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1、瞬变电磁法的理论与应用,一、前言,瞬变电磁法是利用电磁感应原理寻找地下良导体的一种地球物理方法。 瞬变电磁法最早由地球物理学家 Wait于 1951年提出，于1953年获得专利权。 1960年原苏联研制出第一台共圈式瞬变电磁装置（MPPO型）。,1962年Mclaughlin 和 Dolan研制出固定发射回线、移动接收回线的瞬变电磁仪，并利用该仪于1964到1970年在塞浦路斯和南美洲取得了找矿效果。从而推动了电磁法的进一步发展。 自80年代以来，瞬变电磁法获得了比较大的发展。现已成为一种重要的电磁方法。,瞬变电磁法或称时间域电磁法是以不接地回线或接地线源通以脉冲电流为场源，以激励探测目的物感
2、应二次电流，在脉冲间隙测量二次场随时间变化的响应。 二次场从产生到结束的时间是短暂的。这就是“瞬变”或“过渡过程”名词的由来。 在西方地球物理界，时间域电磁法的代号是TDEM，瞬变电磁法的代号是TEM，有时TDEM即指TEM，但反过来TEM代替TDEM的极少。 ,二、瞬变电磁法的特点及应用范围,前面提到的观测是在脉冲间隙中进行不存在一次场源的干扰，这称之为时间上的可分性； 脉冲是多频率的合成，不同的延时观测的主要频率不同，相应时间的场在地层中的传播速度不同，调查的深度也就不同，这称之为空间的可分性。,瞬变电磁法的特点就基于这两个可分性 由上述两种可分性必导致以下具体特点： 把频率域法的精确度问
3、题转换成灵敏度问题，加大功率灵敏度可以增大信噪比，加大勘探深度； 在高阻围岩地区不会产生地形起伏影响的假异常；在低阻围岩区，由于是多道观观测，早期道的地形影响也较易分辨；,可以采用同点组合(同一回线，重叠回线等)进行观测，使与探测目标的耦合最紧，取得的 异常强，形态简单，分层能力强； 线圈点位、方位或接收距要求相对不严格，测地工作简单，工效高； 有穿透低阻覆盖的能力，探测深度大； 剖面测量与测深工作同时完成，提供了更多有用信息，减少了多解性。,由于这些特点伴随仪器的数字化和智能化，功率的增大，数学模型计算正反演的应用，解释水平的提高与经验的丰富。 现在瞬变电磁法不仅是剖面的方法，也是测深的方法
4、，可以解决 的地质问题相应扩大。 根据国内外的经验，可以解决的地质问题有：,矿产勘探； 构造探测； 水文与工程地质调查； 环境调查与监测 考古等。 几乎涉及物探工作的各个领域，特别需 要指出的是近年在找水、市政工程、土壤盐碱化和污染调查以及浅层石油构造填图都有良好的报导。,二、方法原理,瞬变电磁法的测量装置由发射和接收两部分组成。 瞬变电磁法的工作过程可以划分为发射、电磁感应和接收三部分。 当发射回路中的稳定电流突然切断后，根据电磁感应理论，发射回路中的电流突然变化，必将在其周围产生磁场，该磁场称为一次磁场。,一次磁场在向周围传播过程中，如遇到地下的良导电的地质体，将向其内部激发产生感应电流，
5、又称涡流或二次电流。 由于二次电流随时间变化，因而又在其周围产生新的磁场，称为二次磁场。如图1所示。 由于良导体内的感应电流的热损耗，二次磁场大致按指数规律随时间衰减。形成如图2所示的瞬变磁场。,二次磁场主要来源于良导体内的感应电流，因此它包含着与良导体有关的地质信息。 二次磁场通过接收回线的观测，并对所观测的数据进行分析与处理。 以此来解释地下的良导体的地质属性和及相关的物理参数。 图3是地面瞬变电磁系统，其发射装置是一个大发射线框，接收装置是可以移动的小型线框。,根据法拉第电磁感应定律，当发射回线的稳定电流突然切断后一段时间内，地下良导（矿）体内将产生感应电流，感应电流在良导体内扩散过程可
