第1部分 基本原理.ppt

1、单位：吉林大学仪器科学与电气工程学院 报告人： 嵇艳鞠 Email:,2007年 6月 6日,瞬变电磁法讲座,第1部分 基本原理,瞬变电磁法的发展现状 瞬变电磁法探测原理 瞬变电磁法野外常用工作装置 瞬变电磁响应基本特征 常用的激发场源 探测中的几个问题,1、瞬变电磁法的发展现状,1933年的“Eltran”法，它基于美国科学家L.W.Blan的专利；高分辨率深部找油实验，没能达到预期效果。 直到 20世纪5060年代，原苏联科学家完成了瞬变电磁法的一维正、反演，建立了瞬变电磁法（亦称建场法）的解释理论和野外工作方法，步入实用阶段。 60年代中期到70年代末， “短偏移”、“晚期”、“近区”这

2、类方法迅速发展起来。 20世纪7080年代，短偏移法一直处于研究阶段，而长偏移法得到了应用，特别是在地热调查和地壳结构调查中。 上个世纪90年代初以来，发展较为活跃的两种工作方法： 长时窗长偏移距TEM(LowTEM)用于油气勘探（电性源）； 中心回线方式TEM(Central loop TEM)(磁源）用于中浅层矿产、工程等勘探。,瞬变电磁法国内研究起始于20世纪70年代初，较早开展这项工作的有原长春地质学院的朴化荣、曾孝箴、王延良等人，并将脉冲式航电仪用于地质填图和找矿。 1977年地矿部物化探勘查研究所的蒋邦远等将脉冲电磁法用于勘探良导体金属矿。 1985年牛之琏将脉冲电磁法用于金属矿勘

3、探， 随后中南工业大学、西安地质学院、北京矿产地质研究所、中国地质大学、中国有色金属工业总公司矿产地质研究院等单位进行研究。,国外： 1953年Newmont勘探公司申请的第个一专利； 1962年Mclanghlin和Dolan研制出Newmont EMP-1型仪器； 1964年EMP1野外实验成功； 1974年Crone公司推出偶极系统的商品仪器； 1977年CSIRO公司研制出SIROTEMI； 1972年Lamontagne公司研制出UTEM1； 1980年Geonics公司研制出EM37； 1996年Geonics公司EM-67等。 20世纪80年代末以后，美国Zonge公司的GDP1

4、2、GDP16、GDP32, 加拿大的V-5、V-6、V5-2000。 国内： 80年代地矿部物化探研究所的WDC系列瞬变电磁仪； 西安物化探研究所的LC瞬变电磁仪； 90年代中南工业大学的SD-2仪器； 中国有色金属工业总公司的TEMS-3S仪器， 2001年，吉林大学研制的ATEMII型瞬变电磁仪器系统。,面向资源探测： 国外：前苏联（MPPO），加拿大Geonics公司（EM-37、57，），Lamontagne UTEM，PEM,美国Zonge公司（GDP-16、 GDP- 32），澳大利亚CSIRO公司（SIROTEM）加拿大的V-5、V-6 国内：WDC-2，TEM-3S，ATEM

5、- II,面向近地表探测： 国外：加拿大（EM-47），美国（NanoTEM, VETEM）,俄罗斯(TEMFAST) 国内：吉林大学（ATTEM）,2、瞬变电磁法探测原理,工作原理示意图,瞬变电磁(Transient electromagnetic method)探测是地球物理探测的主要手段之一，通过向地下发射电磁波激励地下目标，接收其产生的二次场，确定被测目标的物理参数。 瞬变电磁法测量装置由发射回线和接收回线两部分组成，工作过程分为发射、电磁感应和接收三部分。当发射回线中通以阶跃电流，发射电流突然由I下降到零，根据电磁感应理论，发射回线中电流突然变化必将在其周围产生磁场，该磁场称为一次磁

