1节-电磁法理论基础课件.ppt

1、电电 磁磁 法法(Electromagentic)电磁法是以地壳中岩矿石的电磁法是以地壳中岩矿石的导电性导电性、导磁性导磁性和和介电介电性性差异为基础，通过观测和研究差异为基础，通过观测和研究人工的人工的或或天然的电天然的电磁场磁场的的空间和时间空间和时间分布来寻找分布来寻找矿产资源矿产资源或或解决其他解决其他地质问题地质问题的一类电法勘探方法。的一类电法勘探方法。1 1、什么是电磁法？、什么是电磁法？交变电流交变电流I1感应磁场感应磁场H2交变磁场交变磁场H1感应电流感应电流I2发射线圈发射线圈地下良导体地下良导体感应电动势感应电动势接受线圈接受线圈电磁法原理示意图电磁法原理示意图2 2、电

2、磁法分类、电磁法分类（1 1）按场源）按场源类型类型分分a a、天然场、天然场（被动源）（被动源）典型的方法：大地电磁法（典型的方法：大地电磁法（MTMT），），音频大地电音频大地电磁法（磁法（AMTAMT），），甚低频法（甚低频法（VLFVLF）。b b、人工场、人工场（主动源）（主动源）典型的方法：典型的方法：人工源频率测深（人工源频率测深（CSEMCSEM），），可控可控源音频大地电磁（源音频大地电磁（CSAMTCSAMT），瞬变电磁法（），瞬变电磁法（TEMTEM）等等。c c、混合场、混合场（混合源）（混合源）典型的方法：高频大地电磁测深（典型的方法：高频大地电磁测深（EH-4EH-

3、4）。a a、时间域电磁法、时间域电磁法(FDEM)(FDEM)典型的方法：瞬变电磁测深法、瞬变电磁剖面法。典型的方法：瞬变电磁测深法、瞬变电磁剖面法。b b、频率域电磁法、频率域电磁法(TDEM)(TDEM)典型的方法：大地电磁测深法、可控源音频大地典型的方法：大地电磁测深法、可控源音频大地电磁测深法、甚低频法等。电磁测深法、甚低频法等。（2 2）按场源特性分）按场源特性分注：注：这两类方法的原理和本质是一样的，其结果这两类方法的原理和本质是一样的，其结果可以互相转换，差别主要体现在技术和地质效可以互相转换，差别主要体现在技术和地质效果上。果上。a a、地面地面电磁法（电磁法（GEMGEM）

4、b b、航空航空电磁法（电磁法（AEMAEM）c c、海洋海洋电磁法（电磁法（MEMMEM）d d、井中井中电磁法（电磁法（BEMBEM）（3 3）按）按工作环境分工作环境分a a、利用的物性参数多（、利用的物性参数多（、）；）；b b、测量的参数多（、测量的参数多（E E、H H的空间各个分量以及振的空间各个分量以及振幅、相位、实、虚分量等幅、相位、实、虚分量等）;c c、解决地质问题的能力强；、解决地质问题的能力强；d d、可不接地，因而可在沙漠、冻土及高阻屏蔽、可不接地，因而可在沙漠、冻土及高阻屏蔽和城市等地工作；和城市等地工作；e e、不受高阻层的屏蔽；、不受高阻层的屏蔽；f f、探测

5、深度较大。、探测深度较大。3 3、电磁方法特点、电磁方法特点4 4、电磁方法应用领域、电磁方法应用领域a a、找良导矿、找良导矿；b b、地质填图；、地质填图；c c、区域构造；、区域构造；d d、管线探测；、管线探测；e e、城市工程勘查；、城市工程勘查；f f、无损检测。、无损检测。第一节第一节 电磁法理论基础电磁法理论基础一、一、各类介质在交变电磁场中的电磁学性质各类介质在交变电磁场中的电磁学性质对于对于谐变电磁场谐变电磁场而言而言 ：0iwtEE etEiEEE)i(tEtE)i(j1 1、导电性导电性 在交变电磁中的总电流密度为在交变电磁中的总电流密度为CDDEjjjEEtt分析：分

