大地电磁场课件：EM6-频率域电磁法

电法勘探水槽实验报告要求：一、实验目的二、实验方法（装置图）三、实验过程（数据表格）四、实验结果（中梯：视电阻率/视激电电阻率/视极化率剖面曲线图；测深：测深曲线/拟断面图；就实验结果进行必要的讨论）下周五（6.22）最后一次上课时交 2人工电磁场 频率域电磁场 场源：电性源&磁性源 3频率域电磁场 实、虚分量的概念 实分量：一次场+二次场；虚分量：纯二次场。4频率域电磁场 波的极化：线极化、圆极化、椭圆极化5时间域电磁场是指在阶跃变化的电流源作用下，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，故又名为瞬变场。和频率域电磁场类似的，时间域电磁场的激发方式也可分为电性源和磁性源。在阶跃电流（通电或断电）的强大变化电磁场作用下，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。6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）；而在良导地层中，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）。也可能发现地下赋存的较大的良导矿体。7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（空气波/天波）。地表的每个波前点都会成为场源（根据惠更斯原理），于离发射装置足够远处，在地表面上则会形成垂直向下传播的不均匀平面波。8 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（地波）。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，过一段时间之后才能形成。在过程早期上述两种激发在时间上是分开的。第二种方法建立的比较迟缓。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。9时间域下磁场的电报方程：似稳态条件下，忽略位移电流项，解得：10瞬变场与谐变场：在结构上差别较大。谐变场的结构是由某一种发射频率的涡旋电磁场之间的相互作用来决定。而瞬变场的结构是发射一个电磁脉冲，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，电磁场各分量，如Ex(t)、Bz(t)和 Bz(t)/t的瞬时值依赖于所有谐波频率的总和，其中包括超高频和超低频。1112 式中函数F可代表E、B、B/t，而F()/-i代表阶跃电流电磁场的频谱密度。由此可见，如果在很宽频带内已知频率域电磁响应，则可利用上述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。1()()2i teF tFdi 在数学上借助于傅里叶反变换描述这一过程，即 13谐变场和瞬变场谐变场和瞬变场的涡旋电流场的的涡旋电流场的结构：结构：由于瞬变电磁场由于瞬变电磁场服从扩散方程服从扩散方程的的规律，故随时间规律，故随时间的增加该场向深的增加该场向深处传播过程中逐处传播过程中逐渐向外扩散，即渐向外扩散，即可借用可借用“烟圈烟圈”效应这一名词来效应这一名词来描述。描述。14瞬变场扩散参数15电流密度随深度的变化曲线具有拐点z=/2。形式上认为这一深度是对瞬变场测量结果产生有效影响的极限深度。当地下介质为无磁，且使用国际单位时722/210ttm17由此可见，归一参数u的平方倒数正比于介质电阻率。在近区2r/1，即收发距很大或（或t）很小的范围（早期时间段）。我们从频率域和时间域电磁场的讨论中不难看出：p和u，和，之间存在看形式上的类比现象。与谐变场情况一样，在研究瞬变场过程中也引入无量纲的归一距离72210rrurzt72221210()2rtur 22rpkr 时间域 频率域 远区/近区：勘探深度：1822rpkr72210rurt10()T km20()t km503 2()21262()zt mt m503()mf非常重要！19 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不接地（大定源）回线法实、虚分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20 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不接地（大定源）回线法实、虚分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剖面法？通常而言，电磁剖面法指采用回线源装置，将交变电场通入发射线圈产生谐变电磁场，接收线圈沿测线剖面进行移动观测，接收感应磁场变化，进而研究某一深度范围内地下电性的横向变化的地球物理方法。（Loop-Loop Method）21频率域电磁剖面法的研究范围研究深度为几十米到几百米，主要应用于矿床的普查、地质填图、及工程地质、水文地质调查中。普查对象主要是矿体、接触带、裂隙破碎带、陡倾斜地层、岩溶带、古河床等。常用的方法有不接地回线法和电磁偶极剖面法两种。22一、不接地回线法（大定源回线法）23对不接地的矩形回线通以谐变电流形成发射源，回线固定不动的情况下，在回线内外布置的测线上逐点利用接收接收线圈线圈进行磁场观测的一种电磁剖面法。