吳信民， 楊海燕， 楊亞新， 吳志猛， 徐劍波， 黃少華， 陳 峰

(東華理工大學(xué)，江西 撫州 344000)

“探測(cè)深度”在其它文獻(xiàn)中也稱為“勘探深度”，用于表征一種地球物理方法對(duì)目標(biāo)體的有效探測(cè)深度，反映出方法和裝備的垂向探測(cè)能力。儀器設(shè)計(jì)、方法選擇及工作參數(shù)選擇等都是影響探測(cè)深度的重要因素。在直流電阻率法探測(cè)深度方面，Schlumberger(1932)提出了不同情況下對(duì)稱四極裝置的勘探深度(D)與電極距(L或AB)間的三種數(shù)量關(guān)系，即:(1)一般情況下，最大勘探深度等于電極距的一半，即D=AB/2;(2)在有覆蓋層的二層地電斷面條件下，電極距四倍于勘探深度時(shí)視電阻率有明顯變化，此時(shí)D=AB/4;(3)在復(fù)雜的水平多層地電斷面條件下，勘探深度為電極距的1/8倍，即D=AB/8。此后，對(duì)直流電阻率法探測(cè)深度的研究不斷深入(Evjen，1938;Robert，1953;Roy，1971;Roy，1972;Apparao et al.，1974;Abhijit et al.，1975;Elliot，1981;Bhattacharya et al.，1981;B.Banerjee et al.，1986;Barker，1989;趙保鈞，2006;任杰，2007;趙和云等，2008;)。我國(guó)建立的相關(guān)規(guī)范(規(guī)程)。最近的研究也說(shuō)明了直流電法還有進(jìn)一步研究的必要(霍軍廷等，2011;黃真萍等，2012;楊玉蕊等，2012)。

電磁法領(lǐng)域中的探測(cè)深度研究是近年來(lái)該領(lǐng)域研究?jī)?nèi)容的熱點(diǎn) (George，1984;Brian，1989;Christophe B et al.，1999;Lanfang，2006;單春玲等，2008;Anders et al.，2012;陳明生，2012a，2012b)。Brian(1989)對(duì)電磁法的探測(cè)深度做了較多的探討，同時(shí)提出:實(shí)際探測(cè)深度取決于儀器的靈敏度和測(cè)量精度、地質(zhì)斷面的復(fù)雜性和周圍的噪聲強(qiáng)度(或稱因有噪聲電平)。Brian所討論的探測(cè)深度都是建立在用近似法求得二層地電模型上的，是否能用于二維、三維體尚不能給出明確的答案。

傳統(tǒng)的瞬變電磁探測(cè)深度研究均著眼于最大或最小探測(cè)深度問(wèn)題(薛國(guó)強(qiáng)，2004;薛國(guó)強(qiáng)等，2004;石顯新，2005;孫戰(zhàn)等，2007;王慶乙，2007;韓自豪等，2008;閆述等，2009;展寶文等，2010;陳志偉，2011;王善勛等，2012)，瞬變電磁法探測(cè)深度的研究有時(shí)會(huì)因假設(shè)條件不同而得出不同的觀點(diǎn)(王善勛等，2012;王慶乙，2007)，因而該方面的研究值得進(jìn)一步深入。

Haoping(2005)對(duì)電磁測(cè)井的探測(cè)深度進(jìn)行了研究;Edwards(1977)、Douglas et al.(1999)等對(duì)激發(fā)極化法的探測(cè)深度進(jìn)行了研究;王衛(wèi)平等(2003)、朱凱光等(2008)、Anders et al.(2012)等對(duì)航空電磁的探測(cè)深度進(jìn)行了研究;趙永輝等(2003)、文必洋等(2010)對(duì)探地雷達(dá)的探測(cè)深度進(jìn)行了研究。

