中南大学汤井田老师电磁法勘探-1-3电磁法的数学物理基础

Copyrights©JingtianTang,CSU电磁法勘探及应用

——电磁法的数学物理基础（Ⅲ）

中南大学地球科学与信息物理学院2012年4月2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU本章内容简介1.2岩（矿）石的电磁性质1.1电磁场的基本方程与电磁勘探1.4几种典型的电磁场源1.3地球物理模型2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU本章内容简介1.2岩（矿）石的电磁性质1.1电磁场的基本方程与电磁勘探1.4几种典型的电磁场源1.3地球物理模型2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.1天然电磁场电磁场是宇宙中存在的最普遍的物质之一。电磁场人工电磁场天然电磁场天然场源电磁法MT/AMT/HMT人工源电磁法CSAMT/TEM甚低频法（VLF）是人工电磁场，但是被动源电磁法被动源主动源被动源主动源2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.1天然电磁场

不言而喻,地表以上一切可发生电磁波的事物均可以是天然电磁场的源。比如电离层的扰动、雷电、无线电通讯以及其他工业器件引起的发射等等。

对于勘探来说,需要的是能深入地下,并且反射而回可予测量的电磁波。其频率,应大致在100KHz以下。频率再高,对一般岩层,是难于穿入较深的。

在地表以上的空间,存在着各式各样的电磁波。对这一切电磁波的综合整体,我们将其命名为天然电磁场。借助于对这种场的观测,以确定地下不同岩层的电导率及其厚度,形成一种全新的勘探方法,我们将其命名为天然电磁场测深。2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.1天然电磁场天然电磁场电离层的扰动所产生的次生电磁波自然过程、工业器件等产生的电磁波雷电或其他气象活动2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.1天然电磁场

如上所述,天然场的源由地表的自然过程、工业器件以及电离层的扰动的发射构成。这一切源的发射在时间和空间上都是不稳定的,都是随机的。既然天然场的源在空间分布和发射时间上都是随机的,则天然电磁场包含的各电磁波无论其频率、振幅、相位、偏振及传播方向就都是随机的。太阳及其他星体射向电离层的辐射轰击电离层引起的扰动所产生的次生电磁波,是天然电磁场最主要的来源。这种电离层的扰动源源不绝,其次生的电磁波也就绵延不断,包罗一切可能的形态。它们将包括一切的频率而形成连续谱。2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.1天然电磁场天然电磁场宽频带低强度易受干扰非平稳信号非线性信号2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.2电偶极子与接地长导线天然电磁场缺点信号微弱易受干扰极化方向不确定人工源电磁场克服电偶极子磁偶极子激发源2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.2电偶极子与接地长导线

一短接地导线，若其长度远小于与观测点的距离，可视为电偶极源。然而，在大多数勘查地球物理应用情况下，观测点常常比较靠近发射源导线，这时我们需把发射源看作多个偶极的叠加。2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.3磁偶极子与大回线敷设在地面上的大回线是应用得最广泛的电磁激发源之一，测量可以在回线内或回线外进行。激发回线的形状多为方形或矩形。2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.3磁偶极子与大回线EH4用水平磁偶源瞬变电磁用不接地回线圈2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.3磁偶极子与大回线航空电磁法用回线圈磁偶源2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU

把一个信号表示为振幅随时间变化的函数称为信号在时间域的表达形式；把信号表示为振幅和相位随频率变化的函数，称为信号在频率域的表示形式，它包括振幅谱和相位谱。

信号在频率域和在时间域的表示是等价的。这种关系可以用傅氏变换表示出来，时间域信号变换为频率域信号，叫做傅氏正变换，即如果已知信号的时间函数，就可以通过正变换求取信号的频率函数，反之把在频率域信号变换为时间域信号，叫傅氏反变换。1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU时间域频率域

在线性时不变系统中，频率域方法与时间域方法是等效的，二者之间可以通过拉普拉斯变换相互严格地转换。1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异时间域电磁法频率域电磁法频率域电磁法是测量波阻抗来提取地下介质电阻率的信息；时间域电磁法是测量电磁波经历的时间（从而得到传播速度）来评价地下介质的电性。物理原理一致，都研究基于电磁感应定律的涡旋电磁场。时间域早、晚期对应频率域远、近区，具有等效性。但其他方面两者有一些差异。等效性2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU时间域电磁法频率域电磁法观测场为地下电流、供电导线中电流综合产生的交变一次场和供电导线中电流感应产生的二次场叠加的总场。观测场为在通电或断电情况下产生的强大变化磁场的作用下，产生的涡旋交变电磁场，即二次场。观测场不同1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU时间域电磁法频率域电磁法场源形式结构不同场源形式常为谐变场（除天然场外），指场量均按余弦或正弦规律变化。谐变场的结构是由一种频率的涡旋电流磁场相互作用所决定的。场源形式常为瞬变场，具有瞬时变化的特点。瞬变场的结构是从过程一开始就由多种频率的涡旋电流磁场的相互作用所决定.1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU时间域电磁法频率域电磁法技术手段不同以方波为例频率域测量的是场频率特性，时间域则测量的是场时间特性，因所用技术不同从而导致二者之间存在差别。1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU时间域电磁法频率域电磁法常用的剖面装置：不接地回线法、电磁偶极剖面法。不接地回线法：地面铺设一矩形回线做为发射源，回线内外设测线测量磁场。常用的剖面装置：根据收、发排列的不同，分为同点、偶极、大回线源（见后图a、b、c）。同点装置是频率域无法实现的装置，耦合性好，常用来勘查金属矿产。剖面装置不同1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSUa同点装置、b偶极装置、c大定回线源装置时间域剖面装置1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU时间域电磁法频率域电磁法常用的测深装置：AB-MN(赤道偶极)、AB-sS-MN、S-s。（S：发射线圈；s:接收线圈）接地条件差常用：磁偶极源发射。常用的测深装置：电偶源、磁偶源、线源、中心回线。中心回线常用于探测1km内浅层测深工作，其他几种主要应用于深部构造探测。测深装置不同1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSUa电偶源、b磁偶源、c线源、d中心回线时间域测深装置1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.4频率域与时间域及其异同时间域电磁法频率域电磁法探测深度不同极限深度：主要噪声源来自外界的天电及人文电磁场干扰。趋夫深度：主要噪声源为装置耦合噪声。主要噪声源不同2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU总的来说，时间域电磁法只观测二次场，其相对频率率电磁测深有以下优点：时间域电磁法具有较低的检测二次场极限值，可采用提高功率～灵敏度的方法增大信噪比，以提高探测深度。可使用同点装置工作，与探测对象有最佳的耦合，具有较高的探测能力，并且受旁侧地质体的影响也是最小。在高阻围岩条件下，不存在地形起伏引起的假异常；低阻围岩起伏地形所引起的异常也比较容易识别。对于线框敷设的点位、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。1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.5几种典型的电流波形及谱谐波方波三角波阶跃波伪随机波其他2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.5几种典型的电流波形及谱正弦谐波2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.5几种典型的电流波形及谱方波2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.5几种典型的电流波形及谱三角波2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.5几种典型的电流波形及谱阶跃波2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.5几种典型的电流波形及谱伪随机波2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.5几种典型的电流波形及谱伪随机波2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.5几种典型的电流波形及谱伪随机波2023/2/6Copyrights©JingtianTang,CSU1.4.5几种典型的电流波形及谱伪随机波信号特点2n系列伪随机信号频域分析：对伪随机信