发射线圈(Transmmiter)简称Tx；接收线圈(Receiver)简称Rx假定回线宽度为a，回线中部0.6a的范围内可近似看成垂直的均匀磁场。2425一次场与导体的耦合如果一次场方向与板状导体平面或走向垂直则耦合最好，该导体产生的二次场最强；如果一次场方向与板状导体平面或走向平行，该导体产生的二次场为零，无法发现它。要使一次场与探测目标体有最佳耦合，需要考虑一次场方向和探测目标体的倾向。根据耦合关系的不同，回线源内部适用于缓倾斜良导体的勘查；回线源外侧适用于陡倾斜良导体的勘查。26不接地回线法的特点：优点：地面各点的磁场方向均垂直地面，回线中部磁场较均匀，在异常中不包含传导电流场，较便于利用频率特性研究异常性质；缺点：布置回线麻烦，工作量较大，有效工作面积小，故一般用于地形较好地区的详查工作。27实际野外生产中，一般取线框为数百米至1-2千米尺度（如0.5km 0.2km或2km 1km）在不接地回线法中根据观测参数的不同，又有实、虚分量法、振幅比-相位差法等多种方法。不接地回线法中，发射机是由固定频率的交流发电机或信号发生器向回线馈送谐波电流。接收机则因视观测参数的不同而有很大差别。当只观测振幅时，由接收线圈、选频放大和指示器组成；当观测实、虚分量时，尚需增加移相器和参考线。281）实、虚分量法 实、虚分量法指的是通过沿测线测量交变磁场的垂直分量（或水平分量）的实部和虚部随距离的变化，研究地下某一深度导电性横向变化的方法。实、虚分量如何测量？2930测量的总场中一次场与二次场实分量为零，只有虚分量。测量的总场是一次场与二次场实分量之和，虚分量为零。因此，可以人为的将一次场场值最大时测量的垂直磁场强度定义为“实部”，而将一次场场值为零时测量到的垂直磁场强度定义为“虚部”。结论：所谓“虚实分量法”其实测量的仅仅是不同时间（相位）时一次与二次磁场的总强度而已。实部：一次场+二次场；虚部：纯二次场。31水平和倾斜板在低频时水平和倾斜板在低频时曲线前段的形状一致，曲线前段的形状一致，可以重合，但曲线的尾可以重合，但曲线的尾段分离，而且实分量曲段分离，而且实分量曲线恰通过虚分量曲线的线恰通过虚分量曲线的极大点。极大点。异常场频率特性曲线的异常场频率特性曲线的形状与矿体产状之关系形状与矿体产状之关系不大，确定矿体倾斜角不大，确定矿体倾斜角度是困难的。度是困难的。倾斜薄板上方，采用不同发射频率时，磁场垂直分量实虚分量的观测值曲线：对实分量曲线而言，随着频率的降低，曲线异常值变小，实部的异常值大小相对虚部变化较大；对虚分量曲线而言，随着频率的降低，曲线异常值变大，且曲线在穿过异常体时有更为明显的变化（从正到负）。1-f1600Hz，2-f800Hz，3-f425Hz，4-f225Hz，5-f125Hz，6-f75Hz，7-f40Hz按照上述方法观测磁场的实部/虚部时，由于需要知道一次场的相位位置，因此需要从发射源或回线引入一相位参考信号，因而需要拖带很长的参考线，施工较为复杂。实际上，现代地球物理仪器已经不需要参考线，可以采用无线电信号自动同步，以及使用GPS卫星信号进行时钟同步，因此，虚实分量法实际已经不存在上述劣势。34实例：广东某磁铁矿区回线法实例：广东某磁铁矿区回线法观测结果观测结果 工作时选用工作时选用500m200m的矩形回的矩形回线。右图为回线内中心测线上的垂直线。右图为回线内中心测线上的垂直分量振幅和水平虚分量观测结果分量振幅和水平虚分量观测结果。在矿体顶部有明显的垂直磁分量振在矿体顶部有明显的垂直磁分量振幅异常以及水平磁场虚分量异常。幅异常以及水平磁场虚分量异常。水平虚分量异常随频率增高衰减较水平虚分量异常随频率增高衰减较为明显，这表明矿体导电性很好为明显，这表明矿体导电性很好。实、虚分量法存在的问题？一次场发射的不稳定可能造成接收的不稳定，形成虚假异常。由于激发的二次场的大小取决于一次场大小，因此，即使是受发射源影响较小的虚分量也可能在发射不稳定时出现假异常。解决方案：按一次场进行归一化？362）振幅比相位差法 振幅比-相位差法指利用两个接收线圈，观测相邻两点磁场的振幅比及相位差的一种电磁剖面法，亦称双框法或图拉姆(Turam)法，由于相邻两点的振幅比或相位差相当于场的梯度，又称为梯度法。37实际野外工作中，通常保持两接收线圈水平，即观测磁场垂直分量的振幅比和相位差。一般按经验设定，线框距大小为二倍的目标体埋深38如果将第如果将第n个测点在某一时刻的磁场垂直分量记为：个测点在某一时刻的磁场垂直分量记为：ninnHH e式中式中号表示磁场为复量，不带号表示磁场为复量，不带号的号的H为振幅，为振幅，为相位为相位11()111nnnniinnninnnHHeHeHH eH则第则第n+1个测点的磁场垂直分量可记为：个测点的磁场垂直分量可记为：111ninnHHe则相邻两点磁场垂直分量的比值可以由：来表示，即由两点垂直分量幅值的比和相位的差来表示，这也是这一方法名字的由来。40由于这两者的幅值与相位都是同时测量的，因此，测量的比值与发射源发射的一次场的大小无关，但幅值的比仍与两个线框距离发射源的距离有关。因此，可以利用一次场的振幅比对其比值进行进一步的归一化。213243/,/,/,.HH HHHH213243/,/,/,.HHHHHH得到：324321122334,.H HH HH HH HH HH H一般当地下无异常体存在时，各测点的振幅比值为1，相位差为0，曲线无异常。当地下有良导体存在时，可观察到振幅从小于一到大于一。相位从正到负（或相反）的变化。