（地球探测与信息技术专业论文）瞬变电磁软件设计与开发实现.pdf

摘 要 i 瞬变电磁软件瞬变电磁软件设计和设计和开发开发实现实现 作者简介：李斌，男，1982 年 4 月生，师从成都理工大学王绪本教授和中 国地质科学院物化探研究所胡平高工，2010 年 6 月毕业于成都理工大学地球探 测与信息技术专业，获得工学硕士学位。 摘摘 要要 瞬变电磁法（transient electromagnetic methods）,缩写为 tem，是一种 重要的时间域电磁勘探方法，其利用不接地回线（磁源）或接地电极（电偶源） 向地下发送一次脉冲电磁场， 用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下 涡流场产生的二次电磁场的空间和时间分布， 来解决有关地质问题的时间域电磁 法，它有着频率域电磁法所不具备的许多优点，但同时由于电磁理论的复杂，高 维的正、反演定量解释方法目前正处于试验研究之中；另外，现有的处理软件又 复杂繁琐，费时，很难适应野外大批量数据的实时处理成像，因此研制开发具有 快速成像功能的瞬变电磁处理解释软件具有较强的现实意义和使用价值。 本文共六章，可分四个部分，第一部分为第一章前言，回顾了瞬变电磁法的 发展历程，并简要的介绍了国内瞬变电磁处理软件研制现状。第二部分为第二， 第三和第四章，分别介绍了瞬变电磁法和软件设计及开发的基本理论，包括瞬变 电磁激发场源、响应过程、接收装置、均匀半空间和均匀层状介质模型的正演理 论及快速电阻率成像理论、软件设计及开发等。第三部分为第五、第六章，详细 的叙述了瞬变电磁软件的设计思想及实现方法。第四部分为结论，并提出了进一 步工作意见。 在瞬变电磁法中，均匀半空间和层状介质模型的正反演问题已经得到较好的 解决，但对于更为复杂的二、三维模型，其响应函数十分复杂，并且计算代价也 很昂贵，目前解决这种复杂模型的正反演解释还比较少，国内据本文作者所知道 的有：王华军（2003 年）和熊彬（2006 年）实现了瞬变电磁 2.5 维有限元法数 值模拟以及毛立峰（2007 年）在超宽带域中实现了三维瞬变电磁有限差分法数 值模拟。本文所用数值模拟方法是本文依托的课题项目组所采用的 guptasarma 算法的瞬变电磁 2.5 维有限差分法数值模拟，提高了计算速度并且有效的抑制了 晚期振荡。反演方法上为简化起见，根据纳比吉安提出的“烟圈”理论，采用了 瞬变电磁法的电阻率快速成像方法，这样就能得到瞬变电磁资料的电阻率-深度 成都理工大学硕士学位论文 ii 反演剖面。该方法具有不需要初始模型、反演速度快的特点。 综合分析瞬变电磁法的数据格式以及处理解释的方法，将理论与实际相结 合，按照实际需要和软件工程的要求，采用面向对象程序设计思想和面向对象程 序设计方法来研制功能较完整，结构合理，能提供给用户良好的图形用户界面和 友好的应用环境，方便用户操作、使用的可视化应用软件。 软件的开发平台和开发工具的选择至关重要，由于 windows 是一种使计算 机变得易于使用的操作系统，通过它可提高工作效率，大大缩短了软件的开发周 期，而且所编制的程序清晰、易懂，具有良好的人机交互界面。所以，本软件采 用 windows 作为开发平台。软件的用户界面的开发工具采用 visual c+ 6.0， 正演和烟圈反演使用 compaq visual fortran 6.5，成图采用 matlab 6.5。 瞬变电磁处理解释软件由六个子模块组成：数据管理模块，数据编辑模块， 正演模块，电阻率快速成像模块，屏幕建模模块，成图模块，六个子模块紧密相 连，数据管理模块是让用户管理数据，数据编辑模块为电阻率成像模块提供合格 的反演数据，正演模块完成 tem 2.5d 正演计算,电阻率快速成像模块为成图模块 提供合格成图数据，屏幕建模模块为 2.5d 正演提供模型，成图模块完成数据等 值线等图件的绘制。 数据管理模块、屏幕建模模块采用 visual c+，其中屏幕建模模块还采用 了 gdi+（graphics device interface plus 图形设备接口加） ，完成了模块的开发。 数据编辑模块的设计采用 visual c+和 tee chart 控件，tee chart 使用 简单，功能强大，而且充分体现了面向对象的特点。使用 tee chart 控件显示和 编辑视电阻率曲线，因为从仪器采集到的原始数据不可避免会受到干扰，在曲线 上的反映就是不光滑的，所以应对视电阻率曲线进行编辑，以此来达到平滑曲线 的目的，进而为电阻率成像提供合格的输入数据。 正演模块和电阻率成像模块的用户界面采用 visual c+ 设计，2.5d 正演和 电阻率成像计算采用 fortran，以充分发挥两者的优势。而这样就会涉及到混合 编程，利用两种或两种以上的编程语言编写的源码来构建程序模块。利用动态链 接库(dll)就可以实现两种不同的编程语言之间相互调用。正演和快速电阻率成 像程序是用 fortran 编写的，为了有效的利用现有的程序，减少不必要的重复性 工作，可以把正演和快速电阻率成像程序编译成动态链接库，让 visual c+ 开 发的用户界面调用，这样开发的模块就具有较好的用户界面和较高的执行效率。 成图模块利用了 visual c+和 matlab 混编技术，matlab 自带了编译器，能 将 m 语言编写的程序生成 dll 文件，应用程序通过调用动态链接库来绘图，充分 利用了 matlab 强大的绘图功能，避免了重新开发绘图软件，提高了工作效率。 