瞬变电磁概要.docx

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瞬变电磁概要

《地球探测与信息技术基础》

课程作业

题目：

瞬变电磁法在地球勘探上的应用

姓名：

周桥立

班级：

064101

学号：

20101003648

授课教师：

胡祥云

2013年04月20日

摘要

瞬变电磁法是近年来电法勘探领域一种重要方法，是根据地壳中岩石或者矿体的导电性及介电性等电学性质的差异，研究电磁场的空间或时间分布规律，从而解决各种地质问题。

目前已经发展为探测油气、金属和非金属矿产的一种重要方法，并且在深部地质构造研究、工程勘察、油气、矿产、水、地热勘探等领域得到广泛应用。

目录

1．概述……………………………………………………………4

2.瞬变电磁法……………………………………………………5

3．正演问题的研究………………………………………………8

4．瞬变电磁勘探的应用…………………………………………12

5．总结……………………………………………………………14

参考文献…………………………………………………………15

1、概述

电磁场理论的应用已经遍及地学、生命科学、医学、空间科学、信息科学等几乎所有的技术科学领域,同时这些工程技术领域对电磁理论研究也不断地提出各种新的要求.电磁法勘探是基于研究电磁波在导电介质中传播特性,从而达到研究地下地质体赋存特性的目的.通过天然或人工场源在大地中激励的交变电磁场,研究电磁场的空间和时间分布,分析观测到的磁场信号,得到地下目标体的电性分布特征的一种地球物理方法。

瞬变电磁测深法（Transientelectromagneticmethod,简称TEM）是电磁法勘探中应用较广的一种,是近年来在工程地质勘察中普遍应用的时间域电磁探测方法.它是利用阶跃波或其它脉冲电流场源激励,在大地产生过渡过程场,断电瞬间在大地中形成涡旋交变电磁场,测量这种由地下介质产生的二次感应电磁场随时间变化的衰减特性,从测量得到的异常信号中分析出地下不均匀体的导电性能和位置,从而推断矿体、工程基础、地下水、地质灾害、工程病态等地下目标体的分布性态.该技术具有灵敏度高、分辨率强、探测深度大、灵活多变适应性强以及轻便、快速、廉价诸多优点,近年来发展十分迅猛,应用前景十分广阔.目前,瞬变电磁法已经成为地球物理探测领域内的重要方法之一.已广泛应用于水利、交通、城建、环保、考古等部门.成功地解决了大量实际问题。

近年来，计算机技术的进步使瞬变电磁法的二维与三维正演模拟计算方法得到了迅速的发展，目前常用的有有限元法、有限差分法和积分方程法等。

瞬变电磁法的三维正演模拟受到科学工作者的重视，深入研究三维瞬变电磁法以提高其应用水平和解释精度，具有重要的理论和现实意义。

2、瞬变电磁法

2.1瞬变电磁法发展历史

20世纪30年代,最先提出利用电流脉冲激发供电偶极形成时域电磁场的是美国科学家,当时利用不同电导率地层界面电磁波的反射与地震反射波信号的相似性,进行了大量的实验和比较.最早提瞬变电磁法工作方法的前苏联科学家,当时采用的是远区工作模式.到了20世纪50～60年代,前苏联科学家成功地完成了瞬变电磁法的一维正、反演,建立了瞬变电磁法的解释理论和野外工作方法之后,瞬变电磁法才开始进入实用阶段.20世纪60年代以后,当意识到时间域电磁测深法可以利用远远小于期望探测深度的收发距时,该方法有了一个快速发展.随之“,短偏移”、“晚期”、“近区”、等技术研究迅速发展起来.美国等西方国家在20世纪70～80年代之间,短偏移法一直处于研究和试验阶段,80年代之间,短偏移法一直处于研究和试验阶段,未被广泛运用,而长偏移法已得到了应用,特别是在地热调查和地壳结构的深部调查中.随后一些专家对瞬变电磁法的一维正反演及方法技术进行了大量研究.20世纪80年代后随着计算机技术的发展,欧美学者在二三维正演模拟技术方面,发表了大量的论文.与此同时,前苏联学者提出电磁波拟地震波的偏移方法,吸取了“偏移成像”的广义概念,在电磁法中确定了正则偏移和解析法偏移两种方法.80年代末,从激发极化现象理论出发,研究了时间域瞬变电磁法的激电效应特征及影响,解释了瞬变电磁法晚期电磁响的变号现象,并对三维极化体的瞬变电磁响应特征进行了数值计算.在我国,对瞬变电磁法的研究始于20世纪70年代,朴化荣、曾孝箴等人,他们将脉冲式航电仪用于地质填图和找矿中;方文藻、李貅等将大回线源瞬变电磁测深法广泛用于地热和地下水调查、工程调查和地质害调查,又将瞬变电磁法用于大地电磁测深曲线的静校正,取得了良好的效果。

