《電法勘探原》PPT課件

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1、瞬變電磁法的理論與應用瞬變電磁法的理論與應用2013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找地下瞬變電磁法是利用電磁感應原理尋找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年原蘇聯研制出第一臺共圈式瞬變電年原蘇聯研制出第一臺共圈式瞬變電磁裝置（磁裝置（MPPOMPPO型）。型）。1962年年Mclaughlin 和和 Dolan研制出固定研制出固定發射回線、移動接收回線的瞬變電磁儀，發射

2、回線、移動接收回線的瞬變電磁儀，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取得了找礦效果。從而推動了和南美洲取得了找礦效果。從而推動了電磁法的進一步發展。電磁法的進一步發展。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發展?，F已成為一種重要的電磁方大的發展?，F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，以激勵探測目的物感應二次電流，在脈以激勵探測目的物感應二次電流，在脈沖間隙測量二次場隨時間變化的響應。沖間隙

3、測量二次場隨時間變化的響應。二次場從產生到結束的時間是短暫的。二次場從產生到結束的時間是短暫的。這就是這就是“瞬變瞬變”或或“過渡過程過渡過程”名詞的名詞的由來。由來。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代替代替TDEMTDEM的極少。的極少。原蘇聯與原蘇聯與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，頻率域方法和時間域

4、方法沒有本質的不同。前者研究諧變場方法沒有本質的不同。前者研究諧變場特點，后者研究不穩定場特點。特點，后者研究不穩定場特點。兩者可借富里葉變換相聯系。在某些條兩者可借富里葉變換相聯系。在某些條件下，一種方法的數據可以轉換為件下，一種方法的數據可以轉換為 另一另一種方法的數據。種方法的數據。二、瞬變電磁法的特點及應用二、瞬變電磁法的特點及應用范圍范圍 前面提到的觀測是在脈沖間隙中進行不前面提到的觀測是在脈沖間隙中進行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同，相應時間

5、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具體特點：由上述兩種可分性必導致以下具體特點：把頻率域法的精確度問題轉換成靈敏把頻率域法的精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；在高阻圍巖地區不會產生地形起伏影在高阻圍巖地區不會產生地形起伏影響的假異常；在低阻圍巖區，由于是多響的假異常；在低阻圍巖區，由

6、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；可以采用同點組合可以采用同點組合(同一回線，重疊回同一回線，重疊回線等線等)進行觀測，使與探測目標的耦合最進行觀測，使與探測目標的耦合最緊，取得的緊，取得的 異常強，形態簡單，分層能異常強，形態簡單，分層能力強；力強；線圈點位、方位或接收距要求相對不線圈點位、方位或接收距要求相對不嚴格，測地工作簡單，工效高；嚴格，測地工作簡單，工效高；有穿透低阻覆蓋的能力，探測深度大；有穿透低阻覆蓋的能力，探測深度大；剖面測量與測深工作同時完成，提供剖面測量與測深工作同時完成，提供了更多有用信息，減少了多解性。了更多有用信息，減

7、少了多解性。由于這些特點伴隨儀器的數字化和智能由于這些特點伴隨儀器的數字化和智能化，功率的增大，數學模型計算正反演化，功率的增大，數學模型計算正反演的應用，解釋水平的提高與經驗的豐富。的應用，解釋水平的提高與經驗的豐富?，F在瞬變電磁法不僅是剖面的方法，也現在瞬變電磁法不僅是剖面的方法，也是測深的方法，可以解決是測深的方法，可以解決 的地質問題相的地質問題相應擴大。應擴大。根據國內外的經驗，可以解決的地質問根據國內外的經驗，可以解決的地質問題有：題有：礦產勘探；礦產勘探；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；環境調查與監測環境調查與監測 考古等?？脊诺?。幾乎涉及物探工作的各

8、個領域，特別需幾乎涉及物探工作的各個領域，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 瞬變電磁法的測量裝置由發射和接收兩瞬變電磁法的測量裝置由發射和接收兩部分組成。部分組成。瞬變電磁法的工作過程可以劃分為發射、瞬變電磁法的工作過程可以劃分為發射、電磁感應和接收三部分。電磁感應和接收三部分。當發射回路中的穩定電流突然切斷后，當發射回路中的穩定電流突然切斷后，根據電磁感應理論，發射回路中的電流根據電磁感應理論，發射回路中的電流突然變化