关键词： 瞬变电磁 正演 数据管理 数据编辑 屏幕建模 快速成像 动态链接库 abstract iii the development and design of transient electromagnetic software introduction of the author: lin bin, male, was born in april, 1982 whose tutor was professor wang xuben of cdut and senior engineer hu ping of the institute of geophysical and geochemical exploration. he graduated from chengdu university of technology with earth exploration and information technology major and was granted the master degree in june, 2010. abstract transient electromagnetic (tem) method is an important time domain electromagnetic prospecting method, which transmits the primary impulse electromagnetic field by the non-earthed loop or earthed electrode source. and space and time distribution of the secondary eddy current is observed at the absence of the primary electromagnetic field by earthed loop or earthed electrode, which is used to solve the problems related to geology. tem has more advantages than frequency electromagnetic method in some aspects, however, the complexity of electromagnetic theory results in high-dimensional forward and inversion quantitative interpretation methods under the study. another, present processing software are complex, time-consuming and difficult to adapt to a large amount of field data in real-time imaging, therefore it plays very strong and actual significance to research and develop transient electromagnetic processing and interpretation software with the rapid inversion technique. there are six chapters in this paper, which can be divided into four parts: the first part is introduction, which contains the history about development of transient electromagnetic method and the current situation of domestic transient electromagnetic processing software. the second part includes the second, third, forth chapter, which respectively introduces respectively r-t mechanism of tem source and response process, the theory for forward modeling of homogeneous half space, one dimensional layer earth and the rapid inversion technique，the development and design of software etc. the third part is made up of the fifth and sixth chapter, design ideas and method for the transient electromagnetic processing 成都理工大学硕士学位论文 iv software has been described in detail. the fourth part is conclusion, and some ideas of further research are put forward. forward and inversion modeling of homogeneous half space and one dimensional layer earth have been solved. but response function of the two and three