以前,瞬变电磁法只局限于金属矿勘探,1992年以随着仪器的智能化与数字化,瞬变电磁法开始步入工程、环境、灾害地质调查中,如探测地下采空区,陷落柱等煤田灾害,划分地下断层、寻找地下水,金属矿产勘探、石油、煤炭等非金属矿产调查、工程场地地质勘察、隧道超前地质预报等领域.取得了良好的效果.瞬变电磁法以其独特的优点广泛用于资源勘探和工程勘察中.。

2.2瞬变电磁法的原理

发展电磁法（Electromagneticmethod）：

根据探测环境的导电性和导磁性的不同，利用电磁感应原理进行勘探的方法统称为电磁法。

瞬变电磁法是利用不接地回线向地下发送一次脉冲磁场，在一次磁场间歇期间利用同一回线或另一回线接收感应二次磁场，该二次磁场是由地下良导体受激励引起的涡流所产生的非稳定磁场，如图1所示。

图1.瞬变电磁勘探远离示意图

瞬变电磁法中的一次磁场、二次磁场可由线圈的感应电动势反映，将感应电动势进行数字化采集处理后，即可得到二次场衰减曲线。

瞬变电磁法的工作过程分为发射、电磁感应、接收和数据处理4个部分，按时间过程可分为早期和晚期两个阶段，在不同阶段中感应场所提供的地质信息不同，从而用途也不同。

在断电初期，感应电流多分布在地质体的表面，形成表面电流，所以涡旋电流大多分布在地质体表面。

这一早期阶段的瞬变电磁过程主要反映出地质体的浅部信息，热损耗使感应电流在地质体内扩散，扩散速度与地质体

的导电率成反比。

瞬变过程进入晚期阶段，导电介质吸收使高频成份迅速减少，低频成份占主要比例，电流分布趋于稳定，热损耗速度减慢，使感应电流产生的二次磁场衰减减慢，此时涡流磁场之间的连续作用使瞬变电磁场相对稳定。

瞬变电磁场也可分为近区、远区。

在远区，一次磁场是一种近似的不均匀平面波。

电磁能量传播到地中，在地质体中感应电流如同“烟圈”一般，逐渐向地下扩散，产生所谓的“烟圈效应”。

在各向同性介质中，电磁场分布服从麦克斯韦方程组：

并且有下列关系式：

J=σE

B=μH

D=εE

其中，H为磁场强度，E为电场强度，B为磁感应强度，J是电流密度，D为电位移矢量，μ为磁导率，ρ为电荷密度，σ为电导率，ε为介电常数，μ0为自由空间磁导率。

瞬变电磁法主要观测感应电动势、磁场和电场3种参数。

在解决电磁场问题过程中，由源直接激发的一次场和由感应而产生的二次场也同时遵从麦克斯韦方程组，也需要满足一定的边界条件。

在均匀介质中，瞬变电磁场的矢量E,D,B和H在时间和空间上是连续的，且一阶导数也连续。

满足以上边界条件后，求解出唯一的电磁场的空间分布。

2.3瞬变电磁法的优缺点

瞬变电磁法的观测是在脉冲间隙中进行，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，不同的延时观测的主频率不同，相应的时间场在地层中的传播速度不同，调查的深度也就不同，这称之为空间的可分性。

