工程与的环境地球物理TEMppt课件

1、工程与环境地球物理工程与环境地球物理- -电磁法电磁法吉林大学吉林大学 地球探测科学与技术学院地球探测科学与技术学院地球物理系地球物理系刘四新刘四新 教授教授第三节第三节 电磁法电磁法l 电磁法是以地壳中岩石和矿石的导电性、电磁法是以地壳中岩石和矿石的导电性、导磁性和介电性差异为基础，通过观测和导磁性和介电性差异为基础，通过观测和研究人工的或天然的交变电磁场的分布来研究人工的或天然的交变电磁场的分布来寻找矿产资源或解决水文、工程、环境及寻找矿产资源或解决水文、工程、环境及其他地质问题的一类电法勘探方法。其他地质问题的一类电法勘探方法。电磁法所依据的是电磁感应现象。以低频电磁法电磁法所依据的是电

2、磁感应现象。以低频电磁法(f1时，介质中传导电流起主要作用，此时，介质中传导电流起主要作用，此时可忽略位移电流作用；时可忽略位移电流作用；l反之反之, 当当m1时，主要由位移电流起作用，时，主要由位移电流起作用，可忽略传导电流作用。可忽略传导电流作用。电阻率l在自然条件下，岩石电阻率很少超过在自然条件下，岩石电阻率很少超过105105欧姆欧姆米，故低频电磁法中不考虑位移电米，故低频电磁法中不考虑位移电流影响，可认为岩石导电性不随频率变化。流影响，可认为岩石导电性不随频率变化。l只有在频率超过只有在频率超过106Hz106Hz的高频电磁法的高频电磁法( (如无如无线电波透视法及其他电磁波法线电波

3、透视法及其他电磁波法) )中，才考中，才考虑位移电流作用。虑位移电流作用。介电常数介电常数l 火成岩的相对介电系数火成岩的相对介电系数r变化范围为变化范围为715，在超基性岩和基性岩中其值较高，在超基性岩和基性岩中其值较高，而酸性岩中相对较低；而酸性岩中相对较低；l变质岩的变质岩的r在在517的范围内变化；的范围内变化；l而沉积岩的而沉积岩的r变化较宽变化较宽(2.540)，且随岩，且随岩石中相对水分含量的增加而增大。石中相对水分含量的增加而增大。磁导率磁导率3.2 瞬变电磁法瞬变电磁法l 瞬变电磁法(TEM)是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场、不接地地线圈或接地电极观测由该

4、脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间时间分布从而来解决有关地质问题的时间域电磁法。l从傅里叶变换理论可知，一个脉冲电磁波从傅里叶变换理论可知，一个脉冲电磁波可视为许多不同频率的谐变电磁波的组合、可视为许多不同频率的谐变电磁波的组合、而由一个脉冲电磁场感应产生的二次时变而由一个脉冲电磁场感应产生的二次时变电磁场便是由许多不同频率的谐变电磁场电磁场便是由许多不同频率的谐变电磁场感应产生的二次谐变电磁场的组合。感应产生的二次谐变电磁场的组合。l由此可见、由此可见、TEM与观测谐变电磁场的频率与观测谐变电磁场的频率域电磁法域电磁法(FEM)同属于研究二次涡流场的方同属于研究二次涡流场的方法，

5、二者有许多共同点、两种方法的物性法，二者有许多共同点、两种方法的物性基础都是电阻率差异物理原理都是电磁基础都是电阻率差异物理原理都是电磁感应定律，可以使用多种同佯的装置类型。感应定律，可以使用多种同佯的装置类型。l但与但与FEM相比相比,TEM可以在没有一次场背景可以在没有一次场背景的情况下观测纯二次场异常因此可以的情况下观测纯二次场异常因此可以使用同点装置。从而使体积效应、旁侧影使用同点装置。从而使体积效应、旁侧影响大大减小，而分辨率大大增强。响大大减小，而分辨率大大增强。lTEM没有没有FEM中的主要噪声源中的主要噪声源, 如装置噪声，如装置噪声，一次场不稳、地形起伏、收发点位误差等一次场

6、不稳、地形起伏、收发点位误差等影响都大为减小。影响都大为减小。l由于这些特点在工程物探中由于这些特点在工程物探中TEM比比FEM有更多的优点。有更多的优点。3.3 均匀大地的瞬变电磁响应过程均匀大地的瞬变电磁响应过程l瞬变电磁法的激励场源主要有两种一种瞬变电磁法的激励场源主要有两种一种是载流线圈或回线。另一种是接地电极。是载流线圈或回线。另一种是接地电极。l目前，用得较多的是回线场源。发射的电目前，用得较多的是回线场源。发射的电流脉冲波形主要有矩形波、三角波和半正流脉冲波形主要有矩形波、三角波和半正弦波等。不同波形有不同的频谱，激发的弦波等。不同波形有不同的频谱，激发的二次场频谱也不相同。二次