dimensional layer earth model is complex, excessively costly in computation, therefore at present is so few solutions. according to what i have known, there is wang hua jun (2003) and xiong bin (2006) who realized simulating calculation of tem 2.5d finite-element method, mao lifeng(2007) who finished simulating calculation of tem 3d finite difference method in ultra-broadband domain. the simulating calculation of tem 2.5d finite-difference method with guptasarma algorithm is used in this paper, which has faster computation speed and effectively restrains the late-time vibration phenomenon. for simplicity, based on smoking ring theory of nabighian, we use rapid electrical resistivity tomography in the inversion, which can obtain resistivity-depth profile of tem data. this method doesnt need the initial model and the speed of inversion is very fast. comprehensive analysis of tem data format and processing explanation method, combining theory and practice, according to actual needs and requirements of software engineering, object oriented programming idea and method is adopted to develop software with full function, reasonable structure, friendly graphical user interface and environments. it is very important to select the software development platform and development tool. windows is an operating system which is easy to use, which can enhance work efficiency, and greatly shorten the software development cycle and have a good human computer interface. therefore windows is used as a development platform in our software development. visual c+ 6.0 is adopted as user interface development tool, forward and inversion makes use of compaq visual fortran6.5, and mapping by matlab. tem processing software consists of six sub-modules: data management module, data editing module, forward module, rapid electrical resistivity imaging module，windows modeling module, mapping module，and the six sub-modules are closely related. data management module is for user to manage data. data editing module provide qualified data to electrical resistivity imaging module. forward module is for the simulating abstract v calculation of tem 2.5d. rapid electrical resistivity imaging module provides right data to mapping module. windows modeling module is for drawing the model of tem 2.5d forward on the desktop. data management module and windows modeling module adopt the vc+ 6.0, among it, windows