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牛之琏——瞬变电磁法

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牛之琏——瞬变电磁法 书书书   图书在版编目(CIP)数据  时间域电磁法原理/牛之琏编著—长沙:中南大学出版社, 200712  ISBN9787811056136  Ⅰ.时... Ⅱ.牛... Ⅲ.电磁法勘探 Ⅳ.P6313  中国版本图书馆CIP数据核字(2007)第170642  号 时间域电磁法原理  牛之琏 编著 □责任编辑 邓立荣 □责任印制 文桂武 □出版发行 中南大学出版社    ...
牛之琏——瞬变电磁法
书书书   图书在版编目(CIP)数据  时间域电磁法原理/牛之琏编著—长沙:中南大学出版社, 200712  ISBN9787811056136  Ⅰ.时... Ⅱ.牛... Ⅲ.电磁法勘探 Ⅳ.P6313  中国版本图书馆CIP数据核字(2007)第170642  号 时间域电磁法原理  牛之琏 编著 □责任编辑 邓立荣 □责任印制 文桂武 □出版发行 中南大学出版社      社址:长沙市麓山南路      邮编:410083       发行科电话:07318876770    传真:07318710482 □印  装 长沙市华中印刷厂 □开  本 787×10921/16□印张 19.5□字数 489千字 □版  次 2007年12月第1版 □2007年12月第1次印刷 □书  号 ISBN9787811056136 □定  价 3800元 图书出现印装问题,请与经销商调换 时间域电磁法原理 牛之琏 编著 中南大学出版社 内容提要 本书从应用的角度出发,阐述了有关时间域电磁法(即瞬变电磁法)的理论 基础、方法技术和应用实例。全书分以下五篇:理论基础,瞬变电磁信号检测原 理及仪器,剖面测量方法,测深方法,井中瞬变电磁方法。书中列举了笔者和合 作者在勘查深部金属矿产及扩大应用领域方面取得效果的实例,也将近些年来与 作者合作的合作者提供的卓有成效的实例分成十个专题编入本书的附录。全书 理论联系实际,从基本的电磁场理论(或物理概念)出发,深入浅出地论述了方法 原理,充实和阐述了近代电子技术及计算机计算技术在仪器系统和数据处理、成 图、解释软件等方面的应用及发展动向。本书反映了笔者及合作者20多年来的 研究成果和业绩,同时精选了众多国内外文献和手册中的内容。本书可供地质、 地球物理工作者,大专院校高学生,研究生等作为“电磁法勘探专题”的主要 参考用书。 前  言 笔者分别于1985年和1993年主编出版了《脉冲瞬变电磁法及应用》和《时间域电磁法原 理》两本书,也主编出版了两册译文集。实际上是我校与冶金部第一地勘局、新疆有色地勘 局、湖南有色地勘局、华北有色地勘局、华东有色地勘局、湖南煤炭地质局、安徽煤炭地质 局、长沙智通新技术研究所及长沙白云仪器开发有限公司等单位合作开发研究成果的总结。 大量的理论研究、物理模拟、正反演计算程序、仪器研制、野外试验和实践应用实例等资料 来自合作开发的成果。在近十几年中,笔者继续与冶金部第一地勘局、云南有色地勘局、湖 南有色地勘局、山西煤炭地质局、核工业203所等单位合作继续开展方法技术野外试验研究 和实践,在探测深部金属矿、地热勘查、勘查深层水、工程勘察、湖海水面作业勘查等方面取 得成效,编制了用于实践的数据处理和半定量解释用的软件包。起草了《中华人民共和国地 质矿产部行业———地面瞬变电磁法技术规程》。在仪器研制方面,协助白云仪器开发有 限公司在原已经省部级鉴定并获湖南省科技创新金奖的SD-1瞬变电磁系统的基础上,改进 成型为MSD-1瞬变电磁仪;并于1998年与杜其江高工、潘秋明研究员等合作,研制成功 GPS信号同步中功率瞬变电磁仪。这些点滴成果都有待总结、充实、提高,在我国进一步推 广应用时间域电磁法中发挥作用。 我国经济建设的快速发展,矿产、矿业、油气田、交通、电力、工程建设、环境保护、古 建筑(古墓等)勘测等对应用地球物理提出了新需求,尤其需要适应勘查深部隐伏矿的需求。 此外,在对煤矿生产至关重要的煤田水文地质勘查方面,瞬变电磁法已经成为了首选的物探 手段。有鉴于此,近十年来,时间域电磁法在国内外备受青睐并得到很快发展,应用领域涉 及方方面面,新技术、新观测系统不断涌现。不少合作者及同行朋友都提出需要重新编著一 本适应于当前形势的需要的书。考虑了很久,笔者还是下定决心编写新版《时间域电磁法原 理》一书,好在现在条件有所改善,可以上网查阅近几年所空缺的资料,此外还有众多合作者 的支持。 本书从应用的角度出发,阐述讨论有关时间域电磁法的理论基础、方法技术和应用实 例。全书分以下五篇:理论基础、瞬变电磁信号检测原理及仪器、剖面测量方法、测深方法 和井中瞬变电磁方法。为了避免篇幅过大,一些电磁场理论的详细推导过程已删除,直接引 用其结论,指明所引用的文献。建立在电磁感应原理基础上的时间域电磁法,二维、三维正 反演方法(包括成像)所引用的仍然是经典理论推导结果的,人们引入了一些现代计算方 法及技巧,把复杂的地质问题作了许多简化,成为诸多的方法。至今,这些方法应用于实践 还存在许多问题,因此,书中仅作简要介绍,指明具有代表性的文献。另外,野外应用中,剖 面测量和测深方法的资料整理和解释,通常并没有明显界线,有时剖面测量的结果可以整理 出测深的图件,反之亦然;书中只是为了系统阐述方便而将其截开。在仪器方面,这些年国 内外发展很快,书中重点叙述近代仪器检测原理;具体的仪器仅主要介绍 Geonics公司的 PROTEM系统等世界公认的一流仪器,使读者了解这类仪器的技术指标和突出优点,能够 与其他各类仪器(可上网查询)有个对比。应用实例方面,精选了几位笔者和合作者在勘查深 1前 言 部盲矿及扩大应用领域方面取得效果的例子,也将近些年合作者提供的不少实例分成十个专 题编入本书的附录中。