瞬变电磁原理分解
瞬变电磁详细原理
I 0
AR b
3 2
2
20
5 / 2 5 / 2
t
2007 吉林大学
晚延时的衰减曲线
重叠回线与中心回线曲线对比
中心回线
非磁性均匀半空间电动势响应
0 t /( 0 a )
2
0
3
近区或晚期条件
0.01 τ 0 3 中区或晚期条件
重叠回线
0 0 . 01
2007 吉林大学
TEM探测流程
激发源 发射机 信号检测 （接收机）
探测对象
理论模型 正演计算
反演解释
数据处理
2007 吉林大学
TEM信号向地下扩散示意图
早 期 信 号 反 映 浅 部 结 构
晚 期 信 号 反 映 深 部 结 构
2005 吉林大学
瞬变电磁法 (TEM) 的实际过程示意图
2007 吉林大学
2 2 2 2 1/ 2
H 1 (t ,0 ,0 ) f ( z / a )
磁场随时间的变化率可写为：
H 1 (t , z ,0 ) t 2 (1 z / a )( 2 z / a )
2 2 2 2 1/ 2
H 1 (t ,0 ,0 ) t
H 1 (t ,0 ,0 ) t
a
一次磁场垂直分量随时间的变化率可写为：
H 1 (t ,0 ,0 ) t 2 i (t ) 0 . 45 i ( t ) a t
a
t
2.回线轴上的一次场垂直分量为：
H 1 (t , z ,0 ) H 1 (t ,0 ,0 ) 2 (1 z / a )( 2 z / a )
瞬变电磁原理
瞬变电磁响应过程（1）
在导电率为s、磁导率为μ的均匀地质体表面敷设面积为S 的矩形发射回线中供以阶跃电流。
1 t 0 I t 0 t 0
在电流断开之前（t<0时），发射电流在回线周围 的地质体和空间中建立起一个稳定的磁场。
均匀大地瞬变电磁响应过程（2）
在t=0时刻，将电流突然关断，由该电流 产生的磁场也立即消失。一次场的剧烈变化 通过空气传至回线周围的地质体中，并在地 质体中激发出感应电流以维持发射电流断开 之前存在的磁场不会立即消失。
瞬变电磁法的“烟圈”理论 （2）
在发送一次脉冲磁场的间歇期间，观测由地质体受激 励引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场的强度。 地质体介质被激励所感应的二次涡流场的强弱决定于 地质体介质所耦合的一次脉冲磁场磁力线的多少，即二次场 的大小与地下介质的电性有关： （1）低阻地质体感应二次场衰减速度缓慢，二次场 电压较大； （2）高阻地质体感应二次场衰减速度较快，二次场 电压较小。 根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断被测地质体 的电性、性质、规模和产状等，由于瞬变电磁仪接收的信号 是二次涡流场的电动势（即二次电位），因此，瞬变电磁作 为一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法，是根据 地质构造本身存在的物性差异来间接判断相关地质现象的一 种有效的地质勘探手段。
0t
V d t 2
矿井瞬变电磁法特点（1）
• 从烟圈效应的观点看，早期瞬变电磁场是由近地 表的感应电流产生的，反应浅部电性分布，晚期 瞬变电磁场是由深部的感应电磁场产生的，反映 深部的电性分布。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，这便是瞬变电磁测深的原理。 • 矿井瞬变电磁法由于受仪器煤安条件限制、施工 环境限制、测量线圈大小限制等诸多因素，其勘 探深度不如地面深，一般深度小于100 m左右， • 井下为全空间瞬变响应，这种瞬变响应来自于回 线平面上下(或前后)地层，井下的支护、轨道等 铁构件属于良导体，这对确定异常体的位置带来 困难。
瞬变电磁原理PPT优秀版
按它指在数 导规电律地衰质减体。中激发在出很电强的流涡旋断电流开。之前（t<0时），发射电流在回线周围 的地质体和空间中建立起一个稳定的磁场。 矿井瞬变电磁法特点（1）
