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1、瞬变电磁法基本原理 1 瞬变电磁法基本原理 2 瞬变电磁法或称时间域电磁法 TransientElectromagneticMethod 简称TEM 利用不接地回线 线圈 向被测地质体发射脉冲式电场作为场源 一次场 以激励被测地质体产生二次场 在发射脉冲的间隙利用接收回线 线圈 接收二次场随时间变化的响应 从接收的二次场数据中分析出地质体异常导电体的位置 从而达到解决地质问题的目的 瞬变电磁法基本原理 3 瞬变电磁法基本原理 4 前面提到测量数据是在脉冲间隙中得到的 理论上不存在一次场源的干扰 这称之为时间上的可分性 根据傅立叶变换理论可知 方波脉冲可视为许多不同频率的组合 不同延时观测的主要
2、频率成分不同 相应时间的场在地质体中的传播速度不同 调查深度也就不同 这称之为空间的可分性 瞬变电磁法特点就基于这两个可分性 瞬变电磁响应过程 1 在导电率为s 磁导率为 的均匀地质体表面敷设面积为S的矩形发射回线中供以阶跃电流 在电流断开之前 t 0时 发射电流在回线周围的地质体和空间中建立起一个稳定的磁场 均匀大地瞬变电磁响应过程 2 在t 0时刻 将电流突然关断 由该电流产生的磁场也立即消失 一次场的剧烈变化通过空气传至回线周围的地质体中 并在地质体中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场不会立即消失 均匀大地瞬变电磁响应过程 3 由于介质的欧姆损耗 这一感应电流将迅速衰减 由它
3、产生的磁场也随之迅速衰减 这种迅速衰减的磁场又在其周围介质感应出新的强度更弱的涡流 这一过程继续下去 直至地质体的欧姆损耗将磁场能量消耗殆尽 这便是地质体中的瞬变电磁过程 伴随这一过程的地磁场就是地质体的瞬变电磁场 均匀大地瞬变电磁响应过程 4 在瞬变过程早期阶段 高频谐波占主导地位 由于高频的趋肤效应 涡旋电流主要集中在导电介质的表层附近且阻碍电磁场向地质体深处传播 所以早期阶段主要反映地质体断面上部地质信息 随着时间的推移 高频成分被导电介质吸收 从而低频成分占主导地位 它在导电地质体中激发出很强的涡旋电流 然而由于热损耗 这些涡旋电流场很快就消失了 在瞬变过程的晚期 局部地质体中的涡流实
4、际上全部消失 而在各个地层中的涡流磁场之间连续的相互作用使场均匀化和使电流均匀分布 晚期场将依赖于断面的总纵向电导 均匀大地瞬变电磁响应过程 4 决定瞬变过程状态的基本参数是场的瞬变时间 瞬变时间t依赖于地质体的导电性和发 收距离 在近区和高阻岩石区 瞬变时间很短 几十 几百毫秒 在断面中赋存着良导地质体时这一过程变缓 在远区 瞬变时间可达到几十秒 而在良导地质体上有时达到一分钟或更长 由此可见 研究电磁场的瞬变过程可得到不同电导率地层系列的地质信息及总纵向电导 也可以分离出断面中的高导电带 瞬变电磁法的 烟圈 理论 1 瞬变电磁法物理基础是电磁感应原理 据此理论 在电导率和磁导率均匀的地质体
5、上 敷设输入阶跃电流的回线 当发送回线中电流突然断开时 在下半空间就要被激励起感应涡流场以维持在断开电流前存在的磁场 此瞬间的电流集中在回线附近的地质体表面 并按指数规律衰减 随后 面电流开始扩散到地质体下半空间中 在切断电流后的任意晚期时间里 感应涡流呈多个层壳的环带状 随着时间的延长 涡流场将向下及向外扩散 感应涡流场在地质体表面引起的磁场为整个 环带 各个涡流层的总效应 这种效应可以用一个简单的电流环等效 表现为一系列与发送线圈同形状并且向下向外扩散的电流环 通常称之为 烟圈 瞬变电磁法的 烟圈 理论 2 在发送一次脉冲磁场的间歇期间 观测由地质体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应二
6、次场的强度 地质体介质被激励所感应的二次涡流场的强弱决定于地质体介质所耦合的一次脉冲磁场磁力线的多少 即二次场的大小与地下介质的电性有关 1 低阻地质体感应二次场衰减速度缓慢 二次场电压较大 2 高阻地质体感应二次场衰减速度较快 二次场电压较小 根据二次场衰减曲线的特征 就可以判断被测地质体的电性 性质 规模和产状等 由于瞬变电磁仪接收的信号是二次涡流场的电动势 即二次电位 因此 瞬变电磁作为一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法 是根据地质构造本身存在的物性差异来间接判断相关地质现象的一种有效的地质勘探手段 瞬变电磁法的 烟圈 理论 3 任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以等效为一个
