中南大學(xué)湯井田老師電磁法勘探-1-3電磁法的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)

Copyrights?JingtianTang,CSU電磁法勘探及應(yīng)用

——電磁法的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)（Ⅲ）

中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院2012年4月2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU本章內(nèi)容簡介1.2巖（礦）石的電磁性質(zhì)1.1電磁場的基本方程與電磁勘探1.4幾種典型的電磁場源1.3地球物理模型2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU本章內(nèi)容簡介1.2巖（礦）石的電磁性質(zhì)1.1電磁場的基本方程與電磁勘探1.4幾種典型的電磁場源1.3地球物理模型2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.1天然電磁場電磁場是宇宙中存在的最普遍的物質(zhì)之一。電磁場人工電磁場天然電磁場天然場源電磁法MT/AMT/HMT人工源電磁法CSAMT/TEM甚低頻法（VLF）是人工電磁場，但是被動源電磁法被動源主動源被動源主動源2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.1天然電磁場

不言而喻,地表以上一切可發(fā)生電磁波的事物均可以是天然電磁場的源。比如電離層的擾動、雷電、無線電通訊以及其他工業(yè)器件引起的發(fā)射等等。

對于勘探來說,需要的是能深入地下,并且反射而回可予測量的電磁波。其頻率,應(yīng)大致在100KHz以下。頻率再高,對一般巖層,是難于穿入較深的。

在地表以上的空間,存在著各式各樣的電磁波。對這一切電磁波的綜合整體,我們將其命名為天然電磁場。借助于對這種場的觀測,以確定地下不同巖層的電導(dǎo)率及其厚度,形成一種全新的勘探方法,我們將其命名為天然電磁場測深。2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.1天然電磁場天然電磁場電離層的擾動所產(chǎn)生的次生電磁波自然過程、工業(yè)器件等產(chǎn)生的電磁波雷電或其他氣象活動2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.1天然電磁場

如上所述,天然場的源由地表的自然過程、工業(yè)器件以及電離層的擾動的發(fā)射構(gòu)成。這一切源的發(fā)射在時間和空間上都是不穩(wěn)定的,都是隨機的。既然天然場的源在空間分布和發(fā)射時間上都是隨機的,則天然電磁場包含的各電磁波無論其頻率、振幅、相位、偏振及傳播方向就都是隨機的。太陽及其他星體射向電離層的輻射轟擊電離層引起的擾動所產(chǎn)生的次生電磁波,是天然電磁場最主要的來源。這種電離層的擾動源源不絕,其次生的電磁波也就綿延不斷,包羅一切可能的形態(tài)。它們將包括一切的頻率而形成連續(xù)譜。2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.1天然電磁場天然電磁場寬頻帶低強度易受干擾非平穩(wěn)信號非線性信號2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.2電偶極子與接地長導(dǎo)線天然電磁場缺點信號微弱易受干擾極化方向不確定人工源電磁場克服電偶極子磁偶極子激發(fā)源2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.2電偶極子與接地長導(dǎo)線

一短接地導(dǎo)線，若其長度遠小于與觀測點的距離，可視為電偶極源。然而，在大多數(shù)勘查地球物理應(yīng)用情況下，觀測點常常比較靠近發(fā)射源導(dǎo)線，這時我們需把發(fā)射源看作多個偶極的疊加。2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.3磁偶極子與大回線敷設(shè)在地面上的大回線是應(yīng)用得最廣泛的電磁激發(fā)源之一，測量可以在回線內(nèi)或回線外進行。激發(fā)回線的形狀多為方形或矩形。2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.3磁偶極子與大回線EH4用水平磁偶源瞬變電磁用不接地回線圈2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.3磁偶極子與大回線航空電磁法用回線圈磁偶源2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU

把一個信號表示為振幅隨時間變化的函數(shù)稱為信號在時間域的表達形式；把信號表示為振幅和相位隨頻率變化的函數(shù)，稱為信號在頻率域的表示形式，它包括振幅譜和相位譜。

信號在頻率域和在時間域的表示是等價的。這種關(guān)系可以用傅氏變換表示出來，時間域信號變換為頻率域信號，叫做傅氏正變換，即如果已知信號的時間函數(shù)，就可以通過正變換求取信號的頻率函數(shù)，反之把在頻率域信號變換為時間域信號，叫傅氏反變換。1.4.4頻率域與時間域電磁測深的等效性及差異2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU時間域頻率域