5Hz – 25kHz的噪声源主要是雷电或人文噪声，其中雷电在8Hz、14Hz、20Hz、26Hz、32Hz频点的电磁场相对较强，但雷电对井下的 干扰非常微弱，其影响可忽略不计。 tanθ=d/r≈1. 其中：L：线圈边长，以m为单位 B（t）/I，以nV/（m2×A）为计量单位 （5-3-3） 07，θ≈47°，故“烟圈”将沿47°倾斜锥面扩散，其向下传播的速度为：
（5-3-2） V（t）/I值，以uV/A为计量单位
到不同电导率地层系列的地质信息及总纵向 电导，也可以分离出断面中的高导电带。
瞬变电磁法的“烟圈”理论 （1）
瞬变电磁法物理基础是电磁感应原理，据此理 论，在电导率和磁导率均匀的地质体上，敷设输入 阶跃电流的回线，当发送回线中电流突然断开时， 在下半空间就要被激励起感应涡流场以维持在断开 电流前存在的磁场，此瞬间的电流集中在回线附近 的地质体表面，并按指数规律衰减。随后，面电流 开始扩散到地质体下半空间中，在切断电流后的任 意晚期时间里，感应涡流呈多个层壳的环带状，随 着时间的延长，涡流场将向下及向外扩散。感应涡 流场在地质体表面引起的磁场为整个“环带”各个涡 流层的总效应，这种效应可以用一个简单的电流环 等效，表现为一系列与发送线圈同形状并且向下向 外扩散的电流环，通常称之为“烟圈”。
均匀大地瞬变电磁响应过程（4）
在瞬变过程早期阶段，高频谐波占主导地位。 由于高频的趋肤效应，涡旋电流主要集中在导电介 质的表层附近且阻碍电磁场向地质体深处传播。所 以早期阶段主要反映地质体断面上部地质信息。
瞬变电磁法简介
第三节瞬变电磁法（TEM）一、方法原理瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源通以脉冲电流为场源，以激励探测目的物感应二次电流，在脉冲间歇测量二次场随时间变化的响应。
当发射回线中的电流突然断开时，在介质中激励出二次涡流场（激发极化场），二次场从产生到结束的时间是短暂的，这就是“瞬变”名词的由来。
在二次涡流场的衰减过程中，早期以高频为主，反映的是浅层信息，晚期以低频为主，反映的是深层地下信息。
研究瞬变电磁场随时间变化规律，即可探测不同导电性介质的垂向分布。
瞬变电磁法的探测深度与回线线圈的大小、匝数有关，线圈越大、匝数越多，探测的深度就越深。
瞬变电磁法的观测是在脉冲间隙中进行，不存在一次场源的干扰，这称之为时间上的可分性，脉冲是多频率的合成，不同的延时观测的主频率不同，相应的时间场在地层中的传播速度不同，调查的深度也就不同，这称之为空间的可分性。
由这两种可分性导致瞬变电磁法有以下特点：把频率域法的精确度问题转化成灵敏度问题，加大功率，灵敏度可以增大信噪比，加大勘探深度；在高阻围岩地区不会产生地形起伏影响的假异常；在低阻围岩地区由于是多道观测，早期道的地形影响也较易分辨；可以采用同点组合（同一回线、重叠回线等）进行观测，使与探测目标的耦合最好，取得的异常强，形态简单，分层能力强；线圈点位、方位或接收距要求相对不严格，测地工作简单，功效高；有穿透低阻覆盖层的能力，探测深度大；剖面测量与测深工作同时完成，提供了更多有用信息，减少了多解性。
二、地球物理前提由于瞬变电磁法是观测断电后由一次脉冲激励出的二次涡流场随时间的变化规律，二次涡流场随时间的衰减快慢和强弱与被探测介质（道碴、混凝土、岩石等）及介质状态（含水与干燥、完整与破裂）有关，TEM法衰减曲线的变化过程反映了检测点由高频到低频、由浅层到深层的地质信息变化过程。
检测的参数是各层规一化的电阻率，对实测的衰减曲线进行反演拟合，绘制地下电性分层及分层的电阻率柱状图，进而以反演拟合曲线为基础，绘制成曲线簇断面图、等值线断面图及电性分级断面图。
第三章瞬变电磁法
图3.1.1 瞬变电磁法原理示意图
117
由于瞬变电磁法测量的是导体内涡流的过渡过程，观测是在脉冲间歇期间进行 的，不存在一次场源的干扰，观测参数为纯二次场，是电磁法中唯一可采用同点装置 的方法，探测目标耦合最紧，获得的响应最强。磁性源激发，不受接地条件限制。 在金属矿勘查中， 主要用于寻找良导性的致密块状、 团块状、 网脉状硫化物矿体。 但对于浸染状硫化物矿体的探测效果不佳。 瞬变电磁法具有以下特点： （1）由于 TEM 法接收的是纯二次场，因而不受一次场的影响； （2）可以采用高密度时序采样，纵向分辨率较高； （3）穿透低阻覆盖能力强，勘探深度大； （4）发射用不接地回线，不受地表接地条件限制； （5）一般矿山主要干扰是电场，相对 TEM 干扰较小。
