电磁法简介_专业课作业

电磁法电磁法是以地壳中岩、矿石的导电性、导磁性和介电性差异为基础，通过观测和研究人工的或天然的交变电磁场的分布来寻找矿产资源或解决其它地质问题的一类电法勘探方法。

电磁法所依据的是电磁感应现象。

以低频电磁法(f<10－4Ｈｚ)为例，如图1供入发射线圈时，就在该线圈周围建立了频率和所示，当发射机以交变电流I1相位都相同的交变磁场H1，H1称为一次场。

若这个交变磁场穿过地下良导电体，则由于电磁感应，可使导体内产生二次感应电流I2(这是一种涡旋电流)。

这个电流又在周围空间建立了交变磁场H2，H2称为二次场或异常场。

利用接收线圈接收二次场或总场(一次场与二次场的合成)，在接收机上记录或读出相应的场强或相位值，并分析它们的分布规律，就可以达到寻找有用矿产或解决其它地质问题之目的。

图1 电磁法原理示意图电磁法的种类较多，按场源的形式可分为人工场源（又称主动场源）和天然场源（又称被动场源）两大类。

按发射场性质不同，又分为连续谱变（频率域）电磁法和阶跃瞬变（时间域）电磁法两类。

按工作环境，又可以将电磁法分为地面、航空和井中电磁法三类。

与传导类电法相比，电磁法具有如下特点：(1)它的发射和接收装置都可以不采用接地电极，而是以感应方式建立和观测电磁场，因此航空电法才成为可能；(2)采用多种频率测量，可以扩大方法的应用范围；(3)观测电磁场的多种量值，如振幅(实分量、虚分量)、相位等，可以提高地质效果。

一、频率域和时间域电磁场基本特征1.频率域电磁场的基本特征在频率域电磁场中常用的电磁场是谐变场，其中场强、电流密度以及其他量均按余弦或正弦规律变化，如：借助于交流电的发射装置，如振荡器、发电机等，在地中及空气中建立谐变场。

激发方式一般有接地式的和感应式两种。

第一种方式与直流电法一样利用 A、B 供电电极，将交流电直接供入大地。

由于供电导线和大地不仅具有电阻而且还有电感。

所以由A、B电极直接传入地中的一次电流场在相位上与电源相位发生位移。

地中的分散电流及供电导线中的集中电流均在其周围产生交变一次磁场。

后者在地中又感应产生二次电场，它是封闭的涡旋电场。

交变电磁场的第二种激发方式是在地表敷设通有交变电流的不接地回线或者多匝的小型发射线圈——磁偶极子。

在回线或线圈周围产生交变一次磁场，由它激发地中的二次电磁场。

感应激发方式多半用于接地条件较差的地区，这时可彻底摆脱接地的困难。

2.时间域电磁场的基本特征时间域电磁法中的瞬变场，是指那些在阶跃变化电流作用下，地中产生的过渡过程的感应电磁场。

因为这一过渡过程的场具有瞬时变化的特点，故取名为瞬变场。

与谐变场一样，其激发方式也有接地式和感应式两种。

在阶跃电流（通电或断电）的强大变化磁场作用下，良导介质内产生涡旋的交变电磁场，其结构和频谱在时间和空间上均连续地发生变化。

瞬变电磁场状态的基本参数是时间。

这一时间依赖于岩石的导电性和收-发距。

在近区的高阻岩石中，瞬变场的建立和消失很快（几十到几百毫秒）；而在良导地层中，这一过程变得缓慢。

在远区这一过程可持续到几秒到几十秒，而在较厚的导电地质体中可延续到一分钟或更长。

由此可见，研究瞬变电磁场随时间的变化规律，可探测具有不同导电性的地层分布（各层的纵向电导或地层总的纵向电导）。

也可以发现地下赋存的较大的良导矿体。

二、频率电磁剖面法1.不接地回线法利用不接地回线建立一次场的低频电磁法称为不接地回线法。

将电缆铺成矩形回线，长边为1～2km，平行于导体走向布置；短边为0.5～1km，垂直于导体走向布置，如图2所示。

测线垂直于长边，一般布置在回线范围内，有时也扩展到回线之外。

工作中电缆始终不动，通以交变电流，并用接收线圈和仪器在测点上进行观测，所观测到的一次场和二次场如图3所示。

图2 不接地回线法工作布置图图3 不接地回线法原理示意图2.电磁偶极剖面法电磁偶极剖面法是用发射机将交变电流通入直径由小于1m至大于1m的多匝空芯线圈或磁芯线圈中，以产生一次场，然后在距离发射线圈(T)较远处用接收线圈(R)和接收机观测二次场或总场。

由于接收线圈与发射线圈间的距离远大于发射线圈的直径，因此一次场的分布形态与一个放置于发射线圈中心且偶极矩方向垂直于线圈面的交流磁偶极子等效。

电磁偶极剖面法有两种装置形式：动源式装置和半定源式装置。

发射线圈与接受线圈之间距离保持不变，两者同时移动，逐点观测，称为动源式装置。

将发射线圈位置固定，接收线圈在相邻测线上移动观测，称为半定源装置。

工作中，测线应基本上垂直于导体走向，测网视工作比例尺而定，考虑到偶极场的特点，点距一般较小。

工作频率由装置类型和导体的导电性决定。

用旁线装置进行面积测量时，若是寻找良导电体，则用较低的两个频率，否则用较高的两个频率。

装置类型及收发距要根据任务，结合地质及地球物理条件，并通过必要的野外试验确定。

三、瞬变电磁法1.瞬变电磁剖面法剖面测量装置如图4所示。

根据发收排列的不同，它又分为同点、偶极和大回线源三种。

同点装置中的重叠回线是发送回线（Tx）与接收回线（Rx）相重合敷设的装置；由于TEM法的供电和测量在时间上是相分开的，因此Tx与Rx可以共用一个回线，称之为共圈回线。