在線性時不變系統(tǒng)中，頻率域方法與時間域方法是等效的，二者之間可以通過拉普拉斯變換相互嚴(yán)格地轉(zhuǎn)換。1.4.4頻率域與時間域電磁測深的等效性及差異2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.4頻率域與時間域電磁測深的等效性及差異時間域電磁法頻率域電磁法頻率域電磁法是測量波阻抗來提取地下介質(zhì)電阻率的信息；時間域電磁法是測量電磁波經(jīng)歷的時間（從而得到傳播速度）來評價地下介質(zhì)的電性。物理原理一致，都研究基于電磁感應(yīng)定律的渦旋電磁場。時間域早、晚期對應(yīng)頻率域遠、近區(qū)，具有等效性。但其他方面兩者有一些差異。等效性2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU時間域電磁法頻率域電磁法觀測場為地下電流、供電導(dǎo)線中電流綜合產(chǎn)生的交變一次場和供電導(dǎo)線中電流感應(yīng)產(chǎn)生的二次場疊加的總場。觀測場為在通電或斷電情況下產(chǎn)生的強大變化磁場的作用下，產(chǎn)生的渦旋交變電磁場，即二次場。觀測場不同1.4.4頻率域與時間域電磁測深的等效性及差異2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU時間域電磁法頻率域電磁法場源形式結(jié)構(gòu)不同場源形式常為諧變場（除天然場外），指場量均按余弦或正弦規(guī)律變化。諧變場的結(jié)構(gòu)是由一種頻率的渦旋電流磁場相互作用所決定的。場源形式常為瞬變場，具有瞬時變化的特點。瞬變場的結(jié)構(gòu)是從過程一開始就由多種頻率的渦旋電流磁場的相互作用所決定.1.4.4頻率域與時間域電磁測深的等效性及差異2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU時間域電磁法頻率域電磁法技術(shù)手段不同以方波為例頻率域測量的是場頻率特性，時間域則測量的是場時間特性，因所用技術(shù)不同從而導(dǎo)致二者之間存在差別。1.4.4頻率域與時間域電磁測深的等效性及差異2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU時間域電磁法頻率域電磁法常用的剖面裝置：不接地回線法、電磁偶極剖面法。不接地回線法：地面鋪設(shè)一矩形回線做為發(fā)射源，回線內(nèi)外設(shè)測線測量磁場。常用的剖面裝置：根據(jù)收、發(fā)排列的不同，分為同點、偶極、大回線源（見后圖a、b、c）。同點裝置是頻率域無法實現(xiàn)的裝置，耦合性好，常用來勘查金屬礦產(chǎn)。剖面裝置不同1.4.4頻率域與時間域電磁測深的等效性及差異2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSUa同點裝置、b偶極裝置、c大定回線源裝置時間域剖面裝置1.4.4頻率域與時間域電磁測深的等效性及差異2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU時間域電磁法頻率域電磁法常用的測深裝置：AB-MN(赤道偶極)、AB-sS-MN、S-s。（S：發(fā)射線圈；s:接收線圈）接地條件差常用：磁偶極源發(fā)射。常用的測深裝置：電偶源、磁偶源、線源、中心回線。中心回線常用于探測1km內(nèi)淺層測深工作，其他幾種主要應(yīng)用于深部構(gòu)造探測。測深裝置不同1.4.4頻率域與時間域電磁測深的等效性及差異2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSUa電偶源、b磁偶源、c線源、d中心回線時間域測深裝置1.4.4頻率域與時間域電磁測深的等效性及差異2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.4頻率域與時間域及其異同時間域電磁法頻率域電磁法探測深度不同極限深度：主要噪聲源來自外界的天電及人文電磁場干擾。趨夫深度：主要噪聲源為裝置耦合噪聲。主要噪聲源不同2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU總的來說，時間域電磁法只觀測二次場，其相對頻率率電磁測深有以下優(yōu)點：時間域電磁法具有較低的檢測二次場極限值，可采用提高功率～靈敏度的方法增大信噪比，以提高探測深度。可使用同點裝置工作，與探測對象有最佳的耦合，具有較高的探測能力，并且受旁側(cè)地質(zhì)體的影響也是最小。在高阻圍巖條件下，不存在地形起伏引起的假異常；低阻圍巖起伏地形所引起的異常也比較容易識別。對于線框敷設(shè)的點位、方位及形狀等的要求相對于FEM可以放寬，測地工作簡單，工效高。1.4.4頻率域與時間域電磁測深的等效性及差異2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.5幾種典型的電流波形及譜諧波方波三角波階躍波偽隨機波其他2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.5幾種典型的電流波形及譜正弦諧波2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.5幾種典型的電流波形及譜方波2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.5幾種典型的電流波形及譜三角波2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.5幾種典型的電流波形及譜階躍波2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.5幾種典型的電流波形及譜偽隨機波2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.5幾種典型的電流波形及譜偽隨機波2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.5幾種典型的電流波形及譜偽隨機波2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.5幾種典型的電流波形及譜偽隨機波信號特點2n系列偽隨機信號頻域分析：對偽隨機信