傅良魁(1986)對(duì)電法勘探做了總體的“探測(cè)深度”概念的定義。即:在給定的各種主、客觀條件下，通過(guò)對(duì)電或電磁場(chǎng)信息的收錄(觀測(cè))、處理(整理)和分析研究(正，反演)，以查明探測(cè)目標(biāo)存在的最大深度;或簡(jiǎn)化為:在特定條件下查明探測(cè)目標(biāo)的最大深度;其中探測(cè)深度受主客觀因素探測(cè)目標(biāo)的影響。主觀因素對(duì)勘探深度的影響有:(1)工作者的全面素質(zhì);(2)儀器、設(shè)備的效能;(3)裝置類型的合理選擇;(4)觀測(cè)場(chǎng)的參數(shù)和時(shí)間或頻率的合理選擇;(5)工作方法;(6)技術(shù)措施?？陀^因素的影響有:(1)干擾場(chǎng)性質(zhì);(2)圍巖電學(xué)性質(zhì)的不均勻性;(3)地表面的起伏情況;(4)圍巖電學(xué)性質(zhì)在時(shí)間上的不穩(wěn)定性。探測(cè)目標(biāo)本身的作用有:(1)尺度大小;(2)形狀;(3)產(chǎn)狀;(4)電性差異。R.E.Sheriff(2006)在 Encyclopedic Dictionary of Applied Geophysics Fourth Edition《應(yīng)用地球物理百科詞典第四版》中給出地球物理的探測(cè)深度的定義為:勘探深度(1)一種勘探系統(tǒng)能有效地進(jìn)行勘探的深度，決定于排列、間距、特性差異、物體幾何形態(tài)及信噪比，有效區(qū)分界面或異常源的最大深度要考慮信噪比以及別的一些測(cè)量因素。(2)對(duì)于測(cè)井的探測(cè)范圍用圖件的形式給出。

探測(cè)深度影響因素很多，在不同條件下會(huì)有不同的測(cè)量值，上述所有的討論都是建立在一定的近似基礎(chǔ)上的。正是由于這些研究，使電法勘探得到很大的發(fā)展，精度越來(lái)越高，越來(lái)越多的人接收電法勘探的成果，早期的物探方法因誤差較大而形成的“物探物探說(shuō)了不算”的局面正不斷得到改變。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)展，越來(lái)越多的人通過(guò)正演計(jì)算來(lái)探討某一種方法及裝置的探測(cè)深度，為了區(qū)分由數(shù)值計(jì)算得出的探測(cè)深度和實(shí)際工作中人們要解決實(shí)際問(wèn)題的探測(cè)深度之間的區(qū)別，提出了“理論探測(cè)深度”的定義。

1 “理論探測(cè)深度”概念的定義

探測(cè)深度的概念在文獻(xiàn)(傅良魁，1986)中給出的“在特定條件下查明探測(cè)目標(biāo)的最大深度”是比較容易理解的。由于探測(cè)深度的影響因素較多，因而“探測(cè)深度”很難用文字清楚地論述各種因素之間的關(guān)系，更難說(shuō)明定量的關(guān)系。導(dǎo)致許多工程技術(shù)人員只有一些定性的了解，如極距越大探測(cè)深度越深等，而這種概念只在一定范圍內(nèi)成立。

這里提出的“理論探測(cè)深度”簡(jiǎn)單的說(shuō)就是“在假設(shè)各種條件下能有效區(qū)分探測(cè)目標(biāo)最大深度的理論計(jì)算結(jié)果”。具體的理論探測(cè)深度的定義如圖1所示，該圖為計(jì)算機(jī)編程的框圖，計(jì)算過(guò)程如下:

(1)輸入外界干擾、儀器的精度等誤差，極距距離、線框面積等引起的誤差則要進(jìn)行誤差傳導(dǎo)的計(jì)算。通過(guò)這些誤差計(jì)算總誤差(A);可選各種方法規(guī)范(程)中規(guī)定的總精度要求，如:激發(fā)極化法可選4%、7%;電阻率剖面法:3%、5%、10%;或三倍異常均方差等;或根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)直接輸入(A);也可以進(jìn)行野外實(shí)地的背景值調(diào)查或方法試驗(yàn)得到(A)。

(2)輸入測(cè)量系統(tǒng)的方法及裝置、裝置系數(shù)、供電電流等;輸入的方法裝置可以用不同的方法:直流電法、激發(fā)極化法中的中間梯度法、對(duì)稱四極法、偶極剖面法等。也可以是電磁法中 MT、AMT、CSAMT等。根據(jù)實(shí)際工作需要，假設(shè)輸入異常體、圍巖的電性參數(shù);

(3)輸入異常體的大小、形狀及與圍巖相對(duì)位置空間分布的初始值;對(duì)于層狀介質(zhì)可輸入異常體的的頂部埋深，對(duì)于等軸狀異常體可輸入異常體中心點(diǎn)埋深。計(jì)算由地電模型的電性差產(chǎn)生的異常值(B)。在計(jì)算過(guò)程中可以是球或?qū)訝罱橘|(zhì)等理想的模型等進(jìn)行解釋解的計(jì)算，也可以進(jìn)行各種多邊型剖分進(jìn)行有限元等數(shù)值計(jì)算。這個(gè)異常值(A)可以是傳統(tǒng)的視電阻率、極化率、卡尼亞視電阻率等，也可以是電位或磁場(chǎng)值。引入視電阻率的概念主要的目是為了更好的了解異常的形態(tài)，便于分析或解釋，視電阻率與供電電流無(wú)關(guān)。而實(shí)際中供電電流與信噪比有較大的關(guān)系而直接影響到探測(cè)深度，所以用視電阻率、卡尼亞視電阻率等中間變量計(jì)算的結(jié)果有一定的局性。

