电磁探测技术及其应用

这里脚标t表示切向分量，n表示法向分量。
平面谐变电磁波在均匀介质中的传播
为了简单起见，讨论平面波在均匀各向同性 介质中的传播问题。波的前进方向与垂直地 面的Z轴方向一致。波面与X、Y轴所在的地 平面平行。在选定的坐标系中，。设E与X方 向一致，H与Y方向一致。这时的亥姆霍兹齐 次方程为： H
2 y
图8 瞬变场衰减曲线 （双对数）
图9 瞬变场衰减曲线 （单对数）
4.1-3 视电阻率拟断面图 以测点为横轴，时间道号为纵轴，以视电 阻率为记录值,绘制等值线图（图10)。拟断面 图直观的绘出沿测线地电断面电性变化特征。 图11中低阻异常区对应硫铁矿脉。
电磁法探测技术 及其在找矿中应用
电磁感应法的理论基础
电磁感应法是以地壳中岩石和矿石的导电性与导磁性差异为 主要物质基础，根据电磁感应原理观测和研究电磁场空间与 时间分布规律，从而寻找地下良导矿体或解决其它地质问题 的一组分支电法勘探方法，简称电磁法。 电磁法中利用多种频率的谐变电磁场或不同形式的周期性脉 冲电磁场，前者称为频率域电磁法，后者称为时间域电磁法。 从方法机理讲，频率域方法和时间域方法没有本质的不同， 前者研究谐变场特点，后者研究不稳定场特点，两者可借傅 氏变换相联系。 频率域电磁法观测总场，时间域电磁法观测纯二次场。
图3 瞬变电场随时间衰减规律与矿体导电性的关系
TEM特点： TEM最大特点在于它将一次磁场与二次磁场分离，观测纯二 次场，这是瞬变电磁法有别于频率域电磁法的根本之处。 由于采用不接地回线，对施工环境(特别是接地条件和测地 工作)要求较宽松，利于施工，还可进行水上、井中、坑道 作业。 具有穿透低阻覆盖层的能力，探测深度大，分辨力强。 由于通常进行磁场测量，在高阻围岩区不会产生地形起伏的 假异常，低阻围岩区地形所产生的影响也较易识别。 工作方法及参数选择灵活，通过不同参数设置，灵活地追求 勘探深度和分辨能力的变化，特别是讯号的多次叠加，可大 幅度增大信噪比。 工效高。
E 2E E t t 2
2
电磁场的支配方程
对于谐变场： ， 并利用傅氏变换 的性质有谐变电磁场的基本微分方程－亥姆霍兹齐 次方程：
H H 0 e it
E E0 e it
H k H 2 2 E k E
2 2
式中 称为波数（或传播系数）， 在导电介质中忽略位移电流时 k 2 i
2 2
2ab
平面谐变电磁波在均匀介质中的传播
解得的a与b为:
1 2 a ( 1 ( ) 1) 2 1 2 b ( 1 ( ) 1) 2
最后的谐变解为：
H y H y 0 e bz e i ( t a z) b z i ( t a z) E x E x0e e
，t t 0 1 B （ t ） 0 0，t t 0
导电地质体的电磁感应
二次磁场的时间特性
st0 s 1 e f（t） L1{D B0 } L1{ （ － ） } A s s s
f（t） e At u（t t0）e A（t t0）
第一部分 TEM原理与应用
一 TEM简介 瞬变电磁法，简称TEM，它利用不接地 回线（磁性源）或接地导线（电性源）进行 电脉冲激发，在脉冲的间歇期间，利用线圈 或接地电极观测二次涡流场。TEM广泛应用 于金属矿勘探，煤田地质，寻找地下水，地 热及工程勘探等领域。
二
TEM基本原理
当发射回线中的稳定电流突然切断后，电磁场将以两种途径传 播到地下介质中。第一种途径是以光速C的电磁波，从空气直 接传播到地表各点，并将部分能量传入地下，在离场源足够远 的地表面上形成垂直向下传播的不均匀平面波；第二种途径是 电磁能量直接从场源所在地传播到地下。它在地中激发的涡流， 似“烟圈”那样随时间之推移逐步扩散到大地深处。 二次磁场可以通过接收回线观测；并对所观测的数据进行分析 和处理，据此解释地下矿体及相关物理参数。
3.3 野外采集仪器 TEM野外测量中用到的仪器主要有美国 的GDP-16， GDP-32，加拿大的V-6，V-8， PROTEM-67等。
四 TEM资料处理与解释
野外数据采集完成后，为了获得更详细 的信息，需要对数据进行处理与解释。它包 括以下以下方面： 4.1 瞬变电磁资料图示 4.1-1 瞬变电磁场剖面图
电磁场的支配方程
时域麦克斯韦方程及本构方程
D H j t B E t B 0 D q

