電法勘探原ppt課件

1、瞬變電磁法的實際與運用瞬變電磁法的實際與運用2021年年10月月一、前言一、前言 瞬變電磁法是利用電磁感應原理尋覓地下瞬變電磁法是利用電磁感應原理尋覓地下良導體的一種地球物理方法。良導體的一種地球物理方法。 瞬變電磁法最早由地球物理學家瞬變電磁法最早由地球物理學家 WaitWait于于 19511951年提出，于年提出，于19531953年獲得專利權。年獲得專利權。 19601960年原蘇聯(lián)研制出第一臺共圈式瞬變電年原蘇聯(lián)研制出第一臺共圈式瞬變電磁安裝磁安裝MPPOMPPO型。型。 1962年年Mclaughlin 和和 Dolan研制出固定研制出固定發(fā)射回線、挪動接納回線的瞬變電磁儀，發(fā)射回

2、線、挪動接納回線的瞬變電磁儀，并利用該儀于并利用該儀于1964到到1970年在塞浦路斯年在塞浦路斯和南美洲獲得了找礦效果。從而推進了和南美洲獲得了找礦效果。從而推進了電磁法的進一步開展。電磁法的進一步開展。 自自80年代以來，瞬變電磁法獲得了比較年代以來，瞬變電磁法獲得了比較大的開展?，F(xiàn)已成為一種重要的電磁方大的開展。現(xiàn)已成為一種重要的電磁方法。法。 瞬變電磁法或稱時間域電磁法是以不接瞬變電磁法或稱時間域電磁法是以不接地回線或接地線源通以脈沖電流為場源，地回線或接地線源通以脈沖電流為場源，以鼓勵探測目的物感應二次電流，在脈以鼓勵探測目的物感應二次電流，在脈沖間隙丈量二次場隨時間變化的呼應。沖間

3、隙丈量二次場隨時間變化的呼應。 二次場從產(chǎn)生到終了的時間是短暫的。二次場從產(chǎn)生到終了的時間是短暫的。這就是這就是“瞬變或瞬變或“過渡過程名詞的由過渡過程名詞的由來。來。 在西方地球物理界，時間域電磁法的代在西方地球物理界，時間域電磁法的代號是號是TDEMTDEM，瞬變電磁法的代號是，瞬變電磁法的代號是TEMTEM，有，有時時TDEMTDEM即指即指TEMTEM，但反過來，但反過來TEMTEM替代替代TDEMTDEM的極少。的極少。 原蘇聯(lián)與原蘇聯(lián)與TEMTEM相關的方法，在我國直譯為相關的方法，在我國直譯為過渡過程法。過渡過程法。 從方法機理來說，頻率域方法和時間域從方法機理來說，頻率域方法和

4、時間域方法沒有本質的不同。前者研討諧變場方法沒有本質的不同。前者研討諧變場特點，后者研討不穩(wěn)定場特點。特點，后者研討不穩(wěn)定場特點。 兩者可借富里葉變換相聯(lián)絡。在某些條兩者可借富里葉變換相聯(lián)絡。在某些條件下，一種方法的數(shù)據(jù)可以轉換為件下，一種方法的數(shù)據(jù)可以轉換為 另一另一種方法的數(shù)據(jù)。種方法的數(shù)據(jù)。 二、瞬變電磁法的特點及運用二、瞬變電磁法的特點及運用范圍范圍 前面提到的觀測是在脈沖間隙中進展不前面提到的觀測是在脈沖間隙中進展不存在一次場源的干擾，這稱之為時間上存在一次場源的干擾，這稱之為時間上的可分性；的可分性； 脈沖是多頻率的合成，不同的延時觀測脈沖是多頻率的合成，不同的延時觀測的主要頻率不

5、同，相應時間的場在地層的主要頻率不同，相應時間的場在地層中的傳播速度不同，調查的深度也就不中的傳播速度不同，調查的深度也就不同，這稱之為空間的可分性。同，這稱之為空間的可分性。 瞬變電磁法的特點就基于這兩個可分性瞬變電磁法的特點就基于這兩個可分性 由上述兩種可分性必導致以下詳細特點：由上述兩種可分性必導致以下詳細特點： 把頻率域法的準確度問題轉換成靈敏把頻率域法的準確度問題轉換成靈敏度問題，加大功率靈敏度可以增大信噪度問題，加大功率靈敏度可以增大信噪比，加大勘探深度；比，加大勘探深度； 在高阻圍巖地域不會產(chǎn)生地形起伏影在高阻圍巖地域不會產(chǎn)生地形起伏影響的假異常；在低阻圍巖區(qū)，由于是多響的假異常

