瞬变电磁法

瞬变电磁法（TEM）绪论一、基本原理利用不接地回线向地下发射脉冲式一次电磁场，用线圈观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，从而来解决有关地质问题的时间域电磁法（脉冲场源）。思路：观测断电后感应电磁场随时间、空间的变化。瞬变场的延迟时间特性与地下地质体的几何参数及电性参数有关。良导地质体的规模越大、导电性越好，瞬变场的强度就越大、衰减越慢、延迟时间就越长；反之则瞬变场的强度小、衰减快、延迟时间短。感应电磁场强：反映导电性断电时间：反映深度二、方法特点瞬变电磁法是时间域电磁法之一，随时域方法而出现，它是发展在后而发展很快的电法勘探分支方法。将瞬变电磁信号用于地质勘探的设想，早在20世纪30年代就有人提出。最早的时域电磁法在西方称为Elrtna法，它基于L.W.Blna在1933年获得的发明专利，该法利用电磁脉冲激发供电偶极形成电磁场，用电偶极测量电场。我国的瞬变电磁法研究起始于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，推出了均匀大地上空间域电磁响应，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探，并取得了明显的效果。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。通过国内学者的二十多年的努力，取得了一些有价值的研究成果和大量的应用实例，在理论和方法技术方面推动了TEM在我国的应用和发展。特点：１、断电后观测纯二次场，消除了频率域的装置耦合噪声，受地形起伏影响小。２、可采用不接地回线装置，适宜于在各种地理环境下工作，在沙漠、冻土带更显其独到特性;３、可以采用同点装置(如重叠回线、中心回线等)进行观测，达到与探测目标的最佳耦合，取得的异常强，形态简单，分层能力强;４、单脉冲激发就可以得到多信息的整条瞬变场衰减曲线，且对线圈点位、方位或接收距要求相对不严格，测地工作相对简单，工效高;５、可以通过多次脉冲激发，进行多次叠加观测，并采用空间多次覆盖技术，提高信噪比和观测精度;６、可以选择不同的时间窗口进行观测，有效地压制地质噪声，获得不同探测深度的信息;７、利用该方法的测量系统，可实施地面、空中、地下、水上、井中或坑道电磁法探测;８、不受高阻层的屏蔽影响，能穿透高阻层，对低阻层灵敏、分辨能力强，在低阻围岩区，由于是多道观测，早期道的地形影响较易分辨;９、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。由于上述诸多特点，且伴随仪器的数字化与智能化，近些年来，瞬变电磁法在国内外都得到了较快的发展，应用范围非常广泛，并获得了明显的应用效果。问题：1、对浅层的垂向分辨能力不强。因为采样时间不能提得很早，最早的采样时间几微秒，电阻率100，也难对20米深度分层；2、同点装置边长越小，测的的视电阻率越小，与大地电阻率不符；3、现只有一维水平层状大地模型的定量解释方法。4、信噪比较低，更易受天然或人文干扰电磁信号的影响。探地雷达（GPR）：地面～地下2m；频率域（AMT）：地下1Km以下；时间域（TEM）：地下20m～1Km。第1章瞬变电磁法的基本理论1、瞬变电磁场的扩散特点一次磁场是以两种途径传播：第一种激发方式是，电磁波首先在空气中以光速很快传播到地表的每个点，然后有一部分电磁能量由地表传入地下，这是根据惠更斯原理，波前上每个点都视为一个新的球面波振源，故地表的每一个点都陆续成为波源，将部分电磁波传入地中，在远区，这种一次磁场可以认为是不均匀平面波，且沿铅直方向传播到地中。