j E B H D E

电磁场的支配方程
将本构方程代入麦克斯韦方程有：
E H E t H E t H 0 E 0
通常频率f<1000赫及介质电阻率小于105欧姆· 米范 围内，就可忽略位移电流作用。
k [ 2 i ] 1 / 2
电磁场的支配方程
除了电磁场的支配方程以外，在不同介质的 分界面上，即在电性参数出现不连续外，应 满足以下边界条件 ：
E1t E 2 t 及 H 1t H 2t D1n D2n 及 B1n B2n
电磁场的支配方程
将上式中的（1）式两边取旋度并将（2）式 代入则有：
H 2H H t t 2
利用矢量恒等式 式则有：
2
H H 2 H
并考虑（3）
同理有：
H 2H H t t 2
波阻抗及均匀大地电阻率
Ex i Hy k
上式中的单位为伏特／米被安培／米除，即为欧姆，故该比 值被称为“波阻抗”。 将 k i 代入上式有： E x e i / 4
Hy
对上式振幅平方可求得该均介质的电阻率：

1 Ex H y
2
上式表明，当平面波垂直入射均匀各向同性介质时，测量相 互正交的地表电场和磁场水平分量，可得到该介质的电阻率 值。上式构成了频率域电法的基础。
I 2 iMI1

R iL
导电地质体的电磁感应
感应电流在其周围产生二次磁场。空间某点 的二次磁场为：
2L R H 2 MI1G( 2 i 2 ) 2 2 2 2 R L R L
导电地质体的电磁感应
二次场的频率特性
导电地质体的电磁感应
二次磁场的时间特性 将R、L串联闭合回路的二次磁场频率响应函 数可写为 ： D iL R iL 令 s i 及A＝R／L，则上式写成拉普拉斯变 s D 换式： A s 设发射为时间t的单个方波脉冲函数
平面谐变电磁波在均匀介质中的传播
平面电磁波在地中传播
平面谐变电磁波在均匀介质中的传播
不难看出：电磁波波振幅沿Z方向按指数规律 衰减，并沿Z方向前进1/b距离时，振幅衰减 为地表值的1/e倍。习惯上将 1/ b 称为电磁 波的趋肤深度，b为电磁波的衰减系数。从能 量观点看，当交变电磁场在导电介质中传播 时，必在其中产生感应电流，因而造成能量 的热损耗。因此，也可认为这是介质对电磁 能量的吸收，故b亦称为吸收系数。在无磁性 介质中，趋肤深度为：
图5 TEM剖面测量装置
（a）重叠回线装置 （b）中心回线装置（c）偶极装置 （d）大定源装置
测深装置如图6所示。
图6 TEM测深装置
（a）电偶源；（b）磁偶源；（c）线源；（d）中心回线
野外发射回线的大小选择
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。但二者的 增大使野外工作难度增加，同时使测量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。因而， 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。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2倍回线边长 的良导体。因此，采用同点装置时，应取回线边长等于或略 大于0.5倍探测深度。采用框－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。
z
2
k 2H y 0
2 Ex k 2 Ex 0 2 Z
平面谐变电磁波在均匀介质中的传播
考虑到当 Z 时，H和E均应趋于零的极限 条件，得上式的解为：
H y H yo e kz kz E x E x0 e
另外，考虑到传播系数k为复数，令 k=b＋ia 对上式平方并与 k i 式相对应，得下 列联立方程 a 2 b 2 2
503 / f
（米）
波阻抗及均匀大地电阻率
对于谐变场情况：
E iH
由于E只有Z方向的导数值和H仅有Y分量，故 上式变成：
E x iH y z
将
H y H yo e kz E x E x 0 e kz
中的Ex的表达式代入上式有：
中心回线直立薄脉上的 多道V/A曲线
三 野外工作简介 3.1 激发场源 TEM中，激发场源采用具有周期性的脉 冲序列，如矩形、梯形、半正弦波，三角波 等。在实际观测中，为了有效压制干扰，常 采用周期性极性脉冲序列。下图为实际观测用的激励波形
3.2 野外工作方法 按TEM应用领域可将工作装置分为四类 （1）剖面测量装置；（2）测深装置；（3） 井中装置；（4）航空装置。常用的是前两种。 剖面测量装置如图5所示。
导电地质体的电磁感应
将音频（几十到几千赫）交变电流通入发射线圈T中，使其在周围产生足 够强的一次交变磁场，则在地下良导体中形成感应电动势：

d dI M 1 iMI1 dt dt
式中M为发射线圈与地下导体间的互感系数，由发射线圈及良导体的形 状、大小及其间的距离、方位等因素决定。 若把地中导体视为由电阻R和电感L组成的串联闭合回路，在该等效回路 中产生的感应电流为：