瞬变电磁原理、仪器及应用讲述.pdf

瞬变电磁原理、仪器及应用 第 1 章 绪 论.1 1.1 瞬变电磁法发展概况.1 1.2 瞬变电磁探测方法的特点及应用领域.2 第 2 章 瞬变电磁法探测原理.4 第 3 章 ATEM-II 瞬变电磁探测系统.7 3.1 ATEM-II 瞬变电磁发射机.7 3.2 ATEM-II 瞬变电磁接收机.10 第 4 章 瞬变电磁响应分析.17 4.1 各向同性水平层状大地上回线源的瞬变电磁响应.17 4.2 均匀大地表面上大回线源在地表形成的瞬变电磁场.17 4.3 中心回线下的隐伏球体的响应特征.18 4.4 中心回线下的隐伏无限延伸的水平圆柱体的响应特征.20 4.5 导电围岩中的局部导体瞬变电磁响应.20 第 5 章 瞬变电磁野外工作方法.22 5.1 回线组合选择.22 5.2 发射电流的选择.24 5.3 发射脉冲宽度的选择.25 5.4 关断时间的影响.26 5.5 发射边长的选择.27 5.5 接收最早取样时间的选择.29 5.7 接收线圈的频率选择.30 第 6 章 瞬变电磁探测的数据处理与成图.31 6.1 数据质量判别.31 6.2 数据处理.33 6.2.1 平滑滤波.33 6.2.2 近似对数等间隔取样.34 6.3 基于“烟圈”理论的一维快速反演.37 6.4 数据成图.40 第 7 章 ATEM 系统野外应用.42 7.1 长春秦家屯模型验证研究.42 7.2 长春伊通河活断层勘察研究.44 7.3 内蒙正镶白旗水源勘察.45 7.4 安徽铜陵矿山接替资源勘探.49 7.5 浙江舟山连岛工程探测.52 54 第 1 章 绪 论 1.1 瞬变电磁法发展概况 在 1933 年，美国科学家 L.W.Blan最早提出利用电流脉冲激发供电偶极形成时间域电磁场，采用电偶极测量电场，并命名为“Eltran”法，于当年获得美国发明专利，该方法提出后美国石油公司做了很多野外实验，希望得到类似地震反射法的结果。但由于脉冲激发的瞬变电磁响应频率较低，在沉积盆地难以得到能识别的分辨率，使得“Eltran”法的幻想破灭。在 30 年代末，前苏联的.提出将瞬变电磁信号应用于地质构造测深，在1946 年，.等人作了论证，此后由.建立远区建场测深方法(),它主要采用电偶源(通以方波的接地导线)，在距源r处用接收线圈测垂直分量，了解磁场的建立过程，初期发射接收距 r(46)H，(H 为高阻基底上部沉积岩的总厚度)，这是一种以分析地层深度变化特征的方法，此法主要用于地震探测油田效果不理想的地区。在西方，1951 年首先由学者J.R.Wait提出利用瞬变电磁场法寻找导电矿体的概念。60 年代.、.等人将发射接收距改成 r0.7H，建立近区建场测深方法()。在同时期，前苏联科学家.、.及.等人创立了应用于勘查金属矿产的过渡过程法()。60 年代以后，建场法和过渡过程法得到更广泛及成功的应用和发展，该方法步入实用阶段。20 世纪 60 年代前苏联在全国各个盆地进行普查，发现了奥伦堡地轴上的大油田。60 年代中期到 70 年代末这段时间，人们认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，这种方法有了快速发展，随之如“短偏移”、“晚期”、“近区”这类方法迅速发展起来。美国等西方国家在 20 世纪 7080 年代，短偏移法一直处于实验和研究阶段，未被广泛应用，而长偏移法得到了应用，特别是在地热调查和地壳结构调查中。比较有代表的学者：G.V.Keller，1977；Stemberg，1979。随后，J.R.Wait，G.V.Keller，A.A.Kaufman等科学家对瞬变电磁法一维正、反演计算及方法技术进行了大量研究。20 世纪 80 年代以后随着计算机技术的发展，在二三维正演模拟技术方面，G.W.Hohmem，A.P.Raiche，B.R.Spies，M.N.Nabighian 等学者，发表了大量论文。我国的瞬变电磁法研究起始于 20 世纪 70 年代初，较早开展这项工作的有原长春地质学院的朴化荣、曾孝箴、王延良等人，推出了均匀大地上空时间域电磁响应，并将脉冲式航电仪用于地质填图和找矿。1977 年地矿部物化探勘查研究所的蒋邦远等将脉冲电磁法用于勘探良导体金属矿。1985 年牛之琏将脉冲电磁法用于金属矿勘探，并取得了明显的效果。随后中南工业大学、西安地质学院、北京矿产地质研究所、中国 54 地质大学、中国有色金属工业总公司矿产地质研究院等单位进行研究。