瞬变电磁详细原理23页PPT

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 )

本安型瞬变电磁仪、CUGHDR高密度电法实时成像仪、KDZ-3114矿井槽波地震系统、 SHZ200矿用瞬变电磁仪、ZHV-6/9矿用本安型钻孔全孔壁成像仪、钻孔全孔壁成像仪、
Cugtem矿用瞬变电磁仪
瞬变电磁法原理
技术原理
瞬变电磁法（Transient Electromagnetics Method, TEM）是以地壳中岩（矿）石的导 电性与导磁性差异为主要物质基础，根据电磁感应原理，利用不接地回线或接地线源向 地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间隙期间，利用线圈或接地电极观测二次涡 流场，并研究该场的空间与时间分布规律, 来寻找地下矿产资源或解决其它地质问题的 一支时间域电磁法。下图即为瞬变电磁法原理的图解。
SHZ200矿用瞬变电磁仪、ZHV-6/9矿用本安型钻孔全孔壁成像仪、钻孔全孔壁成像仪、 中国地质大学（武汉）高科资源探测仪器研究所
H2i、-tec单h R脉eso冲urc激ecs发Ex就plo可ratio得n I到nstr多um信ent息Ins的txtu整te M条em瞬be变r of电CU场G 衰减曲线，通过加大发射功率和多次叠 研维 加究修，所 检一测可贯、大坚工持程幅“服度敬务业及地、技提创术新支高、持信攻于坚一噪、体比协的作系，”统加的服精务大神模勘，式始。探终深秉承度为；地勘行业服务的理念，建立了集产品供应、方案设计、仪器研发、
瞬变电磁法由于具有许多传统直流电法不可比拟的优点，是当今得以迅速发展推
本地3、安下型 （采瞬矿用变用电）不磁瞬接仪变、、地海CU回洋G瞬H线D变R装，高本密置文度，主电要法适涉实宜及时地成于下像各瞬仪变、种（K矿地DZ井-理3瞬11变环4矿电境井磁槽法下波）的地。震野系外统、工作；
Cugtem矿用瞬变电磁仪
Cugtem矿用瞬变电磁仪

（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。
• 由于瞬变场与一维层状介质表面的瞬变场表达式 之间存在着复杂的隐函数关系，难以用解析法导 出视电阻率与场之间的显式反函数，通常只能使 用各种近似定义方法、精确定义再通过数值计算 的方法，求视电阻率与场之间的显式反函数
• 近似定义方法即所谓的早期和晚期视电阻率定义， 数值计算方法则是全区视电阻率定义
• 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。
2021/6/16
瞬变电磁法基本原理（1）
类别 场的性质
方法名称
天然场
自然电场法
电剖面法
直流 电阻率法 电法
电测深法 高密度电法
激发极化法
充电法
交流 电法
人工场
频率电磁测深法 瞬变电磁法 电磁法
应用 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 地下河、供水裂隙带
• 器件性能差异、电路设计、PCB电路 布板等都亦能产生仪器机内噪声。
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23
噪声的抑制

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。

0.2622 0.3171 0.382
0E+0
0.4594
440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780 800 0.5542
1E+3 8E+2
0.6691 0.8064
4E+2
0.9712
0E+0
440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780 800
2. 对于近地表浅层探测时， “烟圈”理论计算的视深度不在 适用，在浅层探测时计算结果严重偏离实际的深度，计算 的深度从距地表20米至40米之间，探测明显存在着盲区；
3. 对浅层1号坑的1米深的低阻异常反映不出来，但对于2号 坑的2米深的低阻异常，反映清晰，但异常体的深度位置 在视深度－25米至40米位置，与实际的目标体埋深不符。
4.0E+4
0.0974
3.0E+4 2.0E+4 1.0E+4
0.1198 0.1473 0.1798
0.2172
440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780 800 8E+3
6E+3 4E+3 2E+3
-20
22 20
-30
19 18
17
-40
16 15
14
-50
13 12
-60
11 10
8
-70
7 6
5