同点装置是频率域方法无法实现的装置，它与地质探测对象有最佳的耦合，是勘查金属矿产常用的装置。

偶极装置与频率域水平线圈法相类似，Tx与Rx要求保持固定的发、收距r，沿测线逐点移动观测值。

大回线装置的Tx采用边长达数百米的矩形回线，Rx采用小型线圈（探头）沿垂直于Tx边长的侧线逐点观测磁场三个分量的值dB/dt。

图4 TEM剖面测量装置图5 TEM测深工作装置2．瞬变电磁测深法在瞬变电磁法中常用的测深装置如图5所示，有电偶源，磁偶源、线源和中心回线等四种。

中心回线装置是使用小型多匝线圈（或探头）放置于边长为Ｌ的发送回线中心观测的装置，常用于探测1kｍ以内浅层的测深工作。

其他几种则主要用于深部构造的探测。

四、大地电磁测深法20世纪50年代初，苏联学者吉洪诺夫和法国学者卡尼亚的经典著作奠定了大地电磁测深法（MT）的基础。

它是利用大地中频率范围很宽（10-4~104Hz）广泛分布的天然变化的电磁场，进行深部地质构造研究的一种频率域电磁测深法。

由于该法不需要人工建立场源，装备轻便、成本低，且具有比人工源频率测深法更大的勘探深度，所以除主要用于研究地壳和上地幔地质构造外，也常被用来进行油气勘查、地热勘查以及地震预报等研究工作。

目前我国使用的大地电磁仪主要是从加拿大Phoenix公司、美国EMI公司和德国Metronix公司进口,下面以加拿大凤凰公司具有实时处理的V-5的大地电磁仪为例,简要介绍它的一些基本特点。

V-5仪器操作自动化程度高，全频段有40个频点，最高频率为320Hz，最低频率为0.00055Hz，可同时观测Ex、Ey、Hx、Hy和Hz等五个分量。

在野外现场可获得视电阻率、相位及其误差值。

测量电场分量Ex和Ey的不极化电极是氯化铅、石膏、食盐和水按一定比例特制而成，其极差不大于2mV，而且能长期保持稳定。

测量磁场水平分量Hx、Hy 的磁探头的灵敏度不低于100μV/nT，测量磁场垂直分量的空心线圈的灵敏度不低于191 V/nT。

这五个分量分别送往传感处理器（SP），经放大滤波后，由V-5进行模数转换，实时处理，并记录功率谱文件。

大地电磁成果的地质解释与推断是大地电磁资料解释的重要组成部分，地质解释应该仅仅围绕所提出的地质任务来进行，大地电磁测深所能解决的问题可以概括如下：(1)研究地壳和上地幔的电性结构，特别是壳内高导层和幔内高导层。

(2)研究区域构造，这主要指研究基底起伏、埋深和断层分布。

(3)电性层的划分及其地质解释。

岩石的电阻率的大小主要取决于组成岩石的矿物成分、结构及其含水量的多少，而与地质年代之间没有直接的关系。

然而，对沉积岩来说，同一地质年代，又因沉积环境、矿物成分及其结构相似，岩石的电阻率又相差不多，而不同地质年代的岩石，由于上述条件的不同，电阻率往往有一定的差异，所以，由岩石电阻率的大小来推断其地质年代是有根据的。

(4)局部构造的研究。

(5)其他地质问题的研究，如推覆体、裂谷、深大断裂等五、可控源音频大地电磁法可控源音频大地电磁法（CSAMT）是在大地电磁法（MT）和音频大地电磁法（AMT）的基础上发展起来的一种人工源频率域测深方法。

20世纪50年代，在吉洪诺夫和卡尼亚经典著作的基础上，发展形成了基于观测超低频天然大地电场和磁场正交分量，计算视电阻率的大地电磁法。

我们知道，大地电磁场的场源，主要是与太阳辐射有关的大气高空电离层中带电离子的运动有关。

其频率范围从n×10-4~n×104Hz。

由于频率很低，MT法的探测深度很大，达数十公里乃至一百多公里，是研究深部构造的经济和有效手段。

近年来，它也被用于研究油气构造和地热探测。

不过，由于其频率偏低，对浅层的分辨能力较差，而且生产效率较低。

为了更好地研究人类当前采矿活动深度范围内（几十米至几千米）的地电构造，在MT法的基础上，形成了音频大地电磁法（AMT）。

其工作方法、观测参数和MT法相同。

不过，它观测主要由雷电作用产生的音频（n×10-1~n×103Hz）大地电磁场。

因为它的工作频率较高，故其探测深度对资源勘查比较合适，而且生产效率也比MT法高。

但另一方面，在音频段内，天然大地电磁场的强度较弱，同时，人文干扰强度较大。

很低的信噪比使AMT法的野外观测十分困难，为了取得符合质量要求的观测数据，需要采用多次叠加技术，一个测深点的观测往往要用四五个小时，甚至更长的时间。

为了克服AMT法的上述困难，人们提出观测人工供电产生的音频电磁场。

由于所观测电磁场的频率、场强和方向可由人工控制，而其观测方式又与AMT法相同，故称这种方法为可控源音频大地电磁法（CSAMT）。

由于CSAMT法的探测深度适中，故它在地质勘探的各个领域皆有广阔的应用前景。

在寻找深部隐伏金属矿，油气构造勘查，推覆体或火山岩下找煤，地热资源勘查和水文-工程地质勘查等方面，都取得了良好的地质效果。