瞬變電磁法探測原理

單位：吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院地球信息探測儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室報(bào)告人：嵇艷鞠

2007年9月27日瞬變電磁法講座2007吉林大學(xué)瞬變電磁法發(fā)射機(jī)i(t)i(t)發(fā)射機(jī)不接地回線通以脈沖電流稱為磁源接地導(dǎo)線通以脈沖電流，稱為電性源〔長導(dǎo)線或電偶極子〕。2007吉林大學(xué)瞬變電磁法探測原理工作原理示意圖

2007吉林大學(xué)瞬變電磁(Transientelectromagneticmethod)探測是地球物理探測的主要手段之一，通過向地下發(fā)射電磁波鼓勵(lì)地下目標(biāo)，接收其產(chǎn)生的二次場，確定被測目標(biāo)的物理參數(shù)。瞬變電磁法測量裝置由發(fā)射回線和接收回線兩局部組成，工作過程分為發(fā)射、電磁感應(yīng)和接收三局部。當(dāng)發(fā)射回線中通以階躍電流，發(fā)射電流突然由I下降到零，根據(jù)電磁感應(yīng)理論，發(fā)射回線中電流突然變化必將在其周圍產(chǎn)生磁場，該磁場稱為一次磁場，一次磁場在周圍傳播過程中，如遇到地下良導(dǎo)電的地質(zhì)體，將在其內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流，又稱渦流或二次電流，由于二次電流隨時(shí)間變化，因而在其周圍又產(chǎn)生新的磁場，稱為二次磁場。由于良導(dǎo)電地質(zhì)體內(nèi)感應(yīng)電流的熱損耗，二次磁場大致按指數(shù)規(guī)律隨時(shí)間衰減，形成瞬變磁場，二次磁場主要來源于良導(dǎo)電地質(zhì)體的感應(yīng)電流，因此它包含著與地質(zhì)體有關(guān)的地質(zhì)信息，二次磁場通過接收回線觀測，并對觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，對地下地質(zhì)體的相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行解釋。2007吉林大學(xué)TEM探測流程探測對象信號檢測（接收機(jī)）理論模型正演計(jì)算反演解釋數(shù)據(jù)處理激發(fā)源發(fā)射機(jī)2007吉林大學(xué)TEM信號向地下擴(kuò)散示意圖早期信號反映淺部結(jié)構(gòu)晚期信號反映深部結(jié)構(gòu)2005吉林大學(xué)瞬變電磁法(TEM)的實(shí)際過程示意圖2007吉林大學(xué)可見，在tof時(shí)間內(nèi)，感應(yīng)電流逐漸增加，在t=tof時(shí)到達(dá)極大值，然后按指數(shù)規(guī)律衰減，這種上升、衰減速度決定于t/τ比值。tof較大的情況下，感應(yīng)電流將緩慢增大至極大值，然后以較慢的速度按指數(shù)規(guī)律衰減。2007吉林大學(xué)階躍波探測示意圖T（時(shí)間）I（理想發(fā)射電流）I探測深度T（時(shí)間）0測量時(shí)間范圍ti地表V（二次磁場的變化率）低阻體20低阻體1D地下介質(zhì)電性差異探測原理良導(dǎo)體高阻體2007吉林大學(xué)常用的激發(fā)場源時(shí)間域電磁法中，激發(fā)波形可以采用多種具有周期性的脈沖序列，例如：矩形、梯形、半正弦形、三角形、偽隨機(jī)等波形。對瞬變電磁測深，在實(shí)際應(yīng)用中，為了有效地抑制觀測系統(tǒng)中的直流偏移和超低頻噪聲的干擾，將不同時(shí)域的相應(yīng)二次場進(jìn)行疊加，以消除隨機(jī)干擾，提高信噪比，需要采用周期性脈沖序列連續(xù)激發(fā)二次場。經(jīng)常采用的鼓勵(lì)場波形主要有雙極性矩形脈沖、雙極性半正弦脈沖、雙極性梯形脈沖序列等來激發(fā)二次電磁場。2007吉林大學(xué)常用的發(fā)射波形及頻譜幾種常用鼓勵(lì)場的波形幾種簡化波形的頻譜c矩形波正弦波斜階躍波2007吉林大學(xué)一次磁場垂直分量隨時(shí)間的變化率可寫為：1.邊長為2a的正方形回線中心點(diǎn)〔z=0,x=0〕的一次場的垂直分量為：2.回線軸上的一次場垂直分量為：磁場隨時(shí)間的變化率可寫為：2007吉林大學(xué)回線一次場垂直分量沿x軸的變化回線一次場垂直分量沿z軸的變化一次場的特征：地面各點(diǎn)的磁場方向均垂直地面，回線中部的磁場較均勻。一次場隨著據(jù)地表的距離增大而減小。

