瞬变电磁法及大地电磁法

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图 7 瞬变电磁法野外观测装置
1.重叠回线装置:发射线圈 Tx 和接收线圈 Rx 相互重叠或共用,在观测过程中同步移动,
优点是简便,缺点是互感大,关断时间长,盲区大,勘探深度浅。
2.中心回线装置:接收线圈 Rx 位于发射线圈 Tx 中心,两者同时移动。优点是接收的瞬变
场强大,瞬变曲线简单,缺点是勘探深度浅,因为发射线圈 Tx 要随时移动,所以尺寸不能
定目标体在浅层的分布,然后再用大尺寸发射线圈向深部追踪。
五、瞬变场的反演
1. 在均匀半空间、垂直磁偶场源条件下,瞬变电磁场的表达式为:
瞬变电场切向分量
瞬变磁场垂直分量
3������������ ������������(������) = 2������������4 ������������
(3)
瞬变场感应电动势
������������(������)
=
������0������ 4������������3
������������
(4)
������������(������)
=
9������������������ 2������������5
������̇������
(5)
式中 M 为发射线圈的磁距, ������ = ������ ∗ ������,I 是发射电流,S 为发射线圈面积;������为发射线圈中
由于金属矿体通常倾角比较陡,因此用大定源发射装置探测时,发射线圈不能直接位于 矿体之上,最好位于矿体外侧,测线要从发射线圈内部延伸至发射线圈外部。此外,我们从 图 4,图 5 和图 6 的瞬变响应曲线可见,X 分量的最大值出现在矿体的边缘上。
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ρ是测点下方至勘探深度 H 的电阻率值(Ohm-m);在新生界覆盖的平原区������≈10-20 Ohm-m,
在基岩出露的山区ρ =100-1000 Ohm-m;RmN 是瞬变电磁仪可分辨的最小信号电平,它与接
收机的输入噪声和测点附近的电磁背景噪声之和有关,对于 PROTEM 数字接收机而言可认为
心到观测点的距离;������为均匀大地电阻率;������为接收线圈有效面积。
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������������,������������,������̇������ 和 Φ(������)是 ������ 的函数,其表达式为:
������(������) = ������������ 显著降低,盲区明显加大。
������������������������������
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现将 PROTEM 瞬变电磁仪的近似勘探深度 H 列表如下:
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图6
三、瞬变电磁法勘探深度
瞬变电磁法勘探深度 H 的近似表达式为:
������������ 1/5 ������ = 0.5 [������������������]
(2)
式中 M 是发射线圈磁距,������ = ������ ∗ ������,I 是发射电流值(A),S 是发射线圈有效面积(m2);
可见,一次场(激发场)和二次场(也叫涡流场或瞬变场)都是在关断过程中产生的。
关断完成后,一次场消失,二次场开始衰减,瞬变电磁法就是观测并记录二次场的大小和衰
减过程,进而反演地下电性结构和电性异常体的分布,并对它们进行地质解释,达到找矿、
找谁等目的。
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一次场向扩散过程中,当遇到导电介质时(例如矿体、矿化带,水体、含水层,高导蚀
变带等等),便在其中产生随时间变化的二次磁场或涡流,即瞬变场图 1e。瞬变场的大小及
衰减过程除与激发场,即一次磁场大小有关外,主要与导电介质的电导率值、大小以及埋深
等电性参数有关,还与一次磁场与导电介质的耦合程度有关,如图 1f。
RmN=2×10-6V,即 2������������。
从上式可见勘探深度 H 与[������������]1/5成正比,与[������������������]1/5成反比,也即当 M 或������增加 2 倍
时,勘探深度 H 增加 15%;当 M 或������增加 4 倍时,H 增加 32%;同样,当 RmN 降低 2 倍时,
最大发射电流
发射线圈尺寸
8 匝 30mX30m
15A
S=7200m2
单匝 100m×100m
15A
S=10000m2
单匝 500m×500m
15A
S=250000m2
单匝 1000m×1000m
15A
S=1000000m2
测点下方至勘探深度 H 的电阻率值
20 Ohm-m
100 Ohm-m 1000 Ohm-m
������������(������) ������(������) = −������������ ������������������������������
可见感应电动势,即一次磁场的大小与发射线圈面积(NS),发射电流 I 大小及其在关
断时间内的变化率有关(公式 1)。但发射电流 I 的实际关断过程如图 所示:在开始关断
匝,则发射线圈面积 S=(2m×2m)×64=256m2,若发射电流 I=10A,则发射磁距 M=256m2
×10A=2560Am2,若地下电阻率������=100 Ohm-m,则勘探深度:
1
1
������
=
0.5
[ ������������ ]5
������������������
=
0.5 [2526×01×01−060]5
射磁距越大,勘探深度也越大。接收线圈 Rx 位于发射线圈之内和之外。目前国内一般都在
发射线圈 Tx 内部做观测,这不仅降低工作效率,在某些情况下也是不合适的。观测点一般
要离开发射线圈边框 20m-40m,以避免发射回路振荡过程所产生的一次场影响。
小尺寸发射线圈分辨率高于大尺寸发射线圈。为提高勘探效果可先用小尺寸发射线圈圈
图 4 中上图表示矿体顶边界位于测线中心 600E 处,即直接位于发射线圈中心的下方, 图 4 下图是其瞬变响应,图中左侧数字 0.1 和 .05 是瞬变强度标尺(nv/m2),右侧 X 和 Z 是瞬变的水平分量和垂直分量,数值 11,15 和 16,20 表示观测门数,图上方的数字 OE, 1200E,2000E 是剖面位置。
勘探深度 H 增加 15%,RmN 降低 4 倍时,H 增加 32%。可见勘探深度 H 与 M 或������或 RmN 的
依赖关系是较弱的,但为了增加勘探深度也只能加大发射线圈的有效面积 S 或发射电流 I,
即加大发射线圈磁矩。然而,当发射电流 I 过大时,关断时间 toff 显著加大,于是一次场强
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从图 4 中下图可见矿体顶边界直接位于发射线圈中心的下方时,最大的瞬变响应仅仅 0.1nv/m2,是非常小的,原因是矿体倾角大(75°),在发射线圈中心位置下方,一次场呈垂 直分布,与矿体走向近于平行,因此耦合程度很弱。
当发射机关断时,发射线圈中的电流 I 从峰值急速下降,但由于发射回路中的自感,要 彻底关断电流 I 需要一段时间,即关断时间 toff。在此关断时间内发射线圈中的电流值 I 急 剧下降,于是在发射线圈周围产生感应电动势������(������),即随时间变化的一次磁场,它就像烟圈 一样向地下扩散。如图 1b 和 1c。