通过国内学者的二十多年的努力，取得了一些有价值的研究成果和大量的应用实例，在理论和方法技术方面推动了 TEM 在我国的应用和发展。仪器研制方面，专门用于时间域电磁法仪器：1953 年出现第一专利，为 Newmont勘探公司申请，1962 年 Mclanghlin 和 Dolan 研制出 Newmont EMP-1 型仪器，1964 年EMP1 野外实验成功，1974 年 Crone 公司推出偶极系统的商品仪器，1974 年 Newmont EMP 正式用于野外，1977年CSIRO研制出SIROTEMI，1972年Lamontagne研制出UTEM1,1980 年 Geonics 研制出 EM37，1996 年 EM-67 等。20 世纪 80 年代末以后，多功能电法仪器相继问世，美国 Zonge 公司的 GDP12、GDP16、GDP32,加拿大的 V-5、V-6、V5-2000 等。我国从 20 世纪 70 年代开始研制的脉冲式航电仪用于野外实验研究，80年代地矿部物化探研究所的 WDC 系列瞬变电磁仪，西安物化探研究所的 LC 瞬变电磁仪，90 年代中南工业大学的 SD-2 仪器，中国有色金属工业总公司的 TEM-3S 仪器，2001年，吉林大学研制的 ATEMII 型瞬变电磁仪器系统。1.2 瞬变电磁探测方法的特点及应用领域 在发射电流脉冲间歇期间（断电）后，观测地下介质产生的感应二次场随时间的变化，既瞬变电磁响应，不存在一次场源的干扰，这称之为时间上的可分性。从傅里叶变换可知，一个阶跃脉冲是由各种高频和低频谐波叠加而成，产生的激发场（一次场）是宽频带电磁波，其瞬变电磁响应不同延时观测的主要频率成分不同，相应时间的场在地层中的传播速度不同，探测深度也就不同，这称之为空间的可分性。瞬变电磁法的特点就基于这两个可分性。因此与频率域电磁法相比具有以下特点：1.断电后观测二次场，可以近区观测，减少旁测影响，增强电性分辨能力；2.可用加大功率的方法增强二次场信号，提高信噪比，从而加大勘探深度；3.在高阻围岩地区不会产生地形起伏影响的假异常；在低阻围岩区，由于是多道观测早期道的地形影响也较易分辨；4.可以采用同点组合（重叠回线，中心回线）进行观测，使与探测目标的耦合最紧，取得的异常响应强，形态简单，分层能力强；5.线圈形状、方位或接发距要求相对不严格，测地工作简单，工效高；6.有穿透低阻覆盖的能力，探测深度大；7由于测磁场，受静态位移影响小；8通过多次脉冲激发，响应信号的重复观测叠加和空间域多次覆盖技术的应用，提高信噪比和观测精度；9.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。由于瞬变电磁法这些特点，近几年在国内外得到迅速发展。伴随仪器的数字化和 54 智能化，功率的增大，数学模型计算正反演的应用，解释水平的提高与经验的丰富，可以解决的地质问题不断扩大。如：矿产资源勘探、构造探测、工程地质调查、环境调查与监测以及考古等。特别需要指出的是近年来在找水、市政工程、土壤盐碱化和污染调查以及浅层石油构造填图都有良好效果的报导。目前几乎涉及了地球物理探测的各个领域包括空中和海洋，可见已成为重要的地球物理探测方法技术之一。54 第 2 章 瞬变电磁法探测原理 瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Methods），又称时间域电磁法（Time Domain Electromagnetic Methods）简称 TEM 或 TDEM。是近年来发展很快的电法勘探分支方法，在国际上有人称作是电法的“二次革命”。由于它是一种无损高分辨率电磁探测技术，而且不同于探地雷达，它利用探测的电导率数据成图，可提供解释出地下埋藏的金属物体及相关信息。利用瞬变电磁信号进行地球物理探测，早在 30 年代就由前苏联科学家提出，50 年代开始应用于矿藏勘探，在钻井、航空和海洋等领域取得了一些成果。我国对瞬变电磁法的研究也十分重视，自 80 年代初开始分别在方法理论、仪器及野外试验方面已经做了大量工作。瞬变电磁测量是利用不接地线圈(或称回线)向地下发射一次瞬变磁场,通常是在发射线圈上供一个电流方波,可在地下产生稳定的磁场分布,当电流方波关断后,地球介质将产生涡流,其大小取决于地球介质的导电程度。该涡流不能立即消失,它将有一个过渡过程,过渡过程产生的磁场向地表传播,在地表接收线圈把磁场的变化转化为感应电压的变化。