瞬變電磁原理課件

瞬變電磁法基本原理（1）1ppt課件瞬變電磁法基本原理（1）1ppt課件瞬變電磁法基本原理（2）瞬變電磁法或稱(chēng)時(shí)間域電磁法（TransientElectromagneticMethod，簡(jiǎn)稱(chēng)TEM），利用不接地回線（線圈）向被測(cè)地質(zhì)體發(fā)射脈沖式電場(chǎng)作為場(chǎng)源（一次場(chǎng)），以激勵(lì)被測(cè)地質(zhì)體產(chǎn)生二次場(chǎng)，在發(fā)射脈沖的間隙利用接收回線（線圈）接收二次場(chǎng)隨時(shí)間變化的響應(yīng)。從接收的二次場(chǎng)數(shù)據(jù)中分析出地質(zhì)體異常導(dǎo)電體的位置，從而達(dá)到解決地質(zhì)問(wèn)題的目的。2ppt課件瞬變電磁法基本原理（2）瞬變電磁法或稱(chēng)時(shí)間域電磁法（Tran瞬變電磁法基本原理（3）

3ppt課件瞬變電磁法基本原理（3） 3ppt課件瞬變電磁法基本原理（4）

前面提到測(cè)量數(shù)據(jù)是在脈沖間隙中得到的，理論上不存在一次場(chǎng)源的干擾，這稱(chēng)之為時(shí)間上的可分性。 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(shí)觀測(cè)的主要頻率成分不同，相應(yīng)時(shí)間的場(chǎng)在地質(zhì)體中的傳播速度不同，調(diào)查深度也就不同，這稱(chēng)之為空間的可分性。 瞬變電磁法特點(diǎn)就基于這兩個(gè)可分性。4ppt課件瞬變電磁法基本原理（4） 前面提到測(cè)量數(shù)據(jù)是在脈沖間隙中得到瞬變電磁響應(yīng)過(guò)程（1）在導(dǎo)電率為s、磁導(dǎo)率為μ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(kāi)之前（t<0時(shí)），發(fā)射電流在回線周?chē)牡刭|(zhì)體和空間中建立起一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng)。5ppt課件瞬變電磁響應(yīng)過(guò)程（1）在導(dǎo)電率為s、磁導(dǎo)率為μ的均勻地質(zhì)體表均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過(guò)程（2）

在t=0時(shí)刻，將電流突然關(guān)斷，由該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)也立即消失。一次場(chǎng)的劇烈變化通過(guò)空氣傳至回線周?chē)牡刭|(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(kāi)之前存在的磁場(chǎng)不會(huì)立即消失。

6ppt課件均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過(guò)程（2） 在t=0時(shí)刻，將電流突然關(guān)斷均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過(guò)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(chǎng)也隨之迅速衰減，這種迅速衰減的磁場(chǎng)又在其周?chē)橘|(zhì)感應(yīng)出新的強(qiáng)度更弱的渦流。這一過(guò)程繼續(xù)下去，直至地質(zhì)體的歐姆損耗將磁場(chǎng)能量消耗殆盡。這便是地質(zhì)體中的瞬變電磁過(guò)程，伴隨這一過(guò)程的地磁場(chǎng)就是地質(zhì)體的瞬變電磁場(chǎng)。

7ppt課件均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過(guò)程（3） 由于介質(zhì)的歐姆損耗，這一感應(yīng)均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過(guò)程（4）

在瞬變過(guò)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(chǎng)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(shí)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)電地質(zhì)體中激發(fā)出很強(qiáng)的渦旋電流。然而由于熱損耗，這些渦旋電流場(chǎng)很快就消失了。 在瞬變過(guò)程的晚期，局部地質(zhì)體中的渦流實(shí)際上全部消失，而在各個(gè)地層中的渦流磁場(chǎng)之間連續(xù)的相互作用使場(chǎng)均勻化和使電流均勻分布，晚期場(chǎng)將依賴(lài)于斷面的總縱向電導(dǎo)。8ppt課件均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過(guò)程（4） 在瞬變過(guò)程早期階段，高頻諧波均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過(guò)程（4）