读者如在实践中遇到困难和问题,笔者非常乐意本着共同提高的目 的,予以回答、协助和讨论。 书中引用了与笔者愉快合作长达26年的刘本浩教授级高工主持完成的三个实例,尤其 是在资源严重危机的矿山———辽宁红透山矿区的应用实例引人注目,几年的工作使红透山矿 的资源量增加了一倍;书中相当多篇幅内容也是共同合作研究的成果。张宪润教授、李凤初 高工、刘本浩教授级高工、杨治元高工、黄秦高工、任光明老总、冯索夫高工、周国华工程 师、王隆平博士(教授级高工)、叶英博士、潘秋明研究员、杜其江高工、卢军高工、李文尧教 授、罗鉴凡高工、廖忠工程师、雷治远高工、沈长明高工、李爱华高工、宋先旺高工、孙紫英 教授、刘国生高工等长期来与本人愉快合作,或协助笔者完成了多项课题。由长期从事电磁 测深理论研究和二、三维正反演计算方法研究的资深学者陈明生研究员和闫述教授编写了 《二、三维数值模拟原理及反演解释》及《局部导电体对地下瞬变场扩散的影响特征》两节。 此书编写过程中,征求过李金铭、程方道、任怀宗、刘国栋等四位资深老教授的意见,与吕国 印教授级高工、罗国平高工、朱献平高工、刘显跃教授讨论了若干技术难题,获益匪浅。 在此,深切怀念曹冰河教授级高工,他卓有成效地把时间域电磁法引入湖南,成功地开 展了深部找矿的试验研究及投入勘查工作,论著颇多,贡献极大。 本书的出版得到北京欧华联科技有限责任公司、湖南有色地勘局、云南铜业勘查物化探 公司及长沙白云仪器开发有限公司资助,得到中南大学信息物理工程学院席振珠等老师的支 持,在此深表谢意。 本书涉及内容较多,着重于技术应用,适应于有一定实践经验和基础的读者,也希望对 正准备开展该方法的读者有所帮助。为此,在文字上相当省略,期望能节省一些读者的宝贵 时间。是否能达到预期效果,敬请读者评价、批评指正。 牛之琏 2007年5月1日于中南大学 2 时间域电磁法原理 本书使用的部分符号及缩写词 1.缩写词 ЗС      建场测深          ЗСД     远区建场测深 ЗСБ 近区建场测深 ЧЗ 频率测深 МПП 过渡过程法 МППО 共圈过渡过程法 СМПП 井中过渡过程法 АМПП 航空过渡过程法 ВПИ 感应激发极化 KMA 库尔斯克磁异常 FEM 频域电磁法 TDEM 时域电磁法 TEM 瞬变电磁法 PEM 脉冲电磁法 INPUT 感应脉冲瞬变电磁法 TEMH 钻井中电磁法 Tx 发送回线 Rx 接收回线 Txp 发送框的中心点 POS 板顶中心点 2.符号 Re  实分量         Im 虚分量          M  感应偶极磁矩 H 磁场强度 B 磁感应强度 E 电场强度 J 电流密度 I 供电电流 E 电场或电偶极 H 磁场或探测深度、目的层 Φ 磁通或概率积分 B 感应磁场 的深度 i(t) 感应涡流 V(t)感应电压 ρ 电阻率 σ 电导率 ε 介电常数 μ 磁导率 S 纵向电导或回线面积 δ 趋肤深度或扩散深度 η 激发极化率 t 时间 AB 供电线AB MN 测量电极 L 回线边长或电感 Q 发送回线面积 q 接收线圈有效面积 τ 时间常数或扩散参数 r 装置的偶极距或径 向距离 R 发送回线半径或电阻 M 发送回线的磁矩或磁偶极 j 虚数 tof 发送电流切断时间 b 板状体长边 h 深度或厚度 a 球体半径或板状体短边长度 tl 进入晚期的时间 T 周期 N 线圈匝数 n 测道数 β2 球体的特征参数 α 矿体倾角或综合参数 β 相交角 S/N信噪比 φ 走向角 γ 边缘角 上注标Z、AB表示垂直磁偶源、电偶源; 下脚标x、y、z、φ表示场的x、y、z、φ分量; 下脚标τ、ω、s表示时域,频域,直流电。 目  录 绪论 (1)…………………………………………………………………………………………… 0.1 发展概况 (1)…………………………………………………………………………… 02 工作装置 (3)…………………………………………………………………………… 03 观测参数 (5)…………………………………………………………………………… 04 时间域电磁法的特点和局限性 (6)…………………………………………………… 第1篇 时间域电磁法的理论基础 第1章 激发场源 (7)…………………………………………………………………………… 1.1 常用激发场波形及其频谱 (7)………………………………………………………… 1.2 观测信号波形的特征 (8)……………………………………………………………… 1.3 发送波形参数对观测结果的影响 (11)……………………………………………… 1.4 关断效应影响的计算 (13)…………………………………………………………… 1.5 综合阐述 (15)………………………………………………………………………… 1.6 时间域与频率域电磁场之间的关系 (16)…………………………………………… 第2章 层状大地的瞬变电磁场 (18)…………………………………………………………… 2.1 瞬变电磁测深观测参数之间的关系 (18)…………………………………………… 2.2 均匀半空间的瞬变电磁场 (18)……………………………………………………… 2.3 水平导电薄层上的瞬变电磁场 (27)………………………………………………… 2.4 层状大地磁偶源的瞬变电磁场 (30)………………………………………………… 2.5 层状大地电偶源的瞬变电磁场 (33)………………………………………………… 第3章 局部导电体的瞬变电磁响应 (37)……………………………………………………… 3.1 高阻围岩中导电球体的瞬变电磁响应 (37)………………………………………… 3.2 局部导体晚期瞬变电磁场的等效计算 (38)………………………………………… 3.3 薄板状导体的瞬变电磁响应计算 (41)……………………………………………… 3.4 其他局部导电体瞬变电磁响应的近似计算 (43)…………………………………… 3.5 局部导电体对地下瞬变场扩散的影响特征 (45)…………………………………… 第4章 物理模拟及数值模拟原理 (49)………………………………………………………… 4.1 物理模拟相似性准则 (49)…………………………………………………………… Ⅰ前 言 4.2 空气介质中物理模拟方法与技术 (52)……………………………………………… 4.3 导电围岩条件下物理模拟的几个问题 (56)………………………………………… 4.4 二、三维数值模拟原理及反演解释 (57)……………………………………………… 4.5 导电薄板瞬变电磁响应的数值解法 (66)…………………………………………… 第5章 瞬变电磁场的附加效应 (68)…………………………………………………………… 5.1 位移电流效应 (68)…………………………………………………………………… 5.2 接收线圈固有的过渡过程 (69)……………………………………………………… 5.3 集流效应 (72)………………………………………………………………………… 5.4 磁张弛效应 (75)……………………………………………………………………… 5.5 感应激发极化效应 (84)……………………………………………………………… 第2篇 瞬变电磁信号检测原理及仪器 第6章 瞬变电磁信号检测原理 (88)…………………………………………………………… 6.1 瞬变电磁信号的特点 (88)…………………………………………………………… 6.2 电磁噪声 (89)………………………………………………………………………… 6.3 硬件构成概述 (93)…………………………………………………………………… 6.4 检测方法原理 (96)…………………………………………………………………… 6.5 抑制电磁噪声的观测方法 (103)……………………………………………………… 第7章 时域电磁法仪器 (106)………………………………………………………………… 7.1 航空TEM系统 (106)………………………………………………………………… 7.2 加拿大Geonics公司的地面仪器系统 (108)………………………………………… 7.3 澳大利亚的地面仪器系统 (111)……………………………………………………… 7.4 加拿大 Crone公司的地面仪器系统 (112)…………………………………………… 7.5 使用连续波的仪器系统 (113)………………………………………………………… 7.6 可以观测瞬变电磁场的多功能电测站 (114)………………………………………… 7.7 应用于LOTEM方法的仪器系统 (114)……………………………………………… 7.8 俄罗斯(包括前苏联)的时域电磁法仪器 (115)……………………………………… 7.9 国内SD系列仪器系统简介 (116)…………………………………………………… 第3篇 剖面测量方法 第8章 同点装置方法 (121)…………………………………………………………………… 8.1 同点装置瞬变电磁场的时间特性 (121)……………………………………………… 8.2 同点装置异常的剖面曲线特征 (126)………………………………………………… Ⅱ 时间域电磁法原理 8.3 地形影响 (132)………………………………………………………………………… 8.4 导电覆盖层的影响 (134)……………………………………………………………… 8.5 导电围岩对异常的影响 (138)………………………………………………………… 8.6 影响瞬变电磁法探测深度的几种因素 (140)………………………………………… 8.7 工作技术 (143)………………………………………………………………………… 8.8 资料解释 (150)………………………………………………………………………… 8.9 实例分析 (157)………………………………………………………………………… 第9章 大定回线源及偶极装置方法 (168)…………………………………………………… 9.1 时域与频域异常剖面曲线特征的比较 (168)………………………………………… 9.2 大定回线源装置异常剖面曲线特征 (170)…………………………………………… 9.3 偶极装置异常的剖面曲线特征 (176)………………………………………………… 9.4 导电覆盖层和导电围岩的响应特征 (179)…………………………………………… 9.5 几种常用装置的比较与选择 (184)…………………………………………………… 9.6 实例分析 (186)………………………………………………………………………… 第4篇 瞬变电磁测深方法 第10章 水平层状大地的测深 (198)…………………………………………………………… 10.1 远区和近区瞬变电磁测深方法的比较 (198)……………………………………… 10.2 两层断面的ρτ曲线特征 (200)……………………………………………………… 10.3 三层断面的ρτ曲线特征 (203)……………………………………………………… 10.4 中心回线装置的ρτ曲线特征 (207)………………………………………………… 10.5 二、三层断面的Sτ曲线特征 (209)………………………………………………… 10.6 瞬变电磁测深方法的探测能力 (212)……………………………………………… 10.7 瞬变电磁测深工作方法与技术 (219)……………………………………………… 10.8 定性解释方法 (223)………………………………………………………………… 