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高频垂直磁偶极子电磁场勘探深度的研究学术报告
一、作者及发表信息
本研究由朱凯光（Zhu Kai-guang）、林君（Lin Jun）、凌振宝（Ling Zhen-bao）、苏莉蔚（Su Li-wei）、段清明（Duan Qing-ming）共同完成，作者单位包括吉林大学国土资源部现代地球物理仪器开放研究实验室和吉林大学计算机教学中心。研究论文《高频垂直磁偶极子电磁场勘探深度的研究》（Study on Investigation Depth under High Frequency Electromagnetic Fields Caused by Vertical Magnetic Dipole）发表于《吉林大学学报（地球科学版）》（Journal of Jilin University (Earth Science Edition)）2002年第32卷第4期。
二、学术背景
高频电磁法（100 kHz～50 MHz）在农业、地下水勘探、废物处理、考古及土壤工程等领域具有重要应用价值。然而，传统电磁法勘探深度的研究主要集中于低频段（如大地电磁测深法和时间域电磁法），而高频电磁法因传导电流和位移电流的共同作用，其勘探深度的计算与传统方法存在显著差异。本研究旨在探讨均匀半空间电阻率和介电常数对高频电磁法勘探深度的影响，为仪器设计和数据解释提供理论依据。
三、研究流程
1. 模型建立与理论分析
研究采用两层和三层地电模型（图1、图2），通过计算高频垂直磁偶极子在层状模型与均匀半空间模型中的磁场响应，分析勘探深度的变化规律。模型1用于研究均匀半空间的勘探深度，模型2用于分析夹层对勘探灵敏度的影响。
趋肤深度与扩散深度的定义
研究首先明确了趋肤深度（skin depth，频率域概念）和扩散深度（diffusion depth，时间域概念）的定义。趋肤深度表示电磁波衰减至地表幅值1/e时的深度，其计算公式为δfd = √(2/σμ0ω)；扩散深度则描述瞬态电磁场最大值随时间的扩散深度，计算公式为δtd = √(2t/σμ0)。
数值计算与对比分析
通过MATLAB编程（基于文献[5]的方法），计算不同电阻率（ρ）和介电常数（ε）条件下高频磁场的分布。研究参数包括总磁场强度、发射频率（100 kHz～50 MHz）、线圈几何参数（半径0.15 m，距地面0.26 m，收发距4 m）及仪器精度（10-5 T）。
结果验证
对比仅考虑传导电流与同时考虑传导电流和位移电流的磁场计算结果（图4），验证位移电流对高频勘探深度的影响。
四、主要结果
1. 电阻率与勘探深度的关系
高频电磁法中，均匀半空间电阻率越大，勘探深度越大（图4）。例如，当ρ=100 Ω·m时，仅考虑传导电流的勘探深度为2.4 m，而同时考虑两种电流时深度增至5 m，误差达50%，表明位移电流不可忽略。
介电常数与勘探深度的关系
介电常数越大，勘探深度越大（图5），但两层介电常数差异对深度的影响较小。
电阻率差异的影响
两层电阻率差异增大时，勘探深度随之增加，但当差异超过20倍后，深度趋于稳定（图6）。
五、结论与意义
1. 理论贡献
研究证实高频电磁法的勘探深度需同时考虑传导电流和位移电流，传统趋肤深度公式不适用。
2. 应用价值
为高频电磁法在浅层勘探（如地下水检测、污染评估）中的参数选择和仪器设计提供指导。
六、研究亮点
1. 首次系统分析高频电磁法中位移电流对勘探深度的影响。
2. 通过数值模拟量化电阻率和介电常数的贡献，填补了该领域的研究空白。
七、其他价值
研究提出的模型和计算方法可扩展至其他频段电磁法，为复杂地电结构的勘探提供参考。