6、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。由于良导电地质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，形成瞬变磁场，二次磁场主要来源于良导电地质体的感应电流，因此它包含着与地质体有关的地质信息，二次磁场通过接收回线观测，并对观测的数据进行分析和处理，对地下地质体的相关物理参数进行解释。,TEM探测流程,TEM信号向地下扩散示意图,早期信号反映浅部结构,晚期信号反映深部结构,瞬变电磁法 (TEM) 的实际过程示意图,可见，在tof时间内，感应电流逐渐增加，在t

7、=tof时达到极大值，然后按指数规律衰减，这种上升、衰减速度决定于t/比值。tof较大的情况下，感应电流将缓慢增大至极大值，然后以较慢的速度按指数规律衰减。,地下介质电性差异,探测原理,瞬变电磁法场源：,不接地回线 通以脉冲电流 称为磁源,接地导线通以脉冲 电流，称为电性源 （长导线或电偶极子）。,断电后观测二次场，可以近区观测， 减少旁测影响，增强电性分辨能力； 可以采用同点组合（重叠回线，中心回线）进行观测，与探测目标的耦合最紧，取得的异常响应强，形态简单，分层能力强； 有穿透低阻覆盖的能力，探测深度大； 由于测磁场，受静态位移影响小； 通过多次脉冲激发，响应信号的重复观测叠加和空间域多次

8、覆盖技术的应用，提高信噪比和观测精度； 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。,磁源TEM方法特点与应用领域,应用领域：地面、井内、空中、海洋,矿产资源勘探 工程地质调查 找水 地质灾害监测 环境污染调查与监测 市政工程 土壤盐碱化 考古,1.发射、接收回线的中心点重合，对目标体的耦合响应最大，信号强 ； 2.异常特征简单； 3.接收线圈的边长一般较大，频带宽； 4.适于测量深部目标体。,3、瞬变电磁法野外常用工作装置,分类,应用,特点,1.发射、接收回线的中心点不重合，对目标体的耦合响应较小，信号弱； 2.异常特征复杂； 3.接收线圈为多匝绕制，边长一般较小，接收线圈的

9、频率特性要求高； 4.适于测量浅部目标体。,浅层地层调查、 管道管线测量。,深层的地质构造、矿产、 水资源、油气等,选择依据,瞬变电磁野外工作有动源回线组合（包括重叠回线、中心回线等）；定源回线组合（包括大回线等）方式，一般说来，在给定的条件下，选择最佳的野外工作回线受许多因素的影响，主要有： （1）目的物的特性； （2）地质环境； （3）电磁噪声干扰。 动源回线组合的灵敏度随位置的变动是均匀的； 定源回线组合的灵敏度随离开发射线圈的距离而降低。 在不知道目的物的埋深、或要求勘探深度较浅及做地质普查时采用动源回线组合，而大固定源回线组合可以提供高磁矩，为了深部找矿，应采用大固定源回线组合。因此

10、，实验选用大回线组合方式。,重叠回线装置示意图,中心回线装置示意图,分离回线装置示意图,磁源瞬变电磁法同点装置采用综合参数 划分场区,近区瞬变电磁场，测量结果很好地给出地电断面的分层信息。早延时对应纵向电导S1来表征第一层存在；延时增加，在地表上可观测到第一层和第二层共同影响瞬变结果，并以S1S2来表征其综合影响。在更晚的时间上出现S1S2 S3的综合影响，以此类推。这样随着时间的推移，可以得到整个断面上所能测到的全部信息。国内外都在积极推广近区瞬变场测深方法。,4、瞬变电磁响应基本特征,1、均匀半空间瞬变电磁响应公式,中心回线,重叠回线,磁场晚期近似公式:,晚延时的衰减曲线,重叠回线与中心回

