1、北京欧华联科技有限责任公司 网站： 电话： 010-82920623/0624 1.瞬瞬 变变 电电 磁磁 场场 形形 成成 瞬变电磁场的发射系统 由发射机和发射线圈组成。发射线圈是一闭合回路，发射机产生矩形脉冲。当发射机向发射线圈输入矩形脉冲电流 I 时，根据电磁感应定律脉冲的上升沿在发射线圈周围产生感应电动势，但由于脉冲上升速度较缓，所以产生的感应电动势很小。当上升脉冲电流 I 达到峰值后，开始稳定，此时在发射线圈周围产生稳 定磁场 ， 图 1a。 当发射机关断时，发射线圈中的电流 I 从峰值急速下降，但由于发射回路中的自感，要彻底关断电流 I 需要一段时间，即关断时间 toff。在此关
2、断时间内发射线圈中的电流值 I 急剧下降 ，于是在发射线圈周围产生感应电动势 ()，即 随时间变化的一次磁场， 它就像烟圈一样向地下扩散。如 图 1b 和 1c。 () = ()可见 感应电动势，即 一次磁场 的 大小与发射线圈 面积 （ NS），发射电流 I 大小及其在关断时间内的变化率有关 （公式 1） 。 但 发射电流 I 的实际关断过程 如图 1c 所示：在开始关断时 ()值很 大 ，然后变缓， 最 后 I=0， toff 为 关断时间 。但由于发射回路中 的 自 我 震荡过程， 发射电流 I 在关断时间 toff 之后仍需一段极短时间才能最终归零。 为了避免振荡过程所产生的一次场对瞬
3、变场观测的影响，测点要离开发射线圈边框一定距离。 一次场向扩散过程中，当遇到导电介质时（例如矿体、矿化带，水体、含水层，高导蚀变带等等），便在其中产生随时间变化的 二次磁场 或 涡流，即瞬变场图 1e。 瞬变场的大小 及衰减过程 除与激发场，即一次磁场大小有关外，主要与导电介质的电导率值、 大小 以及埋深等电性参数有关，还与一次磁场与导电介质的耦合程度有关 ，如 图 1f。 可见，一次场（激发场）和二次场（也叫涡流场或瞬变场）都是在关断过程中产生的。关断完成后，一次场消失，二次场开始衰减，瞬变电磁法就是观测并记录二次场的大小和衰减过程，进而反演地下电性结构和电性异常体的分布，并对它们进行地质解
4、释，达到找矿、找谁等目的。 北京欧华联科技有限责任公司 网站： 电话： 010-82920623/0624 图 1 瞬变场形成过程 及观测 2.地地 下下 导导 体体 与与 初初 始始 磁磁 场场 的的 耦耦 合合 在发射电流关断过程中产生初始 变化 磁场， 即一次场。一次场 在地下介质中产生感应电流，即涡流，也是我们要观测的瞬变场。 瞬变场 的大小与 一次场 和地下导电介质的耦合程度有关。在水平层状介质情况下，如果 一次场 与地下导电介质垂直，则耦合程度最好，产生的感应电流最强 （图 2） 。在倾角较陡，有一定走向长度的导电介质情况下（矿体经常是这种情况） ,如果发射线圈直接位于矿体之上，
5、则一次场与矿体走向平行，耦合程度最弱，产生的感应电流、即瞬变场最弱。若矿体位于发射线之外，则 一次场 近于与矿体走向 垂直 ，耦合程度较佳，产生的瞬变电磁场变强 （图 3）。 t(ms) () = ()烟圈 涡流 t(ms) a b d(电流 I 实际衰减过程 ) c f t(ms) 关 断 时 间toff 一次场 I toff 振荡 二次场 e I 北京欧华联科技有限责任公司 网站： 电话： 010-82920623/0624 图 2 图 3 现对一矿体模型与一次场的耦合关系做一定量模型研究：采用大定源观测装置，发射线圈边长 1200mX1200m（ OE-1200E），发射电流 10A。
