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(jiǎn)介1.2巖（礦）石的電磁性質(zhì)1.1電磁場(chǎng)的基本方程與電磁勘探1.4幾種典型的電磁場(chǎng)源1.3地球物理模型2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU本章內(nèi)容簡(jiǎn)介1.2巖（礦）石的電磁性質(zhì)1.1電磁場(chǎng)的基本方程與電磁勘探1.4幾種典型的電磁場(chǎng)源1.3地球物理模型2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.1天然電磁場(chǎng)電磁場(chǎng)是宇宙中存在的最普遍的物質(zhì)之一。電磁場(chǎng)人工電磁場(chǎng)天然電磁場(chǎng)天然場(chǎng)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(chǎng)，但是被動(dòng)源電磁法被動(dòng)源主動(dòng)源被動(dòng)源主動(dòng)源2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.1天然電磁場(chǎng)

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(chǎng)的源。比如電離層的擾動(dòng)、雷電、無(wú)線電通訊以及其他工業(yè)器件引起的發(fā)射等等。

對(duì)于勘探來(lái)說(shuō),需要的是能深入地下,并且反射而回可予測(cè)量的電磁波。其頻率,應(yīng)大致在100KHz以下。頻率再高,對(duì)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(duì)這一切電磁波的綜合整體,我們將其命名為天然電磁場(chǎng)。借助于對(duì)這種場(chǎng)的觀測(cè),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(chǎng)測(cè)深。2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.1天然電磁場(chǎng)天然電磁場(chǎng)電離層的擾動(dòng)所產(chǎn)生的次生電磁波自然過(guò)程、工業(yè)器件等產(chǎn)生的電磁波雷電或其他氣象活動(dòng)2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.1天然電磁場(chǎng)

如上所述,天然場(chǎng)的源由地表的自然過(guò)程、工業(yè)器件以及電離層的擾動(dòng)的發(fā)射構(gòu)成。這一切源的發(fā)射在時(shí)間和空間上都是不穩(wěn)定的,都是隨機(jī)的。既然天然場(chǎng)的源在空間分布和發(fā)射時(shí)間上都是隨機(jī)的,則天然電磁場(chǎng)包含的各電磁波無(wú)論其頻率、振幅、相位、偏振及傳播方向就都是隨機(jī)的。太陽(yáng)及其他星體射向電離層的輻射轟擊電離層引起的擾動(dòng)所產(chǎn)生的次生電磁波,是天然電磁場(chǎng)最主要的來(lái)源。這種電離層的擾動(dòng)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(chǎng)天然電磁場(chǎng)寬頻帶低強(qiáng)度易受干擾非平穩(wěn)信號(hào)非線性信號(hào)2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.2電偶極子與接地長(zhǎng)導(dǎo)線天然電磁場(chǎng)缺點(diǎn)信號(hào)微弱易受干擾極化方向不確定人工源電磁場(chǎng)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(zhǎng)導(dǎo)線

一短接地導(dǎo)線，若其長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于與觀測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)常常比較靠近發(fā)射源導(dǎo)線，這時(shí)我們需把發(fā)射源看作多個(gè)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(cè)量可以在回線內(nèi)或回線外進(jìn)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(gè)信號(hào)表示為振幅隨時(shí)間變化的函數(shù)稱為信號(hào)在時(shí)間域的表達(dá)形式；把信號(hào)表示為振幅和相位隨頻率變化的函數(shù)，稱為信號(hào)在頻率域的表示形式，它包括振幅譜和相位譜。

