（地球探测与信息技术专业论文）导电薄板的三分量瞬变电磁响应规律研究.pdf

摘要 论文根据瞬变电磁法三分量研究和应用状况，提出了研究三分量 响应的意义。论文主要研究了大定源和中心回线装置下薄板导体的三 分量响应规律，组合薄板导体的三分量响应规律，导电覆盖层下薄板 导体的三分量响应规律以及地形对三分量响应的影响。 论文从频率域电磁场各分量表达式出发，推导出时间域均匀半空 间表面上垂直磁偶极子源及水平电偶极子源瞬变场的三分量表达式。 利用本征电流等效方法模拟计算了薄板导体的三分量响应，组合薄板 导体的三分量响应，导电覆盖层下薄板导体的三分量响应以及不同地 形条件下薄板的三分量响应。 通过模拟计算结果表明，利用x 分量可以大致确定板状体的中 心，y 分量可以判断板的倾向，z 分量有利于发现异常，也能判断板 的倾向，但不如y 分量对倾向反应敏感。对不同装置条件下组合导 电板状体的三分量响应，中心回线装置的横向分辨能力要优于大定源 装置；对于大定源装置，当p h 3 时，三个分量的曲线都出现了“双峰”； 对于中心回线装置，p h 2 时则能够分 辨出组合板。论文通过模拟计算，得出了即使覆盖层与目标体的纵向 电导相等( 即s ，s ：1 ) 时，中心回线装置下x 分量和y 分量对目标 体也有反映，但在大定源装置条件下三分量响应均没有异常的结论。 但是，当s ：s 。5 时，三分量响应特征都能清晰地反映目标体。关于 地形对三分量响应的影响，模拟计算结果表明，山脊和山谷地形主要 影响三分量响应的幅度，对曲线形态影响不大，而山坡地形对三分量 响应影响较大，响应特征复杂。此外，垂直分量相对水平分量受地形 影响较小，大定源装置相对中心回线装置受地形影响较小。 关键词：三分量瞬变电磁响应，本征电流，薄板导体，导电覆盖层， 地形影响 a bs t r a c t w i t ht h es t u d yo ft h et e m r e s p o n s eo ft h r e e - c o m p o n e n t ，t h i sp a p e r p r o p o s e dt h ei m p o r t a n c eo fi t sa p p l i c a t i o n i ng e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n g t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h et e m r e s p o n s eo ft h r e e c o m p o n e n ti nf o u r c o n d i t i o n s ：( 1 ) t h er e s p o n s e f o r p l a t e i nt w o c o m m o n l y u s e d c o n f i g u r a t i o n s ，c e n t r a ll o o pc o n f i g u r a t i o n a n dl a r g ef i x e ds o u r c el o o p c o n f i g u r a t i o n ；( 2 ) t h er e s p o n s ef o rm u l t i p l a t e sm o d e l ；( 3 ) t h er e s p o n s ef o r p l a t e st a r g e tw i t hc o n d u c t o ro v e r b u r d e no ni t st o p ；( 4 ) t h er e s p o n s ef o r p l a t e sw i t ht o p o g r a p h y a c c o r d i n gt o t h ef i e l d e x p r e s s i o n s o fa l lt h ee l e c t r o m a g n e t i c c o m p o n e n t si nf r e q u e n c yd o m a i n ，i td e r i v e st h em a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n o ft h e t h r e e c o m p o n e n tr e s p o n s e o nt h es u r f a c ei n h o m o g e n e o u s h a l f - s p a c ei nt i m ed o m a i n ，f o rb o t ht h ev e r t i c a lm a g n e t i cd i p o l e s o u r c e t r a n s i e n tf i e l da n dt h eh o r i z o n t a le l e c t r o n i cd i p o l ef i e l d t h ee i g e n c u r r e n t