10.9 半定量解释方法 (226)……………………………………………………………… 10.10 ρτ曲线的计算机一维反演方法概述 (227)………………………………………… 10.11 实例分析 (229)……………………………………………………………………… 第11章 非均匀层状大地上的测深 (236)……………………………………………………… 11.1 非水平层状大地上的测深 (236)…………………………………………………… 11.2 局部导体上的瞬变电磁测深曲线 (239)…………………………………………… 11.3 实际断面的等效代替计算方法 (242)……………………………………………… 11.4 实例分析 (243)……………………………………………………………………… Ⅲ前 言 第5篇 井中瞬变电磁方法 第12章 井中瞬变电磁方法 (249)……………………………………………………………… 12.1 井中瞬变电磁响应的模拟计算 (251)……………………………………………… 12.2 井中瞬变电磁异常的一般特征 (252)……………………………………………… 12.3 薄板状导体井中瞬变电磁响应的规律 (258)……………………………………… 12.4 井中瞬变电磁数据反演方法 (265)………………………………………………… 12.5 实例分析 (266)……………………………………………………………………… 附录1 瞬变电磁法应用实例选编 (268)…………………………………………………… 附录2 TEM应用软件的进展 (285)……………………………………………………… 参考文献 (292)…………………………………………………………………………………… 后 记 (298)……………………………………………………………………………………… Ⅳ 时间域电磁法原理 书书书 绪  论 时间域电磁法(Timedomainelectromagneticmethods)或称瞬变电磁法(Transientelectro magneticmethods),都缩写为TEM,是一种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(磁源)或接地线源(电偶源)向地下发送一次脉冲磁场(通常称 为一次场),在其激发下,地下地质体中激励起的感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场 (通常称为二次场)。由于二次场包含有地下地质体丰富的地电信息,在一次脉冲磁场的间歇 期间,利用线圈或接地电极观测二次场(或称响应场),通过对这些响应信息的提取和分析, 从而达到探测地下地质体的目的。显然,所研究的是响应场与时间的关系,故称之为时间域 电磁法。由于一次场和二次场均为瞬态场,有时把该方法称之为瞬变电磁法,俄国人称之为 过渡过程法(МПП,为俄文过渡过程的缩写)。 频率域电磁法(FEM)也是建立在电磁感应原理基础上观测研究响应场的方法,它研究的 是响应场与频率的关系。TEM与FEM的机理没有本质的不同,两者都通过傅里叶变换关系 相互关联,在某些条件下,一种方法的数据可以转换为另一种方法的数据。然而,就一次场 对观测结果的影响而言,两者却截然不同,FEM研究在一次场背景上的二次场,地形、工作 装置参数改变、地表层电阻率不均匀及一次场的背景值等都会对观测结果带来不可忽略的影 响;TEM则研究一次脉冲磁场的间歇期间的二次场(纯异常响应),大大地简化了对异常响应 的研究,具有更高的探测和分辨能力。 TEM尽管有多类变种方法,其数学物理基础都是基于导电介质在阶跃变化的激励磁场激 发下引起的涡流场问题。剖面测量方法主要用于勘查良导电金属矿体、岩溶、工程基础等, 研究局部导体(球体、板状体等)的瞬变电磁响应问题。测深方法主要用于探测地层构造如勘 查煤田、地下水、地热、油气田等,研究水平层状大地的瞬变电磁响应问题。钻井中方法主 要目的是探测深部导电地质体,研究沿钻孔测量的异常响应规律。 下面,就几个有关问题作概略叙述。 0.1 发展概况 时间域电磁法应用于探测地质构造问题起始于前苏联,以20世纪40年代АНТихонов 的理论研究为基础,建立起试图探查油气田地质构造的远区建场测深法(ЗСБ),它使用电偶 源,测点布置于离开电偶源距离为r的地点(r称之为装置的偶极距或径向距),要求r≥(4~ 6)H(H为探测深度或目标层的深度),用水平线框测量感应电压了解其过渡过程。20世纪 50年代以后,由 ВАСидоров和 ВВТикшаев等人建立了近区建场测深法(ЗСБ),r≤ 07H,主要试图用于地震勘探方法勘查油气田时效果不好的地区。1969年至1972年期间相 继发表了六册理论计算曲线图册[108]及相关文献[12]、[13]。20世纪 80年代出现供电电压达 850~1000V、供电电流可达200A、用ЦЭС-3数字接收站观测的系统,引入了现代数据采 集、处理和解释技术。在发展ЗСБ的同时期内,由ЮВЯкубовский和 ВХКоваленк等人 1绪 论 创立了应用于矿产勘查的过渡过程方法 МПП,制定出了适用于钻井、航空和海洋领域的方 法技术。由ФМКаменецкий主编的《金属物探过渡过程法应用指南》[10]及 ВАСидоров 专著《脉冲感应电法勘探》[30]反映了当时前苏联的应用水平。 图0-1 瞬变电磁场示波观测波形图 (a)发送框供电电流;(b)一次磁场;(c) 接收框中的一次感应电压;(d)接收框中 导体涡流场的感应电压;(e)接收框中总 场的感应电压 在西方,1951年首先由JRWait提出了利用瞬 变电磁场法寻找导电矿体的概念,他在示波器屏幕 上观测到了如图0-1所示的波形。