瞬变电磁原理分解
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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。
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。
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。
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。
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。