趋肤效应原理不适用于大地电磁测深

趋肤效应原理不适用于大地电磁测深——质疑卡尼亚视电阻率大地电磁理论及应用技术郑州地象科技有限公司寇尼亚视电阻率大地电磁测深假设，大地电磁测深适用导体交变磁场电荷的趋肤效应原理，不同周期（频率）的电磁场信号相应地具有不同的穿透深度，自上而下的电磁波在相应深度介质层形成二次场后再反射到地面，通过观测二次场的变化来获得不同深度介质电阻率分布的信息，从而达到探测地下各深度层介质电性结构的目的。地象科技MTVCT大地电磁镜像测深法认为，大地电磁场源信号以电磁波形式穿过固定不变的介质层到达地面，完全符合原求解区域所满足的泊松或拉普拉斯方程和边界条件不变的唯一性定理要求，拾取信号中对应于不同波长（频率）的值就是在地下一个波长深度介质层的电磁波能量的镜像值。通过采集不同波长（频率）对应深度层电磁波剩余能量值，来认知地下介质的结构与构造。一、趋肤效应与趋肤深度原理概述及套用1、导体的趋肤效应与趋肤深度原理在电磁学中，交流电流流过导体时，交替变化的电流在导体中所产生的交变磁场对电荷的推斥作用力，所产生的电流涡流会迫使电流电荷向导体的表面集中，使得导体的实际有效载流面积减小。这种交流电流流过导体时电流向导体表面集中的现象，称之为交流电流的趋肤效应。电流离开导体载流截面表面至中心1/e密集层的厚度，可以用趋肤效应深度来衡量。2、导体趋肤效应的作用及问题因趋肤效应作用使得交流电在导体内部电流密度在导体表面附近最大，并具有随着至导体中心深度增加呈指数下降的趋势。为解决趋肤效应会使得导线电阻增加、输电效率下降问题，一般采取的措施：一是因相同截面积导线的表面积越大、等效电阻越小，利用互相绝缘的多根细导线代替单根实心导线，可以降低导线的交流电阻以降低趋肤效应的影响；二是在高压大电流架空电力线使用带有钢制加强芯的铝电缆，以增加线强度并降低成本；三是应用空心导体管取代实心管，在几乎不影响交流导电的前提下大大减轻导体的重量、节省材料；四是选择高压直流电用于长距离输电。3、卡尼亚法假定趋肤效应原理适用于大地电磁测深卡尼亚法假定天上大地电磁场源以交变的平面电磁波射入地下，穿透地层时适用趋肤效应原理，不同周期（频率）的电磁波信号相应地具有不同的穿透（趋肤）深度；由于不同地质体的导电性不同，大地电磁场穿透不同介质时产生的感应二次场的强度亦不同，通过研究大地对电磁场的频率响应，观测二次场的变化来获得不同深度介质电阻率分布的信息，从而达到探测地下各深度层介质电性结构的目的。二、对趋肤效应原理适用于大地电磁测深的质疑1、大地电磁测深套用趋肤效应原理的条件不符在导线中电流受到电场的驱动沿导线方向运动，会在导体中产生变化的磁场、并沿导线截面产生环路电场，这个电场形成的涡流，在导线边缘处与电流方向相同、而在内部则于与电流方向相反，从而导致电流密度趋于集中在导体表层。大地电磁法若是套用趋肤效应原理，则应是以电离层为轴线（层）、从天而降的电磁波垂直于地表射入大地，电磁波在趋肤效应作用下、对应于某一频点深度层时会汇聚形成二次场。然而，电离层是包裹在地球外的球形体，电离层之上自卡门线为起点外太空的电子密度明显降低，与由均匀导线产生趋肤效应的条件大相径庭。2、导体的趋肤深度与大地电磁法的勘探深度概念完全相悖趋肤深度的定义是从导体表面电流密度至圆心下降到0.368（即1/e）时的厚度（深度）。趋肤深度分别与角频率ω（或频率）、磁导率（μ）和电导率（σ）的开平方成反比，即频率越高、磁导率和电导率越大，趋肤深度（距离导线表面长度）就越小，反之就越大。按照卡尼亚法对于趋肤深度的解释，应该是电磁波自地面向下到达某一频点所对应的深度层（相当于导体表层）时，电磁波能量会在该深度层汇集形成二次场（密度最大）再反射回地面。由此可见，导体的趋肤深度与大地电磁法的勘探深度概念是完全相悖的：一是前者是以电流密度最大的导体表面为起点向内渐减计算趋肤深度，后者则是以地面为起点、以某一频点电磁波经过一路衰减到达相应终点（最深层）时计算趋肤深度，两者密度最大层的起始点位置正好相反。二是前者定义趋肤深度是从导体表面电流密度最大层至导线轴心下降到0.368（即1/e）时的厚度（深度），即在此深度段内电流密度由外向内逐渐减小到1/e；而后者则是说某一频点电磁波到达相应趋肤深度层时电磁波能量都会汇聚在该层、并形成二次场，然后再反射到地面，所测仅仅是对应频点深度单层的二次场信号。三是既然大地电磁场源在天上的电离层（相当于导线轴心），电磁波向下辐射穿过地表达到与各频率对应的趋肤深度层形成二次场时，按其所说的应该是该层汇聚的电磁波能量密度最大，而事实上应该是自天而降的电磁波在地表时最强，射入地下后所过介质层会对其能量逐渐吸收衰减，到达所谓的趋肤深度后形成二次场反射到地面，重复往返途中更是将电磁波能量衰减成了微小电磁信号，与趋肤效应致电流密度外层最大化的原理根本不符。三、地象科技MTVCT大地电磁法镜像测深原理1、静电磁场的镜像原理镜像法是直接建立在唯一性定理基础上的一种求解静电场问题的方法。在静电磁学中常遇到在特殊形状的边界条件中，由几个点电荷和电流求静电磁场问题，我们可用放在研究区域外像电荷代替介质分界面上的极化电荷来求解，这种方法称为镜像法。镜像法的特点是不直接求解电位函数所满足的泊松或拉普拉斯方程，而是在所求区域外用简单的镜像电荷代替边界面上的感应电荷或极化电荷。由于镜像法不仅可用于静电场，而且可用于静磁域或迅变电磁场。2、大地电磁镜像测深原理对于大地电磁物探方法而言，地球内部大地电磁场源信号以电磁波形式向地面传播，穿过固定不变的介质层到达地面，完全符合原求解区域所满足的泊松或拉普拉斯方程和边界条件不变的唯一性定理要求，拾取信号中对应于不同波长（频率）的值就是在地下一个波长深度介质层的电磁波能量的镜像值。我们在地面采集的频率域大地电磁场信息中，每一个频率点都对应着一个固定的波长，而一个频率点采集到的信号值就等效于与波长距离相等深度介质层电磁波的能量值（或幅值）。波长随着频率的增大而变短，频率越高，波长越短，镜像值对应的探测深度越浅；相反，频率越低，波长越大，镜像值对应的探测深度就越深。3、镜像测深原理在地象科技MTVCT大地电磁镜像测深探测仪上的应用地象科技MTVCT系列探测仪仅使用一个垂置于地面的磁感应探头，横向分辨率可小于1米。因频点呈对数曲线均匀分布，频率越低、探测深度及间隔越大，所以深度越大采集信号花费的时间就越长、纵向分辨率相对越低。依据镜像理论认定每个频点对应一个固定不变的地层深度（波长），可以按照勘探需要将选定采集频点及其对应地层深度预设相应机型上，探测结束后用专用软件自动生成分析图表，地象科技MT