《电法勘探原》PPT课件

瞬 变 电 磁 法 的 理 论 与 应 用2013年 10月 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 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 。 原 苏 联 与 TEM相 关 的 方 法 ， 在 我 国 直 译 为过 渡 过 程 法 。 从 方 法 机 理 来 说 ， 频 率 域 方 法 和 时 间 域方 法 没 有 本 质 的 不 同 。 前 者 研 究 谐 变 场特 点 ， 后 者 研 究 不 稳 定 场 特 点 。 两 者 可 借 富 里 叶 变 换 相 联 系 。 在 某 些 条件 下 ， 一 种 方 法 的 数 据 可 以 转 换 为 另 一种 方 法 的 数 据 。 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 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 ， 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 ， 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 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 （ G rant 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 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 L R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 。 0,)( /0011 teLIMtI t 在 t 0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 （ M01I0） 以及 导 体 的 形 状 和 尺 寸 （ L） 有 关 ， 而 与 导体 的 电 导 率 （ 1 R） 无 关 。LIMI 0011 )0( 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 。)( )()( /12010 12 tt etLMMI ttIMte 0t 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 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 EM 37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 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