e q u i v a l e n t s i m u l a t i o n p r i n c i p l e i si n t r o d u c e dt oc a l c u l a t e t h et e m r e s p o n s eo ft h r e e c o m p o n e n tf o rt h ev a r i o u s m o d e l s r e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) t h ex c o m p o n e n tr e s p o n s er o u g h l yd e t e r m i n e s t h e p r o j e c t i o np o s i t i o n o ft h e p l a t e s c e n t e ro nt h e g r o u n d ，t h e y - c o m p o n e n tr e s p o n s er e f l e c t st h ed i pd i r e c t i o nw h i c hd o e sb e t t e rt h a n t h ez c o m p o n e n tr e s p o n s e w h i l et h ez c o m p o n e n tr e s p o n s eo b v i o u s l y i m p l yt h ea n o m a l y ( 2 ) f o rm u l t i p l a t e sm o d e li nt h et w oc o n f i g u r a t i o n s ， t h ec e n t r a ll o o pc o n f i g u r a t i o nh a sh i g h e rr e s o l u t i o nt h a nt h el a r g ef i x e d s o u r c el o o pc o n f i g u r a t i o ni nd e t e c t i n gt r a n s v e r s em u l t i m o d e l f o rt h e l a t t e r , w h e np _ h 3 ，a l lt h et h r e er e s p o n s ec u r v e sd e m o n s t r a t e dd o u b l ep e a k s ； w h il ef o rt h ef o r m e r , w h e np h 三2t h em u l t i m o d e lc a nb ep r o s p e c t e d ( 3 ) w h e nt h er a t i of a c t o r s o ft h el o n g i t u d i n a lc o n d u c t a n c eb e t w e e nt h e t a r g e t ( s 2 ) a n dt h eo v e r b u r d e n ( s 1 ) e q u a l s ( s 2 s i ) ，t h ex c o m p o n e n t a n dt h ey - c o m p o n e n tr e s p o n s er e f l e c tt h et a r g e tu n d e rt h ec e n t r a ll o o p c o n f i g u r a t i o n ，w h i l eu n d e r t h el a r g ef i x e ds o u r c el o o pc o n f i g u r a t i o nt h e r e i sn or e f l e c t i o n w h e ns ，s l 5 ，t h er e f l e c t i o ni so b v i o u s ( 4 ) t h e t o p o g r a p h yi n f l u e n c eo nt h er e s p o n s eo ft h r e e c o m p o n e n ti st h a t ：h i l la n d v a l l e yt e r r a i nm a i n l ya f f e c t st h er e s p o n s ea m p l i t u d e ，w i t hl i t t l ei n f l u e n c e o nt h er e s p o n s ec u r v es h a p e h o w e v e r , f o rs t e pt o p o g r a p h y , t h er e s p o n s e a m p l i t u d ea n ds h a p ew i l lb ec h a n g e ds i g n i f i c a n t l y , i tb