119
甚至重要的作用。应用此图时，回线长可看着任意比例尺，并以它来归一测点距、深 度和异常体大小。
图 3.1.4 通过主剖面的垂直剖面下方的一次场磁力线分布图
2、正常场 正常场是剖面测量中的一个术语，它是指局部异常响应的背景。典型的正常场就 是均匀非磁性导电半空间表面的瞬变响应。层状大地也可视为相当某一电阻率的半空 间。 （1）重叠回线 设半径为 a 的单匝圆回线铺设于均匀非磁性导电半空间表面上，在 t=0 的瞬间， 回线中的电流 I 阶跃地下降为零： I t ≤ 0 I (t ) = 0 t > 0 则均匀半空间的电动势响应为： (3.1.4)
§3.2 野外工作方法
3.2.1 常用装置类型及功能 常用装置类型及功能
瞬变电磁法用于找矿勘查能够较准确地确定地质体的倾向、埋深、走向等。野外 工作装置形式繁多，并是电磁法中唯一能进行同点发射—接收的方法。根据勘查任务 的不同可非常灵活地选用装置，常用的装置组合有以下几种（图 3.2.1） 。
瞬变电磁原理、仪器及应用
瞬变电磁原理、仪器及应用第1章绪论 (1)1.1 瞬变电磁法发展概况 (1)1.2 瞬变电磁探测方法的特点及应用领域 (2)第2章瞬变电磁法探测原理 (4)第3章ATEM-II瞬变电磁探测系统 (7)3.1 ATEM-II瞬变电磁发射机 (7)3.2 ATEM-II瞬变电磁接收机 (10)第4章瞬变电磁响应分析 (17)4.1各向同性水平层状大地上回线源的瞬变电磁响应 (17)4.2均匀大地表面上大回线源在地表形成的瞬变电磁场 (17)4.3中心回线下的隐伏球体的响应特征 (18)4.4中心回线下的隐伏无限延伸的水平圆柱体的响应特征 (20)4.5导电围岩中的局部导体瞬变电磁响应 (20)第5章瞬变电磁野外工作方法 (22)5.1 回线组合选择 (22)5.2 发射电流的选择 (24)5.3 发射脉冲宽度的选择 (26)5.4 关断时间的影响 (26)5.5 发射边长的选择 (28)5.5 接收最早取样时间的选择 (29)5.7 接收线圈的频率选择 (30)第6章瞬变电磁探测的数据处理与成图 (31)6.1数据质量判别 (31)6.2 数据处理 (33)6.2.1 平滑滤波 (33)6.2.2 近似对数等间隔取样 (34)6.3 基于“烟圈”理论的一维快速反演 (37)6.4 数据成图 (40)第7章 ATEM系统野外应用 (42)7.1 长春秦家屯模型验证研究 (42)7.2 长春伊通河活断层勘察研究 (44)7.3 内蒙正镶白旗水源勘察 (45)7.4 安徽铜陵矿山接替资源勘探 (49)7.5 浙江舟山连岛工程探测 (52)第1章绪论1.1 瞬变电磁法发展概况在1933年，美国科学家L.W.Blan最早提出利用电流脉冲激发供电偶极形成时间域电磁场，采用电偶极测量电场，并命名为“Eltran”法，于当年获得美国发明专利，该方法提出后美国石油公司做了很多野外实验，希望得到类似地震反射法的结果。
但由于脉冲激发的瞬变电磁响应频率较低，在沉积盆地难以得到能识别的分辨率，使得“Eltran”法的幻想破灭。
瞬变电磁法
中线回线全域电阻率
啊
在晚期感应电动势ε(t)∝t-2/5，在双对数坐标 上的响应曲线呈68.2°下降直线。电阻率越 大，早、中期的时间短，且幅度大，电阻率 越小，早、中期的时间长。图2.2.1给出中心 回线下回线半径100m的两层大地的电动势时 间特性曲线。
4、高阻围岩中水平导电板的瞬变电磁
第2章 瞬变电磁法的反演方法
1、基于烟圈理论的最简化反演 根据M.N.Nabighian的推导，蒋邦远提出了 一种简单的、快速近似反演方法。 该方法的基本原理如下；均匀半空间地表 线圈激发的阶跃瞬变响应可，则上式中之速度v 为时间t所对应地层之速度。
否则， ; 早期瞬变电磁场用的较 少。
晚期视电阻率
/ r ; u 0 m r0 0 3 / 2 BZ (t ) m0 0 3 / 2 E (t ) ( ) ; ( ) 40t t t 20t t
特点： 1、晚期场与成反比，在导电性差的 大地上，磁 场经早期衰减，已衰减 殆尽的缘故。 2、晚期场与位置无关， 表明晚期场等效烟圈电 流 已扩散到无限远、无限 深处了。 3、晚期磁场随时间迅速 衰减。
