变化特征

因大地电磁信号与日——地关系密切，所以同一测点在不同时间会存在差异.Garcia和Jones(2002)对信号较弱的1~5 kHz频段大地电磁场研究表明：(1)大地电磁场强受季节变化影响，夏季7、8月份最强；(2)一天当中，其场强在午夜24:00前后最强，白天相差不大.对于5 kHz以上至100 kHz的天然大地电磁场，笔者做了针对性实验，选择在湖南长沙月亮岛(东经112.94°，北纬28.30°)一个固定测点进行了为期一年的实验观测.观测时间从2010年6月至2011年5月，白天观测.图 5、图 6为提取的一些频点的时间频谱曲线，以观测不同频点大地电磁场随月观测的变化.

图 5 月亮岛试验f=4~14 kHz范围内频点Hy，Ex振幅谱 Fig. 5 Hy，Ex amplitude of 4~14 kHz in different months

图 6 月亮岛试验f=26~100 kHz频点电磁场月频谱曲线 Fig. 6 Hy，Ex amplitude of 26~100 kHz in different months

图 5中显示的为4~14 kHz之间的频点的数据，可以看出：4~14 kHz频段大地电磁场，总体在6、7、8月份的电磁场明显强于其它月份，季节性明显.图 6中显示的是26~100 kHz之间的频点的大地电磁场，看出12个月磁场表现较平稳，没有很明显的季节变化；而电场则无规则跳变且浮动较大，考虑为地下电流的干扰引起.另外，在1~4 kHz及14~26 kHz的频点的电磁场频谱曲线比较杂乱无序，考虑为信噪比低，随机噪声远大于大地电磁场信号所致.

可见，不同频段的天然大地电磁场的季节性差异程度是不同的，其原因可以根据雷击能量密度谱(图 7)来解释(Kaufman and Keller， 1881).雷电的能量在1 kHz和10 kHz附近出现低谷，1~10 kHz之间出现极值，到10 kHz附近雷电能量已经衰减殆尽，表明10 kHz以上由雷电产生的电磁波已经非常微弱.据此解释实测天然大地电磁场分频段呈现季节差异现象：4~14 kHz的大地电磁场受雷电电磁场影响大，在我国夏季雷电频率和能量强于其他季节，导致4~14 kHz大地电磁场夏季明显强于其它季节；而26 kHz以上大地电磁场受雷电电磁场影响弱，因而季节差异很小.

图 7 雷击能量密度谱(Kaufman and Keller， 1881) Fig. 7 Energy spectrum of lighting.(Kaufman and Keller， 1881)
5 结 论

本文基于近十年在中国范围近百个测区上万个测点的实测天然大地电磁场数据，统计分析得出中国范围的1~100 kHz天然大地电磁场特征：

(1)大地电磁场信噪比可以由实测电场和磁场的相位差来衡量，相位差平稳时，信噪比相对较高；相关度只在不受相关噪声干扰时，能有效反映信噪比.

(2)通过5次多项式拟合中国范围多地区的天然大地电磁场频谱随频率变化的最大值、最小值和平均值，获得电磁场特征的经验公式.

(3)在信号平稳地区，大地电磁场振幅谱随频率的大体变化规律为：从1 kHz往2 kHz信号减弱；2 kHz附近出现信号低谷；再随着频率增大，信号减弱，接近20 kHz时达最大，再随频率增大，信号减弱.

(4)实测电磁场在个别频点上出现极大值，主要频点有20~ 30 kHz之间的16.25 kHz，20 kHz，22.5 kHz，25 kHz，28.75 kHz，30 kHz，和50~70 kHz之间的53.75 kHz，60 kHz，68.75 kHz，这些极值频点的出现只要是由于(甚)长波电台以及航空航海无线电导航的影响.

(5)统计的绝大部分地区在5~30 kHz之间电场磁场信号较强，信噪比高；而在1~5 kHz，30 kHz以上，信号幅值较弱，信噪比低.

(6)各地的电磁场在曲线形态上一致，但是在信号幅值上存在一定的地方差异：磁场幅值大体集中在10-6~10-4(nT/)范围，均值在10-5~10-4(nT/ )之间；电场幅值大体集中在10-3~101(mV/km/)范围，均值在10-1(mV/km/)上下.

(7)实测天然电磁场地方差异在1 kHz附近达三个数量级，在3~30 kHz频段地方差异相对较小，磁场约差一个数量级，电场差约两个数量级；靠近100 kHz，磁场差异减小，电场差异增加达三个数量级.

(8)不同月份实测天然大地电磁场，低于20 kHz频段具有较明显的季节性特点，夏季最强，推测为雷电场源随季节的变化引起，大于20 kHz大地电磁场季节性不明显，原因可能是大于20 kHz频段雷电能量衰减殆尽. 致 谢 感谢湖南五维地质科技有限公司的多位同仁提供大量野外实测高频大地电磁场数据.

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实测1~100kHz大地电磁场分析
薛军平, 龙霞 , 席振铢, 张道军, 李瑞雪, 王鹤