e c o m e sm o r e c o m p l e x t h ev e r t i c a lc o m p o n e n ti sl e s sa f f e c t e db yt e r r a i nt h a nt h e h o r i z o n t a lc o m p o n e n t ，a n dl a r g ef i x e ds o u r c el o o pc o n f i g u r a t i o ni sl e s s a f f e c t e db yt e r r a i nt h a nc e n t r a ll o o pc o n f i g u r a t i o n k e yw o r d s ：t h r e e c o m p o n e n t t r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i cr e s p o n s e ， e i g e n c u r r e n t ，t h i np l a t ec o n d u c t o r ，c o n d u c t i v eo v e r b u r d e n ，t o p o g r a p h i c e f f e c t 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 童! ：l 丝! 1日期：4 年月三z 目 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：雌导师签名埠嬗日期：蜱年上月卑日 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 瞬变电磁法由于是在一次脉冲磁场的间歇期间测量地下介质和目标体耦合 效应的二次场，克服了一次场诸多对测量结果的影响，且具有测深和剖面测量工 作同时完成、勘探深度大、分辨率高、穿透和分辨低阻覆盖能力强、无高阻屏蔽 等优点，已经广泛应用于矿产勘探、煤田探测、地热、水文、工程与环境地质勘 察等领域【l 】【5 1 。随着瞬变电磁法的广泛应用，人们对瞬变电磁法的研究也越来越 广泛，正反演计算研究方面，从一维j 下反演发展n - 维、2 5 维甚至有的学者尝 试三维正反演计算研究【6 卜l 【1o 】；野外数据采集、处理到解释等方法技术也取得了 长足的发展，特别是随着电子技术的飞速发展，瞬变电磁法仪器也越来越先进， 测量精度更高，抗干扰能力更强，并从过去仅测量垂直分量( z 分量) 向同时进 行三分量( x 、y 、z 分量) 测量方向发展，代表性三分量测量仪器如p r o t e m 6 7 型瞬变电磁系统、a r t e m i s t mt d e m 系统等。本章将对瞬变电磁法发展概况、 三分量研究及应用现状、三分量研究意义以及当前研究存在的问题等几个方面的 内容进行系统的论述。 1 1 瞬变电磁法发展概况 瞬变电磁法最早由加拿大地球物理学家j r w a i t 于1 9 5 1 年j 下式提出，但最 早是由前苏联的地球物理工作者将该方法应用于探测地质构造问题，2 0 世纪4 0 年代a h t r t x o h o b 建立了远区建场测深法理论，它使用电偶源，测点柿置于离开 电偶源距离为r 的地方( f 为发收距) ，要求r ( 4 6 ) h ( h 为探测深度) ，用水 平线框测量感应电压以了解其过渡过程。同时期内，i o b 见i ( y 6 0 b c k h 豇和 b x k o b a r l e h k 等人创立了应用于矿产勘查的过渡过程方法m f i i - i ，并发表了大量 相关的论文，5 0 年代以后由b a c t i 口t o p o b 和b b t r t k t t i a e b 等人建立了近区建场 测深法理论】- 【坦l 。此外，前苏联还对仪器研制、数据采集、处理和解释技术进 行了深入研究，反映了当时前苏联的研究水平。西方虽然提出瞬变电磁法较早， 但直到2 0 世纪8 0 年代才开始广泛研究和应用，但是发展迅猛，无论在方法理论 还是应用等方面都进行了较深入的研究，很快就占据了该研究领域的世界领先地 位，特别是在仪器研制、j 下反演软件开发及实际应用方面更是走在了世界的前列。 国内，瞬变电磁法的研究始于2 0 世纪7 0 年代，吉林大学、中国地质科学院 物化探勘查研究所、中南大学、中国地质大学等科研院校参与了瞬变电磁法的研 究。牛之琏【1 】【2 】【1 3 j 【1 4 1 、朴化烈15 1 、方文测16 1 、蒋邦远1 4 】【1 7 】【1 8 】、李射3 】【1 6 1 等人较为 中南人学硕十学何论文第一章绪论 全面和系统地介绍了瞬变电磁法的理论，并做了一些理论上的探索和实际应用方 面的研究工作。此外，国内也还有很多的研究人员专注于瞬变电磁法各方面的研 究，但总的看来，无论是在理论创新还是在仪器研制等方面，目前我国的研究水 平跟西方国家相比仍然存在一定的差距。 