第二种激发方式是，电磁能量直接从场源传播到地中，是在导电介质中感应电流似“烟圏”那样，随时间推移逐步扩散到地下深处。第一种传播方式是瞬时建立的，由于大地的电抗作用，第二种场的建立比较迟缓。早期，两者在时间上是分开的，随着时间的推移，两种场相互叠加，随后达到极大值。在晚期，第一种激发方式的场在各处衰减殆尽，在地中第二种场占居主导地位，电磁场以“烟圏”形式逐步扩散到深处，在每一地层中的涡流都有产生和增加的过程以及达到最大后逐渐衰减的过程，并且随深度的增加出现极大值的时间逐渐向后推移。远区（波区）、中区（过渡区）、近区早期、中期、晚期在TEM法的发展初期，rHn，远区场法；后期，LHn,rHn，近区场法；都测瞬变电磁曲线，早期、中期、晚期。场区的划定（近区）（中区）远区（波区）（近区）（中区）远区（波区）（磁性源）综合参数：电性源扩散系数：3301.001.016/16/20/)/()(/220002000rDrDrDattD远区----早期----第一种为主近区----晚期-----第二种为主2、均匀大地的瞬变电磁响应0;00;)(ttItI电流---磁场；电流断开---磁场消失；磁场变化---介质中感应电流----感应磁场；介质欧姆消耗---感应电流衰减---感应磁场衰减变化----感应出强度更弱的电流；这一过程一直进行，直至大地的欧姆损耗将磁场能量消耗完毕为止。美国地球物理学家M.N.Nabighan研究了断电后二次涡流的分布情况：他指出，任一时刻的涡电流产生的磁场可等效为一个水平环状的线电流产生的磁场。地下涡电流向下、向外扩散的现象---“烟圈效应”。原理。地下电阻率不均匀体的瞬变电磁探测变化可探测大地电性沿剖面率电磁场沿剖面的变化规观测研究同一时间瞬变瞬变电磁测深的原理。大地电性的垂向变化测时间的变化规律，可探观测研究瞬变电磁场随反映深部电性；涡流产生晚期瞬变电磁场由深部反映浅部电性；涡流产生早期瞬变电磁场由浅部为：“烟圈”的半径和深度0202022;546479.028/4;)/(8ttdvctdatcr3、均匀大地的瞬变电磁场及视电阻率的定义的关系。，件下瞬变电磁场与早期和晚期两种极限条的关系复杂，通常研究，可见，瞬变电磁场与ttdxeutrueuuuurmtBeuuurmtEuxuZu02022402342222)(/22;/2])29(2)()91[(2)(])31(2)([23)(早期视电阻率无关。变化；早期电场与时间、早期磁场随时间线性集中在发射场源附近。减快，表明早期场主要、早期场随距离增加衰的涡旋电场便越强。磁场衰减快，由此激发，大，产生涡流的能力差成正比，、早期场与特点：32129)(;23)(;0/54rmttBrmtEurZ少。早期瞬变电磁场用的较否则，；（早期，远区条件）时，当;0/;)(92);(3254rttBmrtEmrZBE晚期视电阻率衰减。、晚期磁场随时间迅速深处了。已扩散到无限远、无限流表明晚期场等效烟圈电、晚期场与位置无关，殆尽的缘故。场经早期衰减，已衰减大地上，磁成反比，在导电性差的、晚期场与特点：321)(20)(;)(40)(0;/2/3002/300ttmttBttmrtEurZ多。晚期瞬变电磁场用的较否则，；（晚期，近区条件）时，当;16/;)52(4;)5(43/2003/200rtBtmttEmrtZBE中线回线和重叠回线0TD0TD035323432303532383/2/2;3))((1032.63))((1032.6趋附深度：穿透深度：有远区（早期）公式略）的计算公式近区（中线回线：）的计算公式仅有近区（晚期）（重叠回线：ttItVLAtItVLR当不满足早、晚期条件时，计算结果有误差。过去多用晚期公式，现有“全域电阻率”公式。现其定义、算法不一。也是近似算法，且在远区有多解性。但总是一种进步。