瞬變電磁原理

1、瞬變電磁法基本原理（1）類別場的性質(zhì)方法名稱應(yīng)用直流電法天然場自然電場法地下水流向、金屬硫化礦電阻率法電剖面法斷層破碎帶、熔巖發(fā)育帶電測深法含水層厚度、埋深高密度電法電剖面法+電測深法激發(fā)極化法地下水、石油、金屬硫化礦充電法地下河、供水裂隙帶交流電法人工場頻率電磁測深法區(qū)域構(gòu)造、石油瞬變電磁法含水層厚度、埋深電磁法找水瞬變電磁法基本原理（2）瞬變電磁法或稱時間域電磁法（Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM），利用不接地回線（線圈）向被測地質(zhì)體發(fā)射脈沖式電場作為場源（一次場），以激勵被測地質(zhì)體產(chǎn)生二次場，在發(fā)射脈沖的間隙利用接收回線（線圈）接收二次場隨時間

2、變化的響應(yīng)。從接收的二次場數(shù)據(jù)中分析出地質(zhì)體異常導(dǎo)電體的位置，從而達到解決地質(zhì)問題的目的。 瞬變電磁法基本原理（3）瞬變電磁法基本原理（4） 前面提到測量數(shù)據(jù)是在脈沖間隙中得到前面提到測量數(shù)據(jù)是在脈沖間隙中得到的，理論上不存在一次場源的干擾，這稱之的，理論上不存在一次場源的干擾，這稱之為時間上的可分性。為時間上的可分性。根據(jù)傅立葉變換理論可知，方波脈沖可根據(jù)傅立葉變換理論可知，方波脈沖可視為許多不同頻率的組合，不同延時觀測的視為許多不同頻率的組合，不同延時觀測的主要頻率成分不同，相應(yīng)時間的場在主要頻率成分不同，相應(yīng)時間的場在地質(zhì)體地質(zhì)體中的傳播速度不同，調(diào)查深度也就不同，這中的傳播速度不同，調(diào)

3、查深度也就不同，這稱之為空間的可分性。稱之為空間的可分性。瞬變電磁法特點就基于這兩個可分性瞬變電磁法特點就基于這兩個可分性。瞬變電磁響應(yīng)過程（瞬變電磁響應(yīng)過程（1）在導(dǎo)電率為s、磁導(dǎo)率為的均勻地質(zhì)體表面敷設(shè)面積為S的矩形發(fā)射回線中供以階躍電流。在電流斷開之前（t0時），發(fā)射電流在回線周圍的地質(zhì)體和空間中建立起一個穩(wěn)定的磁場。 0001tttI均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過程（均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過程（2）在t=0時刻，將電流突然關(guān)斷，由該電流產(chǎn)生的磁場也立即消失。一次場的劇烈變化通過空氣傳至回線周圍的地質(zhì)體中，并在地質(zhì)體中激發(fā)出感應(yīng)電流以維持發(fā)射電流斷開之前存在的磁場不會立即消失。均勻大地瞬變電磁響應(yīng)

4、過程（均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過程（3）由于介質(zhì)的歐姆損耗，這一感應(yīng)電流將迅速衰減，由它產(chǎn)生的磁場也隨之迅速衰減，這種迅速衰減的磁場又在其周圍介質(zhì)感應(yīng)出新的強度更弱的渦流。這一過程繼續(xù)下去，直至地質(zhì)體的歐姆損耗將磁場能量消耗殆盡。這便是地質(zhì)體中的瞬變電磁過程，伴隨這一過程的地磁場就是地質(zhì)體的瞬變電磁場。 均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過程（均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過程（4）在瞬變過程早期階段，高頻諧波占主導(dǎo)地位。由于高頻的趨膚效應(yīng)，渦旋電流主要集中在導(dǎo)電介質(zhì)的表層附近且阻礙電磁場向地質(zhì)體深處傳播。所以早期階段主要反映地質(zhì)體斷面上部地質(zhì)信息。隨著時間的推移，高頻成分被導(dǎo)電介質(zhì)吸收，從而低頻成分占主導(dǎo)地位。它在導(dǎo)電

5、地質(zhì)體中激發(fā)出很強的渦旋電流。然而由于熱損耗，這些渦旋電流場很快就消失了。在瞬變過程的晚期，局部地質(zhì)體中的渦流實際上全部消失，而在各個地層中的渦流磁場之間連續(xù)的相互作用使場均勻化和使電流均勻分布，晚期場將依賴于斷面的總縱向電導(dǎo)。均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過程（均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過程（4）決定瞬變過程狀態(tài)的基本參數(shù)是場的瞬變時間。瞬變時間t依賴于地質(zhì)體的導(dǎo)電性和發(fā)收距離。在近區(qū)和高阻巖石區(qū)，瞬變時間很短幾十幾百毫秒。在斷面中賦存著良導(dǎo)地質(zhì)體時這一過程變緩。在遠區(qū)，瞬變時間可達到幾十秒，而在良導(dǎo)地質(zhì)體上有時達到一分鐘或更長。由此可見，研究電磁場的瞬變過程可得到不同電導(dǎo)率地層系列的地質(zhì)信息及總縱向電導(dǎo)，