6、矿体模型是： 走向长度 600m 宽 400m 高 400m 矿体到地表深 600m， 倾角 75 ，向西倾 图 4 中上图表示矿体顶边界位于 测线 中心 600E 处，即直接位于发射线圈中心的下方 ， 图 4 下图是其瞬变响应，图中左侧 数字 0.1 和 .05 是瞬变强度标尺（ nv/m2），右侧 X 和 Z是瞬变的水平分量和垂直分量，数值 11， 15 和 16， 20 表示观测门数，图上方的数字 OE，1200E， 2000E 是剖面位置。 北京欧华联科技有限责任公司 网站： 电话： 010-82920623/0624 从图 4 中下图可见矿体顶边界直接位于发射线圈中心的下方时，最大
7、的瞬变响应仅仅0.1nv/m2,是非常小的，原因是矿体倾角大（ 75）， 在发射线圈中心位置下方， 一次场 呈 垂直分布，与矿体走向近于平行， 因此 耦合程度很弱。 图 4 中的最大 瞬变响应 =0.1nv/m2， 它是 接收线圈的单位面积（ m2）所产生的瞬变场强度。 图 4 图 5 中上图表示矿体右边界位于 测 线 1200E 处，即直接位于发射线圈 单 边的正下方，此处是一次场最强的地方，也是一次场方向从发射线圈中心处的垂直分布向外侧逐渐变缓的地方，所以耦合程度略好。此处 的 最大瞬变响应 为 0.3nv/m2（图 5 下图） ，比图 4 中的最大瞬变响应大 3 倍。 北京欧华联科技有限
8、责任公司 网站： 电话： 010-82920623/0624 图 5 图 6 中上图表示矿体 右 边界位于 测 线 1800E 处 ，即位于发射线圈之外 600m 远， 此 处 最大的瞬变电磁响应为 0.26nv/m2，略小于图 5 中的情况。这是因为在发射线圈之外的一次场强度比图 5 中的弱，但一次场变得 更 平缓了，因此一次场与矿体的耦合关系变强。 由于金属矿体 通常 倾角比较陡，因此用大定源发射装置探测时，发射线圈不 能 直接位于矿体之上 ， 最好位于矿体外侧，测线要从发射线圈内部延伸至发射线圈外部。此外，我们从图 4，图 5 和图 6 的瞬变响应曲线可见， X 分量的最大值出现在矿体
9、的边缘上。 北京欧华联科技有限责任公司 网站： 电话： 010-82920623/0624 图 6 三三 、 瞬瞬 变变 电电 磁磁 法法 勘勘 探探 深深 度度 瞬变电磁法勘探深度 H 的近似表达式为： = 0.5 1/5（ 2） 式中 M 是发射 线圈 磁 距， = ， I 是发射电流值（ A）， S 是发射线圈有效面积（ m2）；是测点下方至勘探 深度 H 的电阻率值（ Ohm-m） ； 在新生界覆盖的平原区 10-20 Ohm-m，在基岩出露的山区 =100-1000 Ohm-m； RmN 是瞬变电磁仪可分辨的最小信号电平，它与接收机的输入噪声和测点附近的电磁背景噪声之和有关，对于
10、PROTEM 数字接收机而言可认为RmN=2 10-6V，即 2。 从上式可见勘探深度 H 与 1/5成正比，与 1/5成反比，也即当 M 或 增加 2 倍时，勘探深度 H 增加 15%；当 M 或 增加 4 倍时， H 增加 32%；同样，当 RmN 降低 2 倍时，勘探深度 H 增加 15%， RmN 降低 4 倍时， H 增加 32%。可见勘探深度 H 与 M 或 或 RmN 的依赖关系是较弱的，但为了增加勘探深度也只能加大发射线圈的有效面积 S 或发射电流 I，即加大发射线圈磁矩。 然而，当发射电流 I 过大时， 关断时间 toff 显著加大，于是一次场强() = 显著降低， 盲 区明
11、显加大。 北京欧华联科技有限责任公司 网站： 电话： 010-82920623/0624 现将 PROTEM 瞬变电磁仪的近似勘探深度 H 列表如下： 最大发射电流 发射线圈尺寸 测点下方至勘探深度 H 的电阻率值 20 Ohm-m 100 Ohm-m 1000 Ohm-m 15A 8 匝 30mX30m S=7200m2 H=170m H=230m H=360m 15A 单匝 100m 100m S=10000m2 H=180m H=250m H=390m 15A 单匝 500m 500m S=250000m2 H=340m H=470m H=750m 15A 单匝 1000m 1000m