11、线曲线对比,非磁性均匀半空间电动势响应,中心回线,重叠回线,对于重叠回线在远区与取样时间无关，只与电阻率有关。 对于中心回线在全区都与取样时间、电阻率有关。,近区,远区,中区,近区或晚期条件,中区或晚期条件,远区或晚期条件,曲线68.2。衰减,两层大地的电动势时间特性曲线 （中心回线，回线半径100米）,曲线出现跷曲,2.不导电介质中的非磁性导电球体响应,球和水平圆柱体的瞬变响应函数（1球体，2圆柱体）,非磁性导电球体的瞬变电磁响应曲线,电导率越小， 响应初值越大， 但衰减快;大， 响应初值小， 而衰减慢。,非磁性导电球体的响应导电窗口曲线,地质体的瞬变电磁响应存在导电响应“窗口”，反映电性变

12、化的差异。,3.不导电基底上的纵向电导为S薄板瞬变电磁响应,为早期，随t延 迟而增长， 而为晚 期，按 规律衰减。,4.直立导电薄板的晚期瞬变电磁响应,5、常用的激发场源,时间域电磁法中，激发波形可以采用多种具有周期性的脉冲序列，例如：矩形、梯形、半正弦形、三角形、伪随机等波形。 对瞬变电磁测深，在实际应用中，为了有效地抑制观测系统中的直流偏移和超低频噪声的干扰，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，需要采用周期性脉冲序列连续激发二次场。经常采用的激励场波形主要有双极性矩形脉冲、双极性半正弦脉冲、双极性梯形脉冲序列等来激发二次电磁场。,常用的发射波形及频谱,几种常用激励场

13、的波形,几种简化波形的频谱c,矩形波,正弦波,斜阶跃波,一次磁场垂直分量随时间的变化率可写为：,1.边长为2a的正方形回线中心点（z=0,x=0）的一次场的垂直分量为：,2.回线轴上的一次场垂直分量为：,磁场随时间的变化率可写为：,回线一次场垂直分量沿x轴的变化 回线一次场垂直分量沿z轴的变化,一次场的特征：,地面各点的磁场方向均垂直地面，回线中部的磁场较均匀。 一次场随着据地表的距离增大而减小。,回线磁场的特点：地面各点的磁场方向均垂直地面，回线中部的磁场较均匀。对于边长为2a的正方形回线，如果以与中心点磁场大小相差不超过40为准，则在回线中部0.6a及上、下0.18a的范围内可近似看成垂直

14、的均匀场。因为它随深度减弱较慢，故有较深的探测能力。回线外部则一次场变化较大。,6.探测中的几个问题,关断时间的影响 发射电流的影响 接收装置的影响 低阻覆盖层的影响 噪声对勘探深度的影响,a水平薄板 b半空间 c三维导电体,6.1 关断时间的影响,t18.34tof,t11.36 tof,4. 65 tof,斜阶跃波宽度过小，及关断时间tof值过大都将使观测值偏离理论响应值，对于某个三维导电体的时间常数值或层状大地的时间的范围，存在一个d及 tof窗口，只有落在这个窗口以内才能得到不畸变的响应值(Df0.9)。,二次感应电压与关断时间的关系曲线,关断时间越短，二次感应电压有效范围越宽，早期幅

15、值越大，对早期信号影响越小。相反，关断时间越长，感应段的时间越长，早期的信号被舍弃的越多，对浅层的地质信息丢失越多，探测不到。从而，仪器应尽量缩短发射电流的关断时间，以提高地下浅部的探测能力。 结论： 二次感应电压幅值随地质体的时间常数变大而变小，衰减速度变慢。 二次感应电压随关断时间变大，有效数据窗变短。,关断效应的影响特征概括如下： 1.球体或截面为等轴状的导体，其关断影响只与 有关。工业意义的多金属矿视时间常数为(550ms)，由于现在的仪器的 比值大部分满足的 要求，所以笼统地说局部导体不受关断效应影响，另一方面当一定 时，越小越有可能受关断效应影响。即采用较长的后沿可以压制浅部局部地