他指出，任一时刻的 涡电流产生的磁场可等 效为一个水平环状的线 电流产生的磁场。 地下涡电流向下、 向外扩散的现象---“烟圈 效应”。
“烟圈”的半径和深度 为： r 8c 2 t /( 0 ) a 2 ; d 4 t / 0 d 2 c 2 2 0.546479 ; v t t 0 8 早期瞬变电磁场由浅部 涡流产生 反映浅部电性； 晚期瞬变电磁场由深部 涡流产生 反映深部电性； 观测研究瞬变电磁场随 时间的变化规律，可探 测 大地电性的垂向变化 瞬变电磁测深的原理。 观测研究同一时间瞬变 电磁场沿剖面的变化规 率 可探测大地电性沿剖面 变化 瞬变电磁探测 地下电阻率不均匀体的 原理。
瞬变电磁法资料
第1章概述瞬变电磁法，是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。
其基本工作方法是：于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流：断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。
1、原理瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method)也称时间域电磁法（Time domain electromagnetic methods），简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。
它是建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法。
它利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，在其激发下，地下地质体中产生的感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场。
该信号和地下地质结构的电性特征有着直接的关系。
通过研究瞬变场随时间的变化规律，从而达到解决地质问题的目的。
其工作原理见图1。
其衰减过程一般分为早、中和晚期。
早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。
通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。
瞬变电磁法是在没有一次场背景情况下观测研究二次场，简化了对探测目标产生异常的研究。
该方法以其装置轻便、受旁侧影响小、高工效、低成本等特点已被广泛用于金属矿和煤田地质勘探、工程物探、地下水与地热勘探、采空区与岩溶发育带探测及环境灾害地质调查研究等诸多领域。
由于方法本身的属性，不宜在高压超高压输变电线路、铁路等强干扰源附近采集资料，这也为相关规范、技术规程所规定。
2、优点瞬变电磁法探测具有如下优点⑴由于施工效率高，纯二次场观测以及对低阻体敏感，使得它在当前的煤田水文地质勘探中成为首选方法；⑵瞬变电磁法在高阻围岩中寻找低阻地质体是最灵敏的方法，且无地形影响；⑶采用同点组合观测，与探测目标有最佳耦合，异常响应强，形态简单，分辨能力强；⑷剖面测量和测深工作同时完成，提供更多有用信息。
第六讲TerraTEM瞬变电磁仪讲解
-250泄 水 巷 掘 进 头 瞬 变 电 磁 超 前 探 测 视 电 阻 率 断 面 图
超 75
前 70 探 测 65
距 60 离
55
（ m）
50
45
40
35
30
25
20
15
超 前 偏 左 45度
正前方
超 前 偏 右 45度
超 前 偏 左 20度
超 前 偏 右 20度
掘进头超前探
75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 右帮侧探
8
（二）TerraTEM的特点优势介绍
1、便携式接收机和发射机为一体的独特设计，设计紧凑，携 带方便，封闭性很好；发射电流10A,外置可达50A。
2、可做当前瞬变电磁方法所有的工作装置，包括同一回线、 重叠回线、中心回线、分离回线、用户自定义装置等等。