由这两种可分性导致瞬变电磁法有以下特点：

把频率域法的精确度问题转化成灵敏度问题，加大功率，灵敏度可以增大信噪比，加大勘探深度：

在高阻围岩地区不会产生地形起伏影响的假异常;在低阻围岩地区由于是多道观测,早期道的地形影响也较易分辨,可以采用同点组合,同一回线、重叠回线等,进行观测,使与探测目标的耦合最好,取得的异常强、形态简单、层能力强、线圈点位、方位或接收距要求相对不严格，测地工作简单，功效高，有穿透低阻覆盖层的能力，探测深度大;剖面测量与测深工作同时完成,提供了更多有用信息,减少了多解性。

因此瞬变电磁法探测具有如下优点：

⑴由于施工效率高，纯二次场观测以及对低阻体敏感，使得它在当前的煤田水文地质勘探中成为首选方法；⑵瞬变电磁法在高阻围岩中寻找低阻地质体是最灵敏的方法，且无地形影响；⑶采用同点组合观测，与探测目标有最佳耦合，异常响应强，形态简单，分辨能力强；⑷剖面测量和测深工作同时完成，提供更多有用信息。

瞬变电磁法的工作效率高，但也不能取代其它电法勘探手段，当遇到周边有大的金属结构时地面或空间的金属结构时，所测到的数据不可使用，此时应补充直流电法或其它物探方法（见金属结构物对测量的影响一文）。

同时在地层表面遇到大量的低阻层矿化带时（例如在陕西南部某地铅锌矿区，地层表面充满石墨层）瞬变电磁法也不能可靠的测量，因此在选择测量时要考虑实测当地的地质结构。

三、正演问题研究

正问题是根据给定的地球模型求解地球物理电磁场理解值,反问题是根据实际测量的地球物理电磁场数据定性或者定量解释出地球内部的结构的过程。

3.1　一维正演问题

对瞬变电磁法一维情况下的正演计算大多采用先在频率域进行讨论,得到层状介质下的电磁响应表达式,然后把讨论结果转换到时间域来.从频率域到时间域响应的转换,可以采用的方法有:

GAVER2STEHFEST逆拉氏变换方法、延迟谱方法、线性数字滤波方法、折线化正余弦变换法.线性数字滤波技术是将汉克尔变换转换成卷积形式,离散化后形成数字滤波器.滤波器的系数由已知变换对求出。

这一变换主要涉及Hankel变换,Hankel变换方法有两种,一种采用线性数字滤波技术,利用Hankel系数反积分方程离散化,并把积分形式变成求和形式。

（流程图如图1）计算精度与系数的个数多少有关系。

另外一种办法是把足够长的积分区间分成两部分,求出贝塞尔函数的两个零点,在各区间内采用高斯积分求积,然后求和,这一算法精度较高,但是效率较低。

图2.一维正演值计算流程图

折线化正余弦变换法是利用正余弦函数的导数性质和分部积分法则将积分转换成为对核函数导数的的正余弦变换.对导数进行差商近似,将积分区间分段,并在每个段内用折线来逼近积分核函数,使核函数的二次导数变成一系列δ函数的和，该算法对缓变函数效果较好。

3.2　二维正演问题

二维数值计算多采用有限差分法进行.用两个无限长直导线近似作为发送回线源,可用均匀半空间的解析解在t>0时刻将源转化为初始条件加入.从反映电磁场基本规律的麦克斯韦方程组出发,导出时域电场的齐次扩散方程,对所研究的空间区域作差分离散,利用准静态近似处理空中边界,在地2空界面向上延拓一个网格,采用五点差分显式格式,在每一时间步计算网格空间各点的场量,然后进行时间的逐步递推,就能直接模拟电磁波的传播及其与地质体的相互作用过程,使电磁场的时域特性被直接反映出来。

（流程图如图2）

图3二维正演有限分法程序流程图

由于源的处理和边界条件的确定是建立在在水平均匀半空间基础上的,目前的时域微分方程算法尚存在着不足,无法分析TEM场对浅异常体的响应;无法有效地分析地形对TEM的影响,地形与异常体的相互作用还不甚清楚;由于对源的特殊处理,使得计算结果对浅部地质体的反映不佳.有限元法对频率域计算比较有利.因为它可以很方便地处理急剧变化的和倾斜的电导率分界面和地形等问题.由于频域电磁勘探中的二维定解问题相对简单,且用有限元法求解十分方便,因此,先在频域中用有限元法求解,然后变换到时间域,是瞬变电磁二维正演的一种有效途径.