6、析：（1 1）在交变电磁场中的介质，其介电系数和导电）在交变电磁场中的介质，其介电系数和导电率均视为复数形式，其值与率均视为复数形式，其值与,和和有关，其中有关，其中值在电阻率法中己列出；值在电阻率法中己列出；（2 2）j jC C与与j jD D相位相差相位相差90900 0，即，即j jD D呈容抗性。由于二者呈容抗性。由于二者之间相差之间相差jj系数，故系数，故j jD D落后或迟于落后或迟于j jC C90900 0；（3 3）引入介质的电磁系数）引入介质的电磁系数 1011.810_ CDrHzMjmtyjf 耗损角正切若若 m 1 m 10 0 导电介质导电介质；m m 10m10

7、）和）和介电体介电体（m m 0.10.1）的范围。的范围。由此可见：由此可见：在实际勘查中的介质在实际勘查中的介质r r=550=550，f10f104 4HZHZ，1010f106 6HzHz，无线电波透视法，无线电波透视法f=n10KHz,f=n10KHz,探探地雷达法中地雷达法中f=200MHz2.0GHzf=200MHz2.0GHz，其介质的导电性，其介质的导电性主要与主要与r r 和和f f有关，视为介电性介质属性。有关，视为介电性介质属性。表征电介质在外电场中，被极化程度的一个物理表征电介质在外电场中，被极化程度的一个物理量，与物质的成分、结构、湿度和工作频率有关。量，与物质的成

8、分、结构、湿度和工作频率有关。ED0rer1EPe0 极化强度矢量极化强度矢量 对于导电介质，有对于导电介质，有1i1208.85 10/F m其中：2 2、介电性（又称电容率）介电性（又称电容率）各类矿石、岩石的介电常数各类矿石、岩石的介电常数（a a）矿物矿物绝大多数的造岩矿物绝大多数的造岩矿物r r=4 12；一般金属矿物：；一般金属矿物：r=10 n10；水为水为 80；空气为空气为1。（b b）岩石）岩石火成岩：火成岩：r=714；变质岩：变质岩：r=315；沉积岩：沉积岩：r=2.5 40，主要决定含水量。，主要决定含水量。反映介质在磁场中的磁化程度的物理量。反映介质在磁场中的磁化

9、程度的物理量。HBr0mH/10470除少数磁铁矿物之外，大多数介质的相对除少数磁铁矿物之外，大多数介质的相对磁导率磁导率接近于接近于1 1，从而，可忽略对电磁场的影响，从而，可忽略对电磁场的影响 。3 3、导磁性导磁性1 1、波动、波动方程方程及边界条件及边界条件 （1 1）麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组EDHBEj注：注：每个方程的物理意义，方程中各个字母每个方程的物理意义，方程中各个字母的含义的含义.库仑定律涡旋场法拉第定律安培定律qDBtBEtDjHB0注：注：在在实际实际电法勘探中，导电介质内自由电荷电法勘探中，导电介质内自由电荷经过短暂衰减后变为经过短暂衰减后变为0 0，所以，所以q

10、=0q=0，即，即0D 得到得到简化简化的的麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组0E0HtHEtEEH222222tEtEEtHtHH利用恒等式利用恒等式 便可得电磁场的微分方程便可得电磁场的微分方程2EEE （2 2）微分方程（波动方程）微分方程（波动方程）（3 3）谐变场的微分方程谐变场的微分方程谐变场的结构特点：谐变场是频率域法中常用的波谐变场的结构特点：谐变场是频率域法中常用的波场。其中场强、电流密度以及其它量均按余弦或正场。其中场强、电流密度以及其它量均按余弦或正弦规律变化。弦规律变化。titieEEeHH00将上式代入电磁场的微分方程中，可得谐变场的将上式代入电磁场的微分方程中，可得谐变场

11、的微分方法微分方法亥姆霍兹齐次方程亥姆霍兹齐次方程上式忽略位移电流影响上式忽略位移电流影响，k k为波数（传播系数）为波数（传播系数）2222200(1)2Ek EHk Hkiii (4)(4)边界条件边界条件在不同介质的分界面上，即在在不同介质的分界面上，即在 或或 出现不连出现不连续处，满足边界条件：续处，满足边界条件：12121212ttttnnnnEEHHDDBB脚标脚标 t t 表示切向分量，表示切向分量，n n 表示法分量。表示法分量。2 2、均匀介质中平面电磁波的传播、均匀介质中平面电磁波的传播平面电磁波的结构特点：在平面电磁波的结构特点：在无限均匀介质中，同一相位无限均匀介质中