決定瞬變過(guò)程狀態(tài)的基本參數(shù)是場(chǎng)的瞬變時(shí)間。瞬變時(shí)間t依賴(lài)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(shí)間很短——幾十～幾百毫秒。在斷面中賦存著良導(dǎo)地質(zhì)體時(shí)這一過(guò)程變緩。在遠(yuǎn)區(qū)，瞬變時(shí)間可達(dá)到幾十秒，而在良導(dǎo)地質(zhì)體上有時(shí)達(dá)到一分鐘或更長(zhǎng)。 由此可見(jiàn)，研究電磁場(chǎng)的瞬變過(guò)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)，也可以分離出斷面中的高導(dǎo)電帶。9ppt課件均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過(guò)程（4） 決定瞬變過(guò)程狀態(tài)的基本參數(shù)是瞬變電磁法的“煙圈”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(dāng)發(fā)送回線中電流突然斷開(kāi)時(shí)，在下半空間就要被激勵(lì)起感應(yīng)渦流場(chǎng)以維持在斷開(kāi)電流前存在的磁場(chǎng)，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(kāi)始擴(kuò)散到地質(zhì)體下半空間中，在切斷電流后的任意晚期時(shí)間里，感應(yīng)渦流呈多個(gè)層殼的環(huán)帶狀，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，渦流場(chǎng)將向下及向外擴(kuò)散。感應(yīng)渦流場(chǎng)在地質(zhì)體表面引起的磁場(chǎng)為整個(gè)“環(huán)帶”各個(gè)渦流層的總效應(yīng)，這種效應(yīng)可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的電流環(huán)等效，表現(xiàn)為一系列與發(fā)送線圈同形狀并且向下向外擴(kuò)散的電流環(huán)，通常稱(chēng)之為“煙圈”。

10ppt課件瞬變電磁法的“煙圈”理論（1） 瞬變電磁法物理基礎(chǔ)是電磁瞬變電磁法的“煙圈”理論（2）

在發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)的間歇期間，觀測(cè)由地質(zhì)體受激勵(lì)引起的渦流產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的感應(yīng)二次場(chǎng)的強(qiáng)度。 地質(zhì)體介質(zhì)被激勵(lì)所感應(yīng)的二次渦流場(chǎng)的強(qiáng)弱決定于地質(zhì)體介質(zhì)所耦合的一次脈沖磁場(chǎng)磁力線的多少，即二次場(chǎng)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(chǎng)衰減速度緩慢，二次場(chǎng)電壓較大； （2）高阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場(chǎng)衰減速度較快，二次場(chǎng)電壓較小。 根據(jù)二次場(chǎng)衰減曲線的特征，就可以判斷被測(cè)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(hào)是二次渦流場(chǎng)的電動(dòng)勢(shì)（即二次電位），因此，瞬變電磁作為一種時(shí)間域的人工源地球物理電磁感應(yīng)探測(cè)方法，是根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造本身存在的物性差異來(lái)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。11ppt課件瞬變電磁法的“煙圈”理論（2） 在發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)的間歇期瞬變電磁法的“煙圈”理論（3）