3.32.5维正演问题

2.5维时间域电磁场数值模拟问题是目前国际上尚未妥善解决的计算地球物理疑难问题之一.我国从20世纪80年代开始着手研究2.5维电磁场的数值模拟,采用有限元法对时间和频率域电磁场的2.5维响应进行正演数值模拟,采用快速松驰算法实现三维源二维地质结构的CSAMT数值计算,尽管占用计算机资源较大,但是确实给多维反演研究开辟了方向.为避免过于庞杂的三维正演计算量,可以首先在频率域计算电磁场响应值,然后再把计算结果变到时间域采用三角形网格代替传统的矩形网格算法,导出了中心回线瞬变电磁2.5维二次场（纯异常）的有限单元计算公式。

3.4　三维正演问题

三维反演是提高TEM资料解释效果的必由之路,三维模型正演又是反演的基础,因此,改进与完善TEM法三维模型正演,对进一步提高TEM资料解释水平和方法的应用效果具有理论和现实意义.目前国内还没有应用较好的三维正演软件.三维瞬变电磁场正演计算只能用数值方法,主要方法有三类:

有限差分法,有限元法和积分方程法.前两种方法要求对所计算的全部区域进行离散化,所占用的计算机容量较大.后者只要对异常区域进行离散化,存贮量大大减小.积分方程是最早实现三维场模拟的数值算法,因为积分方程法只需要计算小体积异常区的场,不必计算整个区域的场。

这一点使积分方程算法在数值计算的早期,比微分方程法具有更大的优越性.但是积分方程法求解要遇到某些更困难的数学问题,仅适合模拟简单模型.在计算比较复杂的模型,如层状大地中的三维异常体时,往往不能用直接时域积分方程求解,而要由频域积分方程的计算结果经傅立叶变换到时域.尽管几乎在所有情况下,电磁场的频率域特性和时间域特性之间可以通过傅氏变换一一对应,然而也有一些情况,除了转换中的计算精度问题以外,两者之间有着很微妙的差别。

要模拟复杂的地质构造，还要依赖于时域微分方程的方法.和积分方程算法不同,在开放域的地球物理问题中,微分方程算法要解决边界条件和源的处理问题.瞬变电磁三维直接时域有限差分法数模拟已经有报道.而且还进一步地通过设定等效位移电流,使原适合波动场的时域有限差分算法（FDTD）能够适用于扩散场问题.直接时域算法的引入,展现了电磁场在地下随时间传播的全过程,直接模拟电磁波与地下异常体的相互作用,使TEM场的时间特性被直接反映出来,从而给复杂的物理过程描绘出清晰的物理图象.直接在时间域中求解和从频率域中转换,两者的计算量基本相当,前者精度较高,尤其是晚期,但是计算复杂.后者由于频率域的研究已有很好的基础,所以做起来简便.也可以按照二维时间域有限差分的思路进行三维有限差分计算,即把三维源问题做特殊处理后,作为初始条件加入迭代方程,然后进行计算.

3.5反演问题研究

浮动薄板解释法是一种根据视纵向电导曲线的特征值直观地划分地层的近似解释方法.因此称为“视纵向电导解释法”,也有人把该法形象地称为“浮动薄板解释法”.烟圈理论解释法在均匀大地上,当发送回线中电流突然断开时,在下半空间中就要被激励起感应涡流场以维持在断开电流以前存在的磁场,大地感应涡流在地表面产生的电磁场可近似地用圆形电流环表示.这些电流环就像由发射回线吹出的“烟圈”,其半径随着时间增大而扩大,其深度随时间延长而加深.这就提示我们:

当计算均匀半空间的地面瞬变电磁响应时,可以用某一时刻的镜像电流环来代替.人机对话自动反演法先根据地质资料及定性分析结果,给出初始模型进行正演计算,将正演计算结果用改进的阻尼最小二乘法与实测数据对比拟合.如果拟合结果不满足要求,就修改模型参数,再进行正演计算,然后再对计算结果对比,如此重复直到满意为至。

人工神经网络反演是模拟人脑机理和功能的一种新型计算机和人工智能技术,在数据处理中采用拟人化的方法进行处理,特别适合于不确定性和非结构化信息处理.它不要求工作人员有丰富的工作经验,它避开了具体复杂的电磁场计算,只要经过适当的学习训练就能够解决复杂的实际问题,而且还具有学习记忆功能,它一边工作一边学习,使得瞬变电磁法的反演工作具有延续性和继承性.随着专家系统的不断完善,该方法将有广阔的发展前景.