12、，同一相位面为平面的电磁波称为面为平面的电磁波称为平面平面电磁波电磁波。若在这一平面上场。若在这一平面上场振幅为常数，则称为振幅为常数，则称为均匀平均匀平面电磁波面电磁波，否则为非均匀平，否则为非均匀平面电磁波。面电磁波。0,0EEHHxyxy (1)(1)均匀介质中平面电磁场的表达式均匀介质中平面电磁场的表达式上述微分方程的通解为上述微分方程的通解为根据亥姆霍兹齐次方程，电磁场的定解问题为根据亥姆霍兹齐次方程，电磁场的定解问题为222000|0 xxxzxxzEk EzEEE12kzkzxEC eC e根据初始条件可得根据初始条件可得0kzxxEE e0itxEAe2(1)2kiiikbai

13、其中，其中，为地表的电场分量，如果为谐变场，为地表的电场分量，如果为谐变场，则则在忽略位移电流的情况下，在忽略位移电流的情况下，2ab所以，电磁分量的解可写为所以，电磁分量的解可写为()bzit azxEAee0 xE令，令，(2)(2)均匀介质中平面电磁场的传播规律均匀介质中平面电磁场的传播规律()bzxxEAeEt aza.a.衰减系数和相位系数衰减系数和相位系数根据所求电场的表达式，可得电场的振幅和相位根据所求电场的表达式，可得电场的振幅和相位分别为分别为可见，可见，b b决定了电磁场的振幅随传播距离衰减的速决定了电磁场的振幅随传播距离衰减的速度，度，a a决定了电磁场的相位随传播距离变

14、化的速度，决定了电磁场的相位随传播距离变化的速度，因此，称因此，称b b为为衰减系数衰减系数，a a为为相位系数相位系数。1/2/503/bf b.b.趋肤深度趋肤深度当电磁场沿当电磁场沿z z轴方向传播时，其振幅衰减为入射时轴方向传播时，其振幅衰减为入射时的的1/e1/e倍时所传播的距离称为倍时所传播的距离称为趋肤深度趋肤深度。可见，趋肤深度随电阻率的增加而增加，随电磁可见，趋肤深度随电阻率的增加而增加，随电磁场频率的增加而降低场频率的增加而降低注：注：趋肤深度与勘探深度的区别与联系趋肤深度与勘探深度的区别与联系勘探深度：勘探深度：电磁波能量衰减到原来的电磁波能量衰减到原来的50%50%时的

15、传播时的传播深度深度356()mfc.c.传播速度和波长传播速度和波长/zt a2va710vf在在t=0t=0时刻，时刻，z=0z=0处的电场相位为处的电场相位为零零，在，在t=tt=t时刻，时刻，零零相位面移动到相位面移动到所以，电磁场传播的相速度为所以，电磁场传播的相速度为在无磁性介质中，在无磁性介质中，忽略位移电流，电磁波的波长为忽略位移电流，电磁波的波长为7102vff3 3、均匀介质的、均匀介质的波阻抗波阻抗EZHcoscosxxyyEEEZHHH相互正交的一对电场与磁场的比值称为相互正交的一对电场与磁场的比值称为波阻抗波阻抗，记为，记为Z ZcoscosyyxxEEEZHHHxy

16、yxZZ表明均匀各相同性介质中表明均匀各相同性介质中波阻抗是和测量方位无关波阻抗是和测量方位无关的标量，称为的标量，称为标量阻抗。标量阻抗。x-kzx0E=Eexy-i(/4+)yxEiiZ=-=eHk-i波阻抗与介质电阻率之间的关系：波阻抗与介质电阻率之间的关系：-kzyx0 xkkH=-Ee=-Eii-i/4xxyyEiiZ=-=-=eHk-ixy22xxyyE11=Z=H可得可得所以所以可确定大地的可确定大地的电阻率电阻率yxHizE根据根据同理同理yyxyxx22E11=Z=H三三、导电地质体的电磁感应导电地质体的电磁感应tieII101tieHH1011 1、局部导体的电磁感应模型局

