应用地电学B课件：EM11-时间域电磁法.pptx

1、应用地电学B2 变种方法工作场合频率域电磁法频率域电磁剖面法被动源法音频天然电场法地面航空甚低频法主动源法大定源回线法实、虚份量法地面航空井中振幅比-相位差法电磁偶极剖面法虚分量-振幅比法水平线圈法倾角法频率域电磁测深法被动源法大地电磁测深法地面，海洋音频大地电磁法主动源法频率测深法可控源音频大地电磁法时间域电磁法瞬变电磁剖面法地面航空井中瞬变电磁测深法地面什么是频率域电磁测深法？通常而言，（狭义的）电磁测深法特指的是人工源电磁测深法，一般采用磁偶极或电偶极装置，将不同频率的交变电场通过发射装置产生谐变电磁场，并使用接收装置在某一位置测量不同频率的电磁场变化，进而研究地下不同深度范围电性变化。

2、接收装置既可用水平电偶极子测量电场分量Ex,Ey,也可用垂直和水平线圈测量磁场Hx,Hy,Hz3频率域电磁测深法测量装置示意图4按照场源的类型和测量的参数区分，可以分为四种装置（S指线圈）：AB+MN装置:电偶源，接收电场AB+S装置:电偶源，接收磁场S+MN装置:磁偶源，接收电场S1+S2装置:磁偶源，接收磁场由于偶极源磁场较电场衰减快，故在大探测深度探测中多使用电偶源；磁偶源多用于浅部构造、水文工程领域5电磁波的传播途径6从发射源到接收机的距离为r（收发距）按照波的传播介质不同，电磁波可以划分为:天波，地面波(S0)，地层波(S1)。天波：因为频率测深用的是长波和超长波，向上传播的天波不会

3、被电离层反射回地面，因此在电磁测深中一般不考虑地层波（S1）：在传播一段距离之后，由于趋肤效应，能量将耗散殆尽地面波(S0)：在传播一段距离之后，近乎垂直的入射地层，成为频率域电磁测深法的主要信号来源（S*波）7波场区的划分：近区：(kr1时)地层波S1衰减殆尽，地下只有S0波入射形成的S*波存在。由于S*波垂直入射，相当于不均匀平面波，故也称波区。对地层分辨率最高。8近场远场过渡场过渡区：(kr1时)介于远区与近区之间的场区 在频率测深方法中，随着频率的不同，由高频到低频，同一观测点可处在波区，过渡区和S区。因此，与只研究波区条件下的大地电磁法比较，频率测深的正演理论、工作方法及解释理论都较

4、复杂。9近场远场过渡场10视电阻率的计算 以电性源（AB）赤道装置的远区为例：AB+MN装置：AB+S装置：1112电性源视电阻率测深曲线（赤道装置）电性源视电阻率测深曲线（赤道装置）两层介质 三层介质 （了解，教材P321-325）13装置类型的选择：AB-MN赤道装置灵敏度最大;S1-S2装置灵敏度最低;S发射比AB发射信号弱；前者勘探浅，后者勘探深；常用频率测深装置为赤道偶极装置，且由于AB-MN具有较高的灵度，故常使用。在浅部勘探中和接地困难地区才考虑使用其它装置。工作时记录点为AB-MN的中点。改变测点时，发、收装置同时移动。14工作频率范围：原则：能获得完整频率测深曲线。15装置大

5、小的选择：按波区要求：r最佳=(3 5)H；按发射偶极要求：AB r/4;兼顾二者：AB=H=r/4，MN=AB/2。16解释方法：定性解释：拟断面图等图件；半定量解释：基于趋肤深度的估算；定量解释：数值模拟正反演。17频率域电磁测深法的特点:与直流测深比较，用改变频率的方法来控制探测深度，而无需增加供电电极距AB的繁琐劳动（跑极）。对地层的分辨力强；勘探深度较大。应用领域十分广泛。18什么是“可控源音频大地电磁法”？C.S.A.M.T.Controlled Source Audio MagnetoTellurics一种使用音频大地电磁法观测方式的人工源频率域电磁测深法（一般仅限于陆地）C.S