1 2 三分量研究及应用现状 目前在瞬变电磁法研究方面，无论在理论研究还是野外实际工作中，一般都 只测量垂直分量( z 分量) ，并专注于垂直分量响应的j 下反演研究，之所以这样， 一方面因为通常情况下垂直分量的响应比水平分量的响应要强得多，因此往往能 得到较好的信噪比，特别是通过z 分量响应可以简单求解出视电阻率、深度、视 纵向电导等重要参数，可以获得垂向方向的地电断面的信息；另一方面测量较弱 信号的水平分量需要提高仪器信噪比和抗干扰能力，同时由于没有三分量磁探 头，常规测量方法效率很低，所以，一直以来野外实际工作中都很少测量水平分 量( x 分量和y 分量) 的瞬变响应；另外，水平分量比垂直分量的响应复杂，解 释非常困难。这些因素导致了对水平分量的研究没有引起足够的重视。然而，研 究水平分量的响应特征和规律是非常有意义的( j d m c n i l l ，1 9 9 2 ) 1 1 9 1 1 2 1 j ：( 1 ) ： 根据x 分量的响应特征往往更容易识别和解释异常，因为通常情况下x 分量响应 曲线在异常体上方表现为异常峰值，而不是过零点位置。( 2 ) ：当导电体的响应 是由集流效应引起时，x 分量响应的异常范围通常很窄，因此利用x 分量更容易 发现和分辨横向多重异常。( 3 ) ：半空间或覆盖层的响应对x 分量异常位置的改变 较小，而半空间或覆盖层的响应附加到z 分量上则可能会明显地改变其过零点的 位黄。此外，根据y 分量响应特征可以辨别出导电体在测线方向上的倾向等方位 信息。( 4 ) ：当寻找深部隐伏目标体时，如果能观测并综合分析x 分量、y 分量和 z 分量三个分量的响应特征，可以得到更多关于异常体的信息，这才是最有意义 的。但是，j d m c n i l l 只是简要说明了测量水平分量的意义，并没有综合三分量 响应特征及其规律进行深入地分析和研究。 通常情况下，研究三分量的响应特征及其规律可以通过物理模拟和数值模拟 两种方法来实现。物理模拟方法具有方法简单，结果直观、准确等优点，成为早 期研究三分量响应的主要方法和手段，但同时物理模拟方法也往往受模拟条件、 测量仪器等因素的限制，使得物理模拟方法具有较大的局限性。数值模拟方法具 有建模简单、效率高、计算结果准确等优点日益受到广泛的应用。物理模拟方面， r d o g i l v y l 2 2 j ( 1 9 8 5 ) 利用物理模拟的方法研究了重叠回线装置下不同倾角时薄 脉的z 分量响应特征。p e g g i e r g a l l a g h e r l 2 3 l ( 1 9 8 5 ) 、i b r a m a p r a s a d ar a o l 2 4 l 2 中南人学硕十学位论文第一章绪论 ( 1 9 8 5 ) 利用物理模拟的方法分析了导电薄板不同倾角时z 分量的偶极瞬变响 应特征。刘本浩、牛之琏等1 2 5 j ( 1 9 9 2 ) 模拟了空气介质中和导电覆盖层下的球 体和薄板状导体在重叠回线装置和大定源装置时的垂直分量的剖面曲线响应，以 及定源旁线偶极装置下导电薄板的三分量响应。数值模拟方面，常用的数值模拟 方法有本征电流等效模拟计算法( a p a n n a n ，1 9 7 4 ；a v d y c k ，1 9 8 4 ) 、等效涡流 法、有限单元法、积分方程法、有限差分法等方法( s a n f i l i p ow a ，h o h m a n ng w ，1 9 8 5 ：n e w m a nga ，1 9 8 6 ；w a n gta n dh o h m a n ngw ，1 9 9 3 ；殷长春，1 9 9 4 ； 邓晓红，2 0 0 6 ) 。g w h o h m a n n 【2 3 1 【2 6 1 ( 1 9 8 5 ) 等人利用本征电流等效模拟计算的方 法模拟计算了自由空间中大定源装置下导电薄板不同走向长度，不同电导率等情 况下的z 分量响应，并分析了其响应特征。t s i l iw a n 9 1 2 7 1 ( 1 9 9 5 ) 利用时域有限差 分法计算了断层接触带上3 d 导电体的z 分量和x 分量的响应。 关于导电覆盖层下导电体的三分量响应特征以及地形对三分量响应的影响 研究方面，目前仅针对z 分量的响应特征进行了初步研究。w e i d e l tp t 2 8 j ( 1 9 8 1 ) 研究了导电覆盖层下薄板导体的z 分量的偶极瞬变响应特征。g u i m i n gl i u ， m a c h a e la s t e n t 2 9 1 ( 1 9 9 3 ) 利用快速近似计算方法计算了导电覆盖层下z 分量的响 应。牛之琏( 1 9 9 2 ) 利用物理模拟方法模拟了全覆盖和半覆盖条件下水平圆柱体 等模型的z 分量响应。o g i l v yrd 1 3 0 l ( 1 9 8 6 ) 研究了起伏地形下高阻围岩中导电 体的z 分量响应特征。牛之琏【2 5 1 ( 1 9 9 2 ) 利用物理模拟的方法模拟了山脊、山 谷和山坡地形条件下高阻围岩和导电围岩中导电体的z 分量响应。肖怀宇1 3 l j ( 2 0 0 6 ) 利用有限差分的方法研究了带地形的瞬变电磁法数值模拟问题，主要也 是针对不同地形条件下的z 分量响应特征进行分析和研究。