关于主动源电场频率选择方法可行性的实验研究

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Experimental study on the feasibility of an active-source electric field frequency selection method

　　

• •
  在电磁干扰严重的地区，地电场频率选择法（TEFSM）的实用性会大幅下降。
• •
  混频法（MALM）能够有效避开人为产生的电磁噪声，精准识别与充电点相连的含水空洞。
• •
  在MALM充电场中运用TEFSM时，可成功识别出包括那些与充电点无关的含水空洞。
• •
  主动源电磁法为地质勘探提供了一种可行的方法，值得进一步研究。

引言

频率选择法（FSM）包括地电场频率选择法（TEFSM）和地磁场频率选择法（TMFSM）（Yang等人，2025a）。由于TMFSM是近期才提出的，所以TEFSM长期以来一直被简称为FSM。TEFSM是在20世纪80年代由中国学者模仿音频频段磁通量法（AMT）的观测技术而提出的（Yang等人，2017）。该方法通过在若干或数十个固定频率下监测地球磁通量场的水平电场分量来工作。它在地下水勘探中取得了令人满意的结果（Song等人，2021；Yang等人，2023a），并且已被全球广泛采用（Kingston等人，2022；Melchinov和Pavlov，2022；Ravindran和Abishek，2022；Adagunodo等人，2023；Isah等人，2023；Puspitasari等人，2023）。

由于TEFSM依赖于自然信号，其主要的场源本质上十分复杂。此外，需要指出的是，与磁通量法（MT）和AMT方法相比，TEFSM的勘探深度通常较浅——这类方法一般用于300米以内的地下水勘探（Alabi等人，2020；Gomo，2023；Yang等人，2025a、2025b）。历史上，学者们对TEFSM的场源存在不同观点，由此形成了关于其异常现象的三种主要假说，同时也为TEFSM提出了相应的命名（见表1）。实际上，这三种观点都有一定道理；不过，根据不同的勘探环境，主导的场源会有很大差异。

电子技术的最新发展使得频率选择器能够实现智能数据采集，从而将可采样的频率范围从少数几个扩大到数十个。这一进步有助于更深入地理解TEFSM的异常现象。经过大量的实地实践和研究，Yang等人（2023a、2023b、2025a）提出，在人类干扰很小的区域，TEFSM异常现象的主要成因是与磁通量法相关的静态位移。

混频法（MALM）是一种成熟的电阻率测量方法，被广泛用于矿产勘探、环境评估和水文地质调查中，以识别地下导电体（Osiensky等人，1997；Gallas，2023；Mozafari等人，2022）。不过，它的应用范围有限，仅适用于那些连接良好、导电性高的目标，也就是那些与电流注入电极有电气连接的目标。相比之下，传统的被动电磁方法——包括被动TEFSM、音频磁通量法（AMT）和瞬变电磁法（TEM）——在强烈的人为电磁干扰环境下往往会产生质量不佳甚至无法使用的数据，这就限制了它们的实际应用价值。正是出于这些限制，本研究在一家废弃煤矿的空洞处——该地点存在强烈的电磁干扰——对TEFSM和MALM进行了实验性应用，具体研究了MALM充电场对TEFSM所得勘探结果的影响。据作者所知，此前尚无研究将MALM充电场作为主动源来增强TEFSM，以便在TEM和AMT无法使用的强电磁干扰环境中检测含水空洞。因此，本文的主要目的是验证通过将TEFSM与MALM协同整合而成的主动源TEFSM，在强电磁干扰环境中检测含水空洞的可行性。

章节摘录

地理与气候

高木冲煤矿位于中国湖南省双峰县西部的朝阳矿区，隶属于三塘铺镇（见图1）。该矿区的面积约为0.242平方公里，地理坐标介于北纬27°24'48"至27°25'16"，东经112°01'28"至112°02'07"之间。研究区域为侵蚀构造形成的丘陵地貌，海拔在110米到177.4米之间。地表植被为

被动TEFSM

在没有人为电磁干扰的情况下，可以认为磁通量场的场源是从上层大气垂直向地球表面传播的。假设该场源具有谐波时间特性，圆频率为ω，相位因子为e?(iωt)，其中i为虚数单位（i2 = –1），t表示时间，那么描述谐波电磁场的波动方程如方程（1）和方程（2）所示（Li和He，2021）：$$$$其中H（A/m）和E（V/m）分别代表磁场矢量和电场矢量，

地球物理勘探

图7展示了在没有MALM充电站的情况下，使用TC150设备在L1和L2勘测线上获得的TEFSM结果。数据采集时间为2025年6月21日。在没有显著噪声的情况下，对于像含水空洞这样的高导电目标，TEFSM测量通常会得到强度较高、空间分布一致的低电位异常，且在三个工作频率下都能观察到同步的响应特征（Yang等人，2017、2023a；Yang，1982）。

然而，

讨论

根据实验结果，主动源TEFSM在抗干扰能力、探测范围以及作业效率方面，均优于被动源TEFSM和MALM。这三种方法的对比总结见表4。

本研究是对主动源TEFSM的初步实验探索，主要目的是评估其用于探测浅层含水空洞的可行性。目前仍存在一些需要

结论

基于本研究中对TEFSM和MALM的野外应用分析，可得出以下结论：

• (1)
  在高压输电线路和电气设备等强电磁干扰源存在的区域，单独使用TEFSM会受到严重影响，无法提供有用的地质信息。
• (2)
  MALM方法能够有效避开人为电磁噪声，精准识别与充电点相连的浅层含水空洞。
• (3)
  当进行TEFSM检测时

利益冲突声明

所有作者均未披露任何利益冲突。

数据获取方式

本研究中的数据，可在合理请求下从第一作者或通讯作者处获取。

CRediT作者贡献说明

张业鹏：资金筹集、数据整理、概念构思。Theophilus Aanuoluwa Adagunodo：文章撰写与修改、项目管理、方法设计、实验研究、概念构思。秦琴：文章初稿撰写、数据可视化、结果验证、监督指导、方法设计、实验研究、概念构思。杨天春：文章初稿撰写、结果验证、监督指导、资源协调、方法设计、实验研究、概念构思。朱茂月：实验研究、数据分析、数据整理

未引用参考文献

Yang等人，2026年。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

感谢黄瑞、余奇朗和丁继军在野外试验中提供的帮助。

Tianchun Yang|Qin Qin|Theophilus Aanuoluwa Adagunodo|Yepeng Zhang|Shaosheng He|Maoyue Zhu