任一時(shí)刻地下渦旋電流在地表產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以等效為一個(gè)水平環(huán)狀線電流的磁場(chǎng)。在發(fā)射電流剛關(guān)斷時(shí)，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(shí)間的推移，該電流環(huán)向下、向外擴(kuò)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(shí)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”。12ppt課件瞬變電磁法的“煙圈”理論（3） 任一時(shí)刻地下渦旋電流在地表瞬變電磁法的“煙圈”理論（4）“煙圈”的半徑r、深度d的表達(dá)式分別為：（5-3-1） （5-3-2）式中：a為發(fā)射線圈半徑，當(dāng)發(fā)射線圈半徑對(duì)于“煙圈”半徑很小時(shí)，可得tanθ=d/r≈1.07，θ≈47°，故“煙圈”將沿47°傾斜錐面擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(zhǎng)的延時(shí)后觀測(cè)到大地瞬變電磁場(chǎng)。13ppt課件瞬變電磁法的“煙圈”理論（4）“煙圈”的半徑r、深度d的表礦井瞬變電磁法特點(diǎn)（1）從煙圈效應(yīng)的觀點(diǎn)看，早期瞬變電磁場(chǎng)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(chǎng)是由深部的感應(yīng)電磁場(chǎng)產(chǎn)生的，反映深部的電性分布。因此，觀測(cè)和研究大地瞬變電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以探測(cè)大地電位的垂向變化，這便是瞬變電磁測(cè)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(cè)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100m左右，井下為全空間瞬變響應(yīng)，這種瞬變響應(yīng)來(lái)自于回線平面上下(或前后)地層，井下的支護(hù)、軌道等鐵構(gòu)件屬于良導(dǎo)體，這對(duì)確定異常體的位置帶來(lái)困難。14ppt課件礦井瞬變電磁法特點(diǎn)（1）從煙圈效應(yīng)的觀點(diǎn)看，早期瞬變電磁場(chǎng)是礦井瞬變電磁法特點(diǎn)（2）由于井下測(cè)量環(huán)境不同于地面，不可能采用地表測(cè)量時(shí)的大線圈(地面線圈邊長(zhǎng)都大于50m)、大電流裝置，只能采用邊長(zhǎng)小于3m的多匝小線框，因此數(shù)據(jù)采集勞動(dòng)強(qiáng)度小，測(cè)量設(shè)備輕便，工作效率高、成本低。由于采用小線圈測(cè)量，點(diǎn)距更密(一般為2-3m)，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(chǎng)強(qiáng)小，所得到的二次感應(yīng)場(chǎng)也小，二次場(chǎng)容易被人文電磁場(chǎng)噪聲干擾、甚至淹沒(méi)。15ppt課件礦井瞬變電磁法特點(diǎn)（2）由于井下測(cè)量環(huán)境不同于地面，不可能采礦井瞬變電磁法特點(diǎn)（3）井下測(cè)量裝置排除天電干擾，提高了測(cè)量信號(hào)的信噪比?？梢詫⒕€圈置于巷道底板測(cè)量，探測(cè)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(dāng)線圈面平行巷道掘進(jìn)前方，可進(jìn)行超前探測(cè);當(dāng)線圈面平行于巷道側(cè)面煤層，可探測(cè)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16ppt課件礦井瞬變電磁法特點(diǎn)（3）井下測(cè)量裝置排除天電干擾，提高了測(cè)量礦井瞬變電磁法特點(diǎn)（4）由于瞬變電磁法關(guān)斷時(shí)間、一次場(chǎng)干擾等因素的影響，與其它物探方法相比，無(wú)法探測(cè)到更淺部的異常體(淺部2-10m左右）17ppt課件礦井瞬變電磁法特點(diǎn)（4）由于瞬變電磁法關(guān)斷時(shí)間、一次場(chǎng)干擾等觀測(cè)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u(píng)V/A為計(jì)量單位感應(yīng)磁場(chǎng)B值：

B（t）/I，以nV/（m2×A）為計(jì)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18ppt課件觀測(cè)數(shù)據(jù)用發(fā)送脈沖電流幅值歸一化的參數(shù)：18ppt課件觀測(cè)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u(píng)V/A為計(jì)量單位感應(yīng)磁場(chǎng)B值：