实际应用方面， k e n n e t hlz o n g e l 3 2 】【3 3 1 ( 2 0 0 2 ) 等人讨论了水平分量在探测地下管线中的作用。 刘金涛【3 4 j ( 2 0 0 8 ) 等根据野外实际工作中采集到的三分量数据绘制成的剖面进 行了初步研究。 综上所述，目前关于三分量响应的研究还处于初级阶段，特别是关于组合导 电体、存在导电覆盖层、起伏地形时的三分量响应特征及其规律的认识和研究不 够。 1 3 三分量研究意义 如前所述，j 下是由于利用垂直分量响应特征在定性分析异常时具有一定的局 限性，而根据水平分量的响应特征能获得更多关于异常体的信息，因此综合三分 量响应特征对异常体进行分析是有必要并具有重要意义。 1 综合三分量响应特征进行分析可以更准确地判断板状体的倾向、异常中 中南人学硕十学位论文第一章绪论 心在地面的投影位置； 2 利用水平分量横向分辨能力强的优点； 3 当目标体与覆盖层的导电性差别不大时，z 分量往往很难发现甚至无法 彭 别目标体的响应，而水平分量则能够发现异常； 4 当地形起伏时，综合分析三分量响应特征可以识别地形因素引起的畸变， 从而能够更加准确地对异常体进行判断； 5 野外地电结构较为复杂，只测量垂直分量往往难以对异常做出准确的判 断，实测三分量响应有利于对异常进行分析和解释。 1 4 当前研究存在的问题 归纳和总结前面的分析并结合野外实际情况可知，目前在三分量研究方面还 存在如下几个方面的问题： 1 在实践生产中，瞬变电磁三分量没有被广泛应用，水平分量信息没有引 起足够的重视。 2 在复杂地质情况下，水平分量对异常体的空间位置和产状响应规律无人 问津。 3 综合三分量响应特征对异常进行定性和定量分析的研究还处于初级阶 段，特别是定量分析方面，几乎没有丌展相关研究。 4 不同装置条件下，导电体的三分量响应特征差别明显，但是目前还较少 对不同装置条件下导电体的三分量响应特征进行综合对比和分析。 5 对低阻覆盖下良导体的三分量响应特征以及地形对三分量的响应的影响 方面的研究不够。 1 。5 论文主要研究内容及成果 主要研究内容： 1 大定源和中心回线装置下薄板导体三分量响应规律： 2 组合薄板导体三分量响应规律； 3 导电覆盖层下薄板导体的三分量响应规律； 4 不同工作装置时，地形对三分量响应的影响规律； 主要成果： 1 论文得出了大定源装置和中心回线装置下，利用x 分量响应曲线的过零 点或异常主峰值位置可以判断板的中心在地面的投影位置，根据y 分量和z 分 4 中南人学硕七学位论文 第章绪论 量响应曲线形态可以判断板的倾向结论，但是，中心回线装置下，z 分量比y 分 量更容易判断板的倾向。 2 论文通过模拟计算论证了纵向电导和埋深主要影响三分量响应的幅值， 而对三分量响应曲线形态影响相对较小的观点。 3 。论文通过对组合板三分量响应的研究，得出了对于大定源装置，当p h 、 上2 n j 附- 。打三如= b 1 甜00 p 一f 舀 l 一矽( 甜】，r 、 其中： 矽( “) 为概率积分， ( “) = 昙r p 一( r 2 2 衍， 甜= 2 刀f ，f = t 磊丽。 中南人学硕十学何论文第二章二分量基本原理及【：作方法介绍 去p p 加兰1 0 ) 如一船7 1 巾2 2 ) ( 2 ，3 ) 2 万l m一 、f 、 芴1 胁心加三如= 伊p _ ( ，2 2 ) ( 2 - 1 4 ) 瓦1 胁小船三如一彦w 酽2 ) ( 2 - 1 5 ) 将式( 2 11 ) 一( 2 1 4 ) 应用到方程式( 2 8 ) ，可得： 纵归一新”居”户2 p 6 ， 应用等式( 2 1 1 ) 一( 2 1 5 ) 到( 2 9 ) 式并对t 求导，可得垂直分量( z 分量) 的磁感应强度对时间的导数为： 鲁= 辨一伊( 一1 纠1 p 其中：m = 1 s n 为磁偶极子的磁矩，i 为电流，s 为线幽面积，n 为线圈匝数， p 为均匀半空间电阻率，r 为收发距。 水平分量磁感应强度的推导过程略为复杂一些，首先，令f ：罢生，对时问 化 t 取二次导数并进行傅氏变换，则有： 窖o t ：一羔8 桀筹r 州叫咖 ( 2 - 18 )xamm 一= 一一-一_ ，孔，i 册r - “， z 。_ o - 222 j l m ( +1 ) 2j l 。o 、。7 。 、1 。7 略去中间繁琐推导过程，可得： 警= 卷即 p 再对( 2 1 9 ) 式进行一系列的微分和积分，可得水平分量的磁感应强度对时f , j 一阶导数为： 鲁= 巾铷 ( 1 + 州州2 + 譬斜p 2 。， 其中；, o i l 、删为零阶第一类贝塞尔函数和一阶第一类贝塞尔函数。 