常用物探方法的工作原理

常用物探方法的工作原理1、瞬变电磁法：时间域电磁法（Time domain Electromagnetic Methods）或称瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Methods），简写为TEM。

它是利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。

其数学物理基础都是基于导电介质在阶跃变化的激励磁场激发下引起的涡流场的问题。

其工作原理为：通过地面布设的线圈，向地下发射一个脉冲磁场（一次场），在一次场磁力线的作用下，地下介质将产生涡流场。

当脉冲磁场消失后，涡流并没有同步消失，它有一个缓慢的衰减过程，在地表观测涡流衰减过程所产生的二次磁场，即可了解地下介质的电性分布。

该二次场衰减过程是一条负指数衰减曲线，如图1所示。

图1 二次场衰减曲线图一般来说，对于导电性差的地质体，二次场初始值较大，但衰减速度较快；反之，导电性良好的地质体，二次场初始值小，但衰减速度慢（图2)。

瞬变电磁场这一特性构成了TEM区分不同地质体的基本原理。

二次场的衰减曲线早期主要反映浅层信息，晚期主要反映深部信息。

因此，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。

图2 瞬变电场随时间衰减规律与地质体导电性的关系仪器野外工作方法及原理见图3。

主机通过发射线圈向地下发射烟圈状磁脉冲，当磁脉冲遇到不均匀导电介质时形成涡流场，仪器断电后，涡流场衰减过程中形成的二次场以烟圈状辐射，接收线圈接收到返回地面的二次场信号并将其传输给主机进行处理、显示。

图3 仪器工作原理图瞬变电磁法的特点表现为可以采用同点组合进行观测，使与探测目的物耦合最紧，取得的异常响应强，形态简单，分层能力强；在高阻围岩区不会产生地形起伏影响的假异常，在低电阻率围岩区，由于是多道观测，早期道的地形影响也较易分辨；线圈点位、方位或接发距要求相对不严格，测地工作简单，工作效率高；有穿透低电阻率覆盖层的能力，探测深度大；剖面工作与测深工作同时完成，提供了更多有用信息。

瞬变电磁法可用于确定岩溶构造的含水性，了解地下水的活动规律。

常用仪器有MSD-1瞬变电磁仪，GDP —32，V8仪等。

2、 激发极化法：激发极化（induced polarization,缩写IP ）是发生在地质介质中因外电流激发而引起介质内部出现电荷分离，产生一个附加的“过电位”（over voltage ）的一种物理化学现象。