對(duì)A和B兩個(gè)值進(jìn)行比較是否小于E(在比較前要保證A、B的單位一致)，此處的E是計(jì)算機(jī)誤差，可以取千分之一，或萬(wàn)分之一，主要處決于計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和工作速度的要求。如果A、B的差大于E，則在其它所有參數(shù)不變的情況下改變埋深，也就是改變異常體與圍巖的空間分布。重新計(jì)算，直到A、B的差小于E為止。這時(shí)所設(shè)定的埋深就認(rèn)為是理論探測(cè)深度。

圖1 理論探測(cè)深度的定義框圖Fig.1 Definition of Theoretical depth of investigation

2 “理論探測(cè)深度”的意義

2.1 理論探測(cè)深度與實(shí)際探測(cè)深度的關(guān)系

實(shí)際的探測(cè)深度是指“在特定的實(shí)際條件下查明探測(cè)目標(biāo)的最大深度”，而理論探測(cè)深度是“在假設(shè)各種條件下能有效區(qū)分探測(cè)目標(biāo)最大深度的理論計(jì)算結(jié)果”。這兩者在定義是不同的。

在計(jì)算理論探測(cè)深度時(shí)，利用的總誤差是固定為一個(gè)定值。而現(xiàn)行的大部分規(guī)范(程)是用均方差來(lái)評(píng)定野外工作質(zhì)量的，這種均方差只是一個(gè)平均值，因此，實(shí)際工作中誤差不是一個(gè)固定值，而是一種隨機(jī)概率事件，可能會(huì)大于或小于某一值。

但這兩者又有聯(lián)系，實(shí)際工作中要精確的確定“特定條件下”一般是不可能，在計(jì)算理論探測(cè)深度時(shí)，一般假設(shè)條件盡可能接近實(shí)際情況，所計(jì)算的理論探測(cè)深度就較為接近實(shí)際的探測(cè)深度。如在實(shí)驗(yàn)室的條件下，理論計(jì)算時(shí)的假設(shè)與物理實(shí)驗(yàn)基本一致，則理論探測(cè)深度就接近于試驗(yàn)中的探測(cè)深度。

對(duì)于勘探程度較高的地區(qū)，如地浸工作中，由于有相當(dāng)多的已知鉆孔資料，這種假設(shè)的精度就可達(dá)到相當(dāng)高的精確性。當(dāng)前基于對(duì)淺部的地質(zhì)情況常常已有相當(dāng)程度的了解，有較多的地勘行業(yè)和地區(qū)都在開展深部探測(cè)的研究。在深部找礦中，把已知的淺部資料輸入到計(jì)算程序中進(jìn)行理論探測(cè)深度的計(jì)算，則所計(jì)算的理論探測(cè)深度對(duì)深部找礦中電法工作的設(shè)計(jì)等也是有較好的參考作用。

2.2 理論探測(cè)度與觀測(cè)總誤差之間的關(guān)系

從所發(fā)表的文獻(xiàn)可總結(jié)出，無(wú)論是實(shí)際探測(cè)深度還是理論探測(cè)深度，一般規(guī)律是誤差越大，探測(cè)深度越淺。而對(duì)于每一種方法，這種關(guān)系不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。如果減少總誤差或提高信噪比，則可減少等值現(xiàn)象，從而提高實(shí)際勘探測(cè)深度。

2.3 理論探測(cè)深度在電法工作設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

地球物理方法工作對(duì)象存在電性差異時(shí)，可以通過(guò)電法勘探來(lái)了解工區(qū)的地電結(jié)構(gòu)。電法勘探的分支較多，有電阻率剖面法、電阻率測(cè)深法，激發(fā)極化法、自然電場(chǎng)法和充電法等;電磁法中有大地電磁測(cè)深法(MT)、音頻大地電磁測(cè)深法、可控源電磁測(cè)深法、甚低頻電磁法、瞬變電磁法和探地雷達(dá)法等。而每一種方法又有不同的工作裝置，如直流電法中有中間梯度裝置、對(duì)稱四極裝置、溫納裝置、偶極裝置等。面對(duì)如此多的方法，選用哪一種方法及裝置是在物探工作設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題。探測(cè)深度是首先要考慮的問(wèn)題。以往常是一些經(jīng)驗(yàn)的方法，如電阻率測(cè)深時(shí)，用極距的三分之一。而這種定性的分析常與實(shí)際工作有時(shí)會(huì)相差很遠(yuǎn)。如果有一個(gè)方便的計(jì)算程序，則可更好的進(jìn)行設(shè)計(jì)。