中南人学硕士学位论文第二章二分量基本原理及1 j 作方法介绍 由于均匀半空间中直角坐标系下x 分量与y 分量磁感应强度的时间导数相等， 因此有： 鲁= 育o bb = 譬甜分伽| 1 + 譬卅譬斟陋2 t ， 2 1 2 均匀大地水平电偶极子源瞬变场的三分量 根据m i s a cnn a b i g h i a n 的推导，略去繁琐推导过程，直接给出直角坐标系 下电偶极子源在均匀大地表面形成的三分量磁感应强度对时间的导数表达式 3 9 1 ： 鲁= 豢p 巾柏 ( 4 + 州针纠刎 亿2 2 ， 堡：些p 巾2 4 ， 一= 一p o t4 a t2 t 3 “等) + 譬 “等 一厶( 等) 一 等 ( 孚+ 4 ) “等) 一手厶( 等 等= 警卜，一居阱甜礓”忱 ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) 其中：p 为磁导率，m = i d x 为电偶极子的磁矩，j 为发送电流，p 为均匀大地 电阻率，r 为收发距，( ”) 为概率积分，矽( 甜) = ；f 。p 川2 2 ，加，甜= 2 刀r ， f = 4 2 a p t x1 0 7 。 综上所述，当发射和接收装置均置于均匀大地表面时，可以推导出垂直磁偶 极子源或电偶极子源瞬变场的三分量解析表达式，但是实际t e m 工作中，一般 以大回线或长接地导线作为发射源，而大回线源或长接地导线不能采用垂直磁 ( 电) 偶极近似。理论上，要计算磁场的三分量，可以将偶极源表达式沿回线进 行数值积分来求解，但是其中涉及到的贝塞尔函数之间的乘积很难处理，因此很 难给出回线源或线源任意点处磁场三分量的解析表达式。 9 中南人学硕+ 学伉论文 第二章三分量基本原理及r 作方法介绍 2 2 三分量工作装置及方法技术 2 2 1 工作装置 瞬变电磁法可以在地面、井中和空中进行，本文所讨论的是地面磁源几种 主要的工作装置：中心回线装置、大定源回线装置、重叠回线装置以及分离回线 装置f 3 5 】。 中心回线( c e n t r a ll o o p ) 装置：是指发送回线的中心与接收线圈的中心在 空间上重合，即收发距为零，并在测量过程中沿测线逐点同时移动，如图2 - 2 ( a ) 所示。中心回线装置相对于其它装置而言，它与地下目标体的耦合性最佳，且异 常形态简单，便于解释，是野外工作中最为常用的装置之一。野外实际工作中， 由于在发送框中问l 3 区段内一次场衰减较慢，因此可在该区段内测量数个测点， 有利于提高工作效率，相邻发送回线t x 可相重叠5 0 以内以便使观测点相连续。 中心回线组合的发送回线面积一般为5 0 m 5 0 m 2 0 0 m x 2 0 0 m 范围内，实际工作 中可根据具体任务要求进行选择。 大定源回线( l a 唱ef i x e ds o u r c el o o p ) 装置：是指发送回线固定不动，接 收线圈在回线内外沿测线逐点进行测量，如图2 - 2 ( b ) 所示。如果只在大回线外进 行测量时，大回线外组合又称土拉姆( t u r a m ) 组合，这种组合的发送回线面积 一般为2 0 0 m x 4 0 0 m - - 一1 0 0 0 m x 2 0 0 0 m 不等。如果只在大回线内进行测量，我们称 为大回线内组合，其发送回线面积一般为1 0 0 m 1 0 0 m 一1 0 0 0 m x l 0 0 0 m 或更长。 大定回线源装置由于可测量的范围较大，且对野外布线要求不是太严格，甚至可 以按地形布线，因此野外实际工作中一旦铺好发送回线，便可丌展测量工作，工 作效率相当高，异常形态也较分离回线装置简单。 重叠回线( c o i n c i d e n tl o o p ) 装置：是指发送回线与接收回线在空问上重合， 即收发距为零，并在测量过程中沿测线逐点同时移动，如图2 - 2 ( c ) 所示。一般情 况下，发送回线与接收回线在空间上是重合的，但是有时候为了降低可能存在的 超顺磁效应 4 0 l t 4 t l ，发送回线与接收回线要分开3 m 左右。重叠回线边长一般为 5 0 m 2 0 0 m 不等的方框，实际工作中可根据具体任务要求进行选择。重叠回线虽 然具有与目标体的最佳耦合，但由于野外实际工作中布线相当繁琐，工作效率较 低，且只能测量z 分量的响应，目前已较少被应用于实际工作。 分离回线装置：也称斯林格拉姆( s l i n g r a m ) 装置，是指发送与接收线圈相 分离，保持固定的收发距( 或称偶极距) ，在测量过程中沿测线逐点同时移动的 装置，如图2 - 2 ( d ) 所示。分离回线一般采用边长为5 0 m 2 0 0 m 不等的正方形线框， 1 0 中南人学硕十学何论文第二二章三分量基本原理及一f j 作方法介绍 实际应用时应根据任务来选择。这种装置在2 0 世纪7 0 年代较为常用，但由于探 测深度小加上野外施工不便，且异常形态复杂、受地质噪声干扰大等特点，现在 已经很少被使用于面积性的勘查工作。 ，广_ 。 l r x i t x l t x 厂 ”i l 一 l r x ，1 l t x ( b ) t x ( d ) 图2 - 2 地面磁源t e m 常规工作装置示意图 ( a ) ：中心回线装置；( b ) ：大定回线源装置；( c ) ：重叠回线装置；( d ) 分离回线装置； t x ：发送回线；r x ：接收线圈；r ：收发距 在给定的情况下，如何选用最佳的回线组合受到许多因素的影响，主要因素 如目标体的特性、地质噪声、电磁噪声干扰等。