第7卷第2期中国煤田地质创睡1995年6月笋创‘}系列讲座去去去创‘去架去厂冷峰砚卜千下闷卜子卜于卜泞祝阵钾卜瞬变电磁法基本原理静恩杰(中国矿业大学地质李志腆系徐州221)08瞬变电磁法是一种利用电磁感应原理预测地下矿产的地球物理方法瞬变电磁法最早由加拿大地球物理学家W1960ati于1951年提出并于1953年获取专利权年和年原苏联研制出第一台共圈式瞬变电磁装置(MPPO一型);1962年Melaughlin和197。年Dolan研制出固定发射回线移动接收回线的瞬变电磁仪并利用该装置于19在塞浦路斯和南美洲取得找矿效果近几年来磁仪器系统;从而推动了瞬变电磁法的进一步发展瞬变电磁法发展迅速仪器更新较快七十年代初我国也开始研制瞬变电我们深信随着瞬变电磁技术的进一步推广和应用:具有世界先进水平的瞬变电磁仪不久将在我国问世讲座分三讲第一讲瞬变电磁法基本原理;简述方法特点并介绍实例第二讲:瞬变电磁法野外工作方法与技术1第三讲:瞬变电磁法资料处理和解释基本原理瞬变电磁法测量装置由发射回线和接收回线两部分组成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突然切断后当发射回线中的稳定电流根据电磁感应理论生磁场磁场发射回线中电流突然变化必将在其周围产该磁场称为一次一次磁场在周围传如遇到地下良播过程中图1瞬变电磁法工作原理示意图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二次磁场(图1)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形成如图2所示的瞬变磁场二次磁中国煤田地质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观测并7卷一次场对所观测的数据进行分析和处理据此解释地下矿体及相关物理参数一图电2一压一十二次场图3是地面瞬变电磁系统其发射装置为一固定大发射线框接收装置是可移动的小型线框aa根据法拉第(Frady)电磁感应定律当发射回线_瞬变电磁法发射与接收波形图时间一MS时间道中稳定电流突然切断后一段时间内地下良导电矿体内将产生感应电流感应电流在矿体内扩散过程可分三个阶段为了维持矿体内原磁场在断电初感应电流集中分布于矿体表面形成表面电流(GrantandWest接收线框1965Weaver1970)该阶段称早期时间随发射线框图3着感应电流在矿体内的热损耗表面电流开始向矿体内部扩散(图4)其扩散速度一般与矿体的导电率成反比关系该阶段称中期当矿固定式大发射回线与移动小接收回线测量装置体内感应电流扩散经过一段时间后便进入所谓的晚期阶段其感应电流的每个线电流的阻抗和感抗均趋于渐近值是晚期阶段主要特征此时矿体内的电流分布趋于相对稳定热损耗速度减慢表现为与感应电流相对应的二次磁场衰减速度大大减缓(图2)口À圆(a矿体内感应电流以及与之对应的二次磁场随时间的变化率取决于矿体的电导率尺寸大小及形)初期(b)中期(c)后期状早期矿体表面电流的分布仅于矿体的形状和大小有关而与矿体的电导率几乎无关释如图圈。图4球形导体内感应电流分布示意图接收线圈瞬变电磁场的物理过程可用电路理论解1发射线圈所示其发射矿体和接收分别由三5)个线圈摸拟(图11其中M表示线圈olI。与线之间的互感R和L表示摸拟矿体线圈的阻抗和感抗假设发射线圈中有电流强度为I(t))[(0e.的方波电流输入根据电磁感应定律则:矿体线圈内产生的感应电流为11(t)=oMlolLt)O(1)(GrantandWest1965)其中:=L/I之图5用电路理论表示的瞬变电磁法测!系统)看出矿体线为矿体线圈的时间常数由式(12期静恩杰等瞬变电磁法基本原理圈内的感应电流是随时间按指数规律衰减在t一。时刻即为衰减初期矿体内感应电流强度为:I()o,-oMlolL显而易见此时的感应电流仅与一次磁场穿过矿体线圈的磁通量(Moll)以。