9、，必將在其周圍產生磁場，該突然變化，必將在其周圍產生磁場，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，將向其內部激發產生感應電流，又稱渦流或二次電流。發產生感應電流，又稱渦流或二次電流。由于二次電流隨時間變化，因而又在其由于二次電流隨時間變化，因而又在其周圍產生新的磁場，稱為二次磁場。如周圍產生新的磁場，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規律隨時間衰減。形次磁場大致按指數規律隨時間衰減。形成如圖

10、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。二次磁場通過接收回線的觀測，并對所二次磁場通過接收回線的觀測，并對所觀測的數據進行分析與處理。觀測的數據進行分析與處理。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。及相關的物理參數。圖圖3是地面瞬變電磁系統，其發射裝置是是地面瞬變電磁系統，其發射裝置是一個大發射線框，接收裝置是可以移動一個大發射線框，接收裝置是可以移動的小型線框。的小型線框。根據法拉第電磁感應定律，當

11、發射回線根據法拉第電磁感應定律，當發射回線的穩定電流突然切斷后一段時間內，地的穩定電流突然切斷后一段時間內，地下良導（礦）體內將產生感應電流，感下良導（礦）體內將產生感應電流，感應電流在良導體內擴散過程可分三個階應電流在良導體內擴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表面，形成表面應電流集中分布于導體表面，形成表面電流（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，表面電隨著導體內感應電流的熱損耗，表面電流開始向導體內部擴散

12、，見圖流開始向導體內部擴散，見圖4。其擴散速度一般與導體的電導率成反比其擴散速度一般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。當導體感應電流擴散經過一段時間后，當導體感應電流擴散經過一段時間后，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定，此時導體內的電流分布趨于相對的穩定，熱損耗速度減慢，表現為與感應電流相熱損耗速度減慢，表現為與感應電流相對應的二次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

13、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、尺寸大小及形狀。尺寸大小及形狀。早期導體表面的電流分布僅于導體的形早期導體表面的電流分布僅于導體的形狀和大小有關，而與導體的電導率幾乎狀和大小有關，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理論解瞬變電磁場的物理過程可用電路理論解釋，如圖釋，如圖1所示。其發射、導（礦）體和所示。其發射、導（礦）體和接收分別由三個線圈模擬，如圖接收分別由三個線圈模擬，如圖5，其中，其中M01表示線圈表示線圈I0與線圈與線圈I1之間的互

14、感，之間的互感，R和和L表示模樣導體線圈的阻抗和感抗。表示模樣導體線圈的阻抗和感抗。假定發射線圈中有電流強度為假定發射線圈中有電流強度為I0（t）的）的方波電流輸入，根據電磁感應定律，則方波電流輸入，根據電磁感應定律，則導體線圈內產生的感應電流為：導體線圈內產生的感應電流為：（1）其中其中LR為導體線圈的時間常數。為導體線圈的時間常數。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規律衰減。隨時間按指數規律衰減。0,)(/0011teLIMtIt 在在t0時刻，即為衰減初期，導體內感時刻，即為衰減初期，導體內感應電流強度為：應電流強度為：顯而易見，此時的感應

15、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）以及導體的形狀和尺寸（及導體的形狀和尺寸（L）有關，而與導）有關，而與導體的電導率（體的電導率（1R）無關。）無關。LIMI0011)0(導體內的感應電流將在接收線圈中產生導體內的感應電流將在接收線圈中產生二次磁場，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：S（t）為單位脈沖函數。）為單位脈沖函數。)()()(/1201012ttetLMMIttIMte0t 分析式（分析

16、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，其時間常數體，其時間常數值很小，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，時間常數反之，導電性良好的礦體，時間常數值較值較大，盡管二次場初始值小，但衰減速度慢大，盡管二次場初始值小，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找地下良導體的基本原理。變電磁法尋找地下良導體的基本原理。四、瞬變電磁法的野外工作方四、瞬變電磁法的野外工作方法法 1、測量裝置、測量裝置 2、觀測參數觀測參數 瞬變電磁儀器系統的一次場