回線磁場的特點(diǎn)：地面各點(diǎn)的磁場方向均垂直地面，回線中部的磁場較均勻。對于邊長為2a的正方形回線，如果以與中心點(diǎn)磁場大小相差不超過40％為準(zhǔn)，那么在回線中部0.6a及上、下±0.18a的范圍內(nèi)可近似看成垂直的均勻場。因?yàn)樗S深度減弱較慢，故有較深的探測能力?；鼐€外部那么一次場變化較大。2007吉林大學(xué)磁源瞬變電磁法同點(diǎn)裝置采用綜合參數(shù)劃分場區(qū)綜合參數(shù)遠(yuǎn)區(qū)中區(qū)近區(qū)早期、中期晚期近區(qū)瞬變電磁場，測量結(jié)果很好地給出地電斷面的分層信息。早延時(shí)對應(yīng)縱向電導(dǎo)S1來表征第一層存在；延時(shí)增加，在地表上可觀測到第一層和第二層共同影響瞬變結(jié)果，并以S1＋S2來表征其綜合影響。在更晚的時(shí)間上出現(xiàn)S1＋S2＋S3的綜合影響，以此類推。這樣隨著時(shí)間的推移，可以得到整個(gè)斷面上所能測到的全部信息。國內(nèi)外都在積極推廣近區(qū)瞬變場測深方法。瞬變電磁響應(yīng)根本特征2007吉林大學(xué)1、均勻半空間瞬變電磁響應(yīng)公式2007吉林大學(xué)中心回線重疊回線磁場晚期近似公式:晚延時(shí)的衰減曲線重疊回線與中心回線曲線比照非磁性均勻半空間電動勢響應(yīng)中心回線重疊回線對于重疊回線在遠(yuǎn)區(qū)與取樣時(shí)間無關(guān)，只與電阻率有關(guān)。對于中心回線在全區(qū)都與取樣時(shí)間、電阻率有關(guān)。近區(qū)遠(yuǎn)區(qū)中區(qū)近區(qū)或晚期條件中區(qū)或晚期條件遠(yuǎn)區(qū)或晚期條件2007吉林大學(xué)曲線62.8。衰減兩層大地的電動勢時(shí)間特性曲線〔中心回線，回線半徑100米〕曲線出現(xiàn)蹺曲2.不導(dǎo)電介質(zhì)中的非磁性導(dǎo)電球體響應(yīng)2007吉林大學(xué)球和水平圓柱體的瞬變響應(yīng)函數(shù)〔1－球體，2－圓柱體〕2007吉林大學(xué)

非磁性導(dǎo)電球體的瞬變電磁響應(yīng)曲線

電導(dǎo)率σ越小，響應(yīng)初值越大，但衰減快;σ大，響應(yīng)初值小，而衰減慢。2007吉林大學(xué)非磁性導(dǎo)電球體的響應(yīng)導(dǎo)電窗口曲線

地質(zhì)體的瞬變電磁響應(yīng)存在導(dǎo)電響應(yīng)“窗口〞，反映電性變化的差異。2007吉