第1节 电磁法理论基础

电法勘探2电磁法(Electromagentic)电磁法是以地壳中岩矿石的导电性、导磁性和介电性差异为基础，通过观测和研究人工的或天然的电磁场的空间和时间分布来寻找矿产资源或解决其他地质问题的一类电法勘探方法。1、什么是电磁法？电磁法(EM)概述交变电流I1感应磁场H2交变磁场H1感应电流I2发射线圈地下良导体感应电动势接受线圈电磁法原理示意图2、电磁法分类（1）按场源类型分a、天然场（被动源）典型的方法：大地电磁法（MT），音频大地电磁法（AMT），甚低频法（VLF）。b、人工场（主动源）典型的方法：人工源频率测深（CSEM），可控源音频大地电磁（CSAMT），瞬变电磁法（TEM）等。c、混合场（混合源）典型的方法：高频大地电磁测深（EH-4）。a、时间域电磁法(FDEM)典型的方法：瞬变电磁测深法、瞬变电磁剖面法。b、频率域电磁法(TDEM)典型的方法：大地电磁测深法、可控源音频大地电磁测深法、甚低频法等。（2）按场源特性分注：这两类方法的原理和本质是一样的，其结果可以互相转换，差别主要体现在技术和地质效果上。a、地面电磁法（GEM）b、航空电磁法（AEM）c、海洋电磁法（MEM）d、井中电磁法（BEM）（3）按工作环境分a、利用的物性参数多（σ、μ、ε）；b、测量的参数多（E、H的空间各个分量以及振幅、相位、实、虚分量等）;c、解决地质问题的能力强；d、可不接地，因而可在沙漠、冻土及高阻屏蔽和城市等地工作；e、不受高阻层的屏蔽；f、探测深度较大。3、电磁方法特点4、电磁方法应用领域a、找良导矿；b、地质填图；c、区域构造；d、管线探测；e、城市 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 勘查；f、无损检测。第一节电磁法理论基础一、各类介质在交变电磁场中的电磁学性质对于谐变电磁场而言：1、导电性在交变电磁中的总电流密度为分析：（1）在交变电磁场中的介质，其介电系数和导电率均视为复数形式，其值与σ,ω和ε有关，其中σ值在电阻率法中己列出；（2）jC与jD相位相差900，即jD呈容抗性。由于二者之间相差–j系数，故jD落后或迟于jC900；（3）引入介质的电磁系数若m>10导电介质；m<0.1介电介质。考虑到实际岩、矿石的εr=5~50，对于导电体（m>10）和介电体（m<0.1）的范围。由此可见：在实际勘查中的介质εr=5~50，f≤104HZ，ρ<105ΩM，视为导电介质处理，不考虑位移电流的影响，介质的导电性与ω和ε无关。当f>106Hz，无线电波透视法f=n╳10KHz,探地雷达法中f=200MHz~2.0GHz，其介质的导电性主要与εr和f有关，视为介电性介质属性。 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征电介质在外电场中，被极化程度的一个物理量，与物质的成分、结构、湿度和工作频率有关。——极化强度矢量对于导电介质，有2、介电性（又称电容率）各类矿石、岩石的介电常数（a）矿物绝大多数的造岩矿物εr=4~12；一般金属矿物：εr=10~nх10；水为80；空气为1。（b）岩石火成岩：εr=7~14；变质岩：εr=3~15；沉积岩：εr=2.5~40，主要决定含水量。反映介质在磁场中的磁化程度的物理量。除少数磁铁矿物之外，大多数介质的相对磁导率接近于1，从而，可忽略对电磁场的影响。3、导磁性1、波动方程及边界条件（1）麦克斯韦方程组注：每个方程的物理意义，方程中各个字母的含义.二、交变电磁场在导电介质中的传播注：在实际电法勘探中，导电介质内自由电荷经过短暂衰减后变为0，所以q=0，即得到简化的麦克斯韦方程组利用恒等式便可得电磁场的微分方程（2）微分方程（波动方程）（3）谐变场的微分方程谐变场的结构特点：谐变场是频率域法中常用的波场。其中场强、电流密度以及其它量均按余弦或正弦规律变化。将上式代入电磁场的微分方程中，可得谐变场的微分方法——亥姆霍兹齐次方程上式忽略位移电流影响，k为波数（传播系数）(4)边界条件在不同介质的分界面上，即在或出现不连续处，满足边界条件：脚标t表示切向分量，n表示法分量。2、均匀介质中平面电磁波的传播平面电磁波的结构特点：在无限均匀介质中，同一相位面为平面的电磁波称为平面电磁波。若在这一平面上场振幅为常数，则称为均匀平面电磁波，否则为非均匀平面电磁波。(1)均匀介质中平面电磁场的表达式上述微分方程的通解为根据亥姆霍兹齐次方程，电磁场的定解问题为根据初始条件可得其中，为地表的电场分量，如果为谐变场，则在忽略位移电流的情况下，所以，电磁分量的解可写为令，则，(2)均匀介质中平面电磁场的传播规律a.衰减系数和相位系数根据所求电场的表达式，可得电场的振幅和相位分别为可见，b决定了电磁场的振幅随传播距离衰减的速度，a决定了电磁场的相位随传播距离变化的速度，因此，称b为衰减系数，a为相位系数。b.趋肤深度当电磁场沿z轴方向传播时，其振幅衰减为入射时的1/e倍时所传播的距离称为趋肤深度。可见，趋肤深度随电阻率的增加而增加，随电磁场频率的增加而降低注：趋肤深度与勘探深度的区别与联系勘探深度：电磁波能量衰减到原来的50%时的传播深度c.传播速度和波长在t=0时刻，z=0处的电场相位为零，在t=t时刻，零相位面移动到所以，电磁场传播的相速度为在无磁性介质中，忽略位移电流，电磁波的波长为3、均匀介质的波阻抗相互正交的一对电场与磁场的比值称为波阻抗，记为Z表明均匀各相同性介质中波阻抗是和测量方位无关的标量，称为标量阻抗。波阻抗与介质电阻率之间的关系：可得所以可确定大地的电阻率根据同理三、导电地质体的电磁感应1、局部导体的电磁感应模型在地面放一个发射机，将频率为几十到几千Hz的交变电流输送到发射线圈T中，使其周围空间产生足够强的一次交变电磁场如果地下有一良导体存在，那么根据电磁感应定律，地下良导体在一次场的激发下，就会产生感应电动势：Φ：磁通量，M：发射线圈与地下导体间的互感系数良导体的物理模型在电磁法中，一般将地下导体