主动源稳定电流场和交变电磁场

首先纠正一下问题的提法，只有在电路中才会有电流。
什么是稳定电场：强弱和分布不随时间变化的电场为恒定电场，也可称作稳定电场。
什么是交变电场：强弱和分布随时间变化的电场为交变电场，与其伴随的是电磁波。

使用大的发射框实际上就是加大发射功率，从而增强有用信号。瞬变电磁发射信号与发射面积、电流、线圈匝数成正比。所以理论上说，减小发射面积增加发射电流和增加线圈匝数也可以增大勘探深度，但是增加匝数的话或导致线圈的耦合效应增加，而电流会受到仪器的限制。发射框增加，发射面积增加显着，发射功率提高显着，但地下的综合效应越强。在应用中要权衡考虑这些问题

5.1.4.1 地下稳定电流场遵守的基本定律和满足的基本方程

地中电流密度与电场之间的关系。根据微分形式的欧姆定律，地下电流场中任意点上电流密度矢量j和电场强度矢量E成正比，比例系数为该点岩石的电导率，即

环境地球物理学概论

（5.1.1）式适用于任何形状的各向同性、非均匀导电岩石分布情况。

地中稳定电流的连续性。即在任何一个闭合面内，不会发生正电荷或负电荷的积累。其微分形式为

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即在稳定电流场的情况下，地下岩石任何点处的电流密度的散度恒等于零。

稳定电流场的势场性。稳定电流场在空间的分布是稳定的，不随时间而改变。势场是一种无旋场，

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即稳定电流场的旋度为零。

稳定电流场电位满足拉普拉斯方程。从稳定电流场所遵循的上述基本规律，可以归纳为一个简单的方程

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该式便是稳定电流场的电位满足的基本方程式。

在岩石导电性均匀或分区均匀的情况下，式中σ为常数，（5.1.4）式变为

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（5.1.5）式便是稳定电流场电位满足的拉普拉斯方程。

5.1.4.2 交变电磁场的基本特征

（1）交变电磁场的激发方式

交变电磁场的激发方式一般分为接地式（电性激发）和感应式（磁性激发），图5.1.6是谐变场的激发方式。

借助于交流电的发射装置，在地中及空气中建立感应电磁场。第一种方式与直流电法一样，利用A、B供电电极将交变电流直接供入大地。地中的分散电流及供电导线中的集中电流均在其周围产生交变一次磁场。后者在地中又感应产生二次电场，它是封闭的涡旋电场。如果地下介质不均匀，则在覆盖层、围岩及局部导体上均产生涡旋电场。其电流密度大小取决于各地质体的电阻率，即由欧姆定律决定。由此可见，欧姆定律和法拉第电磁感应定律是电磁法的物理基础。除涡旋电场外，被电流线穿过的电阻率分界面上产生积累电荷和具有不同磁导率分界面上产生的感应磁荷。这些也是电磁法的异常源。

如果观测点是在距A、B连线外的很远处，则A、B供电电极已成为电偶极子。

图5.1.6 谐变场的激发方式

交变电磁场的第二种激发方式是（见图5.1.6（b））在地表敷设通有交变电流的不接地回线或者多匝的小型发射线圈——磁偶极子。在回线或线圈周围产生交变磁场，由它激发在地中生成二次电磁场。感应激发方式多半用于接地条件较差的地方。电源的一次磁场和地中二次磁场叠加在一起形成总合磁场。在远离发射源的地方（远区），磁场在地表具有不均匀平面波的特点，由地表垂直地向地下深处传播。

（2）谐变场的结构特点

在频率域电磁法中常用的波场是谐变场。其中场强、电流密度以及其他物理量均按余弦或正弦规律变化，如

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这里φ_H和φ_E为初始相位。

在频率域电磁法中，地中二次电、磁场的频率与激发它们的一次电、磁场的频率相同，但它们之间有相位移。相位移的出现是与地下介质的电阻和电感有关。由于一次场和二次场在观测点上的空间的取向不同，所以这两种场合成结果必然形成椭圆。总磁场（总电场）矢量端点随时间变化为椭圆的场叫做椭圆极化场。