2.1重叠回线：重叠回线（图C1）可用于大多数地质条件下的测量。此 装置探测效率高、噪音低、对深部目标体灵敏度高（在测线上的点距 取决于线圈半径）。回线一旦选定，对于半径50m或更小的回线，决 定其工作效率的主要是在测量点间的移动。两回线间最少要偏移1m以 消除可能的超顺磁作用，装置的探测深度一般是线圈直径的2-3倍。
物探预测掘进头前方24—43m为低阻区（兰色区），重点低阻区位于巷道前 方偏右部位。实际钻探时朝巷道正前及正前偏左、偏右方向均布置了钻孔， 正前钻探时进尺37m出水，偏右方向钻孔水量（17m3/h）明显比其它方向大。
掘进头超前探测灰岩破碎区
-250泄 水 巷 掘 进 头 瞬 变 电 磁 超 前 探 测 视 电 阻 率 断 面 图
第六讲
瞬变电磁法及其应用
主讲人：杨双安 河南理工大学资源环境学院
瞬变电磁法 解释
瞬变电磁法在金属矿勘探中的应用
瞬变电磁法是一种常用的金属矿勘探方法，其原理是利用人工在发射线圈加以脉冲电流，产生一个瞬变的电磁场，当磁场沿地表向深部传播时，遇到不同介质时会产生涡流场或使活泼的碱金属产生能级跃迁或使含有大量氢原子的液体的氢原子核沿磁场方向产生定向排列。
当外加的瞬变磁场撤销后，这些涡流场的释放或者活泼的碱金属要恢复原有的能级，释放跃迁产生能量。
利用接收线圈测量接收到的感应电动势 v2，该电动势包含了地下介质电性特征，通过种种解释
手段（一维反演，视电阻率等）得出地下岩层的结构。
瞬变电磁法具有工作效率高、精度高等优点，但也不能取代其它电法勘探手段。
在金属结构物对测量的影响一文中提到，当遇到周边有大的金属结构时地面或空间的金属结构时，所测到的数据不可使用，此时应补充直流电法或其它物探方法。
同时在地层表面遇到大量的低阻层矿化带时，瞬变电磁法也不能可靠的测量。
因此在选择测量时要考虑地质结构。
在测量过程中，要随时记录地表可见的岩石特征，装置的倾角以及高程，以便在后续的解释中，准确的划分地层构造。
同时在一个工区工作之前，要做实验，选择合理的装置以及供电电流，一经确定，不能在测量中变更装置和供电电流，否则对解释造成影响。
在进入工区前尽量寻找已知地层的基准点对仪器进行校准，以确保测量的准确性。
瞬变电磁法的解释，通常分为定性解释和定量解释。
定性解释一
般是观察测线多道剖面，通过多道剖面可以定性的看出地层的分布情况，同时应排除晚期道的干扰假象。
对双峰异常要多加关注。
定量解释则是通过一维反演等手段，根据初始模型对数据进行解释，得出地下岩层的结构和物性参数。
应用中的瞬变电磁法
一、瞬变电磁法原理1. 频率域原理（图1a）图1 a表示频率域电磁法连续变化的初始场在导体中产生的二次场方向反抗初始场的变化。
b表示时间域电磁法在发射电流关断之前的稳定的初始场。
C表示时间域电磁法在发射电流关断之后在导体中感应的涡流及其产生的二次场。
Tx是发射线圈，Rx是接收线圈2. 时间域原理图1（b）表示稳定电流产生稳定磁场（关断前），在导体中不产生涡流。
图1（c）表示稳定磁场突然关断，便产生磁场反对关断，此磁场称为一次场。
该一次场在导体中感应出变化的涡流，该变化涡流产生二次场，即瞬变场。
瞬变场（涡流）在导体中分布符合趋肤效应，即高频在表面，低频在内部，瞬变场随时间按指数衰减，即高频衰减快，低频衰减慢。
瞬变场幅度和衰减的快慢取决于导体的电导率值和大小，即导体的时间常数（以后讲）。
所以观测瞬变场的幅度及其随时间衰减过程便可确定导体的电导率和大小。
二、如何实现上述原理1. 产生初始场和二次场图2 初始场和瞬变场形成过程及衰减发射机向发射线框输入脉冲电流A，A不变时在发射线周围产生稳定的初始场（见图1b），当发射电流A突然关断时，则发射线圈产生瞬时变化的初始磁场并向地下穿透。
在穿透过程中若遇到导电介质便在其中产生涡流（感应电流），涡流又产生二次场（瞬变场）（图1c）。
在发射电流A突然关断的瞬间，由于发射线圈的感抗作用，A不能立即关断，要经历一段时间，称其为关断时间t off。
t off之后开始观测二次场（图2a，图2e）。
在t off之后发射线圈还有一个弱震荡过程，为避免振荡过程影响，在PROTEM的接收回路中设置有噪声抑制（图4），此外接收线圈还要离开发射线圈一定距离。