modeling module adopt the gdi+(graphics device interface plus) to accomplish module development. data editing module adopt the vc+ 6.0 and tee chart. the tee chart is easy to use which has powerful function and fully reflects the characteristics of the object-oriented. apparent resistivity curve is showed by chart component. acquisition data will be with inevitable interference, so the apparent resistivity curve is unsmoothed. then the apparent resistivity curve should be edited smoothly to provide qualified data to electrical resistivity imaging module. the user interface of forward module and electrical resistivity imaging module designed by vc+ 6.0 and the 2.5d forward and inversion using fortran, will bring advantages of two development tool which will involve in mixed programming, namely ,using two or more of the programming language to build the program modules. utilizing the dll can achieve two kind of different programming languages calling each other. the forward and inversion module is programmed by fortran，so we can compile the forward and inversion program for effectively using present procedure and reduce unnecessary duplication work. the user interface calls dll to enhance executive efficiency. the mapping module adopts visual c+ and matlab mixed programming. matlab compiler can translate the m file to dll file, the user interface calls dll to draw a picture. it full use of the powerful drawing function of matlab to avoid development drawing software again. keywords: tem 2.5d forward data management data edit rapid inversion modal dll 独创性声明 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。据我所知，除了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 成都理工大学 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 成都理工大学 有关保留、 使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和 借阅。本人授权 成都理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 学位论文作者导师签名： 年 月 日 第 1 章 前 言 1 第 1 章 前 言 1.1 选题依据及研究意义 瞬变电磁法（transient electromagnetic，简称 tem）是一种重要的时间域地 球物理电磁勘探方法，在固体矿产、找水、工程物探、环境物探等勘探领域有着 广泛应用。瞬变电磁法利用不接地回线或接地电极向地下发送一次脉冲电磁场， 用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流场产生的二次电磁场的 空间和时间分布，来解决有关地质问题的时间域电磁法，它有着频率域电磁法所 不具备的许多优点。 但同时由于瞬变电磁理论的复杂性，一维的正反演研究比较成熟，二、三维 的正、反演定量解释方法目前正处于试验研究之中；另外，现有的处理软件大多 以一维正反演为主，很难适应野外实际数据处理，因此消化吸收国外相关瞬变电 磁勘探新技术，研究相关理论模拟和资料处理与解释方法，开发具有2.5维正演 和快速成像功能的瞬变电磁处理解释软件具有较强的现实意义和使用价值。 1.2 国内外研究现状 瞬变电磁法在没有一次场背景的情况下观测二次电磁场 （纯异常） ， 大大简 化了对地质对象所产生异常的研究，提高了探测能力和效果。