振幅比相位差振幅比相位差法电磁剖面仪器法电磁剖面仪器原理图原理图1当工作频率较低时当工作频率较低时(220Hz及及660Hz)异常主要反映导电性较好的黄铁铅锌异常主要反映导电性较好的黄铁铅锌矿体，干扰背景较低。矿体，干扰背景较低。2当工作频率为当工作频率为1125Hz时，在导电时，在导电性较差的铅锌矿上开始出现异常。性较差的铅锌矿上开始出现异常。3随着工作频率的增高，浅部覆盖随着工作频率的增高，浅部覆盖层干扰异常叠加到有用异常上形成了层干扰异常叠加到有用异常上形成了复合异常其幅度随频率增高而增大。复合异常其幅度随频率增高而增大。实例：广西某铅锌矿振幅比实例：广西某铅锌矿振幅比相位差法野外测量结果相位差法野外测量结果二、电磁偶极剖面法 电磁偶极剖面法一般指发射和接收装置采用两个相近尺度的小型多匝线框，沿剖面发射和观测磁场分量，获取地下介质的横向电阻率分布信息，以达到勘查目的的一系列地球物理方法。43电磁偶极剖面法的装置形式收/发线框间的空间位置关系一般称为工作装置或观测系统，从场源上，可以分为动源和定源方法当发射和接收线框保持一定距离(收发距)同时移动逐点观测时，称为动源式工作同线装置发、收线框在同一条测线上，称为同线装置旁线装置发、收线框分别在两条测线同号点上，称为旁线装置。44发射线框在测线外某一点上固定不动，而接收线框在测线上逐点移动的装置称为定源式工作装置。其中用直立线框作场源的，称为垂直线框装置；而用水平线框作场源的，称为水平线框装置。45为了明确收发线圈的方向，现做如下规定：X 指测线方向，Y 指垂直于测线的水平方向，Z 指铅垂方向。如旁线(X Z)装置，前一个字母表示发射线框法线指向X方向，后一个字母Z表示接收线框的法线指向Z方向，即接收磁场的垂直分量。观测值的记录点定为发射和接收的中心处。4647发射线圈(Transmmiter)简称T；接收线圈(Receiver)简称R48在实际工作中，发射磁距可指向X、Y、Z三个方向，接收线框也可接收X、Y、Z三个分量。故同线和旁线装置分别有九种组合方式。如同线XZ与同线ZX装置。然而，根据互换原理，有些装置是等效的，如同线XZ与同线ZX装置两者在相同两点上互换收、发线框时其观测值相同。故在收、发两线框面呈正交的六种装置中因双双互换，实为三种装置。旁线和同线装置共有六种。同线装置还有正向与反向装置之分。49野外常用的装置主要有同线ZZ(水平共面)、旁线XZ及定源垂直、水平线框装置。在航空电磁法中常用旁线XX(直立共面)、同线XX(直立共轴)和同线ZX(正交)系统。Geonics EM34GEONICS EM31测量方法：虚分量，相位法 和不接地回线法中类似，电磁偶极剖面法可采用虚分量相位法，即通过沿测线测量交变磁场的某一个分量的虚分量随距离的变化，达到研究地下某深度电阻率横向变化的目的。这一方法同样需要知道一次场的相位位置，按其在接收仪获取一次磁场信号的方式，可分为有参考线测量方式和无参考线测量方式。50虚分量测量的优点：1.纯异常（纯二次场）测量 2.地形异常较小，受到有效压制其他测量方法：1.水平线圈法（Hz）2.倾角法（Hz/Hx,Hz/Hy）5152当测量装置远离板体时，其影响可以忽略不计，二次场H2=0。当测量装置不断接近板体时，在板内感应电流产生的H2与H1同向，为正异常，并存在异常极大值。53当发射或接收线圈其中一方位于板顶正上方时，分别为有二次场H2=0和接收不到H2出现异常零值点当发射、或接收线圈对称位于板顶两侧，电磁观测系统处于最佳匹配偶合，对应异常极小值点。54不同同线电磁偶极装置对竖直铝板的异常响应55实例：湖北某矽卡岩黄铁矿床围岩电阻率：100 m矿石电阻率：110 m覆盖层电阻率：2040 m工作装置：垂直线框，水平线框，旁线XZ频率：400Hz 1200Hz 3600Hz56 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。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,Hz57频率域电磁测深法测量装置示意图58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59电磁波的传播途径60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）61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。62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复杂。63近场远场过渡场64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：6566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）67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。68工作频率范围：原则：能获得完整频率测深曲线。69装置大小的选择：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。70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。71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（相对直流）。72