17、部导体的电磁感应模型在地面放一个发射机，将频率为几十到几千在地面放一个发射机，将频率为几十到几千HzHz的交变的交变电流电流 输送到发射线圈输送到发射线圈T T中，使其周围空间中，使其周围空间产生足够强的一次交变电磁场产生足够强的一次交变电磁场dtdIMdtd1如果地下有一良导体存在，那如果地下有一良导体存在，那么根据电磁感应定律，地下良么根据电磁感应定律，地下良导体在一次场的激发下，就会导体在一次场的激发下，就会产生感应电动势：产生感应电动势：磁通量，：磁通量，M M：发射线圈与：发射线圈与地下导体间的互感系数地下导体间的互感系数良导体的物理模型良导体的物理模型在电磁法中，一般将地下导体视为

18、由电阻在电磁法中，一般将地下导体视为由电阻R R和电感和电感L L组成的串联回路。组成的串联回路。在一次场的激发下，导体产生的感应电流在一次场的激发下，导体产生的感应电流I2I2为：为：)(2222222112LRRiLRLMILiRiMILiRI)(2222222122LRRiLRLGMIGIH感应电流感应电流I2I2在其周围空间产生二次磁场在其周围空间产生二次磁场H2H2，空间某点的二次磁场或异常场为：空间某点的二次磁场或异常场为：式中式中G G为几何因子，是空间坐标（为几何因子，是空间坐标（x x，y y，z z）函数。）函数。RLtgHHtg 12212ImRe 22222)(Im)(

19、ReHHH 22221)(Im)Re(HHHH 2121ReImHHHtg电磁法主要是研究二次磁场的变化规律来达到电磁法主要是研究二次磁场的变化规律来达到解决地质问题的。在地面决置一个接收线圈，解决地质问题的。在地面决置一个接收线圈，那么它一般能接收到总场：那么它一般能接收到总场：H HH1H1H2H22 2、局部导体二次磁场的频率特性局部导体二次磁场的频率特性RLiLGMIH )11(222122221Re KH221Im KH将将H2H2作简单变换，可得：作简单变换，可得：随着频率的增加，二次场实分量迅速增强，最后于随着频率的增加，二次场实分量迅速增强，最后于一稳定值一稳定值。随着频率的增

20、加，随着频率的增加，二次场虚分量二次场虚分量一方面随着频率的一方面随着频率的增加而增强，另一方面又增加而增强，另一方面又随着随着总磁场实分量的削弱总磁场实分量的削弱而削弱。而削弱。频率较低时，频率增加使虚分量增强的作用更大，频率较低时，频率增加使虚分量增强的作用更大，二次磁场虚分量总体上是随频率的增加而增强；二次磁场虚分量总体上是随频率的增加而增强；频频率较高时，率较高时，总场实分量的削弱使虚分量削弱的作用总场实分量的削弱使虚分量削弱的作用更大，更大，二次场虚分量总体上随着频率的增加而减弱。二次场虚分量总体上随着频率的增加而减弱。虚分量存在虚分量存在最佳工作频率最佳工作频率:=R/L=R/L。

21、良良导导球球体体的的频频率率域域异异常常场场分分析析D D为响应函数或频率特性函数为响应函数或频率特性函数3 3、局部导体二次磁场的时间特性局部导体二次磁场的时间特性在时间域电磁法中使用场源为脉冲电磁场，使用较在时间域电磁法中使用场源为脉冲电磁场，使用较多的是方波脉冲，也有三角形脉冲。研究二次场的多的是方波脉冲，也有三角形脉冲。研究二次场的时间特性是时间域电磁法的主要任务之一。时间特性是时间域电磁法的主要任务之一。时间特性计算方时间特性计算方法法a a，直接法，直接法:直接在时间域计算麦克斯韦方程组；直接在时间域计算麦克斯韦方程组；b b，频谱法：时间域，频谱法：时间域 频率域频率域 时间域时

22、间域以以RLRL回路为例计算回路为例计算，设一次磁场为阶跃磁场设一次磁场为阶跃磁场101100()1()00HtH tHu tt1011()()i tHHHt edti101()1()/aHiaHIRiLLRLi101()()()2i tAtaHI tIedu t eL傅里叶变换傅里叶变换傅里反叶变换傅里反叶变换/ARL闭合回路中激发的感应电流具有指数衰减形式，衰闭合回路中激发的感应电流具有指数衰减形式，衰减速度取决于减速度取决于A A的值的值。回路的回路的导电性导电性越差，越差，A A越大，感应电流衰减也越越大，感应电流衰减也越快；导电性越好，感应电流及其二次磁场的衰减越快；导电性越好，感应