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

在線性時(shí)不變系統(tǒng)中，頻率域方法與時(shí)間域方法是等效的，二者之間可以通過(guò)拉普拉斯變換相互嚴(yán)格地轉(zhuǎn)換。1.4.4頻率域與時(shí)間域電磁測(cè)深的等效性及差異2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.4頻率域與時(shí)間域電磁測(cè)深的等效性及差異時(shí)間域電磁法頻率域電磁法頻率域電磁法是測(cè)量波阻抗來(lái)提取地下介質(zhì)電阻率的信息；時(shí)間域電磁法是測(cè)量電磁波經(jīng)歷的時(shí)間（從而得到傳播速度）來(lái)評(píng)價(jià)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(chǎng)。時(shí)間域早、晚期對(duì)應(yīng)頻率域遠(yuǎn)、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(shí)間域電磁法頻率域電磁法觀測(cè)場(chǎng)為地下電流、供電導(dǎo)線中電流綜合產(chǎn)生的交變一次場(chǎng)和供電導(dǎo)線中電流感應(yīng)產(chǎn)生的二次場(chǎng)疊加的總場(chǎng)。觀測(cè)場(chǎng)為在通電或斷電情況下產(chǎn)生的強(qiáng)大變化磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生的渦旋交變電磁場(chǎng)，即二次場(chǎng)。觀測(cè)場(chǎng)不同1.4.4頻率域與時(shí)間域電磁測(cè)深的等效性及差異2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU時(shí)間域電磁法頻率域電磁法場(chǎng)源形式結(jié)構(gòu)不同場(chǎng)源形式常為諧變場(chǎng)（除天然場(chǎng)外），指場(chǎng)量均按余弦或正弦規(guī)律變化。諧變場(chǎng)的結(jié)構(gòu)是由一種頻率的渦旋電流磁場(chǎng)相互作用所決定的。場(chǎng)源形式常為瞬變場(chǎng)，具有瞬時(shí)變化的特點(diǎn)。瞬變場(chǎng)的結(jié)構(gòu)是從過(guò)程一開(kāi)始就由多種頻率的渦旋電流磁場(chǎng)的相互作用所決定.1.4.4頻率域與時(shí)間域電磁測(cè)深的等效性及差異2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU時(shí)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(cè)量的是場(chǎng)頻率特性，時(shí)間域則測(cè)量的是場(chǎng)時(shí)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(shí)間域電磁測(cè)深的等效性及差異2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU時(shí)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(cè)線測(cè)量磁場(chǎng)。常用的剖面裝置：根據(jù)收、發(fā)排列的不同，分為同點(diǎn)、偶極、大回線源（見(jiàn)后圖a、b、c）。同點(diǎn)裝置是頻率域無(wú)法實(shí)現(xiàn)的裝置，耦合性好，常用來(lái)勘查金屬礦產(chǎn)。剖面裝置不同1.4.4頻率域與時(shí)間域電磁測(cè)深的等效性及差異2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSUa同點(diǎn)裝置、b偶極裝置、c大定回線源裝置時(shí)間域剖面裝置1.4.4頻率域與時(shí)間域電磁測(cè)深的等效性及差異2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU時(shí)間域電磁法頻率域電磁法常用的測(cè)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(cè)深裝置：電偶源、磁偶源、線源、中心回線。中心回線常用于探測(cè)1km內(nèi)淺層測(cè)深工作，其他幾種主要應(yīng)用于深部構(gòu)造探測(cè)。測(cè)深裝置不同1.4.4頻率域與時(shí)間域電磁測(cè)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(shí)間域測(cè)深裝置1.4.4頻率域與時(shí)間域電磁測(cè)深的等效性及差異2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.4頻率域與時(shí)間域及其異同時(shí)間域電磁法頻率域電磁法探測(cè)深度不同極限深度：主要噪聲源來(lái)自外界的天電及人文電磁場(chǎng)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(lái)說(shuō)，時(shí)間域電磁法只觀測(cè)二次場(chǎng)，其相對(duì)頻率率電磁測(cè)深有以下優(yōu)點(diǎn)：時(shí)間域電磁法具有較低的檢測(cè)二次場(chǎng)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(cè)深度?？墒褂猛c(diǎn)裝置工作，與探測(cè)對(duì)象有最佳的耦合，具有較高的探測(cè)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(shí)別。對(duì)于線框敷設(shè)的點(diǎn)位、方位及形狀等的要求相對(duì)于FEM可以放寬，測(cè)地工作簡(jiǎn)單，工效高。1.4.4頻率域與時(shí)間域電磁測(cè)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(jī)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(jī)波2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.5幾種典型的電流波形及譜偽隨機(jī)波2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.5幾種典型的電流波形及譜偽隨機(jī)波2023/2/6Copyrights?JingtianTang,CSU1.4.5幾種典型的電流波形及譜偽隨機(jī)波信號(hào)特點(diǎn)2n系列偽隨機(jī)信號(hào)頻域分析：對(duì)偽隨機(jī)信