一般说来，动源组合( 包括中心 回线装置、重叠回线装置、分离回线装置等) 的灵敏度随测量位置的变化是均匀 的，而定源回线组合( 大定源装置) 的灵敏度随着离开发送回线的距离的增加而 降低。在不清楚目标体走向和不能确定其埋深时，采用动源组合较为合适。因此， 在地质资料少或没有自订人的地质资料的地区做普查测量，最好采用动源组合，一 般主要是采用中心回线装置，而在后一阶段的详查工作中可以用大定源组合。然 而，在寻找深部目标体时通常需要较高的灵敏度，重叠回线或中心回线装置提供 的发送磁矩有限，而大定源回线装置能提供足够的发送磁矩来提高灵敏度，有时 中南人学硕十学位论文 第二章三分量基本原理及：1 ：作方法介绍 候为tn 部找矿的需要，甚至在勘探初期也采用大定源组合【4 2 】。 2 2 2 方法技术 ( 1 ) 基本参数选择：对于某一选定的测区而言，首先应根据测区实际情况 并结合相关地质资料选择装置类型，确定回线边长等参数。装置类型的选择在上 一节内容中已有叙述，此处不再赘述。对于如何选定回线边长，一般需要结合地 质任务、目标体的规模、埋深及电性特征适当地做一些物理模拟或数值模拟工作， 依据这些模拟结果并结合准备使用的测网密度合理地加以选定。一般选择的原则 是：回线边长大致与探测对象的埋深相等。选定回线边长之后，再通过野外试验 选取基频、发送电流、采样时间范围、叠加次数( 或积分时间) 等参数。基频的 选择取决于欲探测的深度，发送电流一般要尽可能大，这样有利于增大发送磁矩。 一般说来，在实际工作中应在尽可能宽的时间范围内来采集尽可能多的有用信 号，而叠加次数却希望取得少些以提高观测速度，但这要取决于仪器系统的噪声 电平和测区的噪声水平。 ( 2 ) 布线：野外布线基本上应根据测区布设的点位敷设导线，应该注意的 是，若绕线架上剩余有导线，由于绕在线架上的导线相当于一组带有铁芯的多匝 感应线圈，观测时会产生极强的感应场，会导致观测结果发生严重的畸变，与全 部铺在地面上的观测结果相比，在线架上剩余的导线越多，观测到的感应就越强， 甚至会高出好几个数量级。因此，在野外铺线时，应严格禁止将导线残留在线架 上，剩余的导线最好是将其呈“s ”型铺在地面上。对于野外工作中经常遇到的 良导体如电线、铁轨、地下金属管道等，往往能引起很强的瞬变响应异常，当回 线逐渐靠近这类导体时，会观测到很强的异常，具有明显的磁性影响特征，异常 衰减较慢，甚至直到晚延时阶段仍有明显的影响，因此实际工作中应尽量避免这 些导体进行测量。 ( 3 ) 三分量测量方法：三分量接收线圈( 探头) 一般是由多匝线圈绕制而 成，三个分量的接收线圈相互垂直并固定在一个盒子内，如图2 3 所示。测量过 程中首先应将接收探头调至水平，并始终与测线方向保持一致，x 分量方向一旦 固定，则y 分量和z 分量方向也随之固定下来。然后，将三分量接收线圈通过 电缆与接收机相连，在发送回线断丌的情况下先在接收机罩设詈好增益，显示当 前噪声电平，如果噪声较大，则应降低增益，如此反复，直到选出最优的增益值。 一般应每隔定距离就需重新进行噪声测量，因为不同的测点处的噪声水平往往 会不一样，因此需要重新测量噪声电平。一般情况下，如果所记录的衰减曲线的 最后几道读数为噪声电平，说明有用信号都已经记录下来，如果最后几道的读数 超过噪声电平且波动较大，说明还没有达到噪声电平，此时应增大时间范围及叠 中南人学硕士学位论文第二章二分量基本原理及i ：作方法介绍 加次数。当然，在实际观测中遇到衰减很慢的异常，应实时延长时间范围进行重 复观测。设置好增益并与发送机完成同步后，即可开始进行测量工作。 图2 - 3 三分量( 3 - d ) 线圈结构示意图 2 3 三分量测量仪器 目自订，应用于地面勘探的时间域电磁法仪器主要有加拿大g e o n i c s 公司生产 的p r o t e m ( p r o f e s s i o n a lt i m ed o m a i ne m ) 系列瞬变电磁系统、澳大利亚联邦 科学和工业研究院( c s i r o ) 生产的s i r o t e m 、a r t e m i s t mt d e m 系列瞬变 电磁系统、加拿大c r o n e 公司生产的d e e p e m 瞬变电磁系统，以及z o n g e 公司 生产的g d p 系统等。p r o t e m 、s i r o t e m 以及a r t e m i s t mt d e m 系统都配 有三分量接收线圈( 探头) ，可以测量磁场的三个分量，d e e p e m 系统虽然也可 以测量磁场的三个分量，但主要适用于井中测量，g d p 系统中的n a n ot e m 模 块可用于t e m 工作，但它只配备了一个垂直分量接收探头，不能进行三分量测 量。p r o t e m 型瞬变电磁系统由于可以同时测量磁场的三分量响应，并具有抗 干扰能力强、动态范围大、勘探深度大等一系列优点，是公认的最为专业的时间 域电磁法仪器。g e o n i c s 公司的仪器从1 9 7 9 年问世的e m 一3 7 系统开始，发展到 目前的p r o t e m 。