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    大地电磁是个什么东西?探测它又有什么用呢?

    2018-01-25 09:01:08 来源: 凤凰网
    聊聊

    测绘网讯 据新华社报道,中船重工第722研究所研发的大地电磁探测仪,日前通过了由多单位组成的专家组的验收,标志着我国在大地电磁探测方面的仪器研制水平已达到较高水平,打破了国际垄断,必将大大提升我国的电磁探测水平。大地电磁探测仪项目开发了高性能磁传感器、高稳定低噪声接收机、小功率便携发射机等核心部件,研制出了工程化、实用化的大地电磁探测仪整机,技术指标均达到或超过项目任务书要求,同时实现了市场销售并取得了较好的经济效益。

    那么大地电磁是个什么东西?探测它又有什么用呢?

    大地中为什么会有电

    在自然界中,电是无处不在的。比如,很常见的雷电。早在19世纪初人们就观测到了地球表面有电流流动,后来又观测到大气与海洋中也有电流。在地球内部,也同样存在有电流。这些流动于地球表面和深部的各种电流我们统称为地电。不同的电流来源有所不同,变化周期也有很大差异,对这些电流的研究可以得到很多关于深部地球的信息。

    我们知道,在宇宙中存在着大量的带电粒子,这些带电粒子以极高的速度在空间中运动,形成了一个巨大的磁场。而我们的地球就在这个磁场中穿行,由于电磁感应,就会在大气、地表以及地球内部形成电流。太阳每时每刻都在向外抛射高速的带电粒子,同样也会在地球上激发电流。比如,太阳黑子活动周期大约为11年,不仅影响到地球上通讯活动和损坏卫星电子元件等,也会在地球上形成一个周期为11年的变化电流。

    在地球内部,无时无刻不在发生着各种各样的化学反应,这些化学反应和电池的原理类似,都会有各种带电离子的迁移。这些离子的迁移也会形成各种强度不一的电流。

    同样的,人类的活动也会在地球上形成电流。自从1901年意大利工程师马可尼实现远距离电磁无线通讯以后,人们为实现军事和民用无线通讯,建立了大量的强功率长波电台,比如日本爱知县的TDN台,澳大利亚西北角的NWC台、莫斯科UMS电台。这些通讯电台发射频率一般为15-25 kHz,功率为数百至上千千瓦,可以在大区域内甚至全球范围内形成周期性的电流。可以说,现代人类的电磁活动都会在地球上激发不同周期和强度的电流。

    曾用电法探测秦陵三维结构


    从日常生活的经验中我们就知道,不同的物质导电性是不一样的。比如铜线的导电性就很强,而塑料就不导电。导电的物质就称导体,而不导电的物质就称绝缘体。但在自然界中,并不能简单地运用这个分类,大部分的物质导电性是介于导体和绝缘体之间的。而如果改变条件,导体和绝缘体是可以相互转化的。我们就可根据探测电阻值的大小,来获知地下的物质组成和构造信息。

    一般,在利用地电探测地下地质构造状况的时候,会在要探测的区域埋设电极,电极间用导线连接,利用天然或人工激发的电磁场,通过测量电极间的电势,就能够知道地下的电阻值大小。这就是电法勘探的基本原理,具体的方法有很多种,大地电磁即为其中一种。电法由于成本低廉、简单易用,在矿产勘查、工程生产等领域有着极广泛的应用。

    比如,大多数的岩石都是硅酸盐,导电性是很差的,电阻率很高。但是,金属矿床,比如铜矿、铅锌矿等,导电性是非常好的,电阻率要比一般的硅酸盐岩石低好几个数量级。如果发现某一地区地下的电阻率非常低,那么则非常有可能存在一个金属矿床。也可以用同样的方法寻找石墨矿床。

    在工程领域,大多数都需要探明地下的地层结构。在地下岩层破碎比较厉害的地方,孔隙度很高,就会填充地下水,那么这里的导电性就会比较好。如果工程施工中,比如隧道、桥梁等,就需要避开或者做加固处理。相反,在寻找富地下水的层位的时候,导电性好的地方就是非常好的目标区,这一方法在西北干旱地区寻找地下水的过程中应用极为广泛,效果良好。

    在我国西南,存在大量的溶洞、地下暗河等构造;在山西、陕西等地,由于多年的煤矿开采,尤其是前些年大量的小煤窑无序性开采,在地下产生了大量的采空区,且很多无法准确确定采空区位置和范围,对当地的生活和生产造成了极大的隐患。一般地下空洞电阻很高,利用电法可以十分准确地确定溶洞、暗河以及采空区的范围和深度,为工程规避提供依据。

    电法勘探的另外一个优势是探测精度很高,通过采用不同频率的激发源,电法可以进行十分精细的勘探。在城市中,地下埋置了大量的管线,有些由于年代久远已经不可能知道管线的准确位置和走向。但是,金属管线的电阻率比周围埋土的电阻率要低很多,利用这个差异就可以用电法确定管线的精确位置和走向。在2002年,考古人员也曾利用电法探测过秦始皇陵,确定了地宫的三维结构,墓室完好,且发现陵墓内部阻排水渠仍然发挥着重要的防水作用,保护了地宫免遭水侵。

    或有助预报地震及火山喷发

    电法勘探不仅在工程和资源领域有很大的应用,在科学研究中亦是不可或缺的手段。

    地电受到地下物质组成和地质运动的影响,通过监测地电,我们可以感知地球的细微变化。比如,在地震的研究中,地电的监测是不可或缺的手段。有些研究表明,在地震的前后,震中及附近的地电发生了明显的变化,这可能是地壳运动造成的挤压改变了地电的流向导致的。通过持续的地电监测,我们也许会在未来实现准确的地震预测。

    同样,在火山爆发前夕,由于地下岩浆的上移造成挤压或裂缝,也会改变地电的性质,这种变化可以用来预报火山喷发。在火山下面,由于大量岩浆溶体的存在,导电性比固态的岩石要高好几个数量级,通过测量低导体的范围,我们可以准确获知岩浆房的大小、熔体的性质等。比如,1980年美国圣·海伦斯火山喷发,削去了一大块火山锥,造成了57人死亡。地球物理学家就利用大地电磁方法探明,该火山的岩浆房存在于地下3至15公里范围内,规模很大,是一座极度危险的活火山。

    上文中提到,如果改变岩石的组成和条件,那么岩石的导电性就会大大增强。比如,在常温下,白云母是一种非常好的绝缘材料,但是如果温度升到500℃,它就变成了一种半导体。同样,如果岩石中混入了少量的流体或熔体,也会造成其导电性数量级上的差异。那么,我们就可以通过研究地球内部的导电性来获知深部地球物质组成和温度状态。

    比如,二氧化碳是一种重要的温室气体,近半年来地球温度的升高就是大气中二氧化碳气体的增多造成的。但是,二氧化碳的来源除了人类燃烧化石燃料外,地球内部自身的二氧化碳的释放也是不容忽视的。现在的一些研究表明,在几十公里下的地幔中,以碳酸岩流体的形式存在着大量的碳元素,可以通过火山释放到大气中来。通过地幔导电性的探测,我们就可以估算碳元素在地球中的含量以及状态等,进而研究地球放气对环境的影响。