联合时2频分析反演是借助于信号分析领域内的新成果发展而成的技术,它同时分析TEM信号的时间和频率域响应曲线特性,从而进行定性和定量分析解释[18].TEM接收到的电压衰减曲线形态比较相近,一般情况下计算出全程视电阻率以及其它电性参数,再进行分析解释,这种常规方法对TEM信号的利用率不高.联合时间频率分析可以表示涡流场在不同时刻,不同频率分量在地下激发和衰减过程.设观测的时间曲线和由此进行快速付氏变换所得的频率曲线为已知,给定初始反演参数,采用广义逆矩阵迭代超定方程,结果表明,用两种曲线进行联合反演所得的参数精度比常规解释精度高。

成像类反演主要有两种,一种是时频等效转换方法,即:

通过一个经验公式,把TEM数据等效转换成平面波场数据,借用MT数据的拟地震思路,求取反射系数序列进行成像[19].另外一种就是波场转换方法,并进一步进行拟地震偏移成像.如果将扩散的瞬变电磁场变换为波场处理,将该波场从地面向地下反向外推进行偏移成像,形成瞬变电磁偏移方法[20],将对提高瞬变电磁场的分辨率具有重要意义.瞬变电磁法的三维反演问题将是研究的热门.由于计算的复杂性,国内研究较少,国外学者研究相对较多.但随时着计算技术的不断发展,三维反演问题得到解决,瞬变电磁法的勘探精度会得到很大的提高。

四、瞬变电磁勘探的应用

瞬变电磁法是一种很有前景的物探方法，因其场源频带宽、分辨率高、操作简单等优点，其应用领域不断被拓宽，从金属、石油等矿产勘探到找水、地热等，还广泛应用于工程地质勘探等领域，涉及的范围包括地面、地下和海洋。

4.1地质矿产行业的应用

瞬变电磁法进行矿产资源勘探已经很成熟，在寻找金属矿产时瞬变电磁法成为了非常重要的手段之一。

瞬变电磁法在矿产综合利用、勘探中也具备明显优越性，因其具备较大勘探深度和较高的纵向分辨能力，瞬变电磁法与其他物探找矿方法互相补充，可以更好地解决找矿难题。

在王小兵等在大平深铜矿勘探工作中，通过分析瞬变电磁法得到视电阻率异常，确定了隐藏矿体空间分布状况。

金属尾矿库下的采空区是矿山开采过程中需要解决的突出问题，如不及时处理，会给生态环境造成破坏，并产生安全生产隐患。

吉林大学张善法等人在山东某矿区，利用瞬变电磁法对尾矿库下采空区进行了探测，有效地圈定出采空区的位置。

图2为大平梁铜矿区地面高精度瞬变电磁勘探图，TEM异常部位可以在寻找中深部隐伏铜多金属矿体的工作中起到指导作用，从而确定隐伏矿体空间分布，提高了勘探深度。

图4太平梁铜地区高精度磁测平面图

4.2煤矿行业中的应用

在煤矿行业中，瞬变电磁法的研究一直是专业工作者重视的手段，与其在其他领域中的应用相比,煤矿瞬变电磁法的理论研究与实际应用都具有较高水平。

近年来，矿井瞬变电磁法开始在我国采用，2007年，中国矿业大学的岳建华等人，应用时域有限差分法（FDTD），采用非均匀网格模拟了均介质和层状低阻异常体的响应特征，为煤层异常区探测等提供了理论依据。

刘志新在其博士论文中，研究了利用瞬变电磁法测量矿井最小和最大探测深度，建立了全空间瞬变电磁场数字模型，编写了三维正演有限元模拟程序，根据数值模拟结果和物理实验模型，确立了矿井瞬变电磁探测方法和技术。