在电法勘探的实践中，通过某一电极排列向地下供电的瞬时，我们可以观测到测量电极间的电位差1U ∆（称为一次场电位差）随着供电时间的增加逐渐增大。

当供电数分钟后，这个电位差趋于某一稳定的饱和值U ∆（称为极化场或总场的电位差）。

当断开供电电路后，在测量电极之间仍然观测到随时间衰减的电位差2U ∆（称为次生极化电位差或二次场电位差）。

这种在电流场作用下产生二次电位差的现象在物探中称为激发极化现象或激发极化效应，所形成的电场成为二次场或激发极化场。

激发极化效应是地下岩、矿石及其中所含的水溶液在外电流场作用下所发生的复杂的电化学过程的结果。

激发极化法（简称激电法）是根据岩、矿石之间激发极化效应的差异，在人工电场的作用下，观测和研究激发极化电场以达到找矿或解决其他地质问题的一种电法勘探。

观测参数为视极化率s η、视电阻率s ρ。

剖面法可用于圈定区域内岩溶构造的大致分布范围、规模、走向、和产状，可结合音频大地电磁法的成果进行对比分析，提高解释成果的可靠性。

电测深装置用于局部精细验证物探异常，确定异常埋深等情况。

双频激电仪及V8仪SIP 法都是属于利用岩（矿）石的激电效应，观测和研究激发极化电场以达到找矿或解决其他地质问题。

在双频激电法中研究岩（矿）石的电性参数主要是幅频率F （IP 振幅随频率的变化率），同时也包括电阻率ρ，其差异是双频激电应用的前提，也是成果解释的物理基础。

双频激电仪在野外主要观测高频电位差H V ∆、低频电位差L V ∆、视幅频率s F 值和视电阻率s ρ。

其中视幅频率s F 值由公式100%L H s HV V F V ∆-∆=⨯∆计算而得，其物理意义：表征激发极化引起的电位差振幅随频率的变化率。

而视电阻率s ρ的物理意义：视电阻率s ρ虽然不是岩石的真电阻率，但却是地下电性不均匀和地形的一种综合反映。

可以利用它的变化规律去发现和了解地下的不均匀性，以达到找矿和解决其他地质问题的目的。

V8仪SIP 法 即功率谱激发极化法，简称谱激电，另外还有一个称呼是复电阻率（CR ）。

他是在传统直流电法的一个记录点上观测多个频率的激发极化效应的激电法。

主要应用于矿产领域，和传统激电的区别是采集从256Hz 到128s 之间的宽频带数据，从而即可以得到普通的频率域单频（相位激电）或双频（频散）信息，还可以使用Cole ‐Cole 模型或Dias 模型求解其各数据记录点的“真”激发极化参数。

V8仪SIP 法野外主要提取采集IP 效应谱参数aemo ρ、ma 、a τ、a C 和电磁效应谱参数（用于去耦校正）1 Hz 观测视电阻率a ρ。

他们具有以下物理意义：1、a ρ——1Hz 观测视电阻率：根据四电极测量装置计算的视电阻率，单位欧姆•米，即常规视电阻率。

反映电极排列勘探体积内的平均电阻率。

2、aemo ρ——去掉IP 效应后的极低频（+0 Hz ）视电阻率：与1 Hz 观测视电阻率a ρ的物理意义类似。

3、ma ——视充电率：IP 效应强度参数，单位百分比（%），与电极排列勘探体积内的可极化物质的体积含量正相关。

4、a τ——视时间常数：IP 效应特征参数，单位秒。

与电极排列勘探体积内的可极化物质的粒度大小、等由结构信息相关。

5、a C ——视频率相关系数：IP 效应过程参数，无量纲。

与电极排列勘探体积内的可极化物质的IP 效应类型以及极化物质混合分布均匀性相关。

3、 音频大地电磁法：天然电场主要是由电子导体的天然电化学作用和地下水离子导体的过滤或扩散作用，以及大地电流和雷雨放电等因素所形成的电磁场。

音频大地电磁法是通过观测由远程天电引起的天然平面电磁波信号以确定地下的电阻率值的方法，其测量的频率范围为l ～10000赫（兹）。

与大地电磁法相比，由于频率较高，对浅部的分辨率较高，更适于资源勘探。

对于AMT （音频大地电磁测深），其频率范围是10000Hz ～1Hz ，因为其高频部分10000Hz ～1000Hz 所在频段的声波人耳能听到，所以称为“音频”。

探测深度一般为2000m 之内。

AMT 其观测成本较小（采集时间短，一般不做五分量），大部分都采用网格式点测。

即观测点排列成一个规则的测网。

用于进行2km 以上的电阻率立体填图。

AMT 可以提供TE/TM 两个模式的电阻率和阻抗相位用于电阻率反演。

同时还可以提供感应矢量，电性主轴方向，二维判别模量等定性信息以判断构造信息。

音频大地电磁法测量的是音频段中大地电磁场产生的电分量。

它的场源为交变电磁场，在距离场源较远的的地方，大地电磁场可视为垂直于地面入射的平面波（图4），其场的特性服从麦克斯韦方程组：0D qB E B t H J D t ∇•=∇•=∇⨯=-∂∂∇⨯=+∂∂ 式中：q 为自由电荷体密度；t 为时间；j 为电流密度；E 为电场强度；H 为磁场强度；B 为磁感应强度；D 为电位移。