7、水平环状线电流的磁场 在发射电流刚关断时 该环状线电流紧接发射回线 与发射回线具有相同的形状 随着时间的推移 该电流环向下 向外扩散 并逐渐变形为圆电流环 附图示意了发射电流关断后不同时刻地下等效电流环的分布 从图中可以看到 等效电流环很像从发射回线中 吹 出的一系列 烟圈 瞬变电磁法的 烟圈 理论 4 烟圈 的半径r 深度d的表达式分别为 5 3 1 5 3 2 式中 a为发射线圈半径 当发射线圈半径对于 烟圈 半径很小时 可得tan d r 1 07 47 故 烟圈 将沿47 倾斜锥面扩散 其向下传播的速度为 5 3 3 从式 5 3 1 到式 5 3 3 可以看出 感应涡流扩散的速度与地
8、质体电导率和磁导率有关 导电性和磁导率越好 扩散速度越慢 在导电性和导磁性较好的地质体上 能在更长的延时后观测到大地瞬变电磁场 矿井瞬变电磁法特点 1 从烟圈效应的观点看 早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的 反应浅部电性分布 晚期瞬变电磁场是由深部的感应电磁场产生的 反映深部的电性分布 因此 观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律 可以探测大地电位的垂向变化 这便是瞬变电磁测深的原理 矿井瞬变电磁法由于受仪器煤安条件限制 施工环境限制 测量线圈大小限制等诸多因素 其勘探深度不如地面深 一般深度小于100m左右 井下为全空间瞬变响应 这种瞬变响应来自于回线平面上下 或前后 地层 井下的支
9、护 轨道等铁构件属于良导体 这对确定异常体的位置带来困难 矿井瞬变电磁法特点 2 由于井下测量环境不同于地面 不可能采用地表测量时的大线圈 地面线圈边长都大于50m 大电流装置 只能采用边长小于3m的多匝小线框 因此数据采集劳动强度小 测量设备轻便 工作效率高 成本低 由于采用小线圈测量 点距更密 一般为2 3m 降低了体积效应的影响 提高了勘探分辨率 特别是横向分辨率由于是小电流 小线圈 就造成一次场强小 所得到的二次感应场也小 二次场容易被人文电磁场噪声干扰 甚至淹没 矿井瞬变电磁法特点 3 井下测量装置排除天电干扰 提高了测量信号的信噪比 可以将线圈置于巷道底板测量 探测巷道底板下一定深
10、度内含水异常体垂向和横向发育规律 可以将线圈直立于巷道内 当线圈面平行巷道掘进前方 可进行超前探测 当线圈面平行于巷道侧面煤层 可探测工作面内和顶 底板一定范围内含水低阻异常体的发育规律 矿井瞬变电磁法特点 4 由于瞬变电磁法关断时间 一次场干扰等因素的影响 与其它物探方法相比 无法探测到更浅部的异常体 浅部2 10m左右 观测数据 用发送脉冲电流幅值归一化的参数 V t I值 以uV A为计量单位感应磁场B值 B t I 以nV m2 A 为计量单位其中 Sn 接收线圈等效面积 N 发射匝数I 发射电流 观测数据 用发送脉冲电流幅值归一化的参数 V t I值 以uV A为计量单位感应磁场B值
11、 B t I 以nV m2 A 为计量单位其中 Sn为接收线圈等效面积 N为匝数 视电阻率 1 视电阻率是形象表达地下电性结构的一种常用参数 因此也往往通过某种算法将时间域瞬变电磁法 观测到的感应电动势转化为视电阻率参数进行瞬变电磁响应的地球物理解释由于瞬变场与一维层状介质表面的瞬变场表达式之间存在着复杂的隐函数关系 难以用解析法导出视电阻率与场之间的显式反函数 通常只能使用各种近似定义方法 精确定义再通过数值计算的方法 求视电阻率与场之间的显式反函数近似定义方法即所谓的早期和晚期视电阻率定义 数值计算方法则是全区视电阻率定义 视电阻率 2 视电阻率 r以 m为计量单位重叠回路晚期视电阻率计算
12、公式 r 6 32 10 3 L4 3S2 3 V t I 2 3 t 5 3其中 L 线圈边长 以m为单位S 接收面积 以m2为单位V t I 归一化值 以uV A为单位t 测道时间 以ms为单位本计算公式是理想条件下半空间晚期视电阻率计算公式 干扰和噪声 1 低于1Hz的噪声主要来自地球磁场的微脉动 5Hz 25kHz的噪声源主要是雷电或人文噪声 其中雷电在8Hz 14Hz 20Hz 26Hz 32Hz频点的电磁场相对较强 但雷电对井下的干扰非常微弱 其影响可忽略不计 赤道或热带地区的电磁噪声比中纬度地区高200多倍 中纬度地区的夏天比冬天的干扰高100多倍 一天之内的中午比早晚高10多倍
13、 干扰和噪声 2 电网噪声主要来自工频50Hz及其谐波 干扰水平可高达百mV级别 电气设备开启 关闭及工作过程会产生高值脉冲干扰 接收线圈的摆动 可感应出低频干扰 幅度可达10uV以上 器件性能差异 电路设计 PCB电路布板等都亦能产生仪器机内噪声 噪声的抑制 瞬变电磁仪主要干扰之一为50Hz极其谐波 由于二次场信号为宽频信号 频率范围主要集中在20KHz以内 其中包含的50Hz也属于有效信号点 造成传统的数字滤波手段难以适用 双极性处理作为消除工频干扰的有效手段 在发射频率周期为工频周期整数倍时 如发射频率2 5Hz 6 25Hz 12 5Hz 25Hz 干扰可被理想抵消 多次叠加作为提高信噪比的主要手段 可有效抑制白噪声 随机干扰 天电干扰等常见噪声 提高数据信噪比