12、 S=1000000m2 H=450m H=620m H=990m 四四 、 观观 测测 装装 置置 瞬变电磁法的观测装置 是 指发射线圈与接收线圈的分布关系。发射线圈用 Tx 表示， a和 b 代表发射线圈两个边长，接收线圈用 Rx 表示。 瞬变电磁法一般有四种观测装置，图 7： 图 7 瞬变电磁法野外观测装置 1.重叠回线装置 ：发射线圈 Tx 和接收线圈 Rx 相互重叠或共用 ，在观测过程中同步移动，优点是简便，缺点是互感大，关断时间长，盲区大，勘探深度浅。 2.中心回线装置 ：接收线圈 Rx 位于发射线圈 Tx 中心，两者同时移动。优点是接收的瞬变场强大，瞬变曲线简单，缺点是勘探深度浅
13、 ，因为发射线圈 Tx 要随时移动，所以尺寸不能北京欧华联科技有限责任公司 网站： 电话： 010-82920623/0624 大，因而发射线圈磁距 M 也大不了。 3.偶极发射装置 ：接收线圈 位于发射线圈之外约 10m 左右， 以避免发射回路振荡过程所产生的一次场影响。发射线圈和接收线圈 同时移动，优缺点与中心回线类似。 如果发射线圈 Tx 做成多匝 ， 可提高勘探深度。例如如果发射线圈尺寸为 2m 2m， 64匝 ，则发射线圈面积 S=（ 2m 2m） 64=256m2，若发射电流 I=10A，则发射磁距 M=256m2 10A=2560Am2，若地下电阻率 =100 Ohm-m，则勘
14、探深度： = 0.5 15 = 0.525601002106 15 110 若 =1000 Ohm-m，则勘探深度 H=175m。 如果发射线圈边长 30m 30m， 8 匝，发射电流 20A，地下电阻率 1000 Ohm-m，则勘探深度 H=390m。 在煤矿井下瞬变电磁法探测储水构造时， 均 采用这种观测装置。 4.大定源回线装置 ：该装置的发射线圈 Tx 边长可大到 1000m-1200m，单匝，边长越大发射磁距越大，勘探深度也越大 。接收线圈 Rx 位于发射线圈之内和之外 。 目前国内一般都在发射线圈 Tx 内部做观测，这不仅降低工作效率，在某些情况下也是不合适的。观测点一般要离开发射
15、线圈边框 20m-40m，以避免发射回路振荡过程所产生的一次场影响。 小尺寸发射线圈分辨率高于大尺寸发射线圈。为提高勘探效果可先用小尺寸发射线圈圈定目标体在浅层的分布，然后再用大尺寸发射线圈向深部追踪。 五五 、 瞬瞬 变变 场场 的的 反反 演演 1. 在均匀半空间、垂直磁偶场源条件下，瞬变电磁场的表达式为： 瞬变电场切向分量 () = 324 瞬变磁场垂直分量 () = 043 瞬变场感应电动势 () = 925 式中 M 为发射线圈的磁距 , = ， I 是发射电流， S 为发射线圈面积； 为发射线圈中心到观测点的距离； 为均匀大地电阻率； 为接收线圈有效面积。 （ 3） （ 4） （
16、5） 北京欧华联科技有限责任公司 网站： 电话： 010-82920623/0624 ， ， 和 ()是 的函数，其表达式为 : = ()2(1+ 23 ) (22 ) （ 6） = 1(1 92)()2 (22 )(9 +2) （ 7） = ()2(22 )(1+ 23 + 49 ) （ 8） 式中 () = 20 (2) 为概率积分； = 2 , = 220 （ 9） t 为瞬变场扩散时间 ， 0 = 4 107/为空气磁导率， 为扩散参数，也叫时间常数。 = 2 107 （ 10） 令公式 （ 9） 中 20 = ，则 是在时间 t 时地下最大瞬变电场的所在深度，称之为扩散深度。 2.