6、；在低阻圍巖區(qū)，由于是多道觀觀測，早期道的地形影響也較易分道觀觀測，早期道的地形影響也較易分辨；辨； 可以采用同點組合同一回線，重疊可以采用同點組合同一回線，重疊回線等進展觀測，使與探測目的的耦回線等進展觀測，使與探測目的的耦合最緊，獲得的合最緊，獲得的 異常強，形狀簡單，分異常強，形狀簡單，分層才干強；層才干強； 線圈點位、方位或接納距要求相對不線圈點位、方位或接納距要求相對不嚴厲，測地任務簡單，工效高；嚴厲，測地任務簡單，工效高； 有穿透低阻覆蓋的才干，探測深度大；有穿透低阻覆蓋的才干，探測深度大； 剖面丈量與測深任務同時完成，提供剖面丈量與測深任務同時完成，提供了更多有用信息，減少了多解

7、性。了更多有用信息，減少了多解性。 由于這些特點伴隨儀器的數(shù)字化和智能由于這些特點伴隨儀器的數(shù)字化和智能化，功率的增大，數(shù)學模型計算正反演化，功率的增大，數(shù)學模型計算正反演的運用，解釋程度的提高與閱歷的豐富。的運用，解釋程度的提高與閱歷的豐富。 如今瞬變電磁法不只是剖面的方法，也如今瞬變電磁法不只是剖面的方法，也是測深的方法，可以處置是測深的方法，可以處置 的地質問題相的地質問題相應擴展。應擴展。 根據(jù)國內外的閱歷，可以處置的地質問根據(jù)國內外的閱歷，可以處置的地質問題有：題有： 礦產(chǎn)勘探；礦產(chǎn)勘探； 構造探測；構造探測； 水文與工程地質調查；水文與工程地質調查； 環(huán)境調查與監(jiān)測環(huán)境調查與監(jiān)測

8、考古等?？脊诺?。 幾乎涉及物探任務的各個領域，特別需幾乎涉及物探任務的各個領域，特別需 要指出的是近年在找水、市政工程、土要指出的是近年在找水、市政工程、土壤鹽堿化和污染調查以及淺層石油構造壤鹽堿化和污染調查以及淺層石油構造填圖都有良好的報導。填圖都有良好的報導。二、方法原理二、方法原理 瞬變電磁法的丈量安裝由發(fā)射和接納兩瞬變電磁法的丈量安裝由發(fā)射和接納兩部分組成。部分組成。 瞬變電磁法的任務過程可以劃分為發(fā)射、瞬變電磁法的任務過程可以劃分為發(fā)射、電磁感應和接納三部分。電磁感應和接納三部分。 當發(fā)射回路中的穩(wěn)定電流忽然切斷后，當發(fā)射回路中的穩(wěn)定電流忽然切斷后，根據(jù)電磁感應實際，發(fā)射回路中的電流

9、根據(jù)電磁感應實際，發(fā)射回路中的電流忽然變化，必將在其周圍產(chǎn)生磁場，該忽然變化，必將在其周圍產(chǎn)生磁場，該磁場稱為一次磁場。磁場稱為一次磁場。 一次磁場在向周圍傳播過程中，如遇到一次磁場在向周圍傳播過程中，如遇到地下的良導電的地質體，將向其內部激地下的良導電的地質體，將向其內部激發(fā)產(chǎn)生感應電流，又稱渦流或二次電流。發(fā)產(chǎn)生感應電流，又稱渦流或二次電流。 由于二次電流隨時間變化，因此又在其由于二次電流隨時間變化，因此又在其周圍產(chǎn)生新的磁場，稱為二次磁場。如周圍產(chǎn)生新的磁場，稱為二次磁場。如圖圖1所示。所示。 由于良導體內的感應電流的熱損耗，二由于良導體內的感應電流的熱損耗，二次磁場大致按指數(shù)規(guī)律隨時間