这种阶跃磁场 [图0-1(b)]使导电体激发起涡流电磁场,用接收 线圈可以观测到瞬态感应电压,图0-1(c)为纯一 次场的感应电压衰变曲线,图0-1(d)为纯导电体 涡流场所感生的感应电压衰变曲线,图0-1(e)为 两者总合的感应电压衰变曲线。相继有多伦多大学 (加)、美国地质调查所、犹它大学(美)、科罗拉多 矿业学院(美)、澳大利亚联邦科学工业研究院 (CSIRO)、澳大利亚矿物研究院(BMR)等单位投入 研究,知名学者及所发表的论文甚多,本书参考文 献中已列有其主要者,例如[6]、[33]、[34]、 [36]、[37]、[42]、[54]、[55]、[64]。仪器系统 方面,1962年加拿大Barringer公司的航空INPUT投 入使用,经不断改进至今仍是世界主要的航电系统 之一。20世纪80年代,澳大利亚推出 GEOTEM航 电系统并且与INPUT系统作了对比[98],已经过了数 十年的实践,它是目前世界上使用最多的吊舱式电 磁系统。加拿大 Aeroques是直升机吊舱式电磁系 统,其独特的三分量探头具有很高的分辨能力,也 是较先进的系统。在90年代末,澳大利亚七个单位 (包括WorldGeoscience公司)联合,经过多年的努力, 研制成多用途的TEMPEST系统和配套的软件,它是 轻型固定翼飞机吊舱式数字电磁系统,它的特点是: 用先进的信号处理技术,获得了很低的噪声水平。航空 TEM系统在地下水的快速勘查方面 已取得良好效果,值得我国西部勘查地下水借鉴。地面仪器系统从70年代首次推出商品仪 器以来,跟踪当今电子器件、计算机、程控技术、计算方法和技巧等方面的飞速发展,不断涌 现出各类仪器,经不断改进研制了不少高性能的仪器,笔者将在第7章里介绍,这里不再 赘述。 在我国,于20世纪70年代初期开始开发研究 TEM,先后投入研究的单位有:长春地质 学院(现吉林大学)、中国地质科学院物化探勘查研究所、桂林有色矿产地质研究院、中南工 业大学(现中南大学)、西安地质学院(现长安大学)、西安交通大学、北京有色矿产地质研究 院、中国地质大学等。国内学者主编的主要书籍有(按时间顺序):朴化荣《电磁法测深原 理》,牛之琏《时间域电磁法原理》,方文藻《瞬变电磁测深原理》,蒋邦远《实用近区磁源瞬变 电磁法勘探》,李貅《瞬变电磁测深的理论与应用》。出版的译文专辑甚多,主要有文献[10]、 2 时间域电磁法原理 [11]、[12]、[13]、[64]、[67]、[108]。近期国内期刊发表的论文更多,笔者查阅过的有 200多篇,读者可以上网查阅。仪器方面,继80年代末出现并已经省部级鉴定的WDC系列、 SD系列之后,近十多年又涌现出大量的研制产品,据笔者不完全统计,有ATEM-Ⅱ等12类 之多。但是这些众多仪器多数为与澳产SIROTEM-Ⅱ、Ⅲ 相类似的“收发一体机”,尽管也 有利用GPS同步的分体式仪器,笔者认为在当前,研制出较高水平的仪器仍然是当务之急。 二、三维的正反演问题(包成像技术),国内投入研究者众多,发表的论文也多,但是在短期 内投入实践应用的可能性不大,笔者希望能有一些人在投入到基础理论研究时也去探讨方法 技巧,并重视与其他物探方法的综合应用。 02 工作装置 按TEM应用领域可以把工作装置分为四类。 (1)剖面测量装置。常用的剖面测量工作装置如图0-2所示。它是常用来快速勘查有限 导电体(金属矿产、岩溶、断层等)的装置,分同点、偶极和大定回线源三种。同点是指发送 回线(Tx)与接收回线(Rx)的中心点相重合之意,当 Tx与 Rx相重叠时称为重叠回线装置, 当Rx使用小线圈时称为中心回线装置;它与探测对象有最佳的耦合,所获得的异常简单而 图0-2 TEM剖面测量装置 (a)同点装置;(b)偶极装置;(c)大定回线源装置 且幅度大,是“一体机”仪器使用的主要装置。如图0-2(b)所示,当Tx与Rx相分离,保持 固定收、发距r(或称偶极距),沿测线逐点移动的装置称为磁偶源偶极装置,Rx用多匝小线 圈观测磁场三个分量的感应电压值,有时Rx移动数点后再移Tx,它是70年代仪器常用的装 置,由于探测深度小加上野外施工不便,现在已很少使用。图0-2(c)所示为大定源回线装 置,Tx采用边长达数百米的矩形回线,Rx采用小线圈沿垂直于Tx长边的测线逐点观测磁场 三个分量的感应电压值,为了提高效率,通常在 Tx框内外都观测。在工程勘查中,Tx用大 定源回线,Rx在框内加密测点观测垂直分量也是常用的装置,在干扰电平较低的情况下,建 议也观测水平分量,两个分量的资料综合解释有利于判断探测对象的几何形态。探测对象产 状直立或较小的情况下,为了加强对探测对象的激励磁场,有时也采用双线框重叠回线装 置[64],相对于上述单框重叠回线装置的异常更为简单和幅度增大。 (2)测深装置。测深装置如图0-3所示。中心回线装置是当探测深度在1km以内时最 常用的装置,一般点距等于回线边长 L,Rx用多匝小线圈水平放置(只测垂直分量);详查 3绪 论 图0-3 TEM测深工作装置 (a)电偶极源;(b)磁偶极源;(c)线源;(d)中心回线 时,Tx可以用矩形框,在中心线1/3段内 布置3~5个观测点,相邻 Tx可相重叠 50%以内使观测点相连续。磁偶源偶极 装置有时用于探测深度在几十至几百米 以内时的湖海水面作业,工作方法与磁偶 源剖面测量装置相同。电偶源或线源装 置用于探测深度在1km以上的情况,偶 极距r选择大约等于目标层的深度,测线 平行于AB,Rx用多匝线圈水平放置观测 VABz。电偶源或线源装置用于油气田勘查 时,用r≥(4~6)H(H为探测深度或目标 层的深度)的装置,在俄国称为远区建立 场测深法 (ЗСД);在西方国家称为 LOTEM(LongOffsetTransientEM);观测VABz 及E AB φ 两个参数。 (3)钻井中观测的装置。钻井中观测的工作装置(TEMH),其目的在于探测分布于钻孔 附近的深部目标。如图0-4所示,当勘查区有彼此相靠近的多个钻孔的情况下,一般只敷设 —个较大的Tx,接收线圈(探头)分别沿各个钻孔逐点移动观测磁场沿井轴分量的感应电压 值。