17、由瞬变电磁场计算视电阻率 由公式（ 3） 公式 （ 9）可见，瞬变电磁场 ， ， 与视电阻率 和瞬变场扩散时间 t 有非常复杂的关系，很难根据公式 （ 3） 公式 （ 9） 解出 的表达式。但如果取极限条件，那么公式 （ 3） 公式 （ 9） 就变得简单、可解。所谓极限条件就是： / 0 / 1） / 0意味扩散参数 = 2 107 远远小于 ，也即扩散时间 t 非常小，所以也称为早期。 当 / 0时， 1， 1，于是公式（ 1）等于： () = 324 （ 11） 公式 （ 7） 等于： () = 925 （ 12） 于是得到早期极限条件下的视电阻率表达式： 早 = 243 （ 13） 早
18、= 259 （ 14） 2） / 意味扩散参数 远远大于发射线圈中心到观测点的距离 ，所以也称为晚期。 当 / 时， 北京欧华联科技有限责任公司 网站： 电话： 010-82920623/0624 () = 05/2403/25/2（ 15） () = 05/2203/25/2（ 16） 于是在晚期极限条件下视电阻率表达式为： () = 04( 05()2 3（ 17） 或 () = 04(205()2 3（ 18） 式中 () = () 是单位面积接收线圈输出的瞬变场值： () = 106 2 = 19200 2 其中 是 PROTEM 瞬变电磁仪输出的瞬变场值，即瞬变场曲线，单位是 。
19、= ()2 （ 19） 其中 是接收线圈有效面积（ m2）； G 是前置放大器和后置放大器的固定放大倍数； 2n 是仪器共有的程控放大器的放大倍数， n=1， 2， 7 可选。 此时我们再分析方程式 （ 18） ，式中： () = 19200/2， 是瞬变电磁仪输出的瞬变场值（已知）； t 是瞬变场扩散时间，即观测时间（已知的，在观测时间内变化） 0是空气磁导率 0 = 4107/, 是接收线圈有效面积 m2（已知） 是发射线圈磁距， = （已知） 由于上述参数值都是已知的，所以便可以求出晚期视电阻率 晚 随观测时间 t的变化曲线，即时间域 视电阻率曲线。 3） 时 深转换公式 公式 （ 18
20、） 是时间域晚期视电阻率 ()的表达式，但如何将时间域 t 转换为深度 ？公式（ 20） 便是时 深转换公式： = (3晚10() )1/4 晚0 （ 20） 经 时 深转换后，我们可获得晚期视电阻率曲线随深度 的变化 ()。这叫视电阻率北京欧华联科技有限责任公司 网站： 电话： 010-82920623/0624 曲线图。 4） 最终反演结果，即将视电阻率 ()通过反演转换为电阻率随深度变化 ()。为此，需要首先计算正演问题，即计算一维层状模型（理论模型）情况下的视电阻率随深度的分布理 ()，然后再与实际观测的视电阻率 实 ()进行拟合（对比）。通过不断修改理论模型使两者达到最佳拟合。 综
21、上所述，我们把瞬变场的反演过程简述如下： （ 1）在野外观测之前将下列参数输入 PROTEM 接收机： 发射线圈面积 SN， S 是单匝线圈面积， N 是匝数 发射电流 I 于是可知发射线圈磁距 = ( )，式中 a X b=S 接收线圈类型及有效面积 放大器增益 G 基本频率（观测频率） 积分时间，即叠加次数 关断时间 toff （ 2）根据公式（ 19）和公式（ 16）以及上述的已知参数， PROTEM 接收机可自动计算出在晚期条件下每个测点的瞬变场曲线 Vm（图 8-1） 。 图 8 -1 瞬变电磁场曲线 Vm t（ ms） 北京欧华联科技有限责任公司 网站： 电话： 010-8292