6、也可以分離出斷面中的高導(dǎo)電帶。瞬變電磁法的瞬變電磁法的“煙圈煙圈”理論理論 （1）瞬變電磁法物理基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)原理，據(jù)此理論，在電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率均勻的地質(zhì)體上，敷設(shè)輸入階躍電流的回線，當發(fā)送回線中電流突然斷開時，在下半空間就要被激勵起感應(yīng)渦流場以維持在斷開電流前存在的磁場，此瞬間的電流集中在回線附近的地質(zhì)體表面，并按指數(shù)規(guī)律衰減。隨后，面電流開始擴散到地質(zhì)體下半空間中，在切斷電流后的任意晚期時間里，感應(yīng)渦流呈多個層殼的環(huán)帶狀，隨著時間的延長，渦流場將向下及向外擴散。感應(yīng)渦流場在地質(zhì)體表面引起的磁場為整個“環(huán)帶”各個渦流層的總效應(yīng)，這種效應(yīng)可以用一個簡單的電流環(huán)等效，表現(xiàn)為一系列與發(fā)送線圈同形狀并

7、且向下向外擴散的電流環(huán)，通常稱之為“煙圈”。 瞬變電磁法的瞬變電磁法的“煙圈煙圈”理論理論 （2）在發(fā)送一次脈沖磁場的間歇期間，觀測由地質(zhì)體受激勵引起的渦流產(chǎn)生的隨時間變化的感應(yīng)二次場的強度。地質(zhì)體介質(zhì)被激勵所感應(yīng)的二次渦流場的強弱決定于地質(zhì)體介質(zhì)所耦合的一次脈沖磁場磁力線的多少，即二次場的大小與地下介質(zhì)的電性有關(guān)：（1）低阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場衰減速度緩慢，二次場電壓較大；（2）高阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場衰減速度較快，二次場電壓較小。根據(jù)二次場衰減曲線的特征，就可以判斷被測地質(zhì)體的電性、性質(zhì)、規(guī)模和產(chǎn)狀等，由于瞬變電磁儀接收的信號是二次渦流場的電動勢（即二次電位），因此，瞬變電磁作為一種時間域的人工源

8、地球物理電磁感應(yīng)探測方法，是根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造本身存在的物性差異來間接判斷相關(guān)地質(zhì)現(xiàn)象的一種有效的地質(zhì)勘探手段。 瞬變電磁法的瞬變電磁法的“煙圈煙圈”理論理論 （3）任一時刻地下渦旋電流在地表產(chǎn)生的磁場可以等效為一個水平環(huán)狀線電流的磁場。在發(fā)射電流剛關(guān)斷時，該環(huán)狀線電流緊接發(fā)射回線，與發(fā)射回線具有相同的形狀。隨著時間的推移，該電流環(huán)向下、向外擴散，并逐漸變形為圓電流環(huán)。附圖示意了發(fā)射電流關(guān)斷后不同時刻地下等效電流環(huán)的分布。從圖中可以看到，等效電流環(huán)很像從發(fā)射回線中“吹”出的一系列“煙圈” 。瞬變電磁法的瞬變電磁法的“煙圈煙圈”理論理論 （4）“煙圈”的半徑r、深度d的表達式分別為： （5-3-1）

9、（5-3-2）式中：a為發(fā)射線圈半徑，當發(fā)射線圈半徑對于“煙圈”半徑很小時，可得tan=d/r1.07，47，故“煙圈”將沿47傾斜錐面擴散，其向下傳播的速度為： （5-3-3）從式（5-3-1）到式（5-3-3）可以看出：感應(yīng)渦流擴散的速度與地質(zhì)體電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率有關(guān)。導(dǎo)電性和磁導(dǎo)率越好，擴散速度越慢，在導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性較好的地質(zhì)體上，能在更長的延時后觀測到大地瞬變電磁場。202/8atcr0/4 td ttdV02546479.02)/8(2c礦井瞬變電磁法特點（1） 從煙圈效應(yīng)的觀點看，早期瞬變電磁場是由近地表的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，反應(yīng)淺部電性分布，晚期瞬變電磁場是由深部的感應(yīng)電磁場產(chǎn)生的，反映