不同形式的交变电磁波，可以分解为谐变电磁波，在导电介质中遵循：()0()0bz i t az bz i t az E E e e H H e e ωω-+-+=•⨯=•⨯式中：211112()b ωεμεωρ⎡⎤=⨯+-⎢⎥⎣⎦，b 为介质对电磁波的衰减系数；ε为介电常数；μ为介质的导磁系数，ρ为电阻率。

当电磁波在介质中传播时，其振幅沿Z 轴方向前进1b 距离时，振幅衰减为地表的1e （约为37%）。

习惯上取距离1b δ=称为电磁波的趋肤深度（或称穿透深度）。

在无磁介质中1503.3b f δρ=≈式中δ为穿透深度；ρ为电阻率；f 为电磁波的频率。

由上可知，电场强度E 随吸收系数b 呈负指数规律衰减，即电磁波的穿透深度随介质的电阻率的增加而增大，随电磁波频率的增大而减小。

在同一观测点，地层的电阻率不变，通过选用不同工作频率的方法，达到探测不同深度的目的。

音频大地电磁法可确定测区内含水构造的分布范围、规模和走向。

4、 可控源音频大地电磁法：可控源音频大地电磁法20世纪80年代兴起的一种测量卡尼亚电阻和相位的电磁测深技术。

基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组，导出电场x E 、磁场y H 与卡尼亚电阻率s ρ的关系式：2215x s y E f H ρ=式中f 代表频率。

根据电磁波的趋肤效应理论，导出趋肤深度公式：H ≈地下水及进行大型工程地质探测等方面，取得了很多成功的实例。

该法最早是由加拿大多伦多大学的D. W.Strangway 教授和他的学生Myaron Goldtein 于1971年提出。

针对大地电磁测深法场源的随机性和信号微弱，以致观测十分困难这一状况，他们提出了一种改变方案——采用可以控制的人工场源。

从而在理论和实践两方面奠定了CSAMT 法的基础。

20世纪80年代以来，方法理论和仪器都得到了很大发展，应用领域也扩展到了地质普查，勘探石油、天然气、地热、金属矿床，水文，环境等方面，从而成为受人重视的一种地球物理方法。

目前在我国已将本方法作为危机矿山深部资源勘探的重要手段，在许多矿山取得了很好的效果。

CSAMT 法主要有如下特点：①工作效率高。

用一个发射偶极子供电，可在它周围的四个很大的扇形区域内测量。

在进行测量时，只需移动接收机，便可进行面积性测深工作，从而得到地下电性的立体分布情况。

②勘探深度范围大。

CSAMT 法有效勘探深度的影响因素包括地电构造、噪声水平、发送机功率、接收机灵敏度、精度和抗干扰能力等。

从理论上来说，其探测深度范围为几十米至2-3公里。

③ 垂向分辨能力好。

CSAMT 法垂向分辨能力与多种因素有关。

如果把可探测对象的厚度与其埋深之比定义为垂直向分辨率，那么，粗略地讲，它大约为20%至10%。

④水平方向分辨率高。

一般的人工场源电法的水平分辨率除受地电条件制约外，还受收距及接收电偶极子大小的影响。

CSAMT 法的水平分辨力与发收距无关，约等于接收电偶极子距离。

⑤地形影响小。

由于卡尼亚电阻率相当于对观测值进行了归一化，同步的地形影响大大减弱；由于是平面波场，测区内地形影响也较小。

⑥高阻电屏蔽作用小。

CSAMT 法使用的是交变电磁场。

因而可以穿过高阻层，特别是高阻薄层。

有些用直流电法无法探测到的高阻薄层下的地质体，用CSAMT 法能很好解决这一问题。

与直流电法相比，以上这些特色均属明显优点，因而CSAMT 法不但可以取得良好地质效果，且应用前景也是广阔的。