2.仪器装置图3 瞬变电磁仪装置图图4 瞬变电磁仪接收机电路框图（以PROTEM为例）3.感应探头和磁通门磁力仪探头：磁通门探头测量的是导电介质中涡流产生的磁场，感应线圈探头测量的是磁场变化率。
对于探测块状的、高导硫化矿体而言，在初始磁场作用下其产生的二次磁场较强，衰减慢，磁通门探头优于感应线圈探头。
瞬变电磁
3 瞬变电磁的特点
存在问题： 1、对浅层的垂向分辨能力不强。因为采样时间不能
提得很早，最早的采样时间几微秒，电阻率100， 也难对20米深度分层； 2、同点装置边长越小，测的的视电阻率越小，与大 地电阻率不符； 3、现只有一维水平层状大地模型的定量解释方法。 4、信噪比较低，更易受天然或人文干扰电磁信号的 影响。
4.2.1 瞬变电磁场的扩散特点
美国地球 物理学家 M.N.Nabigh an研究了断 电后二次涡 流的分布情 况：
4.2.1 瞬变电磁场的扩散特点
他指出，任一时刻的 涡电流产生的磁场可等 效为一个水平环状的线 电流产生的磁场。
地下涡电流向下、 向外扩散的现象---“烟圈 效应”。
4.2.1 瞬变电磁场的扩散特点
７、利用该方法的测量系统，可实施地面、空 中、地下、水上、井中或坑道电磁法探测;
８、不受高阻层的屏蔽影响，能穿透高阻层， 对低阻层灵敏、分辨能力强，在低阻围岩区， 由于是多道观测，早期道的地形影响较易分 辨;
3 瞬变电磁的特点
９、剖面测量与测深工作同时完成，提供了更 多有用信息，减少了多解性。 由于上述诸多特点，且伴随仪器的数字化 与智能化，近些年来，瞬变电磁法在国内外 都得到了较快的发展，应用范围非常广泛， 并获得了明显的应用效果。
4.2 瞬变电磁基本理论
4.2.1、瞬变电磁场的扩散特点 一次磁场是以两种途径传播：
第一种激发方式是，电磁波首先在空气中以光速很快传播 到地表的每个点，然后有一部分电磁能量由地表传入地 下，这是根据惠更斯原理，波前上每个点都视为一个新 的球面波振源，故地表的每一个点都陆续成为波源，将 部分电磁波传入地中，在远区，这种一次磁场可以认为 是不均匀平面波，且沿铅直方向传播到地中。
瞬变电磁法
远区（波区）、中区（过渡区）、近区 早期、中期、晚期
在TEM法的发展初期，r>>Hn，远区场法； 后期，L<<Hn,r<<Hn ，近区场法；
都测瞬变电磁曲线，早期、中期、晚期。
场区的划定
扩散系数：D 2 2t / 0 (电性源) 综合参数： 0 t /(0a2 ) （磁性源）
D / r 0 远区（波区） 2 D / r 16 （中区） D / r 16 （近区）
地下电阻率不均匀体的 原理。
3、均匀大地的瞬变电磁场 及视电阻率的定义
3m E (t) 2r4 [(u)
2
u(1
u3
u2
)e 2
]
3
BZ
(t)
0m 2r4Leabharlann [(19 u2)(u)
2
(
9
u2
2u)e 2
]
u
u 2 •r /; 2 2 •t / 0
(u)
2
u
x2
e2
dx
0
可见，瞬变电磁场与，t的关系复杂，通常研究
过去多用晚期公式，现有“全域电阻率”公 式。现其定义、算法不一。也是近似算法，且 在远区有多解性。但总是一种进步。
使用现有设备从感应电动势计算视电阻率问 题甚多。
中线回线全域电阻率
❖啊
在晚期感应电动势ε(t)∝t-2/5，在双对数坐标 上的响应曲线呈68.2°下降直线。电阻率越大，
早、中期的时间短，且幅度大，电阻率越小， 早、中期的时间长。图2.2.1给出中心回线下 回线半径100m的两层大地的电动势时间特性 曲线。
９、剖面测量与测深工作同时完成，提供了更多 有用信息，减少了多解性。
瞬变电磁法
瞬变电磁法瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场,在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场,从而探测介质电阻率的一种方法.瞬变电磁法也称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)，简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。