仅有单个钻孔的情况下,需要在不同方位敷设多次Tx,逐次沿该钻孔逐点移动观测磁场 沿井轴分量的感应电压值。从观测结果的分析,可以获得探测目标形态、产状和位置等 信息。 图0-4 钻井中的工作装置 (a)Tx单孔观测;(b)单个Tx多孔观测 近些年来,我国着手研究适用于矿坑的 TEM方法,目的在于探测分布于坑道附近的目 标,更主要的目的是试图解决矿坑涌水灾害的“超前探”问题。已取得了明显的地质效果,相 对于其他方法具有它突出的优点。由于在矿坑观测受施工空间和条件的限制面对更复杂的难 题还有待解决。 (4)航空装置。航空TEM系统的发送线圈安装于机身上,三分量接收线圈及前置放大器 安装在吊舱内,吊舱用电缆拖拽在飞机的后下部。按照飞行高度可以分为高、低空飞行两 类,分别在2400m以上及150m以下的高度飞行。图0-5为低空系统的示意图。航空TEM 方法主要应用于大面积范围内快速普查良导电矿产、勘查地下水资源及地质填图。在山区大 面积普查,适于选用高空飞行的系统;在地形崎岖地区的详查,适于选用低空飞行的直升飞 4 时间域电磁法原理 图0-5 航空TEM系统示意图 机系统。在我国西部矿产资源及地下水资源的勘查中,它会大有用武之地,不少学者预言将 来有可能会替代地面系统[67]。 03 观测参数 TEM仪器系统的一次场波形、时窗范围、测道数和相对应的时间、仪器的原始观测参数 和计量单位等,各厂家的仪器之间有所差别。尽管传感器(接收线圈)输入仪器前置放大器的 都是感应电压V(t)值,就经过仪器处理后所输出的参数(观测参数)及计量单位而言,大概可 以分为4类。 (1)用发送脉冲电流幅值归一化的参数:仪器输出的读数为 V(t)/I值,以 μV/A作计量 单位。多数“一体机”使用此参数。 (2)用一次场的感应电压V1归一的参数:这里的V1是一次场刚刚将要切断时刻所采样的 感应电压值,假设V1=1000,输出值RC=V(t)/V1,无计量单位。加拿大 Crone公司的 PEM 系统使用此参数。 (3)未归一的m参数:仪器输出值m=V(t)·G·2n,式中G为前置放大器加上固定了倍 数的后置级的放大倍数之和,2n为仪器公用通道程控放大器的放大倍数,n=1,2,3,…,7, m值以mV计量。加拿大Geonics公司的PROTEM系统使用此参数,取G=52.1。 (4)感应磁场 B值:仪器输出 B值,以 pW/m2或 nW/m2计量。澳大利亚 ARTEMISTM 系统使用此参数。 在后续的数据处理中,无论用上述的哪种参数,一般都要换算成瞬变值 B(t)/I,以 nV/(m2·A)计量。 B(t)/I=[dB(t)/dt]/I=V(t)/qI。这里 q称为接收线圈的有效面积,q=SR·N;SR、N 分别表示接收线圈的面积、匝数。 (1)由V(t)/I值换算成B(t)/I的公式为:B(t)/I=[103·V(t)/I]/q; (2)由Vm值换算为 B(t)/I的公式为:B(t)/I=[Vm·10 6]/qG2n=19200·Vm/q2 n; 5绪 论 (3)由RC换算为 B(t)/I的公式为:B(t)/I=6RC×106/GAq2n,式中 A为前置放大倍 数,G为接收机固定了倍数的后置级的放大倍数,2n表示各测道的放大倍数,各测道的 n值 不一致(有对照表);乘以 6×106是因为取一次场归一值 V1=6×10 6μV,而取读数值是 1000。 此外,由瞬变值B(t)/I可以用一系列的公式导出许多参数,例如视电阻率 ρτ(以 Ω·m 计量)、视纵向导Sτ(以西门子S计量)、视时间常数 λτ(以 ms计量)、磁感强度 B(t)(由对 B(t)值取积分而得,以pW/m2计量)等。导出参数还不只这些,有可能找到更适用的参数, 待读者去探索。 04 时间域电磁法的特点和局限性 由于TEM是在没有一次场背景情况下观测二次场,相对于FEM等方法有以下几个方面 的特点。 (1)主要噪声来自外界的天电和人文电磁场干扰,可以采用提高功率 -灵敏度的方法增 大信噪比,以展宽时窗(延长有用测道)提高探测深度,实现用较小的装置探测较大深度的探 测目标。 (2)可使用同点装置工作,与探测目标有最佳的耦合,可以得到形态简单和幅度较强的 异常,探测深度大,分辨能力强,更适合于对深部目标的勘查。 (3)在高阻围岩条件,没有地形起伏引起的假异常;在低阻围区,地形、覆盖层等地质噪 声(假异常),从多测道的观测结果中易于识别,能与深部目标的响应相分离。 (4)相对于FEM、直流电法而言,对测地布点的要求可以放宽。野外工作既快又简单, 工作效率高。 (5)相对于FEM及直流电法,穿透和分辨低阻覆盖能力强,无高阻屏蔽现象。 (6)可处理绘制的图件花样多,反映地电体的信息丰富。 由于有以上所述的特点,它备受人们青睐,可以称得上是“探测矿产的尖兵”、“工程勘 察的好帮手”、“水源勘查的锐利武器”。但是,TEM总归是基于地电体之间电阻率差异的有 源测量方法,有它的局限性。首先,要求足够强的供电电流,尤其是在探测深部目标时所要 求的设备较笨重、装置大,野外劳动强度大,工效低。噪声干扰往往使晚期测道利用受限制, 影响了对深部目标的探测能力。异常具有多解性,量化解释水平低,尚不能适应需要。因 此,有许多问题有待探索和研究。 6 时间域电磁法原理 第1篇 时间域电磁法的理论基础 第1章 激发场源[62]、[96] 1.1 常用激发场波形及其频谱 时域电磁法中,激发场的波形可以采用多种具有周期性的脉冲序列,如:矩形、梯形、半 正弦形、三角形、伪随机等波形。根据傅里叶频谱分析理论,任何一种脉冲波都可以分解成 许多正弦或余弦谐波成分。显然,每个谐波成分将对导电体激励起按频率域电磁法中的规律 产生的电磁感应响应,这种响应将具有相对应的振幅值和相位。如果在不同的时域采样时 刻,把各个谐波激励起来的二次场相叠加起来,便得到人们所感兴趣的瞬变电磁场。