与大地电磁测深 （mt）和可控源音频大地电磁测深（csamt）等频率域电磁法相比，瞬变电磁 方法的具有以下几个特点： （1） 、断电后观测纯二次场，不受一次场的影响，因 而受地形影响相对较小。 （2） 、可以通过加大发射功率增大二次场的幅度，提高 信躁比，从而增大勘探深度。 （3） 、一个脉冲激发可以观测整条衰减曲线，频率 成分丰富，工作效率高。 （4） 、可以通过选择不同的时间窗口进行观测，有效地 压制噪声。 （5） 、对低阻层具有较高的分辨能力。 （6）等值现象较弱，局部异常 的反映突出，具有比频率域电磁方法（mt，csamt）更高的分辨率。 在国外，上世纪前苏联五十年代基本建立了瞬变电磁法解释理论和野外施工 方法技术，理论研究方面也一直走在世界前列，并成功地完成了瞬变电磁法的一 维正、反演。随着理论研究的深入和电子技术的进步，七十年代以来该方法又得 到了进一步的发展。 而利用瞬变电磁法找导电矿体的概念最早是由加拿大地球物 理学家 j.r.wait 于 1951 年提出的。a.a.kaufmann 等人后来把瞬变电磁测深法 引入美国，推动了一维瞬变电磁理论进行的系统研究。八十年代以后，随着计算 技术的发展，欧美各国在瞬变电磁法的二，三维正演摸拟技术方面(有限元，有 限差分， 积分方程及混合方法直接解时间域热传导方程或者先解频域亥姆霍兹方 程，再进行域的转换)亦做了大量的计算和研究工作。s. lee 根据电磁波与地震 成都理工大学硕士学位论文 2 波的相似性，利用有限差分法实现了电磁波场的二维偏移和电磁数据的成像。目 前 tem 一维正、反演计算理论已较成熟，但二、三维问题的正、反演计算仍然不 十分成熟。 近几十年来，欧美各国许多大学和科研机构也竞相发展了瞬变电磁系统， 1958 年加拿大 barringer 公司研制的航空 input 系统在世界各地进行了矿产普 查， 而作为真正的地面用的瞬变电磁勘探用的商业性仪器直到上个世纪七十年代 才出现。 电法仪器过去多为单一功能的仪器， 如澳大利亚的 sitotem 系统和 em-37 系统，主要用于浅层勘探。加拿大的 utem 系统是功能比较先进的仪器，但是由 于使用感应源，只能探测良导体，同时探测深度也不大。到了九十年代，由于计 算机技术的应用，使得在数据采集、资料处理与解释方面达到了较高的水平，世 界上已开发多功能、集成化的电法仪器，如加拿大凤凰公司的 v8 系统。现代仪 器的发展趋势是向大功率（100 千瓦） ，gps 同步，多道叠加、24 位模数转换的 高精度多道测量系统发展， 这些先进技术为瞬变电磁法的发展和应用提供了广阔 的天地。 我国的瞬变电磁法的理论、方法及仪器研制等方面都与国外有相当大的差 距，但不少学者在这方面也做出了积极的努力和贡献，从“七五”和“八五”至 今，我国在一维瞬变电磁正反演理论方面所做的工作比较突出。朴化荣系统总结 和研究了电磁测深理论， 并实现了通过快速汉克尔变换在频率域进行层状大地的 正演计算， 再利用 g-s 逆拉氏变换法或正 （余） 弦变换法转到时间域响应的算法， 其计算的精度和速度都与国外当时的水平相近；在反演方面，利用长谷川健的思 想实现了全区视电阻率解释 1，此外，还发展了视纵向电导解释法及电法资料的 拟地震解释法等，从而使得瞬变电磁法的一维正反演理论逐步走向成熟。 1.3 国内瞬变电磁法处理解释软件的开发现状 相对其它物探方法而言，目前国内的瞬变电磁处理软件的种类较少，但也有 部分国内的科研机构与院校开发出了瞬变电磁处理软件，如李大海，王效华开发 的瞬变电磁法资料处理软件及解释包 4，陈本池，牟永光等开发的瞬变电磁法资 料的快速反演成像软件 5，翁爱华开发的用于处理中心回线，重叠回线，分离回 线的 inlooptem 系统，郭文波，宋建平开发瞬变电磁快速成像解释系统 6。这些 处理软件都是和相应的采集系统相配套的。 1.4 本文研究内容 本文第一章简要叙述了研究背景和研究目标， 回顾了国内瞬变电磁法的发展 历程，以及当今世界范围内瞬变电磁法法研究走向，并介绍了国内瞬变电磁处理 第 1 章 前 言 3 软件的开发现状。第二章介绍了瞬变电磁法的基本理论，简要的论述了瞬变电磁 测深的响应过程，瞬变电磁法的正演理论，给出了地球介质中电偶极源与磁偶极 源的电磁场响应公式。第三章介绍了软件设计的基本原则和经验。第四章介绍了 瞬变电磁法软件开发所涉及的开发环境等相关的理论和技术。 第五章和第六章详 细的叙述了瞬变电磁处理软件的设计思想及实现方式。 第七章为本文的结论与建 议，叙述了设计成果与进一步工作的建议。 1.5 取得主要成果 本论文的研究成果包含瞬变电磁软件设计和开发实现的若干关键技术， 研发 了基于 windows 操作系统的瞬变电磁软件。软件界面和数据管理模块开发选用 vc+的mfc， 数据编辑模块选用vc+和tee chart组件， 2.5维正反演选用fortran 语言生成 dll 实现混编，屏幕建模选用 vc+和 gdi+,并探索基于 vc+和 matlab 混编的地质图形绘制的解决方案，实现了瞬变电磁解释处理软件的开发和集成。 第 2 章 瞬变电磁法基本原理和正反演理论概要 4 第 2 章 瞬变电磁法基本原理和正反演理论概要 本论文的目标虽然是开发出一套瞬变电磁软件， 但该软件的最终目的仍就是 为地球物理瞬变电磁法数据处理服务， 所以有必要简单介绍瞬变电磁法的基本原 理和正反演理论，这也是瞬变电磁软件设计和开发的出发点和落足点，当然这也 是软件设计和开发成功与否的关键，并为部分模块内的数据结构的设计打下基 础。 