简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。
其基本工作方法是：于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流：断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。
衰减过程一般分为早、中和晚期。
早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。
通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征瞬变电磁法探测具有如下优点⑴由于施工效率高，纯二次场观测以及对低阻体敏感，使得它在当前的煤田水文地质勘探中成为首选方法；⑵瞬变电磁法在高阻围岩中寻找低阻地质体是最灵敏的方法，且无地形影响；⑶采用同点组合观测，与探测目标有最佳耦合，异常响应强，形态简单，分辨能力强；⑷剖面测量和测深工作同时完成，提供更多有用信息。
根据瞬变电磁法对低阻体反应敏感的特点，将其用于煤矿井下水文勘查还是近几年的事情。
瞬变电磁法是一种极具发展前景的方法，可查明含水地质如岩溶洞穴与通道、煤矿采空区、深部不规则水体等。
瞬变电磁法在提高探测深度和在高阻地区寻找低阻地质体是最灵敏的方法，具有自动消除主要噪声源，且无地形影响，同点组合观测，与探测目标有最佳耦合，异常响应强，形态简单，分辨能力强等优点。
瞬变电磁法的勘探原理是利用人工在发射线圈加以脉冲电流，产生一个瞬变的电磁场，该磁场垂直发射线圈向两个方向传播，通常是在地面布设发射线圈，依据半空间的传播原理，把地面以上的忽略。
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均匀大地瞬变电磁响应过程（4）
在瞬变过程早期阶段，高频谐波占主导地位。 由于高频的趋肤效应，涡旋电流主要集中在导电介 质的表层附近且阻碍电磁场向地质体深处传播。所 以早期阶段主要反映地质体断面上部地质信息。 随着时间的推移，高频成分被导电介质吸收， 从而低频成分占主导地位。它在导电地质体中激发 出很强的涡旋电流。然而由于热损耗，这些涡旋电 流场很快就消失了。 在瞬变过程的晚期，局部地质体中的涡流实际 上全部消失，而在各个地层中的涡流磁场之间连续 的相互作用使场均匀化和使电流均匀分布，晚期场 将依赖于断面的总纵向电导。
瞬变电磁响应过程（1）
在导电率为s、磁导率为μ 的均匀地质体表面敷设面积为S 的矩形发射回线中供以阶跃电流。
1 t 0 I t 0 t 0
在电流断开之前（t<0时），发射电流在回线周围 的地质体和空间中建立起一个稳定的磁场。
均匀大地瞬变电磁响应过程（2）
在t=0时刻，将电流突然关断，由该电 流产生的磁场也立即消失。一次场的剧烈变 化通过空气传至回线周围的地质体中，并在 地质体中激发出感应电流以维持发射电流断 开之前存在的磁场不会立即消失。
瞬变电磁法基本原理（3）
瞬变电磁法基本原理（4）
前面提到测量数据是在脉冲间隙中得到 的，理论上不存在一次场源的干扰，这称之 为时间上的可分性。 根据傅立叶变换理论可知，方波脉冲可 视为许多不同频率的组合，不同延时观测的 主要频率成分不同，相应时间的场在地质体 中的传播速度不同，调查深度也就不同，这 称之为空间的可分性。 瞬变电磁法特点就基于这两个可分性。
均匀大地瞬变电磁响应过程（3）
由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将迅速衰 减，由它产生的磁场也随之迅速衰减，这种迅速衰 减的磁场又在其周围介质感应出新的强度更弱的涡 流。这一过程继续下去，直至地质体的欧姆损耗将 磁场能量消耗殆尽。这便是地质体中的瞬变电磁过 程，伴随这一过程的地磁场就是地质体的瞬变电磁 场。
瞬变电磁法的“烟圈”理论 （4）
“烟圈”的半径r、深度d的表达式分别为： （ 2 5-3-1） r 8c 2 t / 0 a
d 4 t / 0 （5-3-2）