10、衰減。構次磁場大致按指數(shù)規(guī)律隨時間衰減。構成如圖成如圖2所示的瞬變磁場。所示的瞬變磁場。 二次磁場主要來源于良導體內的感應電二次磁場主要來源于良導體內的感應電流，因此它包含著與良導體有關的地質流，因此它包含著與良導體有關的地質信息。信息。 二次磁場經(jīng)過接納回線的觀測，并對所二次磁場經(jīng)過接納回線的觀測，并對所觀測的數(shù)據(jù)進展分析與處置。觀測的數(shù)據(jù)進展分析與處置。 以此來解釋地下的良導體的地質屬性和以此來解釋地下的良導體的地質屬性和及相關的物理參數(shù)。及相關的物理參數(shù)。 圖圖3是地面瞬變電磁系統(tǒng)，其發(fā)射安裝是是地面瞬變電磁系統(tǒng)，其發(fā)射安裝是一個大發(fā)射線框，接納安裝是可以挪動一個大發(fā)射線框，接納安裝是可

11、以挪動的小型線框。的小型線框。 根據(jù)法拉第電磁感應定律，當發(fā)射回線根據(jù)法拉第電磁感應定律，當發(fā)射回線的穩(wěn)定電流忽然切斷后一段時間內，地的穩(wěn)定電流忽然切斷后一段時間內，地下良導礦體內將產(chǎn)生感應電流，感下良導礦體內將產(chǎn)生感應電流，感應電流在良導體內分散過程可分三個階應電流在良導體內分散過程可分三個階段：段： 為了維護導體內原磁場，在斷電初，感為了維護導體內原磁場，在斷電初，感應電流集中分布于導體外表，構成外表應電流集中分布于導體外表，構成外表電流電流Grant and West，1965，Weaver，1970。該階段稱為早期時間。該階段稱為早期時間。 隨著導體內感應電流的熱損耗，外表電隨著導體內

12、感應電流的熱損耗，外表電流開場導游體內部分散，見圖流開場導游體內部分散，見圖4。 其分散速度普通與導體的電導率成反比其分散速度普通與導體的電導率成反比關系，該階段稱為中期。關系，該階段稱為中期。 當導體感應電流分散經(jīng)過一段時間后，當導體感應電流分散經(jīng)過一段時間后，便進入所謂的晚期階段。便進入所謂的晚期階段。 其感應電流的每個線電流的阻抗和感抗其感應電流的每個線電流的阻抗和感抗均趨于于漸近值是晚期階段的主要特征，均趨于于漸近值是晚期階段的主要特征，此時導體內的電流分布趨于相對的穩(wěn)定，此時導體內的電流分布趨于相對的穩(wěn)定，熱損耗速度減慢，表現(xiàn)為與感應電流相熱損耗速度減慢，表現(xiàn)為與感應電流相對應的二次

13、磁場衰減的速度大大減緩對應的二次磁場衰減的速度大大減緩圖圖2。 導體內感應電流的以及與對應的二次磁導體內感應電流的以及與對應的二次磁場隨時間的變化率取決于導體的電導率、場隨時間的變化率取決于導體的電導率、尺寸大小及外形。尺寸大小及外形。 早期導體外表的電流分布僅于導體的外早期導體外表的電流分布僅于導體的外形和大小有關，而與導體的電導率幾乎形和大小有關，而與導體的電導率幾乎無關。無關。 瞬變電磁場的物理過程可用電路實際解瞬變電磁場的物理過程可用電路實際解釋，如圖釋，如圖1所示。其發(fā)射、導礦體和所示。其發(fā)射、導礦體和接納分別由三個線圈模擬，如圖接納分別由三個線圈模擬，如圖5，其中，其中M01表示線

14、圈表示線圈I0與線圈與線圈I1之間的互感，之間的互感，R和和L表示容貌導體線圈的阻抗和感抗。表示容貌導體線圈的阻抗和感抗。 假定發(fā)射線圈中有電流強度為假定發(fā)射線圈中有電流強度為I0t的的方波電流輸入，根據(jù)電磁感應定律，那方波電流輸入，根據(jù)電磁感應定律，那么導體線圈內產(chǎn)生的感應電流為：么導體線圈內產(chǎn)生的感應電流為： 1 其中其中LR為導體線圈的時間常數(shù)。為導體線圈的時間常數(shù)。 由由1看出，導體線圈內的感應電流是看出，導體線圈內的感應電流是隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減。隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減。0,)(/0011teLIMtIt 在在t0時辰，即為衰減初期，導體內感時辰，即為衰減初期，導體內感應電流強度為：應