6、分三个阶段： 为了维护导体内原磁场，在断电初，感应电流集中分布于导体表面，形成表面电流（Grant and West，1965，Weaver，1970）。该阶段称为早期时间。,随着导体内感应电流的热损耗，表面电流开始向导体内部扩散，见图4。,其扩散速度一般与导体的电导率成反比关系，该阶段称为中期。 当导体感应电流扩散经过一段时间后，便进入所谓的晚期阶段。 其感应电流的每个线电流的阻抗和感抗均趋于于渐近值是晚期阶段的主要特征，此时导体内的电流分布趋于相对的稳定，热损耗速度减慢，表现为与感应电流相对应的二次磁场衰减的速度大大减缓（图2）。,导体内感应电流的以及与对应的二次磁场随时间的变化率取决于导
7、体的电导率、尺寸大小及形状。 早期导体表面的电流分布仅于导体的形状和大小有关，而与导体的电导率几乎无关。 瞬变电磁场的物理过程可用电路理论解释，如图1所示。其发射、导（矿）体和接收分别由三个线圈模拟，如图5，其中M01表示线圈I0与线圈I1之间的互感，R和L表示模样导体线圈的阻抗和感抗。,假定发射线圈中有电流强度为I0（t）的方波电流输入，根据电磁感应定律，则导体线圈内产生的感应电流为： （1） 其中LR为导体线圈的时间常数。 由（1）看出，导体线圈内的感应电流是随时间按指数规律衰减。,在t0时刻，即为衰减初期，导体内感应电流强度为： 显而易见，此时的感应电流仅与一次磁场的穿过导体线圈的磁通量
8、（M01I0）以及导体的形状和尺寸（L）有关，而与导体的电导率（1R）无关。,导体内的感应电流将在接收线圈中产生二次磁场，线圈输出电动势与二次磁场随时间的变化率成正比关系，其表达式为： （2） 式中：S（t）为单位脉冲函数。,分析式（2）可知，对于导电性差的地质体，其时间常数值很小，二次场初始值较大，但衰减速度较快； 反之，导电性良好的矿体，时间常数值较大，尽管二次场初始值小，但衰减速度慢（图6）。 瞬变电磁场的这一物理特性构成了利用瞬变电磁法寻找地下良导体的基本原理。,四、瞬变电磁法的野外工作方法,1、测量装置,2、观测参数 瞬变电磁仪器系统的一次场波形、观测道数及其时窗范围、观测参数及其计
9、算单位等，各个厂 家的仪器之间有所差别。 尽管各种仪器绝大多数都是使用接收线圈观测发送电流脉冲间歇期间的感应电压V(t)值。,就观测读数的物理量及计量单位而言，大概可以分为三类： 用发送脉冲电流归一化的参数：仪器读数为V(t)/I值，以作计量单位。 以一次场感应电压V归一的参数：例如加拿大Crone公司的PEM系统，观测值是用 一次场刚刚将要切断时刻的感应电压V1值来加以归一。 并令V1 ， 计量单位无量纲，称之为Crone单位。,归一到某个放大倍数的参数：例如加拿大的EM37系统，野外观测值为： m=V(t)G 2N 式中V(t)为接收线圈中的感应电压值；G为前置放大器的放大倍数； 2N 为
10、仪器公用通道的放大倍数，N=1、2、9。 m值以mV计量。 为了便于对比，在整理数据中，无论用哪种仪器，一般都要求换算成为下列几种导出参数，并以这几种参数作图。,(1) 瞬变值B(t): B(t)=dB(t)/dt=V(t)/S，以nV/m2计量，这里S表示接收线圈的面积，N为接线圈的匝数。 有时采用B(t)/I，以nV/ m2计量。 (2) 磁场B(t)值： 由对B(t)取积分得到B(t)值，以pw/ m2 计量。 ,(3)视电阻率（）值，以计量。 (4)视纵向电导S（）值，以S(西门子)计量。,3、瞬变曲线特征,采用不同装置观测瞬变场时，所得到的瞬变曲线具有不同的特征。 下图给出了良导直立脉状体上方不同装置上的磁场曲线的异常特征。 假设各装置的发射框与接收框之间中心点连线与岩脉走向垂直，其对应的磁场新剖面曲线特征好下：,4、施工技术,4.1 测量装置的选择 共线框、环式线框和固定发射,4.2、测网设计,5、干扰与控制,五、瞬变电磁法的资料外理与解释,习题： P. 298 2、3、15、16、17、20、32、34,