及矿体的形状和尺寸(L)有关而与矿体的电导率(1/R)无关矿体内的感应电流将在:接收线圈中产生二次磁场线圈输出电动势与二次磁场随时间的变化率成正比关系其表达式为e(t)a=M12l(t),at=I:MM二一_e一/J(t)一=石一}一]t)O(2)图6)为单位脉冲函数式中S(t瞬变电场随时间衰减规律与矿体导电性关系图)可知对于导电性差的矿体其时间常数分析式(2:值较小二次场初始值较大但衰减;速度较快反之导电性良好矿体时间常数:值较大尽管二次场初始值小但衰减速度慢(图6)瞬变电磁场的这一物理特性构成了利用瞬变电磁法寻找地下矿体的基本原理2方法特点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场间歇期间采用接收回线(或同一回线)在时间域对二次磁场进行观测故该法又称时间域电磁法瞬变电磁场法最大特点在于它将一次磁场与二次磁场分离观测纯二次场这是瞬变电磁法有别于颇率域电磁法的根本之处33。时间道号衰减时应用实例1寻找金属矿体l盯a大型硫化矿床位于澳大利亚新EaB(t)dt南威尔士州境内图7和图8分别为该区PVA)(瞬变磁场剖面图和视电阻率拟断面图映可以看出矿体在两张图上均有明显异常反后已查明El盯a矿床为一含铅锌和银元素的大型磁黄铁矿其南北长约20om东西长约120m深部延伸近410m矿体顶部盖层厚约3210m煤田勘查图918502历02250245026502850E为澳大利亚某煤田根据瞬变电磁数据绘制的视电阻率拟断面图在该例中良煤层电阻率明显高于其围岩在拟断面图上表现为两个高阻等值区;图的中部的低阻异常为充水直立断层的反映测线图7嘟/一箭“‘么l。。耐音一}面图硫化矿体澳大利亚ELVRAvse磁黄铁矿ill1950)下图是推瞬变电磁法剖面图(B86中国煤田地质道号7卷衰减时〔m195019502050215022502350!1245025502650丁275OE一2)O541二239765461320510913岁才2、。351222343026234一20028020nml7l3‘6271.2634-沐1o\\82690,一58381日了!250587085}0}{.!}7:;澳大利亚ELVRA图8se磁黄铁矿瞬变电磁法视电阻率拟断面图(Buli1980)08衰减日寸(111512)I2L卜7086{02255075100125}50}75200断喋层煤层图9澳大利亚某煤田瞬变电磁法观测结果(Hndeerosn198)6断地质剖面3勘查效果取决于煤层与围岩电阻率差异大小3石油勘探图10为瞬变电磁法在澳大利亚新南威尔士州境内勘探油田的实例测井资料表明该区含lo4om油层埋深约顶部为一高阻层和低阻表层上图为瞬变电磁法视电阻率与时间的关系曲2期静恩杰等瞬变电磁法基本原理78;线图形标记为实测值方形记号是测井资料的计算值二者能很好吻合下方左图为计算的输入模型右图为输出模型可以看出三个不同电阻率的地质层在瞬变法电阻率曲线上均有明显反映其油层顶部界面反映在瞬变磁场衰减时为10毫秒区段2000口观测值值I02三U卑翻国哥}00~-卜ew计算值值凡sre50卜广厂一一一厂}O—娜兴送—口一一n曰,曰一汽T弓曰曰曰件卜口七凡自曰—0留辱;附50口LJO旧}00}0输人模型30Q输出模型50衰减时(m1000s)m娜兴联0”180m135030nmm仪O13nm图10澳大利亚某油田瞬变电磁法观测结果(Henderson1986)参考文献1GrantFS二andwestGF1965InterpretationtheoryinapplirdgeophysieseMGraw一HillNewYork2JingE二1995Modellingeeletromagneteiresponsesof3一DearthstrueturesphDthesisUniversityofeouMlbrne3anNabighianMNandMaenaeJC1991TimedomeoanielesetromagnetieprospeetingmeoethodsinNabighiMNEdeEletonagneriemethodsinappliedgphysievol2InvestigationeinGphysiesSoeExplG4eophys427一520WeoaaitJR二195llTransienteleetromagneteiPropagationinaeonduetingmebiumG5physies16213一221二1970WeoeaverJToThegeneraltheoryofEM而duetioninaeonduetinghalf一spaeeGphysJRyAutrSoe2282一100