地中电磁场的椭圆极化现象是电磁感应场的重要结构特征。它可反映地下不同地质体的存在，因此可用于电磁法的反演问题中。

（3）瞬变场的结构特点

瞬变场是指那些在阶跃变化电流源激发下，地中产生的过渡过程的感应电磁场。因为这一过渡过程的场具有瞬时变化的特点，故取名为瞬变场。与谐变场情况一样，其激发方式也有接地式和感应式两种。在阶跃电流（通电或断电）的强大变化磁场作用下，良导介质内产生涡旋的交变电磁场，其结构和频谱在时间与空间上均连续地发生变化。

在过渡过程的早期，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，且阻碍电磁场的深入传播。在这一时间内，电磁场主要反映浅层地质信息。随着时间的推移，介质中场的高频部分衰减（热损耗），而低频部分的作用相对明显起来，增加了穿透深度。在往下传播过程中遇到良导层时，在其中产生较强的涡旋电流，且其持续时间也较长。在过程的晚期，局部的涡流实际上衰减殆尽，而各良导层产生的涡流磁场之间的连续相互作用使场平均化。这时瞬变电磁场的大小主要依赖于地电断面总的纵向电导。

瞬变电磁场状态的基本参数是时间。这一时间依赖于岩石的导电性和收发距。在近区的高阻岩石中，瞬变场的建立和消失很快（几十到几百毫秒）；而在良导层中，这一过程变得缓慢。在远区这一过程可持续到几秒到几十秒，而在较厚的导电地质体中可延续到一分钟或更长。

由此可见，研究瞬变电磁场随时间的变化规律，可探测具有不同导电性的地层分布（各层的纵向电导或地层总的纵向电导），也可以发现地下赋存的较大的良导体。

（4）瞬变场与谐变场比较

瞬变电磁场的激发是通过两种途径传播到观测点的。第一种激发方式是电磁能量直接经过空气瞬时传播到观测点处。地表的每个波前点成为场源（根据惠更斯原理），在离发射装置足够远处，在地表面上形成垂直向下传播的不均匀平面波。激发的第二种方式是，由发射装置直接将电磁能量传入地中。这时，由于大地的趋肤效应不可能立即在深部激发出瞬变场，而后才能形成。由此可见，在过程早期上述两种激发方式在时间上是分开的。随着时间的推移，这两种场叠加在一起，即形成瞬变场的极大。在晚期第一类场实际上衰减殆尽，而在地中形成第二种场的优势。

瞬变场与谐变场比较，在结构上差别很大。谐变场的结构是由一种频率的涡旋电流磁场之相互作用来决定，而瞬变场的结构是从过程的一开始就由多种频率的涡旋电流磁场的相互作用决定。由此可见，如果在很宽频带内已知频率域电磁响应，则可利用傅里叶反变换确定瞬变电磁场响应。这一道理的物理基础是，它们都研究基于电磁感应定律的涡旋电磁场，具有相同的物理原理。

在图5.1.7形象地给出了谐变场和瞬变场的涡旋电流场的结构。由于瞬变电磁场服从热传导方程的规律，故随时间的增加该场向深处传播过程中逐渐向外扩散，即可借用“烟圈”效应这一名词来描述。

环境电法是研究地球物理场中的上述各类电场（含电磁场）、地球物质的物理特性与人类生存环境之间的关系，这种关系具有双重的含义。所以，我们可以利用地球物理方法来预报、监测环境的变化并为制定环境保护措施提供依据。

本章将概要介绍环境电法中的几种方法：电阻率法、自然电场法、激发极化法、电磁法、探地雷达、地面核磁共振找水方法和激光测量方法。其中一些传统的勘查方法，如直流电阻率法、电磁法、自然电场法等，由于使用简单、成本低，且具有一定的效果，因此得到较多的应用。20世纪80年代以来，在勘查地球物理领域内发展起来的新方法、新技术和老方法新变种，已成为浅层地质调查的有力手段。例如，高密度电阻率法、探地雷达和地面核磁共振、激光测量等方法技术，使环境电法工作进入了一个新阶段。

图5.1.7 谐变场（远区）和瞬变场（晚期）的涡旋电流场的结构

在研究上述各类电场（含电磁场）特征的基础上，论述各种方法的特点，并对其原理、方法技术和可能的应用作一概略的介绍。