瞬变电磁法基本理论论文_刘晨阳

1瞬变电磁法的原理

瞬变电磁法[1][2]（Transient Electromagnetic Methods）的基础是电磁感应原理，场源为人工源，因为研究的是响应场与时间的关系，又被称为时间域电磁法（Time Domain Electromagnetic Methods）。其人工场源分为2类：电偶源（即接地回线）和电磁源（即不接地回线）。

利用人工场源向地下发射一次脉冲场，在其激发下的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场（即一次场），在一次场激励下，地质体将产生涡流。在一次场消失以后，涡流不会马上消失，它会有一个衰减的过程，此过程会产生一个衰减的二次磁场，并继续传播，再由接收回线接收二次场。这样，通过分析二次磁场的信息变化，就可以得到地质体的电性分布情况。

图1 瞬变电磁法的原理图[3]

对于层状大地的瞬变电磁场，在垂直磁偶源的情况下，其均匀半空间的计算公式如下[4]：

1.1烟圈效应

针对瞬变电磁法激发的磁场，美国科学家M.N.Nahighian 提出[4][5]：感应涡流场在地表的磁场值为地下各个“环带”涡流层的总效应，该效应等效于一个电流环。人们形象的将其称为“烟圈效应”。涡流的形状为向下、向外扩散的同心环状，涡流与地面成47°扩散，其密度最大值的扩散方向与地面夹角大概30°。其扩散公式如下[7]:

其原因可以做如下解释：从上面的原理部分我们可以知道，在一次场激励下，地质体将产生涡流，涡流会引发一个磁场。这个迅速衰减的电磁场会在它的周围感应出一个更弱的涡流。如此不断循环。这一过程将会继续到磁场能量耗光。

为了克服烟圈效应提高探测精度，一些地质工作者对此进行了探索。2011年，王大设等人设计了，基于烟圈效应的11点超前探观测系统设计，可以在不同巷道条件下使用。2015年，杨聘卿等人基于烟圈效应，对于山西常蒋煤矿的老空积水危害问题，设计了一个精度较高的方案，经验证比较准确。

1.2视电阻率

磁偶源条件下的早期视电阻率，指取 的极限条件时，推导出的计算视电阻率。它反映了浅部的地层信息。 时，根据 的渐进值，表达式为：

磁偶源条件下的晚期视电阻率，指 的极限条件时，推导出的计算视电阻率。它反映了深部的地层信息。根据 的渐进值，表达式为：

对全期视电阻率准确程度有影响较大的三个因素：采集现场的电磁干扰、线圈的自感与互感现象、关断效应等。当关断时间 与扩散参数的比值小于1时，视电阻率的观测值将会产生畸变，且观测值可能低于正常值，也可能高于正常值，这与采样零点的选取有关。由于早、中期的视电阻率有误，后期的视电阻率计算也会不准确。

1.3 全程瞬变二次场提取

理想条件下，发射电流的关断时间为零。但实际中并非如此。这使得接收到的全程电磁信号发生了畸变。为了提高瞬变电磁法浅部探测的准确程度，需要提取全程瞬变二次场。

据嵇艳鞠的研究，对实测的电压信号在 到晚延时 期间的积分恰好等于一次场与二次场之矢量和，即

根据以上的等式，可以考虑以下两种提取全程瞬变二次场的方法，一是将实测的感应电压转换为磁场后，再减去电流变化产生的一次场；二是先求取电流关断期间一次场的变化率，再用实测的感应电压减去一次场的变化率。

2 瞬变电磁法工作装置的分类

瞬变电磁野外工作的方式分类如下表：

表1 瞬变电磁野外工作方式表

3 结论

针对不同的观察对象，不同装置形式适用范围不同，例如中心回线适用于剖面及测试测量。因此，在实际的工程当中，应该根据不同的工程要求，选取不同的装置形式或几种装置形式同时测量，从而降低物探方法单一性、多解性的问题[6][7]。

参考文献

[1]李建慧,朱自强,曾思红,刘树才.瞬变电磁法正演计算进展[J].地球物理学进展,2012,27(04):1393-1400.

[2]薛国强,闫述,底青云,李貅,王若,李海,钟华森.多道瞬变电磁法(MTEM)技术分析[J].地球科学与环境学报,2015,37(01):94-100.

[3]焦险峰,刘志新.瞬变电磁法浅层分辨率物理模型实验研究[J].中国矿业大学学报,2014,43(04):738-741.

[4]蒋中明,熊小虎,曾铃.基于FLAC~(3D)平台的边坡非饱和降雨入渗分析[J].岩土力学,2014,35(03):855-861.

[5]王春波,丁文其,乔亚飞.硬化土本构模型在FLAC~(3D)中的开发及应用[J].岩石力学与工程学报,2014,33(01):199-208.

[6]李建慧,朱自强,鲁光银,曾思红.回线源瞬变电磁法的三维正演研究[J].地球物理学进展,2013,28(02):754-765.

论文作者:刘晨阳

论文发表刊物:《基层建设》2018年第29期

论文发表时间:2018/12/12

标签：电磁论文;  电阻率论文;  涡流论文;  磁场论文;  效应论文;  质体论文;  条件下论文;  《基层建设》2018年第29期论文;