22、0623/0624 曲线尾端瞬变值发 生 跳动是由于在晚期的瞬变场来自深部，幅值很小。 （ 3） 沿着观测 剖面 把 每个测点的瞬变场曲线编制成瞬变场断面图，便可以定性的分辩出剖面下的电性结构特点 （图 8-2 ） ： 小号观测门数 1-5 门表示瞬变响应来自深部，大号观测门数 26-30 门表示瞬变场来自深部 ， 高值瞬变 响应代表低阻层，低值瞬变响应代表高阻层。 图 8-2 瞬变场断面图 （ 4） 根据公式（ 18）计算每个测点的时间域 晚期视电阻率曲线 ()（图 8-3）。根据时 深转换 公式（ 20），把时间域晚期视电阻率曲线转换为随深度 分布的视电阻率曲线 ()。沿观测剖面将每个测点
23、的 ()编制成断面图，便是通常所称的视电阻率断面图，也叫伪断面图 。 （ 5）通过反演拟合将 ()转换为 (), 便是每个测点的电性柱状图，图 8-3，把各测点的电性柱状图 沿剖面 编制成断面图，便是反演后的地电断面图，对其进行地质资料解释后便是地电 地质剖面图 ，这是最终结果。 观测门数 测点号数 1-5 门 6-10 门 11-15 门 15-20 门 21-25 门 26-30 门 北京欧华联科技有限责任公司 网站： 电话： 010-82920623/0624 图 8-3 反演的电性柱状图 图 8-4 地电断面图 图 8-5 地电 -地质剖面图 北京欧华联科技有限责任公司 网站： 电
24、话： 010-82920623/0624 标标 量量 阻阻 抗抗 与与 张张 量量 阻阻 抗抗 1 .电电 磁磁 感感 应应 定定 律律 图 1 图 1 表示变化的磁场可以产生电场，这是实验定律 2.从高空投射到地球内部的、随时间变化的磁场 ，在地球内部感应出大地电流场 。磁场和电场 在形态上类似，但它们的变化是没有规律的 （图 2）。 当然在某些频带上可能类似于正弦波 （图 3）。 在多数情况下随着频率的增高，电磁场幅度快速下降 （图 4）。 在磁爆时电磁幅度可增高 10 倍，甚至 100 倍。频率 低于 1Hz 的磁场起源于太阳的活动，高于 1Hz 的磁场起源于大气层的雷电活动。 1Hz-
25、10Hz 的电磁场幅度最低，称为“死区”， （图 4） 北京欧华联科技有限责任公司 网站： 电话： 010-82920623/0624 图 2 大地电磁场信号 图图 3 规规 则则 变变 化化 的的 大大 地地 电电 磁磁 场场 北京欧华联科技有限责任公司 网站： 电话： 010-82920623/0624 图 4 天然大地电磁场幅度 投射到地球 表面的变化磁场 垂直地向下传播，并一路感应出 变化的 大地电流 场 。 3.均均 匀匀 和和 水水 平平 层层 状状 一一 维维 地地 质质 结结 构构 标标 量量 阻阻 抗抗 在均匀和水平层状一维地质结构中，岩石电性 只沿垂直方向 变化 ，沿水
26、平方向不变化 = ()（图 5） 。 此时，在测点下方入射磁场 在地球内部感应出的大地电流场是水平均匀分布的，磁场 与电场 之间的夹角为 90 。 在此我们引进波阻抗定义 Z： = (1) 图 5a 水平均匀层状一维地质结构 北京欧华联科技有限责任公司 网站： 电话： 010-82920623/0624 图 5b 水平均匀层状一维电性 结构 视电阻率和相位曲线 在一维层层状介质中，阻抗 Z 不随大地电流在地下的流动方向而改变，不随观测方向而改变，所以称为标量阻抗 。此时， 视电阻率 = 0.2| = 0.2|2 （ 2） 这意味着在均匀和水平层状一维地质结构情况下，只要在地面观测不同周期 T
27、 的变化磁场 H 以及与其垂直的变化电场 E，便可以求 得 不同深度处的视电阻率值 ，通过反演便可获得水平层状各电性层的厚度和真实电阻率值。 在一维情况下， 在同一测点上 无论沿什么方向观测相互垂直的磁场 和电场 ，其获得的视电阻率曲线 都是一样的；同样在不同测点上获得的视电阻率曲线 也是一样的。 在实际地质结构中均匀的或水平层状的地质结构非常罕见，通常都具有不同类型的地质构造，如断层、破碎带、褶皱、凸起、凹陷等等。如 果这些地质构造沿走向方向延伸长（ 在测点下方大于 勘探深度的 3 倍 ），则称为二维地质结构；如果延伸短则为三维地质结构。 4.二二 维维 地地 质质 结结 构构 张张 量量