式中：a为发射线圈半径，c2 (8 / ) 2 0.546479 当发射线圈半径对于“烟圈”半径很小时，可得 tanθ =d/r≈1.07，θ ≈47°，故“烟圈”将沿47°倾斜锥面扩 散，其向下传播的速度为： （5-3-3） 从式（5-3-1）到式（5-3-3）可以看出：感应涡流扩散的速 度与地质体电导率和磁导率有关。导电性和磁导率越好，扩 散速度越慢，在导电性和导磁性较好的地质体上，能在更长 的延时后观测到大地瞬变电磁场。
瞬变电磁法的“烟圈”理论 （3）
任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以 等效为一个水平环状线电流的磁场。在发射电流刚 关断时，该环状线电流紧接发射回线，与发射回线 具有相同的形状。随着时间的推移，该电流环向下、 向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。附图示意了发 射电流关断后不同时刻地下等效电流环的分布。从 图中可以看到，等效电流环很像从发射回线中“吹” 出的一系列“烟圈” 。
瞬变电磁法的“烟圈”理论 （2）
在发送一次脉冲磁场的间歇期间，观测由地质体受激 励引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场的强度。 地质体介质被激励所感应的二次涡流场的强弱决定于 地质体介质所耦合的一次脉冲磁场磁力线的多少，即二次场 的大小与地下介质的电性有关： （1）低阻地质体感应二次场衰减速度缓慢，二次场 电压较大； （2）高阻地质体感应二次场衰减速度较快，二次场 电压较小。 根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断被测地质体 的电性、性质、规模和产状等，由于瞬变电磁仪接收的信号 是二次涡流场的电动势（即二次电位），因此，瞬变电磁作 为一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法，是根据 地质构造本身存在的物性差异来间接判断相关地质现象的一 种有效的地质勘探手段。
均匀大地瞬变电磁响应过程（4）
决定瞬变过程状态的基本参数是场的瞬 变时间。瞬变时间t依赖于地质体的导电性和 发—收距离。在近区和高阻岩石区，瞬变时 间很短——几十～几百毫秒。在断面中赋存 着良导地质体时这一过程变缓。在远区，瞬 变时间可达到几十秒，而在良导地质体上有 时达到一分钟或更长。 由此可见，研究电磁场的瞬变过程可得 到不同电导率地层系列的地质信息及总纵向 电导，也可以分离出断面中的高导电带。
瞬变电磁法的“烟圈”理论 （1）
瞬变电磁法物理基础是电磁感应原理，据此理 论，在电导率和磁导率均匀的地质体上，敷设输入 阶跃电流的回线，当发送回线中电流突然断开时， 在下半空间就要被激励起感应涡流场以维持在断开 电流前存在的磁场，此瞬间的电流集中在回线附近 的地质体表面，并按指数规律衰减。随后，面电流 开始扩散到地质体下半空间中，在切断电流后的任 意晚期时间里，感应涡流呈多个层壳的环带状，随 着时间的延长，涡流场将向下及向外扩散。感应涡 流场在地质体表面引起的磁场为整个“环带”各个 涡流层的总效应，这种效应可以用一个简单的电流 环等效，表现为一系列与发送线圈同形状并且向下 向外扩散的电流环，通常称之为“烟圈”。
瞬变电磁法基本原理（1）
类别 场的性质 方法名称 应用
天Hale Waihona Puke 场电阻率法 激发极化法自然电场法
电剖面法 电测深法 高密度电法
地下水流向、金属硫化矿
断层破碎带、熔岩发育带 含水层厚度、埋深 电剖面法+电测深法 地下水、石油、金属硫化矿
直流 电法
充电法 交流 电法
频率电磁测深法 人工场 瞬变电磁法 电磁法
地下河、供水裂隙带
区域构造、石油 含水层厚度、埋深 找水
瞬变电磁法基本原理（2）
瞬变电磁法或称时间域电磁法（Transient Electromagnetic Method，简称TEM）， 利用不接地回线（线圈）向被测地质体发射 脉冲式电场作为场源（一次场），以激励被 测地质体产生二次场，在发射脉冲的间隙利 用接收回线（线圈）接收二次场随时间变化 的响应。从接收的二次场数据中分析出地质 体异常导电体的位置，从而达到解决地质问 题的目的。