瞬变电磁法的测深原理 Nabighian(1979)又可以“烟圈”效应形象地加以阐明，如图 2.1 所示，地表接收的二次电磁场是地下感应涡流产生的，其涡流以等效电流环向下并向外扩散，形如“烟圈”。随着时间的推移，“烟圈”的传播与分布将受到地下介质的影响，这样从“烟圈效应”的观点看,可得早期瞬变电磁场是近地表感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场主要是由深部的感应电流产生的，反映深部的电性分布。因此，观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电性的垂向变化，这便是瞬变电磁测深的原理。瞬变电磁法工作过程可以划分为发射、电磁感应和接收三部分。当发射回线中的稳定电流突然切断后，根据电磁感应理论，发射回线中电流突然变化必将在其周围产图 2.1 等效电流环 Z x t0 t=t3 t=t2 t=t1 Tx 54 生磁场、该磁场称为一次磁场。一次磁场在周围传播过程中，如遇到地 下良导电的地质体，将在其内部激发产生感应电流，又称涡流或二次电流（如图 2.2所示）。由于二次电流随时间变化，因而在其周围又产生新的磁场，称二次磁场。由于良导电矿体内感应电流的热损耗，二次磁场大致按指数规律随时间衰减，如图2.3所示的瞬变磁场。二次磁场主要来源于良导电矿体内的感应电流，因此它包含着与矿体有关的地质信息。二次磁场通过接收回线来观测,并对所观测的数据进行分析和处理，进而来解释地下矿体及相关物理参数。图 2.2 瞬变电磁法工作原理示意图 图 2.3 瞬变电磁法发射和接收波形示意图 近年来，瞬变电磁法在国内外得到迅速发展，可以解决的地质问题范围不断扩 54 大，目前几乎涉足了地球物理勘探的各个领域包括空中和海洋，并且取得了显著的效果，可见已经成为不可缺少的地球物理勘探方法之一。而且其作为勘探地上溶洞、空洞、断层、地裂缝、地下水、有色金属矿、地层软弱带以及浅层至中深层的地电结构，比其它物探方法能取得更为理想的地质效果，在工程地球物理勘探方面不失为一种快捷、精细，先进并行之有效的方法。瞬变电磁法测量装置由发射回线和接收回线两部分组成，工作过程分为发射、电磁感应和接收三部分。当发射回线中通以阶跃电流I，发射电流突然由 I 下降到零，根据电磁感应理论，发射回线中电流突然变化必将在其周围产生磁场，该磁场称为一次磁场，一次磁场在周围传播过程中，如遇到地下良导电的地质体，将在其内部激发产生感应电流，又称涡流或二次电流，由于二次电流随时间变化，因而在其周围又产生新的磁场，称为二次磁场。由于良导电地质体内感应电流的热损耗，二次磁场大致按指数规律随时间衰减，形成瞬变磁场，二次磁场主要来源于良导电地质体的感应电流，因此它包含着与地质体有关的地质信息，二次磁场通过接收回线观测，并对观测的数据进行分析和处理，对地下地质体的相关物理参数进行解释。根据法拉第电磁感应定律，当把绕有匝数为 N，截面积为 S 的圆柱形螺线管线圈放置在随时间变化的磁场 B(t)中时，在线圈中就会产生感应电动势)(tV，即：)1.1.1()()()()()(020dttdIlSNdttnIdNSdttdBqdttdNtV)2.1.1()/)()(dtqtVtBt 其中)(t为通过线圈的磁通量，0为真空导磁系数，n为线圈密度，l为螺线管长度，I(t)为产生的感应电流。由此可见，在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所反映，因此，若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。可见，观测信号)(tV正比于dttdB)(，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 V2(t)的波形。54 第 3 章 ATEM-II 瞬变电磁探测系统 3.1 ATEM-II 瞬变电磁发射机 发射机是主动源电磁方法中不可缺少的设备之一，在时间域电磁法（TDEM），频率域电磁法（FDEM），激发极化法（IP），充电法和可控源大地电磁测深（CSAMT）等方法中均需要发射一定功率的发射机。一般说来，发射机的发射功率越大，其体积和重量就越大，这就是电磁法笨重难以在山区使用的主要原因之一。因此，在发射机功率一定的前提下如何减少发射机体积和重量就是人们一直所追求的目标。传统的电磁法发射机采用工频调压，可控硅桥式输出电路。