瞬变电磁详细原理

2007 吉林大学
常用的发射波形及频谱
5
H0 T /2
0
d
0 -5
5
H0 T /2
2
矩形波
0
d' d'
2d
0 -5 5
2
H0 T /2
斜阶跃波 正弦波
0
d
0 -5
2
几种常用激励场的波形
几种简化波形的频谱c
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1.边长为2a的正方形回线中心点（z=0,x=0）的一次场的垂直分量为：
H 1 (t ,0 ,0 ) 2 i ( t ) 0 . 45 i (t ) a

I 0
AR b
3 2
2
20

5 / 2 5 / 2
t
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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
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 )
远区或晚期条件
对于重叠回线在远区与取样时 间无关，只与电阻率有关。 对于中心回线在全区都与取样 时间、电阻率有关。
远区 中区 近区
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两层大地的电动势时间特性曲线 （中心回线，回线半径100米）
曲线62.8。衰减
曲线出现跷曲
2.不导电介质中的非磁性导电球体响应
c (t ) 48
3IAR a S
2
F ( )
F ( )
2 (1 )
2 5/ 2
t /( S 0 a)
为早期，随t延 迟而增长， 5 而为晚 期，按 t 4规律衰减。
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0 .1
4.直立导电薄板的晚期瞬变电磁响应 2 I 0 AT AR ab 3x x x t / (t ) (h a)[ 2 2 ]e 2 5 2 2 8 L r3 h x (h a) x
2007 吉林大学
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
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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
f (d
L
)
2 [1 ( d L ) ][ 2 ( d
2
L
) ]
2
1 2
fz (x)
2 x
2
2 5 2
2 (1 x )

L ( t ) 6

exp( k ) t
2
k 1
1 0 a
2
球和水平圆柱体的瞬变响应函数 （1－球体，2－圆柱体）
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ti
高阻体
地下介质电性差异
良导体
0 T（时间）
探
测 深 D
低阻体1
地表
ห้องสมุดไป่ตู้
低阻体2
度
阶跃波探测示意图
探测原理
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常用的激发场源
时间域电磁法中，激发波形可以采用多种具有周期性的脉 冲序列，例如：矩形、梯形、半正弦形、三角形、伪随机等 波形。 对瞬变电磁测深，在实际应用中，为了有效地抑制观测系 统中的直流偏移和超低频噪声的干扰，将不同时域的相应二 次场进行叠加，以消除随机干扰，提高信噪比，需要采用周 期性脉冲序列连续激发二次场。经常采用的激励场波形主要 有双极性矩形脉冲、双极性半正弦脉冲、双极性梯形脉冲序 列等来激发二次电磁场。
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瞬变电磁响应基本特征
磁源瞬变电磁法同点装置采用综合参数 划分场区 综合参数 远区
0 t /( 0 a )
2
0 0.01
早期、中期 晚期
中区 0.01 0 3 近区
0 3
近区瞬变电磁场，测量结果很好地给出地电断面的分层信息。早延时 对应纵向电导S1来表征第一层存在；延时增加，在地表上可观测到第 一层和第二层共同影响瞬变结果，并以S1＋S2来表征其综合影响。在 更晚的时间上出现S1＋S2 ＋S3的综合影响，以此类推。这样随着时间 的推移，可以得到整个断面上所能测到的全部信息。国内外都在积极 推广近区瞬变场测深方法。
瞬变电磁法
接地导线通以脉冲 电流，称为电性源 （长导线或电偶极子）。
发射机
i(t)
不接地回线 通以脉冲电流 称为磁源
发射机
i(t)
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瞬变电磁法探测原理
工作原理示意图
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瞬变电磁(Transient electromagnetic method)探测是地球物 理探测的主要手段之一，通过向地下发射电磁波激励地下目 标，接收其产生的二次场，确定被测目标的物理参数。 瞬变电磁法测量装置由发射回线和接收回线两部分组成， 工作过程分为发射、电磁感应和接收三部分。当发射回线中 通以阶跃电流，发射电流突然由I下降到零，根据电磁感应理 论，发射回线中电流突然变化必将在其周围产生磁场，该磁 场称为一次磁场，一次磁场在周围传播过程中，如遇到地下 良导电的地质体，将在其内部激发产生感应电流，又称涡流 或二次电流，由于二次电流随时间变化，因而在其周围又产 生新的磁场，称为二次磁场。由于良导电地质体内感应电流 的热损耗，二次磁场大致按指数规律随时间衰减，形成瞬变 磁场，二次磁场主要来源于良导电地质体的感应电流，因此 它包含着与地质体有关的地质信息，二次磁场通过接收回线 观测，并对观测的数据进行分析和处理，对地下地质体的相 关物理参数进行解释。
f (z / a)
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一次场的特征：
地面各点的磁场方向均垂直地面，回线中部的磁场较均匀。 一次场随着据地表的距离增大而减小。
回线一次场垂直分量沿x轴的变化
回线一次场垂直分量沿z轴的变化
回线磁场的特点：地面各点的磁场方向均垂直地面，回线中部的 磁场较均匀。对于边长为2a的正方形回线，如果以与中心点磁场大小 相差不超过40％为准，则在回线中部0.6a及上、下±0.18a的范围内可 近似看成垂直的均匀场。因为它随深度减弱较慢，故有较深的探测能 力。回线外部则一次场变化较大。
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1、均匀半空间瞬变电磁响应公式 2 I 重叠回线 c f c ( a
中心回线
0
) )
I
3 AR I
a
3
f I (
0
磁场晚期近似公式:
H Z (t )
(t )
I0 AR b
2
5
2
20
t
3 2

5 2
5 / 2 3 / 2
t
H Z (t )
3
0
Ia l (4l
2 1
3 4
h )
2 3


k 1
1

exp(k t / )
2

1

0 a
2

1
1
t


0.1
c (t )

exp( t / )
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Vz
2 0 IA
L
f (d
L
3 ) f z ( x ) a L ( t )
电导率σ越小， 响应初值越大， 但衰减快;σ大， 响应初值小， 而衰减慢。
非磁性导电球体的瞬变电磁响应曲线
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地质体的瞬变电磁响应存 在导电响应“窗口”，反 映电性变化的差异。
非磁性导电球体的响应导电窗口曲线
2007 吉林大学
3.不导电基底上的纵向电导为S薄板瞬变电磁响应
(t )
可见，在tof时间内，感应电流逐渐增加，在t=tof时达到极大值， 然后按指数规律衰减，这种上升、衰减速度决定于t/τ 比值。 tof较大的情况下，感应电流将缓慢增大至极大值，然后以较慢 的速度按指数规律衰减。
2007 吉林大学
I（理想发射电流） I
测量时间范围
T（时间）
0 V（二次磁场 的变化率）