28、阻阻 抗抗 在二维地质结构中电阻率 除沿深度 变化外，沿侧向方向也发生变化，但沿走向方向不变 化（图 6）。 此时，在测点下方由入射 磁场 在地球介质中感应出的大地电流 在走向方向上是均匀分布的，在其他方向上是变化的。 北京欧华联科技有限责任公司 网站： 电话： 010-82920623/0624 图 6a 二维地质结构 （褶皱） 图 6b 二维地质结构（断层） 在二维介质中，每个测点上的阻抗值 不仅随深度改变，而且也随观测方向变 化 （沿走向方向不变）， 在二维介质中 测点下方的电场 不仅由磁场 所感应，磁场 也感应出 。同样电场 不仅由磁场 所感应，磁场 也感应出 。这样，在二维介质情况
29、下的 电磁关系 ： = + = + 它比一维情况下的电磁关系 = 复杂的多。 由于在二维情况下介质电性沿走向方向 是均匀的，是没有变化的，因此当观测方向与（ 3） 北京欧华联科技有限责任公司 网站： 电话： 010-82920623/0624 地质走向 一致时，磁场 感应出的电场应沿着地质走 分布，磁场 感应出的电场也应沿着地质走向分布，于是张 量 阻抗 和 必然是零，而其它两个张量阻抗 和 是非零值，但互不相等，因 为 和 感应出的电场值是不一样的。 当测量方向与地质走向 方向一致时， 和 感应出的电场都沿走向方向分布，因此沿走向方向的电场 最强，于是张量阻抗 值 最大。即 ： = = （
30、 4） 地质结构的维数是一个相对概念，与电磁波穿透深度、即勘探深度有关。如 图 7 所示，若 在均匀半空间 1内部含有一个异常 体 2时 ， 在 勘探深度很浅时，所观测的电磁波频率很高，其穿透深度在电性异常体 2之上，所以 2对所观测的电磁场不产生影响，此时图 7 可视为一维电性结构。当勘探深度加大，所要观测的电磁 场 频率变低，穿透深度达到或接近电性异常体 2时，并且 2的走向长度大于其埋深 3 倍时 ，图 7 可视 为二维电性结构；如果 2的走向长度较小，则 图 7 可视 为三维电性结构。 当观测的电磁波穿透深度远远大于电性异常体 2的尺寸时，则 2产生的电磁感应效应很弱，而表现的是与电磁
31、场频率无关的电流效应，即静位移效应。 图 7 5.张张 量量 阻阻 抗抗 的的 性性 质质 ： 1) 如果我们事先不知道地质走向方向，观测方向任意布置，并计算出 该观测方向上的 四个张量阻抗要素值 ， ， 和 ，然后对 这些 张量阻抗要素值在观测平面上进行 旋转计算 （ 例如按 5 步长旋转） 以找出 为最大值时的旋转角 （ 如公式 4） ，便可找出不同深度上的电性主轴方向 ， 即地质走向方向 。 2) 在磁场 垂直走向 分布，电场 沿走向分布时，称为 极化模式，此时的张量阻抗 称为纵向阻抗，视电阻率 = 0.22称为纵向视电阻率曲线。 在磁场 垂直走向分布，电场 沿倾向 分布时，称之为 极化模式，视电阻率北京欧华联科技有限责任公司 网站： 电话： 010-82920623/0624 = 0.22称为横向视电阻率。 在二维地质构造情况下，一般而言 ， （图8） （缺图） 图 8 二维地质构造下的视电阻率和相位曲线 3) 计算二维偏离度 定义 = + （ 5） 从上述可知， 在 二维地质 构造情况下 = 0， = 0， ，此时 = 0； 当 测点下偏离二维结构 时 ， 0， 0， 偏离越远 +就越大 ，于是 S 值大小可以判断地下结构偏离二维的程度。当 = 0 时是典型的二维结构，当 S 0.2 时可认为是二维结构。