采用这种方式，一方面发射机的整体体积与重量大，很难适合山区等野外复杂环境下工作，另一方面由于可控硅关断特性决定，关断时间很难小于 50s。ATEM 瞬变电磁法发射机以开关变换器为核心，进行电能转换，以实现功率输出。采用新器件（IGBT）桥式逆变发射控制电路，成功地设计了一系列的轻便发射机。1、发射机工作原理 对于瞬变电磁系统发射机的电气性能，人们更关注最大输出电压、最大输出电流、额定输出功率、关断时间、与接收机的同步方式等几项。其中，激发磁场的磁场强度同发射机的输出电流成正比，而有效勘探深度与发射功率有关，关断时间的长短直接影响着浅层勘探的分辨率和地质解释的精度。为此，希望发射机能实现发射功率足够大、关断时间尽量短、体积小等功能。发射机的主要组成部分如图 3.1 所示，IGBT 全桥功率变换电路、驱动电路、保护电路、控制电路、输入显示、GPS 同步电路等部分。以单片机 89c51 作为主控单元，通过键盘对其进行各项参数的设置，通过液晶显示系统工作状态和各项参量，其中 GPS模块提供同步信息以及 10kHz 的脉冲信号，89c51 通过对波形合成单元的控制，对10kHz 的脉冲信号进行分频、合成满足需求的同步和发射控制信号，发射控制信号通过 EXB841 驱动电路为 IGBT 提供驱动，IGBT 桥路将发射脉冲提供给发射负载，形成双极性方波，为了保护发射桥路，在全桥电路中加入保护和缓冲吸收电路。在发射过程中，为了为数据反演提供一次场信号数据对发射波形的下降沿进行记录并且实时显示发射电流和关断时间，在电路中加入了电流采集和数据存储电路，其通过串联在发射线框中的大功率采样电阻对发射电流进行采样。54 图 3.1 ATEM-II 瞬变电磁发射机原理框图 发射机的主回路为全桥变换电路，其原理如图 3.2 所示，负载 RL 是为一定长度导线构成的负载线圈；ED 为直流电源。用单片机产生桥路控制信号，控制开关 S1、S3 和 S2、S4 交替闭合导通输出信号，在负载 RL 上获得如图 3.3 所示的输出电压波形。34RLS1S2S3S4ED 1221DCBAtttVVV方式0方式1方式2 图 3.2 ATEM发射机主回路原理图 图 3.3 ATEM 发射机输出电流波形 2、ATEM 发射系统发射波形的特点 瞬变电磁法以接地导线或不接地回线通以脉冲电流作为场源，激励探测目标的感生二次电流，在脉冲间隙期间测量二次场随时间的变化的响应，发射机通常发射三种脉冲信号，如图 3.3 所示。在不同的场合，采用不同的发射方式，而在实际应用当中，为了压制噪声，一般使用方式一发射双极性方波作为发射激励源。瞬变电磁法采用正反向脉冲方波供电，在理想状态下，其电流发射波形应该是标准的方波，但是因为发射回路感性负载，方式一发射的电流波形如图 3.4 所示。外接电源（蓄电池或直流电源，最大电压 150V）IGBT 桥式输出电路及保护电路 控制电路 输入、显示电路 驱动电路 内部电源 输出线圈 电流及关断沿测量电路 GPS 同步电路 54 图 3.4 方式一实际发射的方波波形 方波发射的几个阶段过程：初始上升阶段：电流从无到有，一次场建立，波形呈指数规律上升，上升时间取决于发射回路的电性参数：L、R，略受回路和大地的耦合电容 C 的影响，在不同的地质条件下，其上升过程存在一定的差异。电流平坦区：当上升阶段结束，电流达到稳定值，此阶段存在一次场，其脉冲宽度设计要适合地下体探测目标，及其探测深度。电流关断阶段：电流从有到无，也是呈指数规律下降，一次场缓慢消失，其下降规律同样受发射回路的电性参数影响，在实际操作当中，一般要采取措施尽可能的使其线性关断，并且要减小关断时间，以尽快消退一次场，增加接收数据的有效长度以尽可能的获取地下体浅层信息。反向过冲阶段：由于发射桥路及其发射回路存在感性和容性，当电流关断到零时，存在反向过冲，为了保护器件以及减小对接收信号的影响，应采取措施，减小或消除反向过冲。3、发射机注意事项 1）.采用 GPS 同步时，LCD 显示器不显示：“G”用万用表检查 GPS 天线输出 Q9 插头是否有直流 5V 输出，如有，检查天线，否则转 6）.2）.实时时钟到达设定时间显示器不显示“G W”，检查设定参数是否正确，如正确转 6）.3）.开机后无任何显示，检查内部电池是否没电，如有电转 6）.4）.时钟到达设定起始时间后无电流输出或电流指示不正常，首先关机，然后检查输入输出、回路是否正确，如正确转 7）.5）.接收电流波形不正确，检查同步输出波形是否正确，如正确转 7）.，不正确转 6）.6）.检查同步板及电源板。7）.