23、电流及其二次磁场的衰减越慢慢。可以根据二次异常的衰减快慢来判断地质体的导电可以根据二次异常的衰减快慢来判断地质体的导电性的优劣。性的优劣。4 4、交变电磁场的椭圆极化现象、交变电磁场的椭圆极化现象tcosHH101在在频率域电磁法频率域电磁法中，观测的场为一次场和二次场的中，观测的场为一次场和二次场的总场，由于一次场和二次场在空间的取向不同且存总场，由于一次场和二次场在空间的取向不同且存在相位差，所以这两种场的合成结果必然形成椭圆，在相位差，所以这两种场的合成结果必然形成椭圆，总磁场（或电场）矢量断点随时间变化的轨迹为椭总磁场（或电场）矢量断点随时间变化的轨迹为椭圆的场叫做圆的场叫做椭圆极化场

24、。椭圆极化场。设有水平方向的一次磁场设有水平方向的一次磁场 ，二次，二次磁场有相位移磁场有相位移 ，则，则总磁场的水平分量为总磁场的水平分量为总磁场垂直分量为总磁场垂直分量为)cos(202tHH)cos()cos(cos00210 xxxxtHtHtHH)cos(0zzztHH)cos()cos()cos(000zzzyyyxxxtHHtHHtHH0)sin()sin()cos()cos()()(cos)cos(zzzxxzxxzxxzHHttttxH由此可见，有相位差的两个矢量合成的总场在直由此可见，有相位差的两个矢量合成的总场在直角坐标系中的各分量，不仅其振幅不同，而且相角坐标系中的各分

25、量，不仅其振幅不同，而且相位也不同，在一般情况下可写出位也不同，在一般情况下可写出现讨论现讨论x x、z z平面内平面内 、场的极化情况。由于场的极化情况。由于zH0200)sin(1)cos(zzzxxxzxxxHHHHHH将上式整理后得将上式整理后得)(sin)cos(2200202202zxzxzzxxzzxxHHHHHHHH平方后经整理得平方后经整理得上式即为上式即为以以 和和 为变量的为变量的椭圆方程。椭圆方程。xHzH电磁场的椭圆极化现象是电磁感应场的重要结构特电磁场的椭圆极化现象是电磁感应场的重要结构特征，它反映了地下征，它反映了地下良导地质体良导地质体的存在。的存在。其极化椭圆

26、长轴与其极化椭圆长轴与X X轴的夹角、长短轴半径分轴的夹角、长短轴半径分别为：别为：)(sinHH4HHHH21b)(sinHH4HHHH21acosHHHH2ty21zx220z20 x220z20 x20z20 x2zx220z20 x220z20 x20z20 x2zx20z20 x0z0 x1分析：分析：（1 1）00zzxxzxHHHH 线性极化线性极化（3 3）2112211ImRexxHHHHatybHH一般，有及 极化倾角极化倾角含有地质异常信息。含有地质异常信息。(2)(2)002zxzxHH 圆极化圆极化本节知识要点本节知识要点1.1.掌握电磁参数随工作频率的变化规律；掌握

27、电磁参数随工作频率的变化规律；2.2.掌握平面电磁的传播规律；掌握平面电磁的传播规律；3.3.掌握电磁感应二次场的频响、时间掌握电磁感应二次场的频响、时间响应响应和和椭圆极化规律。椭圆极化规律。练习与思考题练习与思考题1.1.什么是电磁系数？说明电磁系数的物理意什么是电磁系数？说明电磁系数的物理意义。义。2.2.试推导谐变场的亥姆霍兹方程，说明传播试推导谐变场的亥姆霍兹方程，说明传播系数的物理意义。系数的物理意义。3.3.什么是椭圆极化？试推导总磁场水平分量什么是椭圆极化？试推导总磁场水平分量和垂直分量为变量的椭圆极化方程，椭圆极和垂直分量为变量的椭圆极化方程，椭圆极化的存在说明了什么？化的存在说明了什么？