使用现有设备从感应电动势计算视电阻率问题甚多。中线回线全域电阻率啊在晚期感应电动势ε(t)∝t-2/5，在双对数坐标上的响应曲线呈68.2°下降直线。电阻率越大，早、中期的时间短，且幅度大，电阻率越小，早、中期的时间长。图2.2.1给出中心回线下回线半径100m的两层大地的电动势时间特性曲线。4、高阻围岩中水平导电板的瞬变电磁响应5、局部良导体的瞬变电磁响应第2章瞬变电磁法的反演方法反演工作是由己观测到的现象(如实测的瞬变电磁响应)，计算或模拟产生响应的地电断面的过程。反演算法总体可分为两大类:正演拟合法，直接反演法(常又称之为:快速反演法)。目前实用的还是一维程序，且可能在将来较长一段时间内还将如此.正演拟合法：需事先给定层参数、初始模型。多用于规律研究。直接反演法：无需先设定初始模型。视纵向电导法：从感应电动势转换为视纵向电导的过程。基于烟圈理论的快速反演：此法之优点在于每一延时给出相应的视深度和“似”电阻率，能给出构造的空间“似”形态，计算简单、实用。然而不能直接给出地电参数，一些学者认为此法不能算作真正之反演。但通过此次论文工作，发现直接反演如使用适当，可起到拟合反演不可替代的作用。第2章瞬变电磁法的反演方法1、基于烟圈理论的最简化反演根据M.N.Nabighian的推导，蒋邦远提出了一种简单的、快速近似反演方法。该方法的基本原理如下；均匀半空间地表线圈激发的阶跃瞬变响应可以用圆环电流来表示，某时刻圆环电流的垂向深度为：如下半空间为层状大地，则上式中之速度v为时间t所对应地层之速度。为突出做出此贡献之地层，速度需由下列差分式求视深度：一维经验反演烟圈理论一维反演的固有缺陷：1、全域视电阻率计算时可能出现的双解或无解。2、出现解释困难的“上凸”和“下凹”现象(以往又称为为“向上挠曲“、“向下挠曲”)啊啊强干扰信号剔除TEM数据在双对数坐标中随时间增加而不断衰减，若采集的数据不符合衰减趋势(即:后一测道较前一道基本不衰减甚至大于前一道的值;或后一道数据较前一道出现明显的下降“台阶”)，一般不宜先采取圆滑处理(因圆滑处理仅会将此强干扰分配到其它测道中去)，而应首先进行下述的强干扰剔除。在双对数坐标中，首先计算衰减曲线在各测点、各测道的斜率，并进行统计，计算出平均值及方差，并对斜率超差的测道进行校正。即当某测点第i道超差时，以其前一道的斜率为基础，综合考虑第i道前后各测道的斜率，加权归一得到斜率值k1，，同时计算邻近测点在该测道的加权斜率值k2:。则有:a测道圆滑在TEM观测中，即使纵向地层有明显变化，其感应电动势衰减曲线亦为相对连贯的变化曲线，若非如此，则视为干扰，可作测点圆滑处理。测点圆滑多数情况下，若测点距不太大时，其感应电动势在沿测线方向上亦应相对连贯，很少表现为单点异常。如连贯性太差，可进行测点圆滑。附：TDEMG2初步反演结果各量说明Ntx发射线圈匝数Trarea发射线圈面积(m2)Nrx接收线圈匝数Rxarea接收线圈面积(m2)I发射电流强度Trmp关断时间Chno测道序号Dtms采样时间V电压Rsohm.m全域视电阻率Pl视电阻率（晚期公式）Hr深度(m)No编号（编号1对应测道1与2之间，编号2对应测道2与3之间……）ADTms对应No的时间Ahr对应No的深度Psmk用烟圈理论计算的视电阻率Pn1、Pn2、Pn3：该视电阻率与真电阻率量纲一致，可作真电阻率使用，故亦称作似电阻率，它们较Rsohm.m相比，在层位发生变化时，响应更灵敏，其中Pn1最灵敏，Pn2次之，Pn3再次之。2、视纵向电导反演解释B·A·CHIOPOB把确定水平薄层纵向电导S及深度h的公式用到层状大地的情况，并把所得到的S、h称之为视纵向电导S，及视探测深度h，S，及h:参数可用于测深资料的反演。直流电测深方法中，为了简化对于多层