检查控制板及 IGBT。54 3.2 ATEM-II 瞬变电磁接收机 1、瞬变信号的特点 瞬变信号早期衰减快，且幅度大（从几十微秒几百微秒，幅度从 10 伏左右衰减到毫伏级甚至微伏级）；而中、晚期信号衰减慢，幅度小（从几百微秒几毫秒甚至几秒，幅度从毫伏或微伏衰减到微伏级或纳伏级）。为了在很宽的时间范围内不失真地测定瞬变信号的衰减特性，必须保证接收装置有足够高的采样率，以及足够大的动态范围。瞬变电磁信号是宽频信号，实际上随着谐波次数的增高而能量变弱。但其能量主要集中在低频范围内，因此为了消除高频信号对有用信号的干扰，要求接收装置有低通滤波功能。瞬变电磁信号早期强，晚期信号又非常弱，接收装置要保证不失真采样，必须在瞬变信号早期避免放大器饱和，同时又要保证低噪声，才不至于让晚期的有用信号淹没在噪声里。由于瞬变信号是由于发射电流的突然关断感应出来的二次磁场，因为接收装置必须在发射装置发射脉冲的下降沿开始采集，以采集到全程瞬变信号，所以要求接收机与发射机严格同步，同步精度一般不大于几十纳秒。2、电磁噪声特点 瞬变电磁方法进行探测时，接收的瞬变信号中的噪声主要包括仪器系统本身的噪声和外部干扰噪声，其中外部干扰远大于仪器内部噪声，而外干扰噪声主要包括来自外部的电磁噪声和非目标体引起的地质噪声，地质噪声主要取决于发射线圈的边长，外部电磁噪声由天然的电磁场噪声和人文电磁噪声。人文电磁噪声是指与人类文化设施有关的电磁噪声，主要包括电力线网、工业用电、有线广播网、中波及甚低频电台等设施产生的电磁场,在城市内进行瞬变电磁勘探时，就存在着这些电磁噪声。1)、来自电力线网的干扰噪声 在我国工业电频率为 50Hz，因此，干扰噪声为 50Hz 及其谐波的电平，其频率稳定度约为 0.5%-1%，在靠近动力线地段干扰电平 n10n100mv 是常见值。尽管这种干扰随着接收线圈远离动力线而大大地有所减弱，但它具有区域性特点，有人曾在南极大陆及西藏高原观测到了频率为 50Hz 及其谐波的大地电流场，这也许是工业用电渗入大地而形成的地表环流。在工业区，一些附加进来的无规律强脉冲干扰电平，一方面是来自动力用电的转换过程；也可能来自高压电网上的电晕放电现象。但是，一般低压输电网及民用电网对于瞬变电磁系统并不构成很强的干扰。2)、工业用电的干扰噪声 54 在工厂附近工作时，由于电器设备开启、关闭及运转时产生噪声，尤其是发生火花放电之时将产生高值脉冲干扰，往往只好采取远离这些设备或避开设备工作时间观测。3)、无线电台发送波的噪声 尽管电磁系统内的低通滤波器能够有效地抑制电台的干扰噪声，但是这种讯号已被接收线圈感应加入接收机输入端，就防止它串入后几级所带来的影响。人文噪声等这些外来电磁场具有很宽的频谱范围，它包括了从 0Hz 的地磁场到GHz 的高频磁场。常规的瞬变电磁系统工作频率范围约为 0Hz 至 n*10kHz，因此在这个范围内的干扰噪声均被接收系统所能接收到。图 1 为在长春蔡家勘查区观测的野外噪声，通过对野外实验数据分析，测区噪声水平相当大，达到2V/m2，噪声水平比较高，需要采取一些措施进行压制。3、接收机工作原理 ATEM 瞬变电磁系统测量的基本原理是利用全球卫星定位系统（GPS）提供的高精度同步控制信号，在接收机中，测量发射发射电流变为零后形成的瞬变电磁场信号，由传感器将磁信号变成电信号，经过浮点放大与采集、并且滤掉高频干扰信号，由 A/D 转换器将模拟信号转换成数字信号后，送入微机处理并存贮。图 3.5给出了发射电流、同步脉冲及接收的瞬变信号之间示意图，图 3.6 给出瞬变电磁系统接收机原理框图，在测量过程中，信号首先通过传感器将磁信号变成电信号，再通过放大器放大，并且滤掉高频干扰信号，由 A/D 转换器将模拟信号转换成数字信号后，送入微机处理并存贮。在接收机中，主要是测量发射停止后的瞬变电磁场信号，要确保将野外信号有效可靠的记录下来，则对接收机的灵敏度要求相当高。由于晚期信号量级已达微伏，所以，接收机的实际接收精度至少要达到这个水平。图 3.5 发射电流、同步信号及采集波形示意图 在接收机中，主要是测量发射停止后的二次场信号，要确保将野外信号有效可靠 54 的记录下来，则对接收机的灵敏度要求相当高。由于晚期信号量级已达微伏，所以，接收机的实际接收精度至少要达到微伏级水平。瞬变电磁法中经常采用双极性同步采样和信号累加的方法来抑制噪声。也就是说发射机发射周期性的双极性波形，接收机多次采集瞬变信号，然后两个相邻周期的正负数据进行累加，既消除了直流偏移又压制了噪声。