采用澳大利亚TERRA-TEM型瞬变电磁仪，2m×2m的多匝矩形线圈，测点之间距离为10m。

图3为沿巷道顶板方向探测的视电阻率等值线图，可以看出在23～26号点之间有一个低阻异常区，经过分析认为产生于富含水的顶板砂岩。

图5顶板视电阻等值线图

瞬变电磁法探测煤矿采空区的工作采用ATEMII瞬变电磁仪与加拿大PROTEM67D瞬变电磁勘探系统，可以探测出煤矿的采空区位置，在某些实际应用中都取得了很好的效果。

针对矿井巷道狭小、具有半空间的特点，传统的探测方法受到限制，需要能在有限空间范围内发射和探测线圈装置。

线圈的大小、匝数对测量结果起到关键的作用，所以，煤矿瞬变电磁法的研究也包括研制出合理的线圈形式。

4.3工程物探中的应用

在进行工程物探的研究时，很多方面都能应用到瞬变电磁方法，包括铁路、公路以及水利和城市建设等方面。

主要应用于探测工程地质复杂地质体（如溶洞、空洞等）；在建设隧道时，瞬变电磁法还可以探测顶板水或者对挖掘方向进行预测及预报；还可以利用瞬变电磁法进行工程质量的检测。

在解决工程地质问题方面，瞬变电磁法探测公路隧道工程中的复杂地质构造，其测量结果给公路设计提供重要的参考，也证明瞬变电磁法在某些地区进行工程地质勘察时是行之有效的方法。

4.4石油行业中的应用

在石油行业中，主要以地震勘探方法为主。

在很多情况下存在地震勘探法不能解决的问题，例如，在碳酸岩等大量覆盖的地区，地震波很难向下传播，这时，使用电磁法进行勘探是解决这类问题的途径之一。

目前，这种方法在理论上是可以实现的，但还较少进行实际应用，因此，瞬变电磁方法在石油行业中的应用还很少见，大多数只停留在理论阶段。

但从瞬变电磁方法的优越性来看，这种方法将很快应用到对石油的勘探中去。

4.5海洋中的应用

海洋在地球表面占近四分之三的比例，海底资源的利用对于人类极为重要，海底石油、天然气和各种矿藏极为丰富，除了地震勘探法外，海洋瞬变电磁法研究同样也是非常重要的地球物理方法，它具有探测范围大、适应性强、实施简单等优点。

上世纪20年代，法国科学家首次开展了电磁法水上电阻率的测量，海洋电磁研究主要针对深海地质构造和矿产勘探工作。

瞬变电磁法的研究在欧美取得了一定的进展，日本、俄罗斯等国也进行了海洋瞬变电磁的勘探和测量。

加拿大的Geophex公司生产的频率域GEM-3是目前较好的海洋瞬变电磁系统。

我国的海洋瞬变电磁研究始于上世纪60年代，多家科研单位和大学进行了海洋瞬变电磁法的研究。

李慧等人采用时间域电磁法研究并实现了浅海底探测，研究了在海水、海底两个高导电半空间模型下的海洋瞬变电磁响应，并对实验结果进行了验证。

五、总结

在充分了解了目前国内外瞬变电磁法研究进展之后，文中阐述了瞬变电磁法基本原理、正反演问题的研究以及瞬变电磁法在各个行业中应用。

瞬变电磁法应用于较为复杂的地质环境，受外界干扰较大的情况下，其他勘探方法无法进行，采用瞬变电磁法可以得到更加切合实际的测量结果。

在以后的工作中可以进一步开展三维正、反演理论方法的研究，提高数据采集与处理系统的分辨率，同时对三维成像技术进行研究与开发。

由于瞬变电磁发射线圈与接收线圈所产生的互感及各自产生的自感，这些信号与电磁响应信号叠加，造成系统信噪比下降，所以增大瞬变电磁法的探测能力，以进一步提高仪器的信噪比。

在我们国家，应进一步拓宽三维瞬变电磁法应用范围，加强对瞬变电磁法的研究，使其在矿产、石油、工程物探等领域为国民经济做贡献。

参考文献

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[2]DanielsenJE,AukenE,JorgensenF,et.al.Theapplicationofthetransientelectromagneticmethodinhydrogeophysicalsurveys[J].JournalofAppliedGeophysics，2003，53

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[3]Yuji