B（t）/I，以nV/（m2×A）為計(jì)量單位其中：Sn為接收線圈等效面積，N為匝數(shù)19ppt課件觀測(cè)數(shù)據(jù)用發(fā)送脈沖電流幅值歸一化的參數(shù)：19ppt課件視電阻率（1）視電阻率是形象表達(dá)地下電性結(jié)構(gòu)的一種常用參數(shù)，因此也往往通過(guò)某種算法將時(shí)間域瞬變電磁法（ＴＥＭ）觀測(cè)到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)化為視電阻率參數(shù)進(jìn)行瞬變電磁響應(yīng)的地球物理解釋由于瞬變場(chǎng)與一維層狀介質(zhì)表面的瞬變場(chǎng)表達(dá)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(chǎng)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(guò)數(shù)值計(jì)算的方法，求視電阻率與場(chǎng)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(jì)算方法則是全區(qū)視電阻率定義20ppt課件視電阻率（1）視電阻率是形象表達(dá)地下電性結(jié)構(gòu)的一種常用參數(shù)，視電阻率（2）視電阻率ρr以Ω·m為計(jì)量單位重疊回路晚期視電阻率計(jì)算公式ρr=6.32×10-3×L4/3S2/3×[V(t)/I]-2/3×t-5/3其中：L：線圈邊長(zhǎng)，以m為單位

S：接收面積，以m2為單位

V(t)/I：歸一化值，以u(píng)V/A為單位

t：測(cè)道時(shí)間，以ms為單位本計(jì)算公式是理想條件下半空間晚期視電阻率計(jì)算公式

21ppt課件視電阻率（2）視電阻率ρr以Ω·m為計(jì)量單位21ppt課件干擾和噪聲（1）低于1Hz的噪聲主要來(lái)自地球磁場(chǎng)的微脈動(dòng)。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(diǎn)的電磁場(chǎng)相對(duì)較強(qiáng)，但雷電對(duì)井下的干擾非常微弱，其影響可忽略不計(jì)。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。22ppt課件干擾和噪聲（1）低于1Hz的噪聲主要來(lái)自地球磁場(chǎng)的微脈動(dòng)。2干擾和噪聲（2）電網(wǎng)噪聲主要來(lái)自工頻50Hz及其諧波，干擾水平可高達(dá)百mV級(jí)別。電氣設(shè)備開(kāi)啟、關(guān)閉及工作過(guò)程會(huì)產(chǎn)生高值脈沖干擾。接收線圈的擺動(dòng)，可感應(yīng)出低頻干擾，幅度可達(dá)10uV以上。器件性能差異、電路設(shè)計(jì)、PCB電路布板等都亦能產(chǎn)生儀器機(jī)內(nèi)噪聲。23ppt課件干擾和噪聲（2）電網(wǎng)噪聲主要來(lái)自工頻50Hz及其諧波，干擾水噪聲的抑制瞬變電磁儀主要干擾之一為50Hz極其諧波。由于二次場(chǎng)信號(hào)為寬頻信號(hào)，頻率范圍主要集中在20KHz以?xún)?nèi)，其中包含的50Hz也屬于有效信號(hào)點(diǎn)，造成傳統(tǒng)的數(shù)字濾波手段難以適用。雙極性處理作為消除工頻干擾的有效手段，在發(fā)射頻率周期為工頻周期整數(shù)倍時(shí)（如發(fā)射頻率2.5Hz、6.25Hz、12.5Hz、25Hz），干擾可被理想抵消。多次疊加作為提高信噪比的主要手段，可有效抑制白噪聲、隨機(jī)干擾、天電干擾等常見(jiàn)噪聲，提高數(shù)據(jù)信噪比。24ppt課件噪聲的抑制瞬變電磁儀主要干擾之一為50Hz極其諧波。由于二次瞬變電磁法基本原理（1）25ppt課件瞬變電磁法基本原理（1）1ppt課件瞬變電磁法基本原理（2）瞬變電磁法或稱(chēng)時(shí)間域電磁法（TransientElectromagneticMethod，簡(jiǎn)稱(chēng)TEM），利用不接地回線（線圈）向被測(cè)地質(zhì)體發(fā)射脈沖式電場(chǎng)作為場(chǎng)源（一次場(chǎng)），以激勵(lì)被測(cè)地質(zhì)體產(chǎn)生二次場(chǎng)，在發(fā)射脈沖的間隙利用接收回線（線圈）接收二次場(chǎng)隨時(shí)間變化的響應(yīng)。從接收的二次場(chǎng)數(shù)據(jù)中分析出地質(zhì)體異常導(dǎo)電體的位置，從而達(dá)到解決地質(zhì)問(wèn)題的目的。26ppt課件瞬變電磁法基本原理（2）瞬變電磁法或稱(chēng)時(shí)間域電磁法（Tran瞬變電磁法基本原理（3）

