瞬间变电磁法得原理及应用
（一）瞬变电磁法的概念与特点
瞬变电磁法是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场,用线圈或接地电极观测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。
从方法机理讲,频率域方法和时间域方法没有本质的不同,前者研究谐变场特点,后者研究不稳定场特点,两者可借傅里叶变换相联系。瞬变电磁法的观测是在脉冲间隙中进行的,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,不同延时观测的主要频率成分不同,相应时间的场在地层中的传播速度不同,调查深度也就不同,这称之为空间的可分性。瞬变电磁法基于这两个可分性必然导致以下具体特点：
1）把频率域的精确问题转换成灵敏度问题,加大功率灵敏度可以增大信噪比,从而可加大勘探深度。
2）有穿透低阻覆盖的能力,探测深度大。
3）在高阻围岩地区不会产生地形起伏影响的假异常,在低阻围岩区,由于是多道观测,早期道的地形影响也较易分辨。
4）可采用同点组合进行观测,使与探测目标的耦合最紧,取得的异常响应强,形态简单,分辨能力强。
5）线圈定位、方位或接发距要求相对不严格,测地工作简单,工效高。
6）与测深工作同时完成,提供了更多有用信息,减少多解性。
由于这些特点伴随仪器的数字化和智能化、功率的增大、数学模型计算正反演的应用、解释水平的提高,现在瞬变电磁法可以解决的地质问题相应增多,如在矿产勘探、构造探测、水文与工程地质调查、环境调查与监测以及考古等领域,近年来在找水、市政工程、土壤盐碱化和污染调查以及浅层石油构造填图中都有较广泛的应用。
（二）瞬变电磁法的回线组合（装置）类型
瞬变电磁法所采用的主要回线组合如图3-31所示。
图3-31 近区磁源瞬变电磁法的主要回线组合
1.发射—接收同一回线组合
这种方式是用一个回线既当发射回线又当接收回线,回线的边长可以由5m变到200m左右。先供电到回线中,当电流断开时,回线两端转接到接收机,开始测量不供电期间的瞬变响应。
2.发射—接收重叠回线组合
此回线组合的几何形状与同一回线组合一样,只是发射回线和接收回线是两个独立的回线,两者空间上重叠在一起。家用绞合胶质电线,用于这种回线组合最合适,因为发射和接收所用的两条电线可以在一起一次铺设好。有时,为了降低超顺磁效应,发射回线和接收回线要分开3m左右,这称为偏离回线组合。
3.内—回线组合
内-回线组合是重叠回线的一个变种,它由偶极接收线圈（如用多匝空心的、铁淦氧磁体的或导磁金属心的探头）放在大发射回线的中心而组成。发射回线和接收线圈在作剖面观测时同时移动,即接收线圈与发射回线的中心总是在同一点上。故上述三种回线组合统称为同点回线装置。
4.分离发射—接收回线组合
这种组合的发射回线和接收回线相隔一固定距离。比如两个50m边长的回线,中心相距100m,这就是Slingram组合。这种组合有一个变种,由一个大发射回线和在它外面保持一定间距的偶极接收线圈组成。
5.双回线组合（Spies回线组合）
这种组合由两个相邻并联的回线组成。此组合对直立导体耦合比较好,而对覆盖层的耦合减弱。两个回线这样连接,使两回线中由电性干扰感应的相位相同的噪声反相相加。这意味此种组合能使回线噪声大为减弱。比如,采用这种组合有助于在50Hz噪声源附近工作。
6.大定源发射回线、移动接收线圈组合
铺设边长达1km长的大发射回线,固定其位置不移动,用一小的接收线圈沿垂直回线一边的测线移动进行观测。这种组合与频率域中Turam法采用的组合一样。在详查工作时,发射回线要布置在对目的物激励最佳的位置,接收线圈沿测线以大约10m的点距移动。因为接收线圈是一个小的多匝探头,所以除通常观测垂直（Z）分量外,还可以测场的水平（X和Y）分量,用小接收线圈的其他组合也可以这样做（如内-回线组合）。大发射回线铺在地面,将接收探头放入井中,可以观测三个分量。
（三）瞬变电磁场的结构及响应过程
瞬变场与谐变场一样,场源也分接地式和感应式两种,统称为发射装置。当发射装置中的电流突然阶跃下降为零时,在其周围产生急剧变化的电磁场。它是形成地中涡流的激发源。该场以两种途径传播到地下介质中：第一种途径是以光速c的电磁波,从空气中直接传播到地表各点,并将部分能量传入地下,在离场源足够远的地表面上形成垂直向下传播的不均匀平面波；第二种途径是电磁能量直接从场源所在地传播到地下,它在地中激发的涡流,似“烟圈”那样随时间之推移逐步扩散到大地深处。图3-32是半空间中等效电流环的立体图形。图3-33为穿过Tx中心的横断面内在不同时刻的电流密度等值线分布图。由图可见,随着时间的延长,涡流场将向下及向外扩展。
