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(shí)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(lì)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(shí)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(dá)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(shí)間上的可分性。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)觀測的視為許多不同頻率的組合，不同延時(shí)觀測的主要頻率成分不同，相應(yīng)時(shí)間的場在主要頻率成分不同，相應(yīng)時(shí)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(diǎn)就基于這兩個(gè)可分性瞬變電磁法特點(diǎn)就基于這兩個(gè)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(shí)），發(fā)射電流在回線周圍的地質(zhì)體和空間中建立起一個(gè)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(shí)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(huì)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(qiáng)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(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

5、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(shí)際上全部消失，而在各個(gè)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(shí)間。瞬變時(shí)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(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。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(dāng)發(fā)送回線中電流突然斷開時(shí)，在下半空間就要被激勵(lì)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(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，渦流場將向下及向外擴(kuò)散。感應(yīng)渦流場在地質(zhì)體表面引起的磁場為整個(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(kuò)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(lì)引起的渦流產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的感應(yīng)二次場的強(qiáng)度。地質(zhì)體介質(zhì)被激勵(lì)所感應(yīng)的二次渦流場的強(qiáng)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(hào)是二次渦流場的電動(dòng)勢（即二次電位），因此，瞬變電磁作為一種時(shí)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(shí)刻地下渦旋電流在地表產(chǎn)生的磁場可以等效為一個(gè)水平環(huán)狀線電流的磁場。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” 。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(dá)式分別為： （5-3-1）

9、（5-3-2）式中：a為發(fā)射線圈半徑，當(dāng)發(fā)射線圈半徑對于“煙圈”半徑很小時(shí)，可得tan=d/r1.07，47，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，能在更長的延時(shí)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(diǎn)（1） 從煙圈效應(yīng)的觀點(diǎn)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(shí)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(hù)、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(diǎn)（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(shí)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(dòng)強(qiáng)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(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)（3） 井下測量裝置排除天電干擾，提高了測量信號(hào)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(dāng)線圈面平行巷道掘進(jìn)前方，可進(jìn)行超前探測;當(dāng)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(diǎn)（4） 由于瞬變電磁法關(guān)斷時(shí)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(jì)量單位 感應(yīng)磁場B值： B（t）/I，以nV/（m2A）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(jì)量單位 感應(yīng)磁場B值： B（t）/I，以nV/（m2A）為計(jì)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(dá)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(shí)間域瞬變電磁法（）觀測到的感應(yīng)電動(dòng)勢轉(zhuǎn)化為視電阻率參數(shù)進(jìn)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(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(jì)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(jì)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(jì)量單位 重疊回路晚期視電阻率計(jì)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(shí)間，以ms為單位 本計(jì)算公式是

14、理想條件下半空間晚期視電阻率計(jì)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(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)的電磁場相對較強(qiáng)，但雷電對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。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(dá)百mV級(jí)別。 電氣設(shè)備開啟、關(guān)閉及工作過程會(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)