2.1 瞬变电磁法的理论基础瞬变电磁法的理论基础3 瞬变电磁法(transient electromagnetic，简称 tem)是时间域电磁法的一个分 支，其利用不接地回线或接地电极向地下发送一次脉冲电磁场，用线圈或接地电 极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流场产生的二次电磁场的空间和时间分布， 来解决有关地质问题的时间域电磁法。 瞬变电磁法在没有一次场背景的情况下观 测二次电磁场（纯异常） ，大大简化了对地质对象所产生异常的研究，提高了探 测能力和效果。它是在时间域中分析电磁场的的建立或衰减过程，达到研究岩层 电性沿铅直方向变化的一种电磁测深方法。根据傅里叶频谱分析理论，任何一种 脉冲都可分解成许多正弦波或余弦波成分； 每个谐波成分将对导电体激励起按频 率域电磁测深中的规律的电磁响应。因此从理论上讲电磁测深既可以在频率域、 也可以时间域实现，两种域包含完全等价的信息。 瞬变电磁法的工作过程可以简单划分为发射、电磁感应和接收三部分。当发 射回线中的稳定电流突然切断后，根据电磁感应理论，发射回线中电流的突然变 化必将在其周围产生磁场、该磁场称为一次磁场。一次磁场在周围传播过程中， 如遇到地下良导电的地质体，将在其内部激发产生感应电流，又称为涡流或二次 电流。 由于二次电流随时间变化， 因而在其周围又产生新的磁场， 称为二次磁场。 由于良导电矿体内感应电流的热损耗，二次磁场大致按指数规律随时间衰减，从 而形成瞬变电磁场。二次磁场主要来源于良导电矿体内的感应电流。因此它包含 着与矿体有关的地质信息。 2.2 激发场源激发场源24 根据如上所述的工作过程， 我们知道了瞬变电磁场是用阶跃波或其它形式的 脉冲电流源激励大地产生的过渡过程场。而根据傅立叶级数定理，任何周期的或 非周期的函数都可以分解为余弦函数（或正弦函数）形式的傅立叶级数，所以不 第 2 章 瞬变电磁法基本原理和正反演理论概要 5 论阶跃波或还是其它形式的电流都可以分解为余弦函数（或正弦函数）形式的交 变电流。瞬变电磁场源可利用电偶极子、磁偶极子、接地的供电线 ab 或不接地 的回线，现以电偶极子为例来简要说明瞬变电磁场激发场源的电磁辐射，以电偶 极子为例是因为最重要的电磁辐射振源模型是电偶极振子， 它可看做是一个偶极 矩 p 作简谐振荡的偶极子： 0cos ppt， （2-1） 电偶极振子可看做是由一对相对作简谐振动的正、负电荷组成的，也可看做 是一段导线，其中有交变电流，其两端所积累的电荷也正负交替地变化着。计算 表明，偶极振子周围电场强度矢量 e 位于子午面内，磁场强度矢量 h 位于与赤道 面平行的平面内，二者相互垂直（参见图 2-1,其中心为偶极振子） 。从偶极振子 附近电场分布的情形看，空间大体可分为两个区域，现分别介绍如下： a 极 轴 赤道面 子 午 面 传播 方向 h e 图图 2 2- -1 1 电偶极子电磁辐射的方向性示例图 （1） 在靠近振子中心的一个小范围内 （即离振子中心点的距离 r）称之为波区场。这里电场与磁场的分布 情况比较简单，电场线都是闭合的（见图 2-3） 。当距离 r 增大时，波面渐趋于 球形，电场强度矢量 e 趋于切线方向。也就是说，在波区场内 e 垂直于矢径 r。 p p /2/2/2 图图 2 2- -3 3 波区场电场线示意图 图图 2 2- -4 4 波区场磁场线示意图 上面只描述了电场线的分布及其变化过程，实际上整个过程都有磁场线参 与。无论在上述哪个区域里，磁场线皆如图 2-4 所示，是平行于赤道面的一系列 同心圆，故 h 同时与 e 和 r 垂直。前面曾指出，e 和 r 也彼此垂直，所以 h、e 和 r 三者构成一个局域的直角坐标架。 每根环形磁场线的半径都随时间不断向外扩展。电场线环和磁场线环之所 以会不断向外扩展，是因为它们互相激发，互相感生的原因，这和麦克斯韦方程 组描述了电磁场的基本规律是一致的。图 2-5 是整个振荡过程的电场线示意图， 电场线环不断向外扩展，同样磁场线环也会不断向外扩展，精力有限，本文未画 出磁场线示意图，可参考有关资料。 第 2 章 瞬变电磁法基本原理和正反演理论概要 7 图图 2 2- -5 5 整个振荡过程的电场线示意图 对瞬变电磁测深，多采用双极性脉冲为激发场源，这是为了有效地压制观测 系统中直流偏移和超低频噪声干扰，为了将不同时域的相应二次场进行叠加，以 消除随机干扰，提高信噪比，需采用周期性脉冲序列连续激发二次场 7。假设接 地电偶极子或不接地的磁偶极子的供电电流i在瞬间接通，可用阶跃函数表示为 0 0 0 ( )( )i ti u t i 0 0 t t 2.3 瞬变电磁测深的响应过程瞬变电磁测深的响应过程 对频率测深来说，探测不同深度的岩层厚度和电阻率，其物理原理可简单概 括为“集肤效应” ，即频率高（波长小）的穿透深度小，带回的仅是浅部地电 信息，频率低（波长大）穿透深度大，可以反映深层的地电特征。对于瞬变电 磁场也可以得到类似结果。其表达式为 12 1() 2 i t ikze z ederf （2-2） 其中 1 7 210，称为瞬变场参数，有长度量纲 m，和波长有类似的意义： 小透入底层深度浅，大透入地层深度大。 1979 年美国地球物理学家纳比吉安提出了利用等效代换法计算均匀大地的 晚期瞬变电磁响应的概念及计算方法。 这种方法是从物理意义上去理解瞬变电磁 场的扩散规律，在满足晚期的条件下，其计算精度也是令人满意的。 在电导率为和磁导率 0 的均匀大地上， 敷设输入阶跃电流回线 x t， 图 2-6 表示出了该回线中电流所产生磁场的磁力线。 成都理工大学硕士学位论文 8 当发送回线中电流突然断开时时， 在下半空间中就会被激励起感应涡流场以 维持在断开电流以前存在的磁场， 在此瞬间的电流集中于 x t附近的地表， 并按 4 r 规律衰减。