地球物理勘探-电磁法

趋肤深度亦可写为：
503
m f Hz
m
电磁波的趋肤深度随电阻率的增加和频率的降低 而增大。所以，为了进行深部地质调查应采用较低的 工作频率。
平面电磁波传播中的波阻抗Z：
i Z i i Z e
i

4

1

Z ;
2

1

Z
2
介电常数ε：真空中8.8510-12F/m
E
均匀交变电磁场在导电介质中的传播:
麦克斯韦方程组：
D H j t B E t B 0 D q
j E B H D E
k q i i
2 2
在不同介质的分界面上，即在 或 出现不连续 处，满足边界条件：
E1t E2t D1n E2n
H1t H 2t B1n B2n
脚标 t 表示切向分量，n 表示法分量。
谐变场的激发： 借肋于交流电的发射装置，如振荡器、
发电机等，在地中及空气中建立谐变场。激发方式一 般为接地式的和感应式。 接地式：与直流电法一样利用A、B供电电极将交流电源 直接接到大地，激发出交变电磁场。 感应式：在地表敷设通有交变电流的不接地回线或者多匝 的小型发射线圈——磁偶极子，激发出交变电 磁场。
常用的波场。其中场强、电流密度以及其它量 均按余弦或正弦规律变化。
i t H H 0e
i t E E0e
谐变场的传播：其微分方程——亥姆霍兹齐次方程
2 2 H k H 2 2 Ek E
式中k称为波数（或传播系数）。
在导电介质中忽略位移电流时：
在均匀介质中电场在相位上落后于磁场π/4。这是通
过测量相互正交的电场和磁场分量确定介质电阻率的计算
公式。如果介质为非均匀的，则计算的电阻率为视电阻率
。如果介质电阻率为已知，则可确定介质的磁导率。
c、瞬变场的传播： 瞬变场的结构特点：瞬变场是指那些在阶跃电流
源作用下，地中产生的过渡 过程感应电磁场。因为这一 过渡过程的场具有瞬时变化
it
1 Q e R1 2 k1h1 1 Q e
2 1 Q 2 1
对于水平多层介质的瞬变电磁测深计算公式，多采用
余弦变换或逆拉氏变换方法求解。
三层瞬变电磁测深曲线
(a)H型断面测深曲线;(b)K型断面测深曲线;(c)A型断面测深曲线;(d)Q型断面测深曲线
瞬变电磁测深法的特点
法已成为国内外应用较广的一种测深方法。
频率测深视电阻率：
s为接收线框面积，n为匝数。
U K I Hz H z U K I 3 r K Ex AB MN 4 2 r Hz K 3 ABns
Ex Ex
A型断面频率测深曲线
K型断面频率测深曲线
H型断面频率测深曲线
第六节地磁感应类电法：电磁剖面法、电磁测深 法 1、电磁法理论基础
E 交变电磁场中岩矿石电磁学性质： j j jD t 传导电流：与电阻率ρ有关。 B H 位移电流：与介电常数ε有关。 D E 磁导率μ: 真空中4π10-7H/m
在频率域中电场强度按指数规律衰减。
均匀大地表面上阶跃偶极子场源的电磁场
（瞬变电磁法的理论基础）
远区（早期）的瞬变电场规律：波区范围内电场强度与介
质电阻率成正比
2 PM 1 E t 0 4 2 r
E t PM r 40
3 1
近区（晚期）的瞬变电场规律：
(
0
t
)
5 2
3、 电磁剖面法 电磁剖面法：主要应用于矿床普查、地质填图、工程地
上式为复数式，且沿z轴的正方向按指数规律衰减.
Ex分量振幅和相位分别为：
E x C x e e
bz
i ( t a z ) 2