6 7 型瞬变电磁仪系统，该系统主要包括发送系统、接收系统及 各类连接电缆等部件，主要应用于金属矿勘探、煤f f l 探测等方面【3 5 j 【4 3 】【4 6 1 。 发送系统：发送系统包括一台t e m 5 7 m k 2 发送机和一个功率模块，功率模 中南人学硕士学位论文 第二章二分量基本原理及- t 作方法介绍 块的作用是可以增大发送电流，从而增加回线的发送磁矩。发送波形为占空比为 5 0 的双极性方波，使用发电机进行供电，输出电压在1 8 1 5 0 v 范围内可调，最 大输出电流为2 8 a 。适用于中心回线装置和大定源装置，中心回线装置发送回线 一般采用为边长1 0 0 m 或2 0 0 m 的方框，大定源装置的发送回线面积一般为 3 0 0 m 6 0 0 m 5 0 0 m x l 0 0 0 m 的矩形框，关断时间范围在2 0 7 5 0 “s 之间，与发送回 线的总长度和发送电流的大小有关。5 0h z 工频地区仪器发送基频为2 5 h z 、6 2 5 h z 、2 。5h z 可选，分别对应高频( h ) 、中频( m ) 和低频( l ) 。同步方式可选电 缆同步或高精度石英钟晶体同步方式，电缆同步的优点是只需将发送机和接收机 连接好后能实时同步，而晶体同步则需要在测量前花费半个小时左右的时问，不 如电缆同步方式简单、快捷，但是晶体同步一旦完成后接收机则不需电缆与发送 机相连接，实际工作中相比电缆同步要显得更为方便，效率更高，因此晶体同步 是中心回线特别是大定源装置的首选同步方式。 接收系统：接收系统包括一台p r o t e m 数字接收机和一个三分量( 3 d ) 接收探头。接收机设有7 个二进制增益级，可以手动调节以扩展动态范围，其内 部的微处理器控制接收机所有操作，包括与发送机同步的控制。在瞬变场观测时 问内，可选择2 0 或3 0 个时间门( 道) 对被放大信号进行选通控制，2 0 或3 0 时 间门的各门起始时间和中心时问等分别见表2 1 、表2 2 所剩4 列。从表2 1 和表 2 2 可知，2 0 门模式的中频和低频的1 2 0 门时间分别与3 0 门模式的1 1 3 0 门的 时问相同，而2 0 门模式的高频与3 0 门模式的1 1 3 0 门的积分时i 、日j 门宽度略有差 别，大致差2 s 左右，因此3 0 门模式基本上是比2 0 门模式在关断后采样的时间 提前了1 0 个时间门。仪器动态范围可达1 7 5 d b ，积分时间有0 2 5 s 、2 s 、4 s 、8 s 、 1 5 s 、3 0 s 、6 0 s 、1 2 0 s 可以进行手动选择。标定可以选择系统内部自标定或外部 q 线圈进行标定。同步方式可选电缆同步或高精度石英钟晶体同步。系统分辨率 2 9 位，即最小可分辨电压约为0 0 l u v ，系统对观测信号的分辨率为2 4 位，即最 小可分辨电压约为0 2 i ，t v 。接收机有三个观测通道，可以同时观测三分量的 棚( ，) 坊值，以接收探头的有效面积进行归一化，单位为n v m 2 。测量过程中采 集到的三个分量的数据以感应电动势的衰减曲线形式实时地显示在接收机屏幕 上，因此可以实时地判断数据质量。被选通的信号送入积分器做叠加平均，再通 过多路调制器和a d 转换器，最后以数字信号形式存储在固态存储器中，再通 过接收机上的r s 2 3 2 接口可以将存储的三分量数据通过数据线传输到p c 机上。 接收线圈为一固定于边长为1r n 的方形塑料盒内的j 下交三分量传感器( 如示意图 2 3 所示) ，线圈有效面积为2 0 0 m 2 ，它是线圈面积、匝数和内置前置放大器增益 的乘积，3 d 接收探头通过通信电缆与接收机相连，探头表面有一个箭头和一个 罗盘，一般箭头方向表示x 分量的方向，罗盘用来调整方向。 1 4 中南人学硕十学何论文 第二章三分量基本原理及1 ：作方法介绍 袁2 - 1 ：2 0 门模式各门时间表 h ( 2 5 h z )m ( 6 2 5 h z ) l ( 2 5 h z ) 时 起始中心时问门起始中心时间门起始中心时问门 间 时问时问宽度时问时间宽度时间时间宽度 门 ( r t s )( i t s )( p s )( i t s )( i t s )( g s )( i t s )( i t s )( i t s ) l8 0 0 08 8 1 31 6 2 53 2 0 03 5 2 56 5 0 08 0 0 08 8 1 3 1 6 2 5 29 6 2 51 0 6 92 1 2 53 8 5 04 2 7 58 5 0 09 6 2 51 0 6 9 2 1 2 5 31 1 7 51 3 1 32 7 5 04 7 0 05 2 5 01 1 0 011 7 51 31 32 7 5 0 41 4 5 o1 6 1 93 3 7 55 8 0 06 4 7 51 3 5 o1 4 5 01 6 1 9 3 3 7 5 51 7 8 92 0 0 64 3 7 57 1 5 08 0 2 51 7 5 017 8 82 0 0 64 3 7 5 62 2 2 52 5 0 65 6 2 58 9 01 0 0 32 2 5 02 2 2 52 5 0