利用“理論探測(cè)深度”可較為方便了解探測(cè)深度與使用的方法、觀測(cè)的誤差、地面形狀、異常體的形狀、觀測(cè)的裝置等等關(guān)系。這對(duì)電法工作設(shè)計(jì)階段的方法選擇、參數(shù)的選擇是可以起到很好的參考作用。

2.4 理論探測(cè)深度與資料解釋的關(guān)系

目前物探資料的反演及解釋過(guò)程中多是用通過(guò)正演不斷逼近的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在這一過(guò)程中，這種正演計(jì)算與理論探測(cè)深度的正演計(jì)算相同，可以利用各種已有的計(jì)算程序移植到理論探測(cè)深度計(jì)算中。

某一地區(qū)在野外工作以后再進(jìn)行理論探測(cè)深度的計(jì)算，則可以選取較為接近實(shí)際地電模型、干擾誤差等計(jì)算參數(shù)，計(jì)算所得的理論探測(cè)深度則更接近實(shí)際。

另一方面，在野外工作時(shí)一些參數(shù)的范圍常會(huì)取大一些，如探地雷達(dá)中的時(shí)窗、頻率測(cè)深中的低頻部分，這就使得解釋時(shí)在底部的有些數(shù)據(jù)是不可用的。如果有一個(gè)較為可靠的理論探測(cè)深度，則解釋時(shí)對(duì)大于這一深度的資料可以不處理，或在最后成圖時(shí)進(jìn)行白化處理，使圖件更能客觀地反映實(shí)際情況。

2.5 理論探測(cè)深度可為儀器裝置的設(shè)計(jì)、規(guī)程(范)的制定及修訂提供參考

理論探測(cè)深度不盡可用在電法勘探中，而且可應(yīng)用到其它的地球物理方法中，從廣義的角度看“在假設(shè)各種條件下能有效區(qū)分探測(cè)目標(biāo)最大深度的理論計(jì)算結(jié)果”這樣定義，也可用于如重力勘探、磁法勘探、地震勘探、地球物理測(cè)井、放射性勘探等等其它方法。在地球物理儀器、裝置設(shè)計(jì)前先進(jìn)行大量的理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，從中選出較好的參數(shù)為設(shè)計(jì)作參考。隨著近些年的技術(shù)進(jìn)步，電法勘探的一些規(guī)程(范)也面臨著進(jìn)一步制定及修訂，計(jì)算理論探測(cè)深度，找出更多規(guī)律性也可以起到參考的作用。

3 結(jié)論及建議

電法勘探中探測(cè)深度是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，與之相關(guān)的因素很多，許多問(wèn)題還值得進(jìn)一步的研究。本文給出了“理論探測(cè)深度”這個(gè)概念的一個(gè)定義，并且給出了其計(jì)算的框架，愿能起到一個(gè)拋磚引玉的作用。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，特別是數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，電法勘探中的數(shù)值計(jì)算方法也趨于成熟。今后開展物探工作前，可以先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行“理論探測(cè)深度”的多種計(jì)算，這樣對(duì)儀器的設(shè)計(jì)、野外工作的設(shè)計(jì)(包括工作方法及工作參數(shù)選擇)、資料的解釋等都會(huì)有較大的參考價(jià)值。

目前由全國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)物探化探分技術(shù)委員會(huì)編寫的《地球物理勘查名詞術(shù)語(yǔ)》①中國(guó)地質(zhì)調(diào)查.2006.地質(zhì)調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)匯編地球物理勘查第一分冊(cè).中，沒(méi)有將探測(cè)深度、理論探測(cè)深度、實(shí)際探測(cè)深度這些術(shù)語(yǔ)收錄，而這些概念在地球物理勘查中是重要的概念，建議能達(dá)到共識(shí)后收錄其中。

致謝:在論文的修改過(guò)程中，鄧居智教授、審稿專家提出了很多的建議并認(rèn)真進(jìn)行了修訂。在此深表感謝!

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