27ppt課件瞬變電磁法基本原理（3） 3ppt課件瞬變電磁法基本原理（4）

前面提到測(cè)量數(shù)據(jù)是在脈沖間隙中得到的，理論上不存在一次場(chǎng)源的干擾，這稱(chēng)之為時(shí)間上的可分性。 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(shí)觀測(cè)的主要頻率成分不同，相應(yīng)時(shí)間的場(chǎng)在地質(zhì)體中的傳播速度不同，調(diào)查深度也就不同，這稱(chēng)之為空間的可分性。 瞬變電磁法特點(diǎn)就基于這兩個(gè)可分性。28ppt課件瞬變電磁法基本原理（4） 前面提到測(cè)量數(shù)據(jù)是在脈沖間隙中得到瞬變電磁響應(yīng)過(guò)程（1）在導(dǎo)電率為s、磁導(dǎo)率為μ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(kāi)之前（t<0時(shí)），發(fā)射電流在回線周?chē)牡刭|(zhì)體和空間中建立起一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng)。29ppt課件瞬變電磁響應(yīng)過(guò)程（1）在導(dǎo)電率為s、磁導(dǎo)率為μ的均勻地質(zhì)體表均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過(guò)程（2）

在t=0時(shí)刻，將電流突然關(guān)斷，由該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)也立即消失。一次場(chǎng)的劇烈變化通過(guò)空氣傳至回線周?chē)牡刭|(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(kāi)之前存在的磁場(chǎng)不會(huì)立即消失。

30ppt課件均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過(guò)程（2） 在t=0時(shí)刻，將電流突然關(guān)斷均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過(guò)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(chǎng)也隨之迅速衰減，這種迅速衰減的磁場(chǎng)又在其周?chē)橘|(zhì)感應(yīng)出新的強(qiáng)度更弱的渦流。這一過(guò)程繼續(xù)下去，直至地質(zhì)體的歐姆損耗將磁場(chǎng)能量消耗殆盡。這便是地質(zhì)體中的瞬變電磁過(guò)程，伴隨這一過(guò)程的地磁場(chǎng)就是地質(zhì)體的瞬變電磁場(chǎng)。

31ppt課件均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過(guò)程（3） 由于介質(zhì)的歐姆損耗，這一感應(yīng)均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過(guò)程（4）

在瞬變過(guò)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(chǎng)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(shí)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)電地質(zhì)體中激發(fā)出很強(qiáng)的渦旋電流。然而由于熱損耗，這些渦旋電流場(chǎng)很快就消失了。 在瞬變過(guò)程的晚期，局部地質(zhì)體中的渦流實(shí)際上全部消失，而在各個(gè)地層中的渦流磁場(chǎng)之間連續(xù)的相互作用使場(chǎng)均勻化和使電流均勻分布，晚期場(chǎng)將依賴(lài)于斷面的總縱向電導(dǎo)。32ppt課件均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過(guò)程（4） 在瞬變過(guò)程早期階段，高頻諧波均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過(guò)程（4）