15、電流強度為： 顯而易見，此時的感應電流僅與一次磁顯而易見，此時的感應電流僅與一次磁場的穿過導體線圈的磁通量場的穿過導體線圈的磁通量M01I0以及導體的外形和尺寸以及導體的外形和尺寸L有關，而與有關，而與導體的電導率導體的電導率1R無關。無關。LIMI0011)0( 導體內的感應電流將在接納線圈中產(chǎn)生導體內的感應電流將在接納線圈中產(chǎn)生二次磁場，線圈輸出電動勢與二次磁場二次磁場，線圈輸出電動勢與二次磁場隨時間的變化率成正比關系，其表達式隨時間的變化率成正比關系，其表達式為：為： 2 式中：式中：St為單位脈沖函數(shù)。為單位脈沖函數(shù)。)()()(/1201012ttetLMMIttIMte0t 分析式

16、分析式2可知，對于導電性差的地質可知，對于導電性差的地質體，其時間常數(shù)體，其時間常數(shù)值很小，二次場初始值較值很小，二次場初始值較大，但衰減速度較快；大，但衰減速度較快； 反之，導電性良好的礦體，時間常數(shù)反之，導電性良好的礦體，時間常數(shù)值較值較大，雖然二次場初始值小，但衰減速度慢大，雖然二次場初始值小，但衰減速度慢圖圖6。 瞬變電磁場的這一物理特性構成了利用瞬瞬變電磁場的這一物理特性構成了利用瞬變電磁法尋覓地下良導體的根本原理。變電磁法尋覓地下良導體的根本原理。四、瞬變電磁法的野外任務方四、瞬變電磁法的野外任務方法法 1、丈量安裝、丈量安裝 2、觀測參數(shù)、觀測參數(shù) 瞬變電磁儀器系統(tǒng)的一次場波形、

17、瞬變電磁儀器系統(tǒng)的一次場波形、觀測道數(shù)及其時窗范圍、觀測參數(shù)觀測道數(shù)及其時窗范圍、觀測參數(shù)及其計算單位等，各個廠及其計算單位等，各個廠 家的儀器家的儀器之間有所差別。之間有所差別。 雖然各種儀器絕大多數(shù)都是運用接雖然各種儀器絕大多數(shù)都是運用接納線圈觀測發(fā)送電流脈沖間歇期間納線圈觀測發(fā)送電流脈沖間歇期間的感應電壓的感應電壓Vt值。值。 就觀測讀數(shù)的物理量及計量單位而言，就觀測讀數(shù)的物理量及計量單位而言，大約可以分為三類：大約可以分為三類： 用發(fā)送脈沖電流歸一化的參數(shù)：儀器用發(fā)送脈沖電流歸一化的參數(shù)：儀器讀數(shù)為讀數(shù)為V Vt t/I/I值，以值，以作作計量單位。計量單位。 以一次場感應電壓以一次場

18、感應電壓V V歸一的參歸一的參數(shù)：例如加拿大數(shù)：例如加拿大CroneCrone公司的公司的PEMPEM系統(tǒng)，系統(tǒng)，觀測值是用觀測值是用 一次場剛剛將要切斷時辰的一次場剛剛將要切斷時辰的感應電壓感應電壓V1V1值來加以歸一。值來加以歸一。 并令并令V1 V1 ， 計量單位無量計量單位無量綱，稱之為綱，稱之為CroneCrone單位。單位。 歸一到某個放大倍數(shù)的參數(shù)：例如加拿歸一到某個放大倍數(shù)的參數(shù)：例如加拿大的大的EMEM3737系統(tǒng)，野外觀測值為：系統(tǒng)，野外觀測值為： m=Vm=Vt tG 2NG 2N 式中式中V Vt t為接納線圈中的感應電壓值；為接納線圈中的感應電壓值；G G為前置放大器的放大倍數(shù)；為前置放大器的放大倍數(shù)； 2N 2N 為儀器為儀器公用通道的放大倍數(shù)，公用通道的放大倍數(shù)，N=1N=1、2 2、9 9。 m m值以值以mVmV計量。計量。 為了便于對比，在整理數(shù)據(jù)中，無論用哪為了便于對比，在整理數(shù)據(jù)中，無論用哪種儀器，普通都要求換算成為以下幾種導種儀器，普通都要求換算成為以下幾種導出參數(shù)，并以這幾種參數(shù)作圖。出參數(shù)，并以這幾種參數(shù)作圖。 1 1 瞬變值瞬變值B Bt t: : B Bt t=dB=dBt t/dt=V/dt=V