绍
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根

• 感应磁场B值： B（t）/I，以nV/（m2×A）为计量单位
其中：Sn为接收线圈等效面积，N为匝数
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视电阻率（1）
• 视电阻率是形象表达地下电性结构的一种常用参 数，因此也往往通过某种算法将时间域瞬变电磁 法（ＴＥＭ）观测到的感应电动势转化为视电阻 率参数进行瞬变电磁响应的地球物理解释
区域构造、石油 含水层厚度、埋深
找水
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1
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。
瞬变电磁法特点就基于这两个可分性。
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4
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。
It
1 0
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。
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5
均匀大地瞬变电磁响应过程（2）
Vd t
2
0t （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。
2021/6/16

全国危机矿山接替资源勘查
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，Байду номын сангаас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。
5 2
(边长为 b 的方回线)
全国危机矿山接替资源勘查
野外工作方法
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：
全国危机矿山接替资源勘查
全国危机矿山接替资源勘查
测量磁场是最有意义的。因为感应电动势 不过是磁场的微分，且理论研究和数据处理大 部分是以磁场为基础或出发点，所以理论上说 测量感应电动势实属多余，然而在技术上一直 没有制造出实用的宽频带磁探头。目前加拿大 的一些TEM仪器已经配备了磁通门探头和高温 超导探头，但一直没有见到实测资料。国内外 从八十年代就开始了采用高温超导磁强计作为 传感器的研究，近几年来取得了一系列较大的 突破，特别是在中心回线TEM应用试验中已经 取得了较好的效果。
全国危机矿山接替资源勘查
3、下降沿和线圈延迟
瞬变电磁仪器采样率都是几微妙，TEM响应值在几毫秒时 间内相差就达几个数量级，尤其是在早期，变化非常快，这就 要求仪器的采样时间必须非常精确，并保证每次采集的各道数 据所对应的采样时间一致。首先要正确设置仪器采样时间的起 点t1，这就不得不考虑两个重要的关键参数：下降沿时间tr和线 圈（探头）延迟tc。 在不考虑其它因素的情况下，采样延迟时间起点应以发射 电流下降结束时间为零点，即，t1=t-tr，如下图1。另外，信号 采集传感器主要使用的是感应探头（接收线圈）或回线，其本 身具有一个延迟时间tc，采样时间的起点设置必须考虑感应探 头的延迟时间，即t1=t-tr-tc，如下图2。

瞬变电磁法展望和挑战
展望
• 随着技术的进步，瞬变电磁法在地下资源探 测和环境监测方面的应用前景广阔。
• 瞬变电磁法将和其他成像技术相结合，以提 高检测精度和地下结构的细节。
挑战
• 瞬变电磁法需要高精度的仪器和计算机设备， 成本较高。
• 瞬变电磁法的地下结构分辨率受到限制，难无损成像技术。它使用电磁波来探测地下 结构并生成图像。
瞬变电磁法基础知识
电流
瞬变电磁法中的电流是指短暂而 强烈的尖峰电流。
磁场
瞬变电磁法中的磁场是由电流在 地下产生的。
电磁波
瞬变电磁法使用的电磁波频率通 常在几千赫兹到数十兆赫兹之间。
瞬变电磁法原理解析
电磁感应原理
电流通过线圈时会产生磁场，磁场变化时会引起感应电流，从而检测地下物质。
导电率差异
不同物质具有不同的导电率，使用瞬变电磁法可以探测地下导电率的异质性。
瞬变电磁法应用领域
1
环境监测
2
瞬变电磁法可以帮助测量水文地质结构
和寻找地下水资源。
3
矿产勘探
在矿产勘探中，瞬变电磁法可帮助找到 金属矿脉和石油。
接收器
接收器测量磁场变化，从而确定 地下物质。
计算机
计算机用于数据处理和成像，生 成地下结构图像。
瞬变电磁法数据解释与处理
1 解释场强
瞬变电磁法产生的磁场强度可以帮助判断地下物质性质。
2 处理数据
瞬变电磁法生成的数据需要进行计算和成像处理，以获得准确的地下结构图像。
3 图像生成
瞬变电磁法的成像程序将数据转换为可视化的图像，以显示地下物质分布。
土地利用
瞬变电磁法可以检测土地利用情况，如 耕地、林地和建筑用地等。