可见, 时域电磁法的测量结果相当于频率域方法中使用多频观测的效果。 实际应用中,为了有效地抑制观测系统中的直流偏移和噪声的干扰,往往采用周期性重 复的双极性脉冲序列。图1-1为几种常用的激励场波形,其傅里叶级数近似表达式如下。 (1)双极性矩形脉冲。它是我国仪器和 SIROTEM、EM-37等地面系统使用的激励场波 形[图1-1(a)],其傅里叶级数表达式为 H1(t)=4H0∑ ∞ n=1,3,… sin(nπδ/2) nπ cosnω0t (1-1) 式中:H0为脉冲磁场的幅值;δ=2d/T,T为脉冲系列的重复周期,d为单个脉冲持续时间; ω0 =2π/T。 图1-1 几种常用激励场地波形 (a)双极性矩形;(b)双极性半正弦形;(c)双极性梯形 (2)双极性半正弦脉冲。大多数航空TEM系统使用如图1-1(b)所示的双极性半正弦脉 冲系列,它可表示为 7第1章 激发场源 H1(t)=H0∑ ∞ n=1,3,… Fncosnω0t (1-2) 式中:Fn = 8δcosπδ π(1-4n2δ2) ,δ=d/T。 (3)双极性梯形脉冲系列。它是PEM仪器所使用的波形[见图1-1(c)],它可表示为 H1(t)= 2d-d′ T H0∑ ∞ n=1,3,… sin(nω0d′/2)sinnω0(d-d′/2)cosnω0t (nω0d′/2)nω0(d-d′/2) (1-3) 可见,不同波形、不同脉冲持续时间d及前、后沿d′,其频谱并不完全相同。众所周知, 频域电磁法的工作频率在n~n×103Hz的范围之内,因此,相应地时域电磁系统中也应适当 选择波形参数,使它的频谱落在此范围之内。此外,据理论计算的结果,在导电围岩或导电 层覆盖的条件下,频域方法只有使工作频率低于30Hz时矿体的响应才能充分地分辨清楚。 因此,地面TEM系统的一次场频谱能量应集中于n~n×10Hz范围内。 为了简化问题,令脉冲系列的T→∞,并且忽略单个脉冲波前、后沿的相互影响。这样, 上述三种波形便简化为单个阶跃波、半正弦波及斜阶跃波。由于已简化为非周期波形,讨论 频谱分布时需改用傅里叶积分,把非周期波形分解成许多简谐波的连续叠加,这三种波形的 复频谱表达式分别为 阶跃波 H1(ω)=H0/jω 半正弦波 H1(ω)=2H0 π d· cosωd/2 (π/d)2-ω2 斜阶跃波 H1(ω)= H0 d′ω2 ·(cosωd′-1-jsinωd′) 图1-2 几种简化波形的频谱 a—阶跃波;b—斜阶跃波;c—半正弦波 图1-2列举了阶跃波、d=2ms的半正弦波和后沿 d′=10ms的斜阶跃波三种情况的频谱对比。由图可见, 在半正弦波的0~500Hz内具有分布较均匀的频谱,其 他两种波形的频谱能量集中于 n~n×10Hz范围之内, 地面系统一般选用这两种。 应该指出,实际的波形要受到发送回线感性负荷的 影响,不可能是图1-1所示的理想波形。例如双极性矩 形脉冲序列将退化为如图1-3(a)所示的波形,也就是 说,前沿为类似于按指数规律上升的曲线,而后沿将为 斜阶跃形。 1.2 观测信号波形的特征 众所周知,目前大多数 TEM系统是使用接收线圈 观测感应电压V(t),它与作用磁场的关系为 V(t)=-dΦdt=-q dB(t) dt =-SRN dB(t) dt (1-4) 式中:Φ为接收线圈切割的磁通;q、SR及N分别为接收线圈的有效面积、面积及匝数。书中 8 时间域电磁法原理 通常把dB(t)/dt用B(t)表示。 根据已知的V(t)值,可以计算出磁感应强度: B(t)=∫ ∞ t [V(t)/q]dt (1-5) 可见,观测信号V(t)正比于dB(t)/dt。由此,可以得到接收线圈所观测到的一次场信号 V1(t)、二次场V2(t)及取样的V2(t)的波形,如图1-3所示。由于TEM一般只发送电流 脉冲间歇期间的二次场信号,故采样记录到的信号如图1-3(d)所示,不同的响应特征反映 了矿体的电性差导。这类响应曲线通常称为“脉冲响应”。 图1-3 接收线圈观测到的信号波形示意 (a)激励磁场;(b)一次场信号;(c)二次信号;(d)取样的二次场信号 上述的“脉冲响应”信号,只利用了发送脉冲后沿所激励的部分,这是因为前沿所激励的 信号部分与不稳定的一次场信号相叠加在一起;它不被利用,大大降低了一次场能量的利用 率。为此,加拿大多伦多大学设计研制出了使用三角形连续波的 TEM系统———UTEM,近期 西方一些国家研制出了利用梯形连续波的TEM系统———LOTEM,如图1-4。尽管不间断供 9第1章 激发场源 图1-4 UTEM及LOTEM系统的波形 UTEM波形: (a)激励场;(b)接收到的信号;(c)取样的二次信号 B2(t)=B(t)-B1(t) LOTEM波形: (d)激励场;(e)接收信号;(f)实测的信号波形 01 时间域电磁法原理 电的情况下,一次场产生的感应电压总是存在的,但是,设计者认为,除了在三角波的转折 点或斜阶跃段产生跃变之外,它总是恒定不变。因此,可以观测到一次场的恒定背景之上的 二次场,充分利用了一次场能量。这种响应称为“阶跃响应”。显然,这两种系统必然存在地 形影响第一次场噪声。 1.3 发送波形参数对观测结果的影响[40] 这里所提的波形参数是指发送电流脉冲的持续时间d、切断时间tof及间歇时间dof。一般 选择d=dof,并且用双极性脉冲序列,d=T/4。 为了对波形参数变化对观测结果的影响程度有一个量的概念,引入畸变因子Df: Df=ms/Ts 式中:ms为实际观测值;Ts为单阶跃情况下的理论响应值。 1.3.1 脉冲宽的影响 在取脉宽d值较小的情况下,观测结果中将加进脉冲前沿及相邻近的前几个脉冲所激励 起来的响应。对于三度导电体的情况,理论响应值正比于1 τ e-t/τ,故 ms= 1 τ e-t/τ-1 τ e-(t+T/4)/τ-1 τ e-(t+2T/4)/τ+1 τ e-(t+3T/4)/τ+… =1 τ e-t/τ(1-V-V2+V3+…)=1 τ e-t/τ1-V 1+V2 式中:V=e-T/4τ,τ为三度导体的时间常数。 