6、.E.M.Controlled Source ElectroMagnetics一般使用电偶极源进行剖面测量，注意这一概念一般仅限于海洋（石油天然气工业）1920在音频（1nx103Hz）范围内，天然大地电磁场的场源一般是赤道附近的雷电作用，信号相对较弱（被称为“死频带”），同时，人文干扰较大。使用天然场进行测深较为困难。死频带为了克服上述困难，1970年代初，D W Strangway教授和他的学生M A Goldstein提出沿用AMT的测量方式，观测人工供电产生的音频电磁场，由于所观测的电磁场频率、场强和方向由人工控制，而观测的方式与AMT相同，所以称其为可控源音频大地电磁测深。可控源：控

7、制电磁场的频率，强度，方向音频：采用音频电磁场的频率范围大地电磁：采用大地电磁法的接收方式21作为一种频率测深法，CSAMT法也是通过磁性源（不接地回线）或电性源（电偶极）向地下供入音频范围的谐变电流以产生相应频率的电磁场。并在发射源的一侧或两侧，沿测线（X）方向观测相应频率的电场分量Ex和与之正交的磁场分量Hy，进而计算卡尼亚视电阻率：和阻抗相位：22CSAMT法原理21ExsHy zExHy（实际上需要经过估算）在音频段内（n10-1n103Hz)逐次改变供电和测量频率便可测出s和z随频率的变化，完成频率测深观测。由于磁性源发出的磁场相对电场在地下介质中耗散较快，其探测深度一般较小，多用于

8、工程、环境地质工作中。矿产勘探工作多采用水平偶极电性源发射。23装置布置（以电偶极源为例）测线与发射源的夹角一般不超过60度角，否则将不是平面波24TXU-30AB305-10km23km电道电道距离距离(=(=一个点位一个点位)磁道磁道标量 CSAMT 野外布置示意图1 个发射源个发射源1 个电道方向个电道方向每次调整点位测量每次调整点位测量1个方向磁场和个方向磁场和 另一方向电场另一方向电场Scalar CSAMT1 个发射源个发射源2 个电道方向个电道方向每次调整点位测量每次调整点位测量2个方向磁场个方向磁场和电场和电场2个发射源个发射源2个电道方向个电道方向每次调整点位测量每次调整点位

9、测量2个水平方向磁个水平方向磁场和电场（有可能测量场和电场（有可能测量Z方向磁场）方向磁场）TE(Transient Electric)（Ex，Hy，Hz）TM(Transient Magnetic)（Hx，Ey，Ez）极化模式划分极化模式划分(与大地电磁法相同与大地电磁法相同)作为一种频率测深方法，可控源音频大地电磁法的场也分为近区、过渡区和远区，在在A A区（近区）区（近区），接近发，接近发射机，射机，由于近区的阻抗是与频率无关的，所以不能起到测深的目的。在过渡区（在过渡区（B B）阻抗与频率的关系比较复杂，需要进行校正才能用于测深。在远区（在远区（C C）视电阻率表达式与大地电磁法完全一

10、样，为卡尼亚电阻率电性源装置远区：标量测量：矢量测量：312)()(1)(fHfEfyxS)()()(fffyxHEZ2)()(1)(fHfEfyxxy2)()(1)(fHfEfxyyx 磁偶源装置远区：过渡区：K为校正系数（在均匀半空间介质的条件下推导出来的，与地下各层之间的电阻率比值、信号的频段有关）。不同的研究者有不同的校正方法，如过渡三角形法，全频域视电阻率法等等。一些学者甚至直接放弃使用了卡尼亚电阻率，定义了一种新的“全区视电阻率”进行计算。32201xySHE20)()()()(fHfEfKfxyS33收发距的计算：尽量保证测量区域在远区以X方向的电偶极源为例，rmin受到排列方式

11、的限制：1、旁侧（赤道）排列的Ex/Hy测量：rmin42、轴向排列的Ex/Hy测量：rmin53、Ey/Hx测量：rmin34、如果允许在过渡带观测，则对于所有的方式都可放宽到rmin0.5标量 Ex/Hy标量 Ey/Hx有效的矢有效的矢量量CSAMT数据是被限数据是被限制在可见的制在可见的四个区域内四个区域内37近区，视电阻率呈四十五度角上升过渡区低谷远区正常视电阻率典型的实际测量曲线(不完全满足Kr1时)曲线的高频符合波区假设，低频的不符合符合波区假设，处于近区，出现近场效应。Zonge公司CSAMT仪器配套的视电阻率曲线编辑器近场效应校正：使用全区视电阻率计算公式静位移校正：空间滤波法

