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

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电磁法勘探及应用/ 2013-11-7 Copyrights© Jingtian Tang,CSU
1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异
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 f ( ) 2



f (t )e jt dt
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。 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。
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1.4.1 天然电磁场
宽频带 天然 电磁场 非平稳信号 易受干扰
非线性信号
低强度
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1.4.2 电偶极子与接地长导线
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本章内容简介
1.1 电磁场的基本方程与电磁勘探 1.2 岩(矿)石的电磁性质 1.3 地球物理模型
1.4 几种典型的电磁场源
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1.4.1 天然电磁场
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1.4.5 几种典型的电流波形及谱
阶跃波
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1.4.5 几种典型的电流波形及谱
伪随 机波
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时间域 电磁法 测深装置不同 频率域 电磁法
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。
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常用的测深装置: AB-MN(赤道偶极)、AB-s S-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。
正弦 谐波
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1.4.5 几种典型的电流波形及谱
方波
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1.4.5 几种典型的电流波形及谱
三角波
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时间域
1 f (t ) 2

频率域
f ( )e jt d
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1.4.4频率域与时间域电磁Leabharlann Baidu深的等效性及差异
时间域 电磁法 等效性
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。
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1.4.5 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
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1.4.5 几种典型的电流波形及谱
1.4.1 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。
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1.4.1 天然电磁场
电离层的扰 动所产生的 次生电磁波
天然 电磁场
自然过程、 工业器件等 产生的电磁 波
雷电或其他 气象活动
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2n系列伪随机信号频域分析: 对伪随机信号,随着n的增大,信号的带宽呈指数 增长,频谱在2k(k=0,1,2,…,n-2,n-1)次 谐波上有大致相等的极大值。利用帕斯瓦尔定理 分析2n系列伪随机信号基波和谐波的功率分配。 分析结果表明,对于伪随机n频信号,其2k(k=0, 1,2,…,n-2,n-1)次谐波的总平均功率占了 信号总平均功率的大部分。使用伪随机n频信号, 可以控制信号的带宽,只要选择适当的n值,就 能够得到我们所要带宽的信号。这对于频率域电 法勘探有重要意义。
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1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异
时间域 电磁法 观测场不同 频率域 电磁法
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。
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。
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1.4.3 磁偶极子与大回线
EH4用水平磁偶源
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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。
频率域 电磁法
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1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异
时间域 电磁法 剖面装置不同
频率域 电磁法
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。
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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。
1.4.5 几种典型的电流波形及谱
伪随 机波
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1.4.5 几种典型的电流波形及谱
伪随 机波
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1.4.5 几种典型的电流波形及谱
信号微弱 天然 电磁场 缺点 易受干扰 极化方向不确定
克服
电偶极子 人工源 电磁场
磁偶极子
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激发源
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1.4.2 电偶极子与接地长导线
dL O y
h1 h2
x
1 2
H1 H2
z

hn


n H n
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。
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1.4.3 磁偶极子与大回线
电磁法勘探及应用/ 2013-11-7
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1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异
时间域 电磁法 场源形式结构不同 频率域 电磁法
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.
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。
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1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异
时间域 电磁法 以方波为例 技术手段不同
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1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异
时间域 测深装 置
a电偶源、b磁偶源、c线源、d中心回线 电磁法勘探及应用/ 2013-11-7 Copyrights© Jingtian Tang,CSU
1.4.4 频率域与时间域及其异同
时间域 电磁法 探测深度不同 主要噪声源不同 极限深度: z效 =0.5 2 t km 2 主要噪声源来自外界的 天电及人文电磁场干 扰 。
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1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异
时间域 剖面装 置
a同点装置、b偶极装置、c大定回线源装置 电磁法勘探及应用/ 2013-11-7 Copyrights© Jingtian Tang,CSU
1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异
电磁法勘探及应用/ 2013-11-7
频率域 电磁法
趋夫深度: 503 2 f 主要噪声源为装置耦 合噪声。
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1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异
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: (1)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。 (2)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。 (3)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。 (4)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。
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
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本章内容简介
1.1 电磁场的基本方程与电磁勘探 1.2 岩(矿)石的电磁性质 1.3 地球物理模型
1.4 几种典型的电磁场源
电磁法勘探及应用/ 2013-11-7
电磁场是宇宙中存在的最普遍的物质之一。
天然电磁场
电磁场
人工电磁场
被 动 源
天然场源电磁法
人工源电磁法
MT/AMT/HMT
CSAMT/TEM
主 动 源
甚低频法(VLF)是人工电磁场,但是被动源电磁法
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1.4.1 天然电磁场
瞬变电磁用不接地回线圈
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1.4.3 磁偶极子与大回线
航空电磁法用回线圈磁偶源
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1.4.4频率域与时间域电磁测深的等效性及差异
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。
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