4、接收信号累加原理 信号的的累加是瞬变电磁系统提高信噪比的主要检测手段之一。假设有用信号tfs与噪声信号tN，则：tNtftfs （3-1）如果以kt为起点，每隔T的时间对某一特定点取一次样，则第i次的样品应为：TitNTitfiTtfkksk11 （3-2）对于周期信号而言，可以认为 kskstfiTtf （3-3）则 nikksniksTitNtnfTitf1111 （3-4）同步信号 模拟输入 前置放大器 滤波电路 信号 控制 浮点放大 A/D转换 PC104 同步控制电路 电源模块 上位机 图 3.6 瞬变电磁接收机原理框图 54 而：nikkkkTntNTtNtNTitN122211 （3-5）设每次取样噪声电平的有效平均值为 ktN 则：nikktNnTitN11 （3-6）因此，经过累加后的信噪比为：入出NSntNntnfNSks （3-7）经过n次累加后信噪比改善为：nNSNS入出 （3-8）可见，经过n次取样后，取得了n倍的信噪比改善。因此，在瞬变电磁仪器中，一般n都在数百次以上。5、双极性同步采样抑制噪声 信号累加的方法对白噪声的抑制是最有效的，而对于变化比较缓慢的噪声，在累加过程中，可能也引起噪声的累加。对于这种噪声，一般采用双极性信号采样，软件处理的办法。瞬变电磁测量的是时域信号，一般情况下信号的频率范围从0Hz到10kHz或更高。但不论频宽或窄，必须保留0Hz即直流信号。所以，在整个放大电路中，不允许加隔直电容。也就是说，前级的失调信号到输出级后会被放大到很大。所以，在所有的瞬变电磁仪器中，发射机都采用双极性发射，在本接收机中，采用软件计算的方法，把正极性的信号与负极性信号相减，即得两次测量之和。而缓慢变化的噪声信号在两次测量中基本上维持不变，相减后即为零。这样，既可消除外部缓慢变化的噪声，也可消除仪器放大回路的直流失调信号对测量的影响。这种方法的另一个目的是抑制工频50Hz信号及其谐波。设输入有用信号为i，工频干扰为50，系统直流失调为，忽略其它干扰则有：测量信号iiii22250 （3-9）54 可见，测量信号即为输入的有用信号，工频干扰及系统失调完全被消除。实际应用中，达不到理论上的理想结果，但已大大地减小了这两种噪声。6.操作注意事项 接收机界面如图 3.7 所示，为了区分和避免不同接口接错，接收机的输入接口采用不同针的接口，下面分别介绍。图 3.7 接收机操作界面 三针的接口线:为信号输入口，信号线只使用了两针；当在相同的测量环境和工作参数不变的情况下，发现接收回来的曲线出现大幅度降低的情况时请检查输入接口是否接好，或者是否出现长时间使用输入线有断线的可能。四针的接口线:为线同步输入，使用了三针，电源，信号和地，同步信号控制接收机的采集。当接收机进行采集之后，界面上一直显示“正在采集”而应该采集结束却没有曲线显示，当选择线同步方式时，请检查同步接好没有，发射机是否有同步信号输出。七针的为串口线:使用了接收，发射和地，使用该串口通过上位机的串口进行传数。当传输数据时，先打开接收机，进入选择界面之后选择串口传输2，显示 interlnk界面之后再让上位机进入windows98 系统，进行数据复制、拷贝和清空操作。液晶显示:当接收机正常工作时，液晶上显示 dos 系统，主菜单，采集，曲线显示等界面。当工作中突然液晶显示蓝屏，可能接收机供电不足，请卸下供电电池测其幅度。复位：当处于外同步方式时，不小心进入了 GPS 模式，系统会不能进行返回等操作，或者其他无法返回的情况时，请选择复位，不要直接开关机，直接开关机容易造成电子盘的数据丢失。54 图 3.8 接收机主菜单界面 该界面上可以选择不同的操作，参数的设置，采集，GPS 设置，绘图，和退出。让选择退出时，可以再键入 1 按回车返回该主界面。图 3.9 参数设置 点数：通常在 3004000 个点之间。实际设置的参数需要根据发射频率和采样率来计算。周期数：根据噪声的强度设置，一般选择 512 和 1024，且一般选择偶数，否则直流偏移无法消除。值再小压制噪声的效果不好，值再大压制噪声的数量级提高甚微，而耗时增长太多。采样率：单位为 KHz，可以在 8254 分频的范围内选择，最大为 200。前段：一般设置的值和采样点数相同。因为使用浮点采集造成使用抗饱和放大还原时会出现拐点，如果可以认为剔除或修改这些拐点，那么该值小于采样点数，具体数值根据接收机分辨率，噪声和要求来定。54 图 3.9 GPS 参数设置 该界面中，起始时间要小于结束时间，工作频率要和发射机的频率一致。