10、深部的電性分布。因此，觀測和研究大地瞬變電磁場隨時間的變化規(guī)律，可以探測大地電位的垂向變化，這便是瞬變電磁測深的原理。 礦井瞬變電磁法由于受儀器煤安條件限制、施工環(huán)境限制、測量線圈大小限制等諸多因素，其勘探深度不如地面深，一般深度小于100 m左右， 井下為全空間瞬變響應(yīng)，這種瞬變響應(yīng)來自于回線平面上下(或前后)地層，井下的支護、軌道等鐵構(gòu)件屬于良導(dǎo)體，這對確定異常體的位置帶來困難。礦井瞬變電磁法特點（2） 由于井下測量環(huán)境不同于地面，不可能采用地表測量時的大線圈(地面線圈邊長都大于50 m)、大電流裝置，只能采用邊長小于3 m的多匝小線框，因此數(shù)據(jù)采集勞動強度小，測量設(shè)備輕便，工作效率高、成

11、本低。 由于采用小線圈測量，點距更密(一般為2 -3 m)，降低了體積效應(yīng)的影響，提高了勘探分辨率，特別是橫向分辨率 由于是小電流、小線圈，就造成一次場強小，所得到的二次感應(yīng)場也小，二次場容易被人文電磁場噪聲干擾、甚至淹沒。礦井瞬變電磁法特點（3） 井下測量裝置排除天電干擾，提高了測量信號的信噪比。 可以將線圈置于巷道底板測量，探測巷道底板下一定深度內(nèi)含水異常體垂向和橫向發(fā)育規(guī)律， 可以將線圈直立于巷道內(nèi)，當線圈面平行巷道掘進前方，可進行超前探測;當線圈面平行于巷道側(cè)面煤層，可探測工作面內(nèi)和頂、底板一定范圍內(nèi)含水低阻異常體的發(fā)育規(guī)律礦井瞬變電磁法特點（4） 由于瞬變電磁法關(guān)斷時間、一次場干擾等

12、因素的影響，與其它物探方法相比，無法探測到更淺部的異常體(淺部2-10 m左右）觀測數(shù)據(jù) 用發(fā)送脈沖電流幅值歸一化的參數(shù)： V（t）/I值，以uV/A為計量單位 感應(yīng)磁場B值： B（t）/I，以nV/（m2A）為計量單位其中：Sn：接收線圈等效面積，N：發(fā)射匝數(shù) I：發(fā)射電流觀測數(shù)據(jù) 用發(fā)送脈沖電流幅值歸一化的參數(shù)： V（t）/I值，以uV/A為計量單位 感應(yīng)磁場B值： B（t）/I，以nV/（m2A）為計量單位其中：Sn為接收線圈等效面積，N為匝數(shù)視電阻率（1） 視電阻率是形象表達地下電性結(jié)構(gòu)的一種常用參數(shù)，因此也往往通過某種算法將時間域瞬變電磁法（）觀測到的感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)化為視電阻率參數(shù)進行

13、瞬變電磁響應(yīng)的地球物理解釋 由于瞬變場與一維層狀介質(zhì)表面的瞬變場表達式之間存在著復(fù)雜的隱函數(shù)關(guān)系，難以用解析法導(dǎo)出視電阻率與場之間的顯式反函數(shù)，通常只能使用各種近似定義方法、精確定義再通過數(shù)值計算的方法，求視電阻率與場之間的顯式反函數(shù) 近似定義方法即所謂的早期和晚期視電阻率定義，數(shù)值計算方法則是全區(qū)視電阻率定義視電阻率（2） 視電阻率r 以m為計量單位 重疊回路晚期視電阻率計算公式r = 6.3210-3L4/3S2/3V(t)/I-2/3t-5/3其中：L：線圈邊長，以m為單位 S：接收面積，以m2為單位 V(t)/I ：歸一化值，以uV/A為單位 t ：測道時間，以ms為單位 本計算公式是

14、理想條件下半空間晚期視電阻率計算公式 干擾和噪聲（1） 低于1Hz的噪聲主要來自地球磁場的微脈動。 5Hz 25kHz的噪聲源主要是雷電或人文噪聲，其中雷電在8Hz、14Hz、20Hz、26Hz、32Hz頻點的電磁場相對較強，但雷電對井下的干擾非常微弱，其影響可忽略不計。 赤道或熱帶地區(qū)的電磁噪聲比中緯度地區(qū)高200多倍，中緯度地區(qū)的夏天比冬天的干擾高100多倍，一天之內(nèi)的中午比早晚高10多倍。干擾和噪聲（2） 電網(wǎng)噪聲主要來自工頻50Hz及其諧波，干擾水平可高達百mV級別。 電氣設(shè)備開啟、關(guān)閉及工作過程會產(chǎn)生高值脈沖干擾。 接收線圈的擺動，可感應(yīng)出低頻干擾，幅度可達10uV以上。 器件性能差異、電路設(shè)計、PCB電路布板等都亦能產(chǎn)生儀器機