決定瞬變過(guò)程狀態(tài)的基本參數(shù)是場(chǎng)的瞬變時(shí)間。瞬變時(shí)間t依賴(lài)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(shí)間很短——幾十～幾百毫秒。在斷面中賦存著良導(dǎo)地質(zhì)體時(shí)這一過(guò)程變緩。在遠(yuǎn)區(qū)，瞬變時(shí)間可達(dá)到幾十秒，而在良導(dǎo)地質(zhì)體上有時(shí)達(dá)到一分鐘或更長(zhǎng)。 由此可見(jiàn)，研究電磁場(chǎng)的瞬變過(guò)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)，也可以分離出斷面中的高導(dǎo)電帶。33ppt課件均勻大地瞬變電磁響應(yīng)過(guò)程（4） 決定瞬變過(guò)程狀態(tài)的基本參數(shù)是瞬變電磁法的“煙圈”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(dāng)發(fā)送回線中電流突然斷開(kāi)時(shí)，在下半空間就要被激勵(lì)起感應(yīng)渦流場(chǎng)以維持在斷開(kāi)電流前存在的磁場(chǎng)，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(kāi)始擴(kuò)散到地質(zhì)體下半空間中，在切斷電流后的任意晚期時(shí)間里，感應(yīng)渦流呈多個(gè)層殼的環(huán)帶狀，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，渦流場(chǎng)將向下及向外擴(kuò)散。感應(yīng)渦流場(chǎng)在地質(zhì)體表面引起的磁場(chǎng)為整個(gè)“環(huán)帶”各個(gè)渦流層的總效應(yīng)，這種效應(yīng)可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的電流環(huán)等效，表現(xiàn)為一系列與發(fā)送線圈同形狀并且向下向外擴(kuò)散的電流環(huán)，通常稱(chēng)之為“煙圈”。

34ppt課件瞬變電磁法的“煙圈”理論（1） 瞬變電磁法物理基礎(chǔ)是電磁瞬變電磁法的“煙圈”理論（2）

在發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)的間歇期間，觀測(cè)由地質(zhì)體受激勵(lì)引起的渦流產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的感應(yīng)二次場(chǎng)的強(qiáng)度。 地質(zhì)體介質(zhì)被激勵(lì)所感應(yīng)的二次渦流場(chǎng)的強(qiáng)弱決定于地質(zhì)體介質(zhì)所耦合的一次脈沖磁場(chǎng)磁力線的多少，即二次場(chǎng)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(chǎng)衰減速度緩慢，二次場(chǎng)電壓較大； （2）高阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場(chǎng)衰減速度較快，二次場(chǎng)電壓較小。 根據(jù)二次場(chǎng)衰減曲線的特征，就可以判斷被測(cè)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(hào)是二次渦流場(chǎng)的電動(dòng)勢(shì)（即二次電位），因此，瞬變電磁作為一種時(shí)間域的人工源地球物理電磁感應(yīng)探測(cè)方法，是根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造本身存在的物性差異來(lái)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。35ppt課件瞬變電磁法的“煙圈”理論（2） 在發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)的間歇期瞬變電磁法的“煙圈”理論（3）