图3-32 “烟圈”的立体图形
在场的传播初期,第一种途径的场是瞬间建立的,而第二种由于在传播中受到大地阻抗作用,建立的时间相对较迟,故这期间两种传播方式的场在时间上是分开的。随后,这两种场互相叠加在一起。再后来,第一种传播方式的场衰减至可忽略不计,这时地中的二次场主要由第二种传播方式的场激发感生。
（四）导电球体中涡流建立与消失的物理过程
设球体位于均匀的一次场中,当发射回线中的电流突然关断,一次场瞬间消失时,按法拉第电磁感应定律为了维持球内原来的均匀磁场,立即感应出涡流,并仅仅分布在球体的表面[图3-34（a）、（b）]。所以,此时（称之为早期）涡流的分布与球体的电导率无关,或者说它受到高频的限制,因为涡流的分布正像球体在非常高频的交变磁场中产生趋肤效应那样。之后,球体内部环形电流的分布因受由这些电流引起的磁场相互影响所支配,将向球内移动,这段时期称之为“中期”[图3-34（c）]。在中期电流不仅向内移动而且因热耗损而减弱。最后电流的分布不再随时间而改变,此为“晚期”[图3-34（d）]。此时电流这样分布：靠近球心电流密度沿半径的距离线性地增加,在二分之一半径内相对均匀地分布,并向球边缘微微地减弱。该“晚期”的电流和相应的外部磁场开始以某一时间常数呈指数衰减,直到消失。
图3-33 穿过Tx中心的横断面内电流密度的等值线
Tx＝800 m×400 m
（五）同一回线或重叠回线装置的瞬变响应及电阻率计算公式
若均匀大地表面回线的供电电流以阶跃规律变化,则
电法勘探技术
由上式求得均匀半空间的感应电动势为
电法勘探技术
图3-34 不同时期球体中涡流的分布（据李金铭,2005）
（a）早期涡流在球体表面的分布；（b）～（d）不同时期球赤道平面上的涡流分布
其中：
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式中：τ0＝ ,量纲为一的综合参数；J1（x）为一阶一类贝赛尔函数。
函数fc（τ0）的渐进值在下列条件下具有足够的精度：当τ0≤0.01时,
fc（τ0）≈1/（4πτ0） （3-42）
当τ0≥3时,
电法勘探技术
将上两式代入下式
电法勘探技术
得到感应电动势如下：
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τ0≤0.01即远区（早期）,τ0≥3即近区（晚期）,在两者之间暂没有简单表达式,并且远区与电阻率无关。
由此组合的晚期电动势渐近式（3-45）可得
电法勘探技术
以上是均匀半无限空间的情况,下面则讨论地下存在不均匀体的情况。
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。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。
关键词:瞬变电磁;装置;回线;野外工作技术
1原理及优点
瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method,简称TEM)是一种人工源的时间域电磁法。它的基本原理是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场,即在导电率为σ、导磁率为μ的均匀各向同性大地表面敷设面积为零的矩形发射回线在回线中供以
的阶跃脉冲电流,将产生一个向地下传播的一次瞬变磁场,在该磁场的激励下,在地质体内产生涡流,在一次场消失后,涡流不能立即消失,它将有一个衰减过程,在此过程又产生一个衰减的二次场向地下传播。在地表用接收线圈或接地电极观测该二次电磁场的空间和时间分布。
在瞬变过程的早期阶段,频谱中高频成分占优势,因此涡旋电流主要分布在地表附近,由于趋肤深度的高频效应,阻碍电磁场向地下深部传播,因此早期阶段的瞬变场主要反映地层的浅部地质信息。在晚期阶段,高频成分被导电介质吸收,低频成分占主导地位,在这一阶段,局部地质体中的涡流,实际上全部消失,而各层产生的涡流磁场之间的连续相互作用使场平均化,这时瞬变场的大小主要依赖于地电断面总的纵向电导。