7、场频谱也不相同。l为了讨论问题方便，下面主要讨论回线场为了讨论问题方便，下面主要讨论回线场源阶跃脉冲源阶跃脉冲(相当子矩形脉冲后沿相当子矩形脉冲后沿)激发的瞬激发的瞬变电磁场。变电磁场。l在在t0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次磁场的这一剧烈变化通过磁场也立即消失。一次磁场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，并空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场、使空间的磁场不会即刻消失。由前存在的磁场、使空间的磁场不会即刻消失

8、。由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将迅速衰于介质的欧姆损耗，这一感应电流将迅速衰l由它产生的磁场也随之迅速衰减，这种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的地下介质中感应出新的强度的磁场又在其周围的地下介质中感应出新的强度更弱的涡流。这一过程继续下去，直至大地的欧更弱的涡流。这一过程继续下去，直至大地的欧姆损耗将磁场能量消耗完毕为止。这便是大地中姆损耗将磁场能量消耗完毕为止。这便是大地中的瞬变电磁过程，伴随这一过程存在的电磁场便的瞬变电磁过程，伴随这一过程存在的电磁场便是大地的瞬变电磁场。是大地的瞬变电磁场。l 应该指出，由于电磁场在空气中传播的速度比在导电介质中传

9、播的速度大得多。当一次电流断开时，一次磁场的剧烈变化首先传播到发射回线周围地表各点，因此, 最初激发的感应电流局限于地表。l地表各处感应电流的分布也是不均匀的，在紧靠发射回线一次磁场最强的地表处感应电流最强。随着时间的推移，地下的感应电流便逐渐向下、向外扩散，其强度逐渐减弱，分布趋于均匀。l美国地球物理学家美国地球物理学家MNNabighan对对发射电流关断后不同时刻地下感应电流发射电流关断后不同时刻地下感应电流场的分布进行了研究，研究结果表明，场的分布进行了研究，研究结果表明，感应电流呈环带分布，涡流场极大值首感应电流呈环带分布，涡流场极大值首先位于紧挨发射回线的地表下，随着时先位于紧挨发射

10、回线的地表下，随着时间推移，该极大值沿着与地表成间推移，该极大值沿着与地表成30倾角倾角的锥形斜面向下、向外移动、强度逐渐的锥形斜面向下、向外移动、强度逐渐减弱。减弱。烟圈效应烟圈效应l MNNabighan指出，任一时刻地下涡旋电流指出，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。流的磁场。l在发射电流刚关断时在发射电流刚关断时, 该环状线电流紧挨发射回该环状线电流紧挨发射回线与发射回线具有相同的形状。随着时间惟移，线与发射回线具有相同的形状。随着时间惟移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆电流该电流环向下、向外扩散，

11、并逐渐变形为圆电流环。环。l如图给出了发射电流关断后三个不同时刻地下等如图给出了发射电流关断后三个不同时刻地下等效电流环的示意分布。从图中可以看到等效电效电流环的示意分布。从图中可以看到等效电流环很象从发射回线中流环很象从发射回线中“吹出来的一系列吹出来的一系列“烟圈烟圈”.因此，人们将地下涡旋电流向下、向外扩散的过因此，人们将地下涡旋电流向下、向外扩散的过程形象地称为程形象地称为“烟圈效应烟圈效应”。l “烟圈的半径r、深度d的表达式分别为；l可以看出地下感应涡流向下、向外扩散的速度可以看出地下感应涡流向下、向外扩散的速度与大地导电率有关，导电性越好，扩散速度越慢，与大地导电率有关，导电性越

12、好，扩散速度越慢，这意味着在导电性较好的大地上，能在更大的延这意味着在导电性较好的大地上，能在更大的延时后观测到大地瞬变电磁场。时后观测到大地瞬变电磁场。l 从从“烟图效应的观点看，早期瞬变电磁场是烟图效应的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的由近地表的感应电流产生的, 反映浅部电性分布；反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场丰要是内深部的感应电流产生的晚期瞬变电磁场丰要是内深部的感应电流产生的, 反映深部的电性分布。反映深部的电性分布。l因此因此, 观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律、可以探测大地电位的垂向变化规律、可以探测大地电位的垂向变化.

