瞬变电磁法探测原理

远区 中区 近区
2007 吉林大学
中心回线，回线半径100 100米 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62.8。衰减
曲线出现跷曲
2.不导电介质中的非磁性导电球体响应 不导电介质中的非磁性导电球体响应
Ia l 1 2 exp(−k t / τ ) εc (t) = 48π µ0 2 −1 2 3 • (4l π + h ) τ k =1
2 i (t) H1(t,0,0) = i (t) ≈ 0.45 πa a
一次磁场垂直分量随时间的变化率可写为： 一次磁场垂直分量随时间的变化率可写为：
∂H 1 (t ,0,0 ) 2 ∂ i (t ) 0 .45 ∂ i (t ) = ≈ ∂t π a ∂t a ∂t
2.回线轴上的一次场垂直分量为： 2.回线轴上的一次场垂直分量为： 回线轴上的一次场垂直分量为
时间域电磁法中，激发波形可以采用多种具有周期性的 时间域电磁法中，激发波形可以采用多种具有周期性的脉 具有周期性 冲序列，例如：矩形、梯形、半正弦形、三角形、 冲序列，例如：矩形、梯形、半正弦形、三角形、伪随机等 波形。 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 对瞬变电磁测深，在实际应用中， 统中的直流偏移和超低频噪声 干扰， 直流偏移和超低频噪声的 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， 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。 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 双极性矩形脉冲、双极性半正弦脉冲、 有双极性矩形脉冲、双极性半正弦脉冲、双极性梯形脉冲序 等来激发二次电磁场。 列等来激发二次电磁场。
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可见， 时间内，感应电流逐渐增加， 时达到极大值， 可见，在tof时间内，感应电流逐渐增加，在t=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。 t/τ 然后按指数规律衰减，这种上升、衰减速度决定于t/τ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 较大的情况下，感应电流将缓慢增大至极大值， 的速度按指数规律衰减。 的速度按指数规律衰减。
5
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晚延时的衰减曲线
重叠回线与中心回线曲线对比 中心回线 非磁性均匀半空间电动势响应
τ 0= tρ /(µ0a )
2
τ
0
≥ 3
近区或晚期条件 中区或晚期条件
0.01< τ0 < 3
重叠回线
τ 0 < 0 . 01
远区或晚期条件
对于重叠回线在远区与取样时 间无关，只与电阻率有关。 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。 时间、电阻率有关。
−3 3 4
∑
t
∞
τ = σµ0a π
1
2
α=
1
1
ε c (t) ∝
τ
exp(−t / τ )
τ
τ
> 0.1
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Vz =
2 µ 0 IA & f ( d ) f z ( x ) a 3 L (α t ) L πL
) = 2 [1 + ( d L ) 2 ][ 2 + ( d L ) 2 ]1 2
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1、均匀半空间瞬变电磁响应公式 、
重叠回线
中心回线
2π I εc = f c (τ 0 ) σa 3A I R fI (τ 0 ) εI = 3 σa
5
磁场晚期近似公式: 磁场晚期近似公式
Iµ0 ARb −5/ 2 −3/ 2 HZ (t) ≈ ρ t 3 20π 2
2
2
Iµ0 2 ARb2 −5/ 2 −5/ 2 ∂HZ (t) ε (t) = − =− ρ t 3 ∂t 20π 2
3IAR ε (t) = 2 F(τ ) aS
F(τ ) =
2τ
(1+ τ )
2 5/ 2
τ = t /(Sµ0a)
τ ≤ 0.1 为早期，随t延 为早期， 延 迟而增长， 迟而增长， τ ≥ 5 而为晚 规律衰减。 期，按 t −4规律衰减
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4.直立导电薄板的晚期瞬变电磁响应 直立导电薄板的晚期瞬变电磁响应
非磁性导电球体的瞬变电磁响应曲线
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地质体的瞬变电磁响应存 在导电响应“窗口” 在导电响应“窗口”，反 映电性变化的差异。 映电性变化的差异。
非磁性导电球体的响应导电窗口曲线
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3.不导电基底上的纵向电导为 薄板瞬变电磁响应 不导电基底上的纵向电导为S薄板瞬变电磁响应 不导电基底上的纵向电导为
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一次场的特征： 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。 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。 一次场随着据地表的距离增大而减小。
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
回线磁场的特点：地面各点的磁场方向均垂直地面， 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 的正方形回线， 磁场较均匀。对于边长为 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 及上、 相差不超过 ％为准，则在回线中部 及上 的范围内可 近似看成垂直的均匀场。因为它随深度减弱较慢， 近似看成垂直的均匀场。因为它随深度减弱较慢，故有较深的探测能 回线外部则一次场变化较大。 力。回线外部则一次场变化较大。
瞬变电磁法讲座
单位： 单位：吉林大学仪器科学与电气工程学院 地球信息探测仪器教育部重点实验室 报告人： 报告人： 嵇艳鞠 Email:jiyj@
2007年 2007年 9月 27日 27日
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瞬变电磁法
接地导线通以脉冲 电流， 电流，称为电性源 长导线或电偶极子）。 （长导线或电偶极子）。 发射机 i(t)
不接地回线 通以脉冲电流 称为磁源 称为磁源
发射机
i(t)
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瞬变电磁法探测原理
工作原理示意图
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瞬变电磁(Transient electromagnetic method)探测是地球物 瞬变电磁 探测是地球物 理探测的主要手段之一， 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 接收其产生的二次场，确定被测目标的物理参数。 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 接收回线两部分组成 发射回线和 两部分组成， 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 发射、 三部分。 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 阶跃电流， 下降到零， 通以阶跃电流，发射电流突然由 下降到零，根据电磁感应理 发射回线中电流突然变化必将在其周围产生磁场， 论，发射回线中电流突然变化必将在其周围产生磁场，该磁 一次磁场， 场称为一次磁场 一次磁场在周围传播过程中，如遇到地下 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 又称涡流 的地质体， 感应电流， 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， 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 二次磁场。 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 大致按指数规律随时间衰减， 的热损耗，二次磁场大致按指数规律随时间衰减，形成瞬变 来源于良导电地质体的感应电流， 磁场，二次磁场主要来源于良导电地质体的感应电流 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， 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， 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。 关物理参数进行解释。
2 H1(t, z,0) = H1(t,0,0) = H1(t,0,0) ⋅ f (z / a) 2 2 2 2 1/ 2 (1+ z / a )(2 + z / a )
磁场随时间的变化率可写为： 磁场随时间的变化率可写为：
∂H1(t, z,0) 2 ∂H1(t,0,0) ∂H1(t,0,0) = = ⋅ f (z / a) 2 2 2 2 1/ 2 ∂t (1+ z / a )(2+ z / a ) ∂t ∂t
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常用的发射波形及频谱
5
H0 T/2
0 0 -5
5
H0 T/2
d
2
矩形波
0
d' d'
0 -5 5
2d
2
H0
斜阶跃波
T /2
正弦波
0 0 -5
d
2
几种常用激励场的波形
几种简化波形的频谱c
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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： 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： 边长为2a的正方形回线中心点
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I（理想发射电流） （理想发射电流） I
测量时间范围
T（时间） （时间）
0 V（二次磁场 （ 的变化率） 的变化率）
ti
高阻体
地下介质电性差异
良导体
0
T（时间） （时间）