因此, Df= 1-V 1+V2 (1-6) 在导电半空间或水平导电薄板的情况下,理论响应值正比于t-m,故 ms=t -m - t+T( )4 -m - t+2T( )4 -m + t+3T( )4 -m +… =t-m[1-(1+x)m -(1+2x)-m +(1+3x)-m +…] =t-m 1- ∑ ∞ n=1,3,… sinnπ2{(1+nx) -m +[1+(n+1)x]-m[ ]} 式中:x=T/4t;半空间的m=5/2,薄板的m=4。 因此, Df=1- ∑ ∞ n=1,3,… sinnπ2{(1+nx) -m +[1+(n+1)x]-m} (1-7) 图1-5给出了脉宽d值与畸变因子Df的关系曲线。由图可见,减小脉宽d将使观测值 偏离理论响应值(Df<1)。假设Df允许的下限值为0.9,那么,可以从图1-5确定出相对应 τ/d或t/d的上限值(图中剪头所指的值)。可见,导体的时间常数愈大,要求脉宽就愈宽。 读者可自行计算常见硫化矿τ=2~20ms之间相应的d的范围。 11第1章 激发场源 图1-5 脉宽与畸变因子的关系 a—三度导体情况下的 Df~τ/d曲线;b—半空间情况下的 Df~t/d曲线;c—水平薄板情况下的Df~t/d曲线 1.3.2 关断时间的影响 如图1-3(a)所示,发送电流关断时间为tof的情况下,观测值ms为 ms= 1 tof∫ t+tof t V(t)dt (1-8) 式中,V(t)为理论响应值。 对于三度导体,V(t)∝1τ e-t/τ,由(1-8)式可以推导得 Df= τ tof (1-e-tof/τ) (1-9) 对于半空间或水平薄板状体,V(t)∝t-m,可以推导得 Df= 1 (m-1) t tof 1- 1+ tof( )τ 1-[ ]m (1-10) 图1-6 发送电流切断时间与畸变因子的关系 a—三度体的Df~tof/τ曲线;b—半空间的 Df~tof/t曲线;c—水平薄板的Df~tof/t曲线 半空间的m=5/2,水平薄板状体的m=4。 图1-6给出了Df与tof的关系曲线。由图 可见,增大tof值将使观测值偏离理论的响应值 (Df<1),时间常数较大的地质体受 tof的影响 程度较小。 综上所述,波形参数d值过小,及 tof值过 大都将使观测值偏离理论响应值,似乎对于某 个三度体的时间常数 τ值或层状大地的时间 t 的范围,存在一个d及 tof窗口,只有落在这个 窗口以内时才能得到不畸变的响应值(Df> 09)。从频谱分析的角度讲,增大 d或 tof值 时,相应地增大了频谱的低频功率密度,可以 相对地抑制小参数地质体的响应。 21 时间域电磁法原理 1.4 关断效应影响的计算 上一节中已提起,发送波形由于受到发送回线及供电电流大小的影响,激励场切断总是 需要一段时间,其变化范围一般为5~500μs。因此,感应电压V(t)不是理想阶跃关断时那 样的δ(t)函数,若忽略这种影响,则必然会给立足于以理论响应为基础的反演结果带来误 差,因而必须对这种关断效应的规律及改正方法加以研究。 1.4.1 线性关断效应的计算[57、58] 设由理想的阶跃波所激励起来的二次场瞬变值为B(t),供电脉冲电流为I(t),关断期间 的斜坡电流I′(t)所激励起来的二次场瞬变值为B′(t),B′(t)∝dI′(t)/dt;采样的零时刻选在 关断电流的终点。假设I(t)=1,那么 -dI′(t)dt = 1 tof ,-tof<t<0 (1-11) 依据杜哈美尔(Duhamel)积分式,可以得到任意输入作用下输出的过渡过程与脉冲过渡 函数之间的关系[8]。在上述的情况下, B′(t)=∫ t -∞ -dI′(t) dt B(t-s)dS,t>0 (1-12) 式中:B(t-s)为输入作用函数;-dI′(t)/dt为脉冲过渡函数;B′(t)为输出的过渡过程。假 设r=t-S,并将式(1-11)代入(1-12)式,得 B′(t)=∫ t+tof t 1 tof B(r)dr=1tof∫ t+tof t B(r)dr (1-13) 从式(1-13)可见,线性关断效应可以通过对理想阶跃关断响应值B(r)在tof时间内取 平均得到。 当tof→0时,B′(t)=B(t)。采样零时刻选在关断终点的情况下,B′(t)<B(t)。若零时 刻是选在关断的起始点(例如SIROTEM、GDP-32系统),由于 B″(t)=1tof∫ t t-tof B(r)dr (1-14) 故所得到的B″(t)>B(t)。 由(1-13)式得 B′(t)= B(t)-B(t+tof) tof (1-15) dB′(t) dt = B(t)-B(t+tof) tof 因此 B(t)=B(t+tof)+tof dB′(t) dt (1-16) 公式(1-16)便是进行关断效应校正的依据,其过程的关键在于求 B(t)值。运算的步骤 如下: (1)假设当t>tn之后,B(t)的变化规律服从于正常规律(即无 tof影响),则确定出 Bn 31第1章 激发场源 (tn)值; (2)假设(tk+tof)<tk+1,这里的k为测道号,那么,可以近似地认为 B(tk+tof)=B(tk+1)+(tk+1-tk-tof)[a0B′(tk)+a1B′(tk+1)] 式中:B′表示某测道的实际观测值;a0和a1为待定的系数。 如果(tk+tof)<tk+1,那么 B(tk+tof)=B(tk+1)+X[Q1D1+Q2D2+X(Q3D3+Q4D4)] 式中:X=(tk+1-tk-tof)/tk;R=tt+1/tk;Q1=R/(R 2-1);Q2=1/[R(R 2-1)];Q3=1/[
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