E x C x e
bz
(t ) t az
b为振幅衰减系数，a为相位系数。

2
电场沿Z轴方向前进1/b距离时，振幅衰减为1/e倍。 习惯上将距离δ＝1/b称为电磁波的趋肤深度。
瞬变电磁测深法
即时间域瞬变电磁测深法，是近年来发展很快的
电法勘探的分支方法 。
应用方法：在阶跃脉冲作用下，良导地层中产生的瞬变涡
流电磁场持续时间较长，所以在沉积岩地层
内寻找和确定良导地层空间状态时可给出较
好的结果。因此，瞬变测深法主要用于用于
解决油天然气、煤系以及地热勘探等地质问 题。
瞬变场的参数：瞬变电磁场状态的基本参数是时间。
(1)由于TEM是在无一次场背景情况下观测二次场，即观测的是纯异常，自动消除了FEM 中的主要噪声源——装置耦合噪声，从而提高了探测精度。 (2) 装置形式灵活多样，可随不同工程任务的要求和施工场地的条件来选择合适的装置。 具有施工方便、测地工作简单、工作效率高及地质效果好等优点。使用同点装置工作， 与欲探测的地质对象能达到最佳的耦合，取得的异常幅度强、形态简单、分层能力强， 从而具有较高的探测能力，并且受到旁测地质体的影响也是最小的。 (3)对于受到导电围岩及导电覆盖层等地质噪声干扰的“矿异常”的区分能力优于FEM。 在高阻围岩条件下，不存在地形起伏引起的假异常；低阻围岩起伏地形引起的异常也 比较容易识别。 (4)在TEM测量中，对于线框铺设的点位、方位及形状等的要求相对于FEM可以放宽，测 地工作简单，工效高。 (5)由于采用不接地回线，不存在接地电阻问题，在基岩出露区、冻土带、沙漠、水泥路 面、河湖海水面上均可进行测量。具有施工方便、工作效率高及地质效果好等优点。 (6)在剖面测量中，由于采集不同时间段的数据，通过数据处理可以得到同一点的测深资 料，从而在剖面测量中完成了相应区域的测深测量，提供的地电信息丰富，便于资料 的解释； (7) 可通过选择不同的时间窗口进行观测，有效地压制地质噪声，可获得不同勘探深度。 可用加大发射功率的方法增强二次场，从而增加勘探深度。有穿透低阻覆盖能力，探 测深度大。在目前的技术条件下，勘探范围浅可至几米、深可达几千米；随着采集仪 器、资料处理解释方法的进步，勘探深度范围还能进一步的扩大。 (8)TEM的应用领域相对更加广泛。瞬变电磁法可以解决
bx e )
kz
E x i( a x e
bx e )
kz
E y i( a y e
kz
by e )
kz
对于任意层，阻抗为：
Ex Zn Hy
n
设第推函数Rn为：
kn Rn th( kn hn arth Rn 1 ) kn 1
则第一水平层阻抗Z1、电阻率1和地表阻抗Z10 关系可写为：
的特点，故取名为瞬变场。
瞬变场的激发：与谐变场情况一样，其激发方向也有
接地式和感应式两种。在阶跃电流 （通电或断电）的强大变化磁场作 用下，良导介质内产生涡旋的交变 电磁 场，其结构和频谱在时间与空 间上均连续地变化。
谐变场和瞬变场涡旋电流结构
瞬变场的参数：瞬变电磁场状态的基本参数是时间。
这一时间依赖于岩石的导电性和收 －发距。研究瞬变电磁场随时间的 变化规律，可探测具有不同导电性 的地层分布纵向电导。也可以发现 地下赋存的较大的良导矿体。
甚低频法：世界上许多国家为了潜艇通讯及导航目的，设立了
强功率的长波电台。其发射频率在15～25kHz范围内，甚低频
电台发射的电磁波，在远离电台地区可视为典型的平面波。这
种电磁波适合做电导率填图，还可用于探测大的断层、破碎带、 石墨化地层和矿化带，在有利条件下还可探测浸染和块状硫化 矿。 大地电磁剖面法：研究深度可达到结晶基底，可提供研究区域的
质、水文地质调查。可分为人工主动源 电磁剖面法和被动源方法两类：
a 、人工主动源电磁剖面法：
研究深度为几十米到一、二百米。
包括不接地回线法、电磁偶极剖面法、航空电磁法
等。 这些方法 既可在频率域中采用，也可在时间域中采用。
航空电磁法：在实际工作中，航空电磁法不局限于直找矿， 应用范围较广。
b、被动源电磁剖面法：主要有甚低频法和大地电磁法。
谐变场激发方式
均匀大地表面上谐变偶极子场源的电磁场： x、 y轴
位于水平面内，z轴向下，在电阻率为ρ的均匀大地表面上：
PE 3PE 2 kr Ex [3 cos 2 (1 kr)e ] E y sin cos 3 3 2 r 2 r PE Hx sin cos [8I1 K1 kr( I 0 K1 I1 K 0 )] 3 4 r PE kr 2 2 Hy [(1 4 sin ) I1 K1 sin ( I 0 K1 I1 K 0 )] 2 2 r 2 PE 1 2 2 kr Hz sin [( 3 3 kr k r ) e 3] 4 2 2 r k
Ez 0
式中I0、K0、I1、K1为贝塞尔函数，r为收-发距，k为传播系数，
PE为电偶极距，为r方向与x轴的夹角。
b、平面电磁波的传播： 平面电磁波的结构特点：在无限均匀介质中， 同一相位面为平面的电磁波称为平面电磁波。若 在这一平面上场振幅为常数，则称为均匀平面电
磁波，否则为非均匀平面电磁波。
i0 Z1 R1 k1
1
1
0
Z
0 2 1
由上式，得出大地电磁法所测得的视电阻率的模或振 幅具有以下形式：T 1来自0Z12
按这种方法确定的视电阻率称为卡尼亚视电阻率。 大 地 电 磁 测 深 两 层 曲
大 地 电 磁 测 深 三 层 曲 线
频率电磁测深法：采用电或磁偶极场源，用改变频率的方 法来控制探测深度，而不用增加供电电极距 AB 。对 地层的分辩力强；勘探深度较大等。近年来，频率深