随后，感应电流开始到扩到下半空间中，在切断电流后的任一晚期时 间里感应涡流呈多个层壳的 “环带” 形。 感应涡流场在地表引起的磁场为整个 “环 带”各涡流层的总效应，这种效应可以用用一个简单的电流环来等效，在发射电 流关断时， 该电流环紧挨发射回线， 与发射回线具有相同的形状。 随着时间推移， 该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。图 2-7 给出了发射电流关断 后三个不同时刻地下等效电流环的示意分布。从图 2-7 中可以看到，等效电流环 很像从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈” ，因此，将涡旋电流向下、向外 扩散的过程形象地称为“烟圈效应” 。 “烟圈”的半径r，深度d的表达式为 2 20 8()rc ta （2-3） 0 4dt （2-4） 式中：a为发射半径, 2 820.546479c。 当发射线圈半径相对于 “烟圈” 半径很小时， 可得tan/1.07d r，47 ， 故“烟圈”将沿着47倾斜锥面扩散，其向下传播的速度为 0 2d v tt （2-5） 图图 2 2- -6 6 矩形回线中输入阶跃电流产生的磁力线 b 0t x t - + x z 第 2 章 瞬变电磁法基本原理和正反演理论概要 9 从（2-2）到（2-5）式可以看出，地下感应涡流向下、向外扩散的速度与大 地导电率有关，导电性越好，扩散速度越慢，这意味着在导电性较好的大地上， 能在更长的延时后观测到大地瞬变电磁场。 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， 反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场主要是由深部的感应电流产生的，反映深部 的电性分布。因此，观测和研究瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电 性的垂向变化。 2.4 瞬变电磁法的工作装置瞬变电磁法的工作装置 按瞬变电磁法应用领域，可以把工作装置分为以下几类: 2.4.1 测深装置测深装置 常用的测深装置为中心回线装置、电偶源、磁偶源和线源装置，如图 2-8 所 示。中心回线装置是使用多匝 rx(或探头)放置于边长为 l 的发送回线中心进行 观测的装置，常用于探测 1km 以内浅层的测深工作。 2.4.2 剖面测量装置剖面测量装置 常用的剖面测量装置分为同点装置(又分为重叠回线装置和共圈回线装置)、 偶极装置和大定回线源装置三种， 如图 2-9 所示。 它是被用来勘查良导电地质体、 0t x t - + 1 tt 2 tt 3 tt x z 图图 2 2- -7 7 半空间中的等效涡流环 成都理工大学硕士学位论文 10 进行地质填图及水文勘察的装置。其中，最常用的为重叠回线装置，它是把发射 回线(tx)与接收回线(rx)相重合敷设的装置。 l l r tx rx a b rx tx x z y (a) (b) (c) 图图 2 2- -9 9 瞬变电磁法剖面测量装置 (a) 同点装置 (b) 偶极装置 (c) 大定回线源装置 l l l l tx rx tx r l rx r a b (a) r x l r a b rx (b) (c) (d) 图图 2 2- -8 8 瞬变电磁法测深装置 (a)电偶源 (b)磁偶源 (c)线源 (d)中心回线 第 2 章 瞬变电磁法基本原理和正反演理论概要 11 2.5 瞬变电磁法的正演理论瞬变电磁法的正演理论 2.5.1 电磁场的基本方程电磁场的基本方程 麦克斯韦方程组描述了电磁场最根本的规律，但学者 h.f.harmuth 在有耗 介质中是否遵循麦克斯韦方程提出异议，但据参考文献【21】harmuth 只是给出 了求解电磁脉冲在损耗介质中传播问题的一种有效方法, 而不能据此得出 maxwell 方程不适用于电磁脉冲在损耗介质中传播问题的结论。王长清等的计算 结果说明, 直接从经典的 maxwell 方程组出发,可以获得电磁脉冲在损耗介质中 传播的数值解, 而不必先假设磁损耗的存在。 麦克斯韦方程在时间域中的表示为 t b e （法拉第定律） （2-6） t d hj（安培定律） （2-7） 0b（b是涡流场） （2-8） d（库仑定律） （2-9） 上述方程中的各个量，e为电场强度（/v m） ；b为磁感应强度（t） ； h为磁场强度（/a m） ；d为电位移矢量（ 2 /c m） ；j为电流密度（ 2 /a m） ； 为自由电荷密度（ 3 /c m） 。麦克斯韦的物理意义是，它建立了场强矢量、电流 密度及电荷密度之间的关系。 还有三个物质方程，即 je bh d （2-10） 根据麦克斯韦方程组，并引入矢量位a（ * a） ，当低频电磁波在导电介质中 传播时，可以忽略位移电流作用。取谐变因子为 i t e 。则通过一个矢量位a可以 用如下方程表示出两个矢量e和h 22 0kaa ha （2-11） 2 ()/ik eaa 成都理工大学硕士学位论文 12 对于矢量 * a，也可以推导出用如下方程表示两个矢量e和h 22 0k * aa * ea （2-12） 2 ()/ik * haa 一般的，矢量位a称为电矢量位， * a称为磁矢量位。 2.5.2 均匀半空间表面上偶极子的电磁场均匀半空间表面上偶极子的电磁场1 （1）均匀半空间表面上电偶极子的电磁场均匀半空间表面上电偶极子的电磁场 设在两种介质分界面上h高度处有沿x方向