由于瞬变电磁测深法是在一次场断电后测量纯二次场,不存在一次场的干扰与普通电法相比,瞬变电磁法具有探测深度大、位置分辨率和测深分辨率高、不受静态位移影响、操作简便迅速、穿透高阻层能力强、不受接地电阻影响、地形影响小、对低阻地质体反应灵敏、生产效率高、可作大面积长距离堤防普查等优点。
2装置
瞬变电磁法的激励场源主要有两种,一种是载流线圈或回线形式的磁源,另一种是接地电极形式的电流源。发射的电流脉冲波形主要有矩形波、梯形波和半正弦波,不同波形有不同的频谱,激发的二次场频谱也不相同。瞬变电磁自其发展以来,工作方式多种多样.例如:重叠回线装置、中心回线装置、同一回线装置、偶极装置等。下面介绍装置的优缺点:
2.1重叠回线装置
重叠回线装置优点是瞬变电磁法特有的组合,它与目的物耦合最紧;发射线圈逐测点移动,不会有激发盲区;异常幅度大,形态简单,受旁侧影响小,横向分辨率高;发射磁距和接收磁 距较大。其缺点为分辨率相对较低,因为只能观测垂直分量; 设备较为笨重,铺线较为麻烦;人为导体较多处很难避开。
2.2中心回线装置
中心回线装置优点是重叠回线的变形,具有重叠回线的优点;可观测水平分量, 分辨率较高;接收回线可以避开如管道等人为导体, 在人为导体较多的测区,其数据质量优于重叠回线;体积效应, 受地形影响小,不受静态效应。其缺点是地质体的不均匀性影响较重叠回线的大。
2.3同一回线装置
同一回线装置优点是它主要响应为一单峰,异常形状较简单;可观测多个分量,能较精确地提供目的物倾角和深度信息;设备较轻便,适用于航电异常检查等深度浅、工作地区分散的工作。其缺点是一般发射磁距小;勘探深度较小。
3野外工作技术
3.1装置类型的选择
一般根据对目的物参数的估计、地质环境、电磁噪声等确定。
3.2回线大小的选择
3.2.1重叠回线装置是适用与轻便型仪器的工作装置,一般情况下回线边L=H,H为探测目标的最大埋藏深度。
3.2.2中心回线装置发送回线边长按该区测深工作所需要的探测深度、覆盖层平均电阻率、干扰电平及发送电流合理选定,也可以参照
3.2.3大定回线源装置发送线框依据探测深度,在100m×200m至300m×600m范围内选用,长边应平行地质体走向铺设,供电电流一般为10~30A。在发送框内、外用轻便线圈观测dBx /dtdBz /dt两个正交分量。
3.2.4在工程勘查中,一般使用回线边长为10~20m,点距为5~10m的重叠回线工作。
3.3道数和叠加次数的选择
一般来说,在实际工作中选择取样道数希望尽可能多些,以记录到在较宽的延时范围内的有用信号;而叠加次数则希望取得少些,以提高观测速度。这两点主要决定于测区内所用观测装置的信噪比。要想选择合适的取样道数和叠加次数,在一个测区开始工作之前首先做些试验工作。如果最后几道读数为仪器噪声电平,说明有用信号都已记录下来,取样数和叠加次数选择是合适的;如果最后的读数超过噪声电平但波动较大,这表明还未达到噪声电平,应增加测道数和叠加次数,直到最后几道仅为噪声电平为止。
答：瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method,简称TEM)是一种人工源的时间域电磁法。它的基本原理是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场,即在导电率为σ、导磁率为μ的均匀各向同性大地表面敷设面积为零的矩形发射回线在回线中供以 的阶跃脉冲电流,将产生一个向地下传播的一次瞬变磁场,在该磁...
答：Ehrlich法的原理非常简单。其基本原理是利用可以吸收特定波长的电磁波的化学物质进行定量分析。在药理学中，药物分子可以被这些化学物质吸收。这种分析方法称为分光光度法。具体地，Ehrlich法的原理是在使用药物之前，先将一定量的化学染料与具有相同体积的未受影响的细胞混合。将混合物放入显微镜下观察，可以...
答：瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method,简称TEM)是一种人工源的时间域电磁法。它的基本原理是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场,即在导电率为σ、导磁率为μ的均匀各向同性大地表面敷设面积为零的矩形发射回线在回线中供以 的阶跃脉冲电流,将产生一个向地下传播的一次瞬变磁场,在该磁...