12、+相位法 38方法优点：工作效率高，以电偶极子为例，利用一个偶极发射，可以在4个很大的扇形区域内测量勘探深度范围大，数十米到2-3千米垂向及水平分辨率高地形影响小，易于校正，高阻层的屏蔽作用小39方法不足：发射源布设工作较为复杂发射端附近存在的电性不均匀体可能会带来对发射源的干扰过渡区修正比较困难场源效应的影响，主要包括：非平面波效应、场源附加效应、阴影效应等40414243GDP32-IIGDP32-II系统接收机主要组成部分系统接收机主要组成部分44 GDP32-II GDP32-II系统系统GGT-GGT-1010发射机部分发射机部分GDP32-IIGDP32-II系统系统ZMG-10Z

13、MG-10发电机部分发电机部分45地热勘探应用地电学B授课教师：张乐天47 变种方法工作场合频率域电磁法频率域电磁剖面法被动源法音频天然电场法地面航空甚低频法主动源法大定源回线法实、虚份量法地面航空井中振幅比-相位差法电磁偶极剖面法虚分量-振幅比法水平线圈法倾角法频率域电磁测深法被动源法大地电磁测深法地面，海洋音频大地电磁法主动源法频率测深法可控源音频大地电磁法时间域电磁法瞬变电磁剖面法地面航空井中瞬变电磁测深法地面什么是瞬变电磁法？利用不接地回线向地下发射脉冲式一次电磁场，用线圈观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，从而解决有关地质问题的时间域电磁法。瞬变电磁法的

14、特点是观测随时间变化的“纯二次场”484950发射机向发射线圈进行脉冲供电51与频率域电磁法与频率域电磁法类似，瞬变电磁类似，瞬变电磁法的装置布置较法的装置布置较为自由。为自由。主要有同点（自主要有同点（自激自收），偶极激自收），偶极接收，大定源回接收，大定源回线（不接地回线）线（不接地回线）等装置。等装置。分别可以对应剖分别可以对应剖面和测深工作。面和测深工作。瞬变电磁法的优点：1、断电后观测纯二次场，更容易探测地下异常，也消除了频率域的装置耦合噪声。2、可采用不接地回线装置，适宜于在各种地理环境下工作，在沙漠、冻土带等接地较差地区有较大优势。3、单脉冲激发就可以得到整条瞬变场衰减曲线的丰富

15、信息，且对线圈点位、方位或接收距要求相对不严格，施工简单，效率较高。4、不受高阻层的屏蔽影响，能穿透高阻层，对低阻层灵敏、分辨能力强。5、由于该方法不需接地发射接收，且装置轻便，利用该方法的测量系统，可实施地面、空中、地下、水上、井中或坑道电磁法探测。52瞬变电磁法的缺点：1、对浅层的垂向分辨能力不强。因为采样时间不能提得很早，最早的采样时间几微秒，电阻率100，也难对20米深度分层。2、现只有一维水平层状大地模型的定量解释方法较为成熟。3、由于测量的是较弱的二次场，且发射功率一般较小，信噪比较低，容易受天然或人文干扰电磁信号的影响。5354涡流：是由变化的一次场在导体内部产生的。一次场变化越

16、快，涡流越强，即关断时间越短，涡流越强。涡流以封闭形式存在于导体内。发射电流一旦关断，就产生初始磁场。初始磁场在导体内感应出涡流系统，涡流随时间而衰减。高频涡流，在导体表面流动，最早衰减、衰减快，所以早期瞬变场最强，下降最快。随着时间涡流向导体内部流动，导体电导率和体积越大，涡流向导体内部移动速度越慢、即衰减过程越慢。断电后二次涡流随时间的分布情况瞬变电磁场瞬变电磁场如何在地下如何在地下传播？传播？早期浅部信息晚期深部信息地下涡旋电流向下、向外地下涡旋电流向下、向外扩散的现象，称之为扩散的现象，称之为“烟圈效应烟圈效应”。57瞬变电磁法发射线圈一般采用正反向交替供电方式，即正向供电-关断-反向