17、波形、瞬變電磁儀器系統的一次場波形、觀測道數及其時窗范圍、觀測參數觀測道數及其時窗范圍、觀測參數及其計算單位等，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。盡管各種儀器絕大多數都是使用接盡管各種儀器絕大多數都是使用接收線圈觀測發送電流脈沖間歇期間收線圈觀測發送電流脈沖間歇期間的感應電壓的感應電壓V(t)V(t)值。值。就觀測讀數的物理量及計量單位而言，就觀測讀數的物理量及計量單位而言，大概可以分為三類：大概可以分為三類：用發送脈沖電流歸一化的參數：儀器用發送脈沖電流歸一化的參數：儀器讀數為讀數為V(t)/IV(t)/I值，以值，以作計量作計量單位。單位。以一次場感

18、應電壓以一次場感應電壓V V歸一的參歸一的參數：例如加拿大數：例如加拿大CroneCrone公司的公司的PEMPEM系統，系統，觀測值是用觀測值是用 一次場剛剛將要切斷時刻的一次場剛剛將要切斷時刻的感應電壓感應電壓V V1 1值來加以歸一。值來加以歸一。并令并令V V1 1 ，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的參數：例如加拿歸一到某個放大倍數的參數：例如加拿大的大的EMEM3737系統，野外觀測值為：系統，野外觀測值為：m=V(t)G 2m=V(t)G 2N N 式中式中V(t)V(t)為接收線圈中的感應電壓值；為接收線圈中的感應電

19、壓值；G G為前置放大器的放大倍數；為前置放大器的放大倍數；2 2N N 為儀器公為儀器公用通道的放大倍數，用通道的放大倍數，N=1N=1、2 2、9 9。m m值以值以mVmV計量。計量。為了便于對比，在整理數據中，無論用哪為了便于對比，在整理數據中，無論用哪種儀器，一般都要求換算成為下列幾種導種儀器，一般都要求換算成為下列幾種導出參數，并以這幾種參數作圖。出參數，并以這幾種參數作圖。(1)(1)瞬變值瞬變值B(t):B(t):B(t)=dB(t)/dt=V(t)/SB(t)=dB(t)/dt=V(t)/S，以，以nV/mnV/m2 2計量，這里計量，這里S S表示接收線圈表示接收線圈的面積

20、，的面積，N N為接線圈的匝數。為接線圈的匝數。有時采用有時采用B(t)/IB(t)/I，以，以nV/mnV/m2 2計量。計量。(2)(2)磁場磁場B(t)B(t)值：值：由對由對B(t)B(t)取積分得到取積分得到B(t)B(t)值，以值，以pw/mpw/m2 2 計量。計量。(3)(3)視電阻率視電阻率（）值，以（）值，以計量。計量。(4)(4)視縱向電導視縱向電導S S（）值，以（）值，以S(S(西門子西門子)計量。計量。3、瞬變曲線特征、瞬變曲線特征 采用不同裝置觀測瞬變場時，所得到的采用不同裝置觀測瞬變場時，所得到的瞬變曲線具有不同的特征。瞬變曲線具有不同的特征。下圖給出了良導直立脈狀體上方不同裝下圖給出了良導直立脈狀體上方不同裝置上的磁場曲線的異常特征。置上的磁場曲線的異常特征。假設各裝置的發射框與接收框之間中心假設各裝置的發射框與接收框之間中心點連線與巖脈走向垂直，其對應的磁場點連線與巖脈走向垂直，其對應的磁場新剖面曲線特征好下：新剖面曲線特征好下：4、施工技術、施工技術 4.1 測量裝置的選擇測量裝置的選擇 共線框、環式線框和固定發射共線框、環式線框和固定發射 4.2、測網設計、測網設計5、干擾與控制、干擾與控制五、瞬變電磁法的資料外理與五、瞬變電磁法的資料外理與解釋解釋 習題：習題：P.298 2、3、15、16、17、20、32、34