瞬变电磁原理分解

均匀大地瞬变电磁响应过程（4）
在瞬变过程早期阶段，高频谐波占主导地位。 由于高频的趋肤效应，涡旋电流主要集中在导电介 质的表层附近且阻碍电磁场向地质体深处传播。所 以早期阶段主要反映地质体断面上部地质信息。 随着时间的推移，高频成分被导电介质吸收， 从而低频成分占主导地位。它在导电地质体中激发 出很强的涡旋电流。然而由于热损耗，这些涡旋电 流场很快就消失了。 在瞬变过程的晚期，局部地质体中的涡流实际 上全部消失，而在各个地层中的涡流磁场之间连续 的相互作用使场均匀化和使电流均匀分布，晚期场 将依赖于断面的总纵向电导。
瞬变电磁响应过程（1）
在导电率为s、磁导率为μ 的均匀地质体表面敷设面积为S 的矩形发射回线中供以阶跃电流。
1 t 0 I t 0 t 0
在电流断开之前（t<0时），发射电流在回线周围 的地质体和空间中建立起一个稳定的磁场。
均匀大地瞬变电磁响应过程（2）
在t=0时刻，将电流突然关断，由该电 流产生的磁场也立即消失。一次场的剧烈变 化通过空气传至回线周围的地质体中，并在 地质体中激发出感应电流以维持发射电流断 开之前存在的磁场不会立即消失。
瞬变电磁法基本原理（3）
瞬变电磁法基本原理（4）
前面提到测量数据是在脉冲间隙中得到 的，理论上不存在一次场源的干扰，这称之 为时间上的可分性。 根据傅立叶变换理论可知，方波脉冲可 视为许多不同频率的组合，不同延时观测的 主要频率成分不同，相应时间的场在地质体 中的传播速度不同，调查深度也就不同，这 称之为空间的可分性。 瞬变电磁法特点就基于这两个可分性。
均匀大地瞬变电磁响应过程（3）
由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将迅速衰 减，由它产生的磁场也随之迅速衰减，这种迅速衰 减的磁场又在其周围介质感应出新的强度更弱的涡 流。这一过程继续下去，直至地质体的欧姆损耗将 磁场能量消耗殆尽。这便是地质体中的瞬变电磁过 程，伴随这一过程的地磁场就是地质体的瞬变电磁 场。
瞬变电磁法的“烟圈”理论 （4）
“烟圈”的半径r、深度d的表达式分别为： （ 2 5-3-1） r 8c 2 t / 0 a
d 4 t / 0 （5-3-2）
式中：a为发射线圈半径，c2 (8 / ) 2 0.546479 当发射线圈半径对于“烟圈”半径很小时，可得 tanθ =d/r≈1.07，θ ≈47°，故“烟圈”将沿47°倾斜锥面扩 散，其向下传播的速度为： （5-3-3） 从式（5-3-1）到式（5-3-3）可以看出：感应涡流扩散的速 度与地质体电导率和磁导率有关。导电性和磁导率越好，扩 散速度越慢，在导电性和导磁性较好的地质体上，能在更长 的延时后观测到大地瞬变电磁场。
瞬变电磁法的“烟圈”理论 （3）
任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以 等效为一个水平环状线电流的磁场。在发射电流刚 关断时，该环状线电流紧接发射回线，与发射回线 具有相同的形状。随着时间的推移，该电流环向下、 向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。附图示意了发 射电流关断后不同时刻地下等效电流环的分布。从 图中可以看到，等效电流环很像从发射回线中“吹” 出的一系列“烟圈” 。
瞬变电磁法的“烟圈”理论 （2）
在发送一次脉冲磁场的间歇期间，观测由地质体受激 励引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场的强度。 地质体介质被激励所感应的二次涡流场的强弱决定于 地质体介质所耦合的一次脉冲磁场磁力线的多少，即二次场 的大小与地下介质的电性有关： （1）低阻地质体感应二次场衰减速度缓慢，二次场 电压较大； （2）高阻地质体感应二次场衰减速度较快，二次场 电压较小。 根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断被测地质体 的电性、性质、规模和产状等，由于瞬变电磁仪接收的信号 是二次涡流场的电动势（即二次电位），因此，瞬变电磁作 为一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法，是根据 地质构造本身存在的物性差异来间接判断相关地质现象的一 种有效的地质勘探手段。
均匀大地瞬变电磁响应过程（4）
决定瞬变过程状态的基本参数是场的瞬 变时间。瞬变时间t依赖于地质体的导电性和 发—收距离。在近区和高阻岩石区，瞬变时 间很短——几十～几百毫秒。在断面中赋存 着良导地质体时这一过程变缓。在远区，瞬 变时间可达到几十秒，而在良导地质体上有 时达到一分钟或更长。 由此可见，研究电磁场的瞬变过程可得 到不同电导率地层系列的地质信息及总纵向 电导，也可以分离出断面中的高导电带。
瞬变电磁法的“烟圈”理论 （1）
瞬变电磁法物理基础是电磁感应原理，据此理 论，在电导率和磁导率均匀的地质体上，敷设输入 阶跃电流的回线，当发送回线中电流突然断开时， 在下半空间就要被激励起感应涡流场以维持在断开 电流前存在的磁场，此瞬间的电流集中在回线附近 的地质体表面，并按指数规律衰减。随后，面电流 开始扩散到地质体下半空间中，在切断电流后的任 意晚期时间里，感应涡流呈多个层壳的环带状，随 着时间的延长，涡流场将向下及向外扩散。感应涡 流场在地质体表面引起的磁场为整个“环带”各个 涡流层的总效应，这种效应可以用一个简单的电流 环等效，表现为一系列与发送线圈同形状并且向下 向外扩散的电流环，通常称之为“烟圈”。
瞬变电磁法基本原理（1）
类别 场的性质 方法名称 应用
天Hale Waihona Puke 场电阻率法 激发极化法自然电场法
电剖面法 电测深法 高密度电法
地下水流向、金属硫化矿
断层破碎带、熔岩发育带 含水层厚度、埋深 电剖面法+电测深法 地下水、石油、金属硫化矿
直流 电法
充电法 交流 电法
频率电磁测深法 人工场 瞬变电磁法 电磁法
地下河、供水裂隙带
区域构造、石油 含水层厚度、埋深 找水
瞬变电磁法基本原理（2）
瞬变电磁法或称时间域电磁法（Transient Electromagnetic Method，简称TEM）， 利用不接地回线（线圈）向被测地质体发射 脉冲式电场作为场源（一次场），以激励被 测地质体产生二次场，在发射脉冲的间隙利 用接收回线（线圈）接收二次场随时间变化 的响应。从接收的二次场数据中分析出地质 体异常导电体的位置，从而达到解决地质问 题的目的。