我們為什麼要探測大地電磁

研究人員在進行大地電磁測量。

新聞背景

據新華社報道，中船重工第722研究所研發的大地電磁探測儀，日前通過了由多單位組成的專家組的驗收，標誌著我國在大地電磁探測方面的儀器研製水平已達到較高水平，打破了國際壟斷，必將大大提升我國的電磁探測水平。

那麼大地電磁是個什麼東西？探測它又有什麼用呢？

大地中為什麼會有電

在自然界中，電是無處不在的。比如，很常見的雷電。早在19世紀初人們就觀測到了地球表面有電流流動，後來又觀測到大氣與海洋中也有電流。在地球內部，也同樣存在有電流。這些流動於地球表面和深部的各種電流我們統稱為地電。不同的電流來源有所不同，變化周期也有很大差異，對這些電流的研究可以得到很多關於深部地球的信息。

我們知道，在宇宙中存在著大量的帶電粒子，這些帶電粒子以極高的速度在空間中運動，形成了一個巨大的磁場。而我們的地球就在這個磁場中穿行，由於電磁感應，就會在大氣、地表以及地球內部形成電流。太陽每時每刻都在向外拋射高速的帶電粒子，同樣也會在地球上激發電流。比如，太陽黑子活動周期大約為11年，不僅影響到地球上通訊活動和損壞衛星電子元件等，也會在地球上形成一個周期為11年的變化電流。

在地球內部，無時無刻不在發生著各種各樣的化學反應，這些化學反應和電池的原理類似，都會有各種帶電離子的遷移。這些離子的遷移也會形成各種強度不一的電流。

同樣的，人類的活動也會在地球上形成電流。自從1901年義大利工程師馬可尼實現遠距離電磁無線通訊以後，人們為實現軍事和民用無線通訊，建立了大量的強功率長波電台，比如日本愛知縣的TDN台，澳大利亞西北角的NWC台、莫斯科UMS電台。這些通訊電台發射頻率一般為15－25 kHz，功率為數百至上千千瓦，可以在大區域內甚至全球範圍內形成周期性的電流。可以說，現代人類的電磁活動都會在地球上激發不同周期和強度的電流。

曾用電法探測秦陵三維結構

從日常生活的經驗中我們就知道，不同的物質導電性是不一樣的。比如銅線的導電性就很強，而塑料就不導電。導電的物質就稱導體，而不導電的物質就稱絕緣體。但在自然界中，並不能簡單地運用這個分類，大部分的物質導電性是介於導體和絕緣體之間的。而如果改變條件，導體和絕緣體是可以相互轉化的。我們就可根據探測電阻值的大小，來獲知地下的物質組成和構造信息。

一般，在利用地電探測地下地質構造狀況的時候，會在要探測的區域埋設電極，電極間用導線連接，利用天然或人工激發的電磁場，通過測量電極間的電勢，就能夠知道地下的電阻值大小。這就是電法勘探的基本原理，具體的方法有很多種，大地電磁即為其中一種。電法由於成本低廉、簡單易用，在礦產勘查、工程生產等領域有著極廣泛的應用。

比如，大多數的岩石都是硅酸鹽，導電性是很差的，電阻率很高。但是，金屬礦床，比如銅礦、鉛鋅礦等，導電性是非常好的，電阻率要比一般的硅酸鹽岩石低好幾個數量級。如果發現某一地區地下的電阻率非常低，那麼則非常有可能存在一個金屬礦床。也可以用同樣的方法尋找石墨礦床。

在工程領域，大多數都需要探明地下的地層結構。在地下岩層破碎比較厲害的地方，孔隙度很高，就會填充地下水，那麼這裡的導電性就會比較好。如果工程施工中，比如隧道、橋樑等，就需要避開或者做加固處理。相反，在尋找富地下水的層位的時候，導電性好的地方就是非常好的目標區，這一方法在西北乾旱地區尋找地下水的過程中應用極為廣泛，效果良好。

在我國西南，存在大量的溶洞、地下暗河等構造；在山西、陝西等地，由於多年的煤礦開採，尤其是前些年大量的小煤窯無序性開採，在地下產生了大量的採空區，且很多無法準確確定採空區位置和範圍，對當地的生活和生產造成了極大的隱患。一般地下空洞電阻很高，利用電法可以十分準確地確定溶洞、暗河以及採空區的範圍和深度，為工程規避提供依據。

電法勘探的另外一個優勢是探測精度很高，通過採用不同頻率的激發源，電法可以進行十分精細的勘探。在城市中，地下埋置了大量的管線，有些由於年代久遠已經不可能知道管線的準確位置和走向。但是，金屬管線的電阻率比周圍埋土的電阻率要低很多，利用這個差異就可以用電法確定管線的精確位置和走向。在2002年，考古人員也曾利用電法探測過秦始皇陵，確定了地宮的三維結構，墓室完好，且發現陵墓內部阻排水渠仍然發揮著重要的防水作用，保護了地宮免遭水侵。

或有助預報地震及火山噴發

電法勘探不僅在工程和資源領域有很大的應用，在科學研究中亦是不可或缺的手段。

地電受到地下物質組成和地質運動的影響，通過監測地電，我們可以感知地球的細微變化。比如，在地震的研究中，地電的監測是不可或缺的手段。有些研究表明，在地震的前後，震中及附近的地電發生了明顯的變化，這可能是地殼運動造成的擠壓改變了地電的流嚮導致的。通過持續的地電監測，我們也許會在未來實現準確的地震預測。

同樣，在火山爆發前夕，由於地下岩漿的上移造成擠壓或裂縫，也會改變地電的性質，這種變化可以用來預報火山噴發。在火山下面，由於大量岩漿溶體的存在，導電性比固態的岩石要高好幾個數量級，通過測量低導體的範圍，我們可以準確獲知岩漿房的大小、熔體的性質等。比如，1980年美國聖·海倫斯火山噴發，削去了一大塊火山錐，造成了57人死亡。地球物理學家就利用大地電磁方法探明，該火山的岩漿房存在於地下3至15公里範圍內，規模很大，是一座極度危險的活火山。

上文中提到，如果改變岩石的組成和條件，那麼岩石的導電性就會大大增強。比如，在常溫下，白雲母是一種非常好的絕緣材料，但是如果溫度升到500℃，它就變成了一種半導體。同樣，如果岩石中混入了少量的流體或熔體，也會造成其導電性數量級上的差異。那麼，我們就可以通過研究地球內部的導電性來獲知深部地球物質組成和溫度狀態。

比如，二氧化碳是一種重要的溫室氣體，近半年來地球溫度的升高就是大氣中二氧化碳氣體的增多造成的。但是，二氧化碳的來源除了人類燃燒化石燃料外，地球內部自身的二氧化碳的釋放也是不容忽視的。現在的一些研究表明，在幾十公里下的地幔中，以碳酸岩流體的形式存在著大量的碳元素，可以通過火山釋放到大氣中來。通過地幔導電性的探測，我們就可以估算碳元素在地球中的含量以及狀態等，進而研究地球放氣對環境的影響。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！