17、供电-关断循环的方式58二次磁场随供电/关断时间的变化59由于良导电矿体内感应电流的热损耗，二次磁场大致随时间按指数规律衰减，即所谓瞬变磁场。一般在关断一次场之后几十微秒到数十毫秒，直接测量二次场的大小。观测的物理量：B、B/t瞬变电磁法如何分辨高低阻地下介质？由于导电性越好的异常体，感抗相对较大，故二次场保持时间越长。在断电后的较晚时间仍能观测到良导体的二次场。相反，导电性较差的覆盖层、围岩以及局部不均匀体的瞬变场，在较早时间内就会衰减殆尽。6061在较早时间段，瞬变场中包含有低阻异常体、以及覆盖层、围岩等高阻体异常的叠加，但在晚期就只剩下低阻体异常，较容易发现。2 ru 20()t km此

18、时，电磁场主要集中在场源附近测量到的磁场为可以发现其与时间无关，而与电阻率成正比早期场视电阻率可以表示为：62远区/早期场，一般取5()2;9BZBtrmt/0.01r5()92ZBtmtr此时，电磁场向地下深部传播测量到的磁场为可以发现其与时间和电阻率均成反比，但与距离无关。晚期场视电阻率可以表示为：63近区/晚期场，一般取2/3002();45BZmBttt/3r3/200()()20ZmBtttt“全域电阻率”当不满足早、晚期条件（中期）时，上述的电阻率计算结果可能有较大误差。传统上，中期场多用晚期公式。为解决这一问题，研究者们提出了“全域电阻率”公式。但由于其定义、算法不一，不同装置具

19、有不同的计算公式，且在远区有多解性，也只能算作一种近似算法。6566层状介质视电阻率测深曲线（了解，教材P350-354）由于人工场源的不均匀性（非平面波），无论是频率域测深还是时间域测深都会出现S、H、T等值性。出现条件：S等值：低阻薄层，高阻基底；H等值：高阻薄层，低阻基底，远区（波区-电磁场）；T等值：高阻薄层，低阻基底，近区（S区-直流场）。67瞬变电磁法资料的反演技术发展相对频率域电磁法而言，相对较为缓慢。目前比较成熟的方法多为一维程序，但也有学者进行高维度反演工作的研究，是电磁法勘探将来的发展方向。可分为：定性解释、半定量解释、定量解释。瞬变电磁法在矿产资源勘查领域正在逐渐取代频率

20、域电磁法成为主流方法。6869 变种方法工作场合频率域电磁法频率域电磁剖面法被动源法音频天然电场法地面航空甚低频法主动源法大定源回线法实、虚份量法地面航空井中振幅比-相位差法电磁偶极剖面法虚分量-振幅比法水平线圈法倾角法频率域电磁测深法被动源法大地电磁测深法地面，海洋音频大地电磁法主动源法频率测深法可控源音频大地电磁法时间域电磁法瞬变电磁剖面法地面航空井中瞬变电磁测深法地面应用地电学B授课教师：张乐天航空电磁法海洋电磁法井中电磁法探地雷达方法（不要求）震电法（不要求）71 被动源：AFMAG、ZTEM、航空VLF 主动源：频率域航空电磁 时间域航空电磁（航空瞬变电磁）航空电磁系统：硬架系统（R

21、igid-frame systems）吊舱系统（Towed-bird systems）前沿方向：与无人机技术结合72硬架系统（Rigid-frame systems）73吊舱系统（Towed-bird systems）74天然场：海洋大地电磁法人工场：海洋可控源电磁法7576 井下瞬变电磁 地表发射-井下接收 井下发射-井下接收（隧道超前探测）电磁测井 井间电磁成像 77井下瞬变电磁 地表发射-井下接收 78井下瞬变电磁 井下发射-井下接收（隧道超前探测）79（a）煤层顶板 巷道 600 探测方向 发射线框 煤层 （b）煤层顶板 巷道 探测方向 发射线框 煤层 （c）煤层顶板 巷道 探测方向 发射线框 煤层-100-90-80-70-60-50-40-30-20-1001020304050607080901000102030405060708090100110巷道掘进方向电磁测井 80井间电磁成像 81