任一時(shí)刻地下渦旋電流在地表產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以等效為一個(gè)水平環(huán)狀線電流的磁場(chǎng)。在發(fā)射電流剛關(guān)斷時(shí)，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(shí)間的推移，該電流環(huán)向下、向外擴(kuò)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(shí)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”。36ppt課件瞬變電磁法的“煙圈”理論（3） 任一時(shí)刻地下渦旋電流在地表瞬變電磁法的“煙圈”理論（4）“煙圈”的半徑r、深度d的表達(dá)式分別為：（5-3-1） （5-3-2）式中：a為發(fā)射線圈半徑，當(dāng)發(fā)射線圈半徑對(duì)于“煙圈”半徑很小時(shí)，可得tanθ=d/r≈1.07，θ≈47°，故“煙圈”將沿47°傾斜錐面擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(zhǎng)的延時(shí)后觀測(cè)到大地瞬變電磁場(chǎng)。37ppt課件瞬變電磁法的“煙圈”理論（4）“煙圈”的半徑r、深度d的表礦井瞬變電磁法特點(diǎn)（1）從煙圈效應(yīng)的觀點(diǎn)看，早期瞬變電磁場(chǎng)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(chǎng)是由深部的感應(yīng)電磁場(chǎng)產(chǎn)生的，反映深部的電性分布。因此，觀測(cè)和研究大地瞬變電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以探測(cè)大地電位的垂向變化，這便是瞬變電磁測(cè)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(cè)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100m左右，井下為全空間瞬變響應(yīng)，這種瞬變響應(yīng)來(lái)自于回線平面上下(或前后)地層，井下的支護(hù)、軌道等鐵構(gòu)件屬于良導(dǎo)體，這對(duì)確定異常體的位置帶來(lái)困難。38ppt課件礦井瞬變電磁法特點(diǎn)（1）從煙圈效應(yīng)的觀點(diǎn)看，早期瞬變電磁場(chǎng)是礦井瞬變電磁法特點(diǎn)（2）由于井下測(cè)量環(huán)境不同于地面，不可能采用地表測(cè)量時(shí)的大線圈(地面線圈邊長(zhǎng)都大于50m)、大電流裝置，只能采用邊長(zhǎng)小于3m的多匝小線框，因此數(shù)據(jù)采集勞動(dòng)強(qiáng)度小，測(cè)量設(shè)備輕便，工作效率高、成本低。由于采用小線圈測(cè)量，點(diǎn)距更密(一般為2-3m)，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(chǎng)強(qiáng)小，所得到的二次感應(yīng)場(chǎng)也小，二次場(chǎng)容易被人文電磁場(chǎng)噪聲干擾、甚至淹沒(méi)。39ppt課件礦井瞬變電磁法特點(diǎn)（2）由于井下測(cè)量環(huán)境不同于地面，不可能采礦井瞬變電磁法特點(diǎn)（3）井下測(cè)量裝置排除天電干擾，提高了測(cè)量信號(hào)的信噪比。可以將線圈置于巷道底板測(cè)量，探測(cè)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(dāng)線圈面平行巷道掘進(jìn)前方，可進(jìn)行超前探測(cè);當(dāng)線圈面平行于巷道側(cè)面煤層，可探測(cè)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40ppt課件礦井瞬變電磁法特點(diǎn)（3）井下測(cè)量裝置排除天電干擾，提高了測(cè)量礦井瞬變電磁法特點(diǎn)（4）由于瞬變電磁法關(guān)斷時(shí)間、一次場(chǎng)干擾等因素的影響，與其它物探方法相比，無(wú)法探測(cè)到更淺部的異常體(淺部2-10m左右）41ppt課件礦井瞬變電磁法特點(diǎn)（4）由于瞬變電磁法關(guān)斷時(shí)間、一次場(chǎng)干擾等觀測(cè)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u(píng)V/A為計(jì)量單位感應(yīng)磁場(chǎng)B值：

B（t）/I，以nV/（m2×A）為計(jì)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42ppt課件觀測(cè)數(shù)據(jù)用發(fā)送脈沖電流幅值歸一化的參數(shù)：18ppt課件觀測(cè)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u(píng)V/A為計(jì)量單位感應(yīng)磁場(chǎng)B值：

B（t）/I，以nV/（m2×A）為計(jì)量單位其中：Sn為接收線圈等效面積，N為匝數(shù)43ppt課件觀測(cè)數(shù)據(jù)用發(fā)送脈沖電流幅值歸一化的參數(shù)：19ppt課件視電阻率（1）視電阻率是形象表達(dá)地下電性結(jié)構(gòu)的一種常用參數(shù)，因此也往往通過(guò)某種算法將時(shí)間域瞬變電磁法（ＴＥＭ）觀測(cè)到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)化為視電阻率參數(shù)進(jìn)行瞬變電磁響應(yīng)的地球物理解釋由于瞬變場(chǎng)與一維層狀介質(zhì)表面的瞬變場(chǎng)表達(dá)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(chǎng)之間的顯式反函數(shù)，