其他界面的设置请参考接收机使用说明即可。7、接收机注意事项（1）使用导线同步时，采集过程停滞不前，检查“外同步”插孔是否接好。（2）开机时，如屏幕显示为黑屏或半黑屏，要关机重新开机。（3）接收机与 PC 机传输数据时，如果用 WINDOWS98，则要在 CONFIG.SYS 文件末尾加入下面语句：DEVICE=INTERLINK.EXE 所在的路径。比如 INTERLINK.EXE 在 PC机的 C 盘根目录，则在 CONFIG.SYS 末尾加入 DEVICE=C:INTERLNK.EXE.（4）如果感觉采集数据不正确，请拿示波器先观测接收线圈上的瞬变信号，对比分析是否曲线形态一致，幅值一致，从而判断是否是接收机的问题。（5）如果采集曲线上出现幅值很低的地方有台阶，类似平顶的一段幅值出现，请拿示波器看 AD7815 采集芯片之前，浮点放大之后的曲线是否已经饱和，如果饱和说明是浮点放大部分产生的直流偏移过大导致无法复原。（6）由于目前购买的芯片存在质量问题，会出现接收机过一段时间无法正常采集，那么请用示波器观测 AD7815 采集之前模拟放大部分的信号，确保都正确之后采集一般没有问题，AD7815 这个芯片不轻易出现毁坏现象。（7）再信号输入之前请估计输入的幅值，虽然电路里加入了保护二极管，但是没有在输入之前加前置，如果输入幅值太大，会造成第一级前置放大损坏或者没有损坏但是需要经过很长时间恢复，而采集不正常时认为是接收系统其他部分的问题。54 第 4 章 瞬变电磁响应分析 4.1 各向同性水平层状大地上回线源的瞬变电磁响应 在电磁测深理论中，一般先研究均匀导电半空间模型下电磁场的分布，然后引入到层状模型进行求解。瞬变电磁场的求解是通过在频率域中亥姆霍兹方程求得的谐变场，然后利用傅氏变换技术将频率域的谐变电磁响应转到时间域来。通常所说的瞬变电磁场是用阶跃波或其他形式的脉冲电流源激励大地产生的过渡过程场，阶跃波由于激发简单且实用，而被广泛采用。由负阶跃电流)()(tuti，其傅里叶变换iI/1)(，频率域中谐变电磁场量)(1E，1H既是线性系统的频率特性，对应时间域的负阶跃电流激励下瞬变电磁响应tE，tH的关系为：deiHtHti)(21)(1 (4-1)deittHFttHti)(21)(4-2)deiEtEti)(21)(1 (4-3)一般地可写为 deiEtfti)(21)(4-4)在磁源瞬变电磁探测中一般不研究E(t)量。4.2 均匀大地表面上大回线源在地表形成的瞬变电磁场 均匀大地上方的圆回线源如图4.1 所示，10,kk分别为空气和地下半空间的波数。均匀大地表面上大回线源在地表形成的谐变场垂直分量表达式为：akeakakakIHz1)311(13)(22113210 (4-5)由于实际测量时，通常是通过测量接收线圈中的感应电动势ttHt)()(实现测量地面瞬变电磁场，由此求得：akzeakakaIHittHF1)311(13)()(22113010 (4-6)为将频率域表达式变为瞬变场表达式，利用傅里叶反变换关系，上式变换为 54)(3)31(2)(3)(30102/230102ufaIeuuuaIttHzu (4-7)式中)31(2)()(2/22ueuuuuf，atuau2210 tmm7102，)(02/22)(tuttdeu称为概率积分。当测量磁感应强度时间的变化率时，经整理后得 3(2)()31(1 2)()2/(2002uzeuuuaIut (4-8)图 4.1 层状大地表面圆回线源 图 4.2 两层大地的电动势时间特性曲线 （中心回线，回线半径 100 米）通过汉克尔积分、余弦积分等解析计算和数值计算，得到图 4.2 所示的一组细线表示不同电阻率响应曲线。在晚期感应电动势5/2)(tt，在双对数坐标上的响应曲线呈 68.2下降直线。电阻率越大，早、中期的时间短，且幅度大，电阻率越小，早、中期的时间长。4.3 中心回线下的隐伏球体的响应特征 在中心回线装置情况，地下各种洞体瞬变电磁响应特征可近似看成是球体和圆柱体或它们的组合，因此可用球体或圆柱体作为洞体的模型。设有一球体位于中心回线装置中心的正下方，电导率为，半径为 a，球心埋深为 d(da),回线的边长为 2L，隐伏球体上方产生的瞬变响应为：54 )()()(230tLaxfLdfLIAVzz (4-9)2122)(2)(12)(LdLdLdf (4-10)2522)1(22)(xxxfz (4-11)式中 A 为接收线圈的有效面积，I 为发射电流，daa，dxx 是球外心到观测点的距离，脚标 z 为瞬变场的垂直分量。