110������
若������=1000 Ohm-m,则勘探深度 H=175m。
如果发射线圈边长 30m×30m,8 匝,发射电流 20A,地下电阻率 1000 Ohm-m,则勘
探深度 H=390m。
在煤矿井下瞬变电磁法探测储水构造时,均采用这种观测装置。
4.大定源回线装置:该装置的发射线圈 Tx 边长可大到 1000m-1200m,单匝,边长越大发
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图2
图3
现对一矿体模型与一次场的耦合关系做一定量模型研究:采用大定源观测装置,发射线 圈边长 1200mX1200m(OE-1200E),发射电流 10A。矿体模型是: 走向长度 600m 宽 400m 高 400m 矿体到地表深 600m, 倾角 75°,向西倾
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1.瞬变电磁场形成
瞬变电磁场的发射系统由发射机和发射线圈组成。发射线圈是一闭合回路,发射机产生 矩形脉冲。当发射机向发射线圈输入矩形脉冲电流 I 时,根据电磁感应定律脉冲的上升沿在 发射线圈周围产生感应电动势,但由于脉冲上升速度较缓,所以产生的感应电动势很小。当 上升脉冲电流 I 达到峰值后,开始稳定,此时在发射线圈周围产生稳定磁场,图 1a。
图 4 中的最大瞬变响应=0.1nv/m2,它是接收线圈的单位面积(m2)所产生的瞬变场强 度。
图4
图 5 中上图表示矿体右边界位于测线 1200E 处,即直接位于发射线圈单边的正下方,此 处是一次场最强的地方,也是一次场方向从发射线圈中心处的垂直分布向外侧逐渐变缓的地 方,所以耦合程度略好。此处的最大瞬变响应为 0.3nv/m2(图 5 下图),比图 4 中的最大瞬 变响应大 3 倍。

������������(������) ������������������������������
值很大,然后变缓,最后 I=0,
toff 为关断时间。但由于发射回路中的自我震荡过
程,发射电流 I 在关断时间 toff 之后仍需一段极短时间才能最终归零。为了避免振荡过程所
产生的一次场对瞬变场观测的影响,测点要离开发射线圈边框一定距离。
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大,因而发射线圈磁距 M 也大不了。
3.偶极发射装置:接收线圈位于发射线圈之外约 10m 左右,以避免发射回路振荡过程所
产生的一次场影响。发射线圈和接收线圈同时移动,优缺点与中心回线类似。
如果发射线圈 Tx 做成多匝,可提高勘探深度。例如如果发射线圈尺寸为 2m×2m,64
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I t(ms)
a




toff
一次场
������������(������) ������(������) = −������������ ������������������������������
t(ms)
b
c
烟圈
二次场
I
振荡
涡流
toff
e
d(电流 I 实际衰减过程)
图 1 瞬变场形成过程及观测
t(ms) f
2.地下导体与初始磁场的耦合
在发射电流关断过程中产生初始变化磁场,即一次场。一次场在地下介质中产生感应电 流,即涡流,也是我们要观测的瞬变场。瞬变场的大小与一次场和地下导电介质的耦合程度 有关。在水平层状介质情况下,如果一次场与地下导电介质垂直,则耦合程度最好,产生的 感应电流最强(图 2)。在倾角较陡,有一定走向长度的导电介质情况下(矿体经常是这种 情况),如果发射线圈直接位于矿体之上,则一次场与矿体走向平行,耦合程度最弱,产生 的感应电流、即瞬变场最弱。若矿体位于发射线之外,则一次场近于与矿体走向垂直,耦合 程度较佳,产生的瞬变电磁场变强(图 3)。
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图5
图 6 中上图表示矿体右边界位于测线 1800E 处,即位于发射线圈之外 600m 远,此处最 大的瞬变电磁响应为 0.26nv/m2,略小于图 5 中的情况。这是因为在发射线圈之外的一次场 强度比图 5 中的弱,但一次场变得更平缓了,因此一次场与矿体的耦合关系变强。
H=170m
H=230m
H=360m
H=180m
H=250m
H=390m
H=340m
H=470m
H=750m
H=450m
H=620m
H=990m
四、观测装置
瞬变电磁法的观测装置是指发射线圈与接收线圈的分布关系。发射线圈用 Tx 表示,a 和 b 代表发射线圈两个边长,接收线圈用 Rx 表示。 瞬变电磁法一般有四种观测装置,图 7:
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