16、质体的干扰。 2.畸变段主要出现在早、中期曲线段，随时间的变大，各个 值的曲线收敛于 的曲线。 3.畸变程度取决于比值 (对于三维导电体， 表示时间常数；对于层状大地，表示电磁场扩散时间常数)。一般地说，当 以后畸变渐渐消失。,4.受畸变的观测值比正常值大或小，取决于采样零时刻点的选择，一般地说，当选在电流关断时间的终点时，将使观测值低于正常值，相应地将使视电阻率值偏高；当选在电流关断时间的起始时，将使观测值大于正常值，相应地将使视电阻率值偏低。 5. 值主要取决于发射回线尺寸及发射电流大小，可以采用下式作粗略地估算， 。 式中L为发射回线电感，对于单匝圆形回线 (以mh为单位)，R为回线电阻

17、，V为外加于回线的电压； 以ms为单位。,若畸变因子 视为允许的电流关断效应，则: 导电球体响应: 半空间: 水平薄板:,脉冲宽度与畸变因子的关系，a-三维导电体情况下的Df/d曲线；b-导电半空间情况下的Dft/d曲线；c水平薄板情况下的Dft/d曲线,6.2 发射电流的影响,计算不同电阻率的均匀半空间的最大取样时间 (边长：m ,电阻率单位：m，时间的单位：s， ),发射电流与信噪比、勘探深度对比表,图1 安徽铜陵凤凰山某矿区55线7点衰减曲线 （发射电流分别为2.4A、11.5A、38.5A）,计算不同电阻率的均匀半空间的最大勘探深度 (电阻率单位：m，时间的单位：s， ),激励场变化产

18、生的一次磁场和二次磁场形成的感应电动势对线圈分布电容进行“充电”和“放电”。当采用接收线圈观测二次场时，由于接收线圈本身将存在一种固有过渡过程，以致接收线圈输出的并不完全是线圈上的感应电压，包括线圈上的分布电容的电位u(t)变化。,6.3 接收装置的影响,当满足条件：,线圈过渡过程存在时全程二次感应电压曲线,电流关断后早期二次感应电压幅值变小，由原来较大的正值变为负值； 在感应段的二次感应电压曲线达到极大值的时间延迟，由原来在关断结束立即出现最大值，变为延迟了一段时间。,实线为理论值，虚线为线圈存在过渡过程响应值。,全程二次感应电压与线圈阻尼系数的关系曲线,电流关断后早期二次感应电压幅值变小，

19、由原来较大的正值变为负值； 在感应段的二次感应电压曲线达到极大值的时间延迟，由原来在关断结束立即出现最大值，变为延迟了一段时间。 在感应段电压随导体时间常数变大幅值增大，在衰减段电压幅值随导体时间常数变大而变小。 线圈的阻尼系数越大，感应电压从感应段的负值向衰减段的正值的过渡时间越小，对早期数据影响越小。 随关断时间的增加，二次感应电压从负值变为正值的过渡时间变大，使得早期数据幅度变小，同时达到最大幅值时间延迟。,最小取样时间、最小勘探深度在不同谐振频率的情况 (电阻率单位欧姆.米，I=1A),1、线圈的谐振频率越高，最早取样时间越小，过渡过程影响的时间范围越短， 2、谐振频率越低，最小取样时间越大，导致最小勘探深度越大； 3、同一谐振频率下，导体的电阻率越大，最小勘探深度越大，探测盲区越大。,6.4. 覆盖层的影响 设重叠圆回线辅设在纵向电导S的覆盖层表面上，回线半径为a=100m，球心埋深h=100m，球体半径r=50m，其电导率为10S/m，时间常数3.2ms，覆盖层电导S为3、10和20西门子。分别计算覆盖层的响应和球体的响应。,有一个时间窗口， 覆盖层电阻率越小，影响越强窗口越窄。,导电围岩中的局部导体瞬变电磁响应计算与实验结果,低阻覆盖层对探测结果的影响,重叠回线信噪