球体的几何响应函数的理论曲线如图 4.3 所示。均匀场中由球引起的讯号的过渡特性为：12)exp(6)(ktktL (4-12)球的讯号的衰减指数为：201a (4-13)当回线边长比球的半径大 2 到 3 倍，可以认为在球内的一次场是均匀的，并且等于在球心的回线场值。在这样条件下，球体产生的瞬变响应为：123213403)/exp(1)()2(3kctkhbaLI (4-14)21为衰减时间常数。下图 4.4 得到球体比圆柱体瞬变衰减快。图 4.3 球和水平圆柱体的瞬变响应 图 4.4 球体的几何响应函数 曲线：1球体 L/6，2水平圆柱体,N/4，54 4.4 中心回线下的隐伏无限延伸的水平圆柱体的响应特征 设一长方形发射回线，其边长平行半径 a 的无限延伸圆柱体，如果发射回线的边长到隐伏水平圆柱体轴线的距离大于圆柱体的半径 a，可以认为在圆柱体内地一次场是均匀的，并且等于在圆柱体轴线上的场值。在这样条件下，探测到的圆柱体产生的瞬变响应垂直分量为：)()()(220tNaxfLdfLIAVzz (4-15)2)(11)(LdLdf 222)1(1)(xxxfz (4-16)均匀场中由圆柱体引起的讯号的过渡特性为：12)exp(4)(kktntN，式中 A 为接收线圈的有效面积，I 为发射电流，daa，dxx 是圆柱体轴线到观测点的距离，脚标 z 为瞬变场的垂直分量。4.5 导电围岩中的局部导体瞬变电磁响应 导电围岩中导体的响应与高阻围岩中不同，首先导电围岩中的“涡流”效应不能忽视，其次是围岩与导体的相互影响，改变了导体中感生涡流的物理过程。采用瞬变电磁响应的相对异常来描述。1导电围岩（均匀导电介质）中的导电球体响应 设围岩电导率为n，球体的电导率为0，2/1000)2(2tD，0为围岩响应，1为球体响应，图 4.5 表明：在早期10，在晚期10，001只有在中期呈现极大值，就是所谓时间窗口。仅在此时间段才能发现导电围岩中的导体，而且n/0比值越大，响应比值越大。计算结果，还分析了发射回线半径与球体半径的比值ar不同，获得的相对异常不同，在n/0一定的条件下，ar越小，异常越大，即在导电球体（探测目标）不变，适当减小发射线框的面积，有利于获得瞬变响应，但时间窗口不变。54 图 4.5 均匀导电介质中回线下方有球体时的相对瞬变场 2导电覆盖层与球体综合响应计算结果 设重叠圆回线辅设在纵向电导 S 的覆盖层表面上，回线半径为 a=100m，球心埋深 h=100m，球体半径 r=50m，其电导率为 10S/m，时间常数3.2ms，覆盖层电导S 为 3、10 和 20 西门子。分别计算覆盖层的响应0和球体的响应1。公式如下：2/520400)(11)2(3tSatSaS)/exp(1)(33223401thara(4-17)则001与/t的关系如图 4.6 中的曲线 2、3 和 4。曲线的规律与导电围岩的影响规律基本相似,同样有一个时间窗口;纵向电导越大覆盖层的影响越强。图 4.6 导电覆盖下球体相对异常的理论 54 国内外瞬变电磁法工作者对导电覆盖下水平导电圆柱体、导电围岩中的导电板体等模型进行了大量的正演计算与分析、物理模拟实验和野外实测。通过一系列资料的给定，得到关于导电围岩与覆盖层影响的基本结论：（1）由于导电围岩与覆盖层影响产生了时间窗口，其作用主要使早期延时的被探测目标体瞬变电磁响应被掩盖，无法测出。（2）加大发射电流无法改变时间窗口，但可改变晚延时实际可利用窗口的宽度；（3）所有涉及响应值的参量影响综合响应值，但最主要的是电导率比、目标物的大小、埋深以及发射回线的边长，而 观测中能改变的就是发射边长，应用较短的回线，以增加匝数 的办法增加一次场强度，提高001/)(。（4）提高观测信号灵敏度和信噪比，有可能使晚延时异常响应被利用。第 5 章 瞬变电磁野外工作方法 5.1 回线组合选择 瞬变电磁野外工作有动源回线组合（包括重叠回线、中心回线等）；定源回线组合（包括大回线等）方式，一般说来，在给定的条件下，选择最佳的野外工作回线受许多因素的影响，主要有：（1）目的物的特性；（2）地质环境；（3）电磁噪声干扰。动源回线组合的灵敏度随位置的变动是均匀的；定源回线组合的灵敏度随离开发射线圈的距离而降低。在不知道目的物的埋深、或要求勘探深度较浅及做地质普查时采用动源回线组合，而大固定源回线组合可以提供高磁矩，为了深部找矿，应采用大固定源回线组合。磁源瞬变电磁法可在地面、海洋、井