13、3.4 均匀大地上垂直磁偶极子源的瞬变电均匀大地上垂直磁偶极子源的瞬变电磁场及视电阻率定义磁场及视电阻率定义频频率率域域时时间间域域富富立立叶叶变变换换l瞬变电磁场与大地电阻率以及延迟时间的瞬变电磁场与大地电阻率以及延迟时间的关系比较复杂，因此通常研究早期和晚关系比较复杂，因此通常研究早期和晚期两种极限条件下的渐近特性，并据此定期两种极限条件下的渐近特性，并据此定义早期和晚期视电阻率。义早期和晚期视电阻率。晚期视电阻率晚期视电阻率l 从物理意义上看，所谓早期，就是相对于某一固从物理意义上看，所谓早期，就是相对于某一固定观测点来说定观测点来说, 大地中感应电流主要集中在场源大地中感应电流主要集中

14、在场源附近的时刻；附近的时刻；l所谓晚期就是大地中感应电流已扩散到无限远所谓晚期就是大地中感应电流已扩散到无限远处的时刻。处的时刻。l在某一固定的延迟时间，对于离场源不同距离的在某一固定的延迟时间，对于离场源不同距离的观测点而言，往往处于不同的时间阶段。相对于观测点而言，往往处于不同的时间阶段。相对于远离场源的测点，感应电流可能仍主要分布于场远离场源的测点，感应电流可能仍主要分布于场源附近源附近, 该测点还处于早期阶段。而相对于场源该测点还处于早期阶段。而相对于场源附近的另一个测点，此时感应电流已扩散到较远、附近的另一个测点，此时感应电流已扩散到较远、较深的地方较深的地方, 故该测点已处于晚期

15、阶段。故该测点已处于晚期阶段。3.5 野外测量方法野外测量方法l 地面瞬变电磁法工作装置有多种工程勘地面瞬变电磁法工作装置有多种工程勘查中通常采用的有重叠回线相中心回线、查中通常采用的有重叠回线相中心回线、分离回线分离回线, 框框回线等装置。回线等装置。 (一一)工作装置选择工作装置选择l工作装置的选择应根据勘探目的、施工条工作装置的选择应根据勘探目的、施工条件和各种装置的特点等因素综合考虑决定。件和各种装置的特点等因素综合考虑决定。l如果探测目标深度在致百米以内，要求达如果探测目标深度在致百米以内，要求达到较高的分辨率，围岩导电性较好到较高的分辨率，围岩导电性较好( (易产生易产生集流效应集

16、流效应) )时时, ,同点装置是首选对象。同点装置是首选对象。l如果要进行较大深度的探测，或测区崎岖如果要进行较大深度的探测，或测区崎岖或有河谷等其它障碍使得铺设电源回线困或有河谷等其它障碍使得铺设电源回线困难时，则应选择大回线定源装置。难时，则应选择大回线定源装置。 ( (二二) ) 回线边长的选择回线边长的选择l增大发射回线和接收回线边长，将会增强信号强度并延增大发射回线和接收回线边长，将会增强信号强度并延长有效信号的持续时间、从而有利于加大探测深度。长有效信号的持续时间、从而有利于加大探测深度。l但二者的增大使野外工作难度增加，同时使测量结果受影但二者的增大使野外工作难度增加，同时使测量

17、结果受影响的范围扩大，从而降低了横向分辨率。此外，增大接收响的范围扩大，从而降低了横向分辨率。此外，增大接收回线边长时，不仅增大了有效信号强度，也使干扰信号强回线边长时，不仅增大了有效信号强度，也使干扰信号强度增大。度增大。l因此，在保证预定勘探深度的情况下，一般都应选择尽可因此，在保证预定勘探深度的情况下，一般都应选择尽可能小的回线边长。能小的回线边长。l模拟实验结果和野外实例表明：同点装置可以有把握地探模拟实验结果和野外实例表明：同点装置可以有把握地探测到线性尺寸相当于回线边长、埋深为测到线性尺寸相当于回线边长、埋深为2倍回线边长的良倍回线边长的良导体。因此，采用同点装置时，应取回线边长等

18、于或赂大导体。因此，采用同点装置时，应取回线边长等于或赂大于于0.5倍探测深度。采用框倍探测深度。采用框回线装置时，大定源发送回回线装置时，大定源发送回线边长可等于或略大于拟探测深度。线边长可等于或略大于拟探测深度。3.6 瞬变电磁法的资料整理和解释瞬变电磁法的资料整理和解释(一一)资料整理的内容资料整理的内容资料整理包活以下几个方面的内容：资料整理包活以下几个方面的内容：1传输打印野外观测数据；传输打印野外观测数据；2检查验收原始记录数据、野外测点状况编录和检查验收原始记录数据、野外测点状况编录和仪器工作状态的记录；仪器工作状态的记录；3. 对原始记录数据进行整理、编号、汇总装订，并对原始记录数据进行整理、编号、汇总装订，并编写索引和说明；编写索引和说明；4. 根据需要对数据进行滤波处理。根据需要对数据进行滤波处理。5根据需要换算各种导出参数。根据需要换算各种导出参数。瞬变电磁法成果图一般有以下几种：瞬变电磁法成果图一般有以下几种：1. 多道多道VI或或(dBdt)I剖面图；剖面图；2拟断面图；拟断面图；3 曲线类型图；曲线类型图；4某些测道的某些测道的或或VI平面等值线图平面等值线图 二、资料解释二、资料解释lTEMTEM资料解释