无损探测
瞬变电磁法是一种非接触式探 测方法，对地下目标进行无损 探测，不会破坏地质结构。
成本低
瞬变电磁法所需设备相对简单， 成本较低，便于推广应用。
瞬变电磁法的局限性
受地形影响较大
瞬变电磁法在复杂地形和地表覆盖地 区的应用受到一定限制，探测精度和 可靠性可能下降。
对高阻覆盖层穿透能力以探测深部目标。
对低阻目标敏感度低
瞬变电磁法对低阻目标体的敏感度较 低，可能难以识别和区分。
数据处理和解释难度较大
瞬变电磁法的数据处理和解释涉及到 多个参数和复杂的地球物理特征，需 要专业知识和经验。
瞬变电磁法的发展趋势与展望
智能化探测
多方法综合应用
随着人工智能和机器学习技术的发展，未 来瞬变电磁法有望实现智能化探测，提高 数据处理的自动化程度和精度。
瞬变电磁法的应用领域
矿产资源勘探
瞬变电磁法可以用于寻找金属矿、煤炭等矿产资源，通过测量和分析 二次磁场的变化，可以推断出矿体的位置和埋深等信息。
工程地质勘察
瞬变电磁法可以用于工程地质勘察，如公路、铁路、桥梁、建筑等工 程的场地勘察，了解场地地质构造和岩土性质等信息。
水文地质调查
瞬变电磁法可以用于水文地质调查，如地下水资源的勘探、地下水污 染的监测等，了解地下水的分布和流动规律等信息。
瞬变电磁法在矿产资源勘探中的应用
总结词
高效、准确
详细描述
瞬变电磁法在矿产资源勘探中应用广泛，通过测量地下介质的电性特征，能够高效准确地探测出矿产 资源的分布和储量，为矿产资源开发提供重要的技术支持。
瞬变电磁法在地下水勘探中的应用
总结词
快速、无损
详细描述
瞬变电磁法在地下水勘探中具有快速、 无损的优势，通过测量地下介质的电 导率变化，能够快速准确地确定地下 水的位置和储量，为地下水资源开发 提供重要的技术手段。

90 -30
-40
断层边界
-50
-60
-70
-80
-90
-100
-110
340
360
380
400
420
440
460
480
500
600 590 580 570 560 550 540 530 520 510 500 490 480 470 460 450 440 430 420 410 400 390 380 370 360 350 340 330 320 310 300 290 280 -30
-70
A -80
-90
-100
-110
340
360
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420
440
460
480
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600 590 580 570 560 550 540 530 520 510 500 490 480 470 460 450 440 430 420 410 400 390 380 370 360 350 340 330 320 310 300 290 280 -30
第一代瞬变电磁仪
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瞬变电磁法原理 矿井瞬变电磁法简介 矿用型瞬变电磁仪应用案例 附件：矿用型瞬变电磁仪技术指标
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瞬变电磁法原理
瞬变电磁法原理
技术原理
瞬变电磁法（Transient Electromagnetics Method, TEM）是以地壳中岩
（矿）石的导电性与导磁性差异为主要物质基础，根据电磁感应原理，利用不
图1-2为732 材料道顺层方向视电阻率断面图，从图上可以看出有两个主 要的低阻异常区，即图中所标注的B和C异常区。B异常区位于390米标注处，C异 常区位于300米标注处。这两处异常可解释为断层对盘局部裂隙发育且充水的反 映。总体上看在顺煤层方向上断层与煤层的边界反映较为明显，即图中8 电阻 率等值线对应的位置（图中红虚线所示位置），到732材料道的均匀距离约为45 米。

0 t 0 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。