瞬变电磁法基本理论

瞬变电磁法基本理论

发表时间：2018-12-12T16:56:08.060Z 来源：《基层建设》2018年第29期作者：刘晨阳

[导读] 瞬变电磁法[1][2]（Transient Electromagnetic Methods）的基础是电磁感应原理，场源为人工源，因为研究的是响应场与时间的关系，又被称为时间域电磁法（Time Domain Electromagnetic Methods）。

吉林大学建设工程学院工程地质系长春 130026

1瞬变电磁法的原理

瞬变电磁法[1][2]（Transient Electromagnetic Methods）的基础是电磁感应原理，场源为人工源，因为研究的是响应场与时间的关系，又被称为时间域电磁法（Time Domain Electromagnetic Methods）。其人工场源分为2类：电偶源（即接地回线）和电磁源（即不接地回线）。

利用人工场源向地下发射一次脉冲场，在其激发下的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场（即一次场），在一次场激励下，地质体将产生涡流。在一次场消失以后，涡流不会马上消失，它会有一个衰减的过程，此过程会产生一个衰减的二次磁场，并继续传播，再由接收回线接收二次场。这样，通过分析二次磁场的信息变化，就可以得到地质体的电性分布情况。

图1 瞬变电磁法的原理图[3]

对于层状大地的瞬变电磁场，在垂直磁偶源的情况下，其均匀半空间的计算公式如下[4]：

1.1烟圈效应

针对瞬变电磁法激发的磁场，美国科学家M.N.Nahighian 提出[4][5]：感应涡流场在地表的磁场值为地下各个“环带”涡流层的总效应，该效应等效于一个电流环。人们形象的将其称为“烟圈效应”。涡流的形状为向下、向外扩散的同心环状，涡流与地面成47°扩散，其密度最大值的扩散方向与地面夹角大概30°。其扩散公式如下[7]:

其原因可以做如下解释：从上面的原理部分我们可以知道，在一次场激励下，地质体将产生涡流，涡流会引发一个磁场。这个迅速衰减的电磁场会在它的周围感应出一个更弱的涡流。如此不断循环。这一过程将会继续到磁场能量耗光。

为了克服烟圈效应提高探测精度，一些地质工作者对此进行了探索。2011年，王大设等人设计了，基于烟圈效应的11点超前探观测系统设计，可以在不同巷道条件下使用。2015年，杨聘卿等人基于烟圈效应，对于山西常蒋煤矿的老空积水危害问题，设计了一个精度较高的方案，经验证比较准确。

1.2视电阻率

磁偶源条件下的早期视电阻率，指取的极限条件时，推导出的计算视电阻率。它反映了浅部的地层信息。时，根据的渐进值，表达式为：

磁偶源条件下的晚期视电阻率，指的极限条件时，推导出的计算视电阻率。它反映了深部的地层信息。根据的渐进值，表达式为：

对全期视电阻率准确程度有影响较大的三个因素：采集现场的电磁干扰、线圈的自感与互感现象、关断效应等。当关断时间与扩散参数的比值小于1时，视电阻率的观测值将会产生畸变，且观测值可能低于正常值，也可能高于正常值，这与采样零点的选取有关。由于早、中期的视电阻率有误，后期的视电阻率计算也会不准确。

1.3 全程瞬变二次场提取

理想条件下，发射电流的关断时间为零。但实际中并非如此。这使得接收到的全程电磁信号发生了畸变。为了提高瞬变电磁法浅部探测的准确程度，需要提取全程瞬变二次场。

据嵇艳鞠的研究，对实测的电压信号在到晚延时期间的积分恰好等于一次场与二次场之矢量和，即

根据以上的等式，可以考虑以下两种提取全程瞬变二次场的方法，一是将实测的感应电压转换为磁场后，再减去电流变化产生的一次场；二是先求取电流关断期间一次场的变化率，再用实测的感应电压减去一次场的变化率。

2 瞬变电磁法工作装置的分类

瞬变电磁野外工作的方式分类如下表：

表1 瞬变电磁野外工作方式表

3 结论

针对不同的观察对象，不同装置形式适用范围不同，例如中心回线适用于剖面及测试测量。因此，在实际的工程当中，应该根据不同的工程要求，选取不同的装置形式或几种装置形式同时测量，从而降低物探方法单一性、多解性的问题[6][7]。

参考文献

[1]李建慧,朱自强,曾思红,刘树才.瞬变电磁法正演计算进展[J].地球物理学进展,2012,27(04):1393-1400.

[2]薛国强,闫述,底青云,李貅,王若,李海,钟华森.多道瞬变电磁法(MTEM)技术分析[J].地球科学与环境学报,2015,37(01):94-100.

[3]焦险峰,刘志新.瞬变电磁法浅层分辨率物理模型实验研究[J].中国矿业大学学报,2014,43(04):738-741.

[4]蒋中明,熊小虎,曾铃.基于FLAC~(3D)平台的边坡非饱和降雨入渗分析[J].岩土力学,2014,35(03):855-861.

[5]王春波,丁文其,乔亚飞.硬化土本构模型在FLAC~(3D)中的开发及应用[J].岩石力学与工程学报,2014,33(01):199-208.

[6]李建慧,朱自强,鲁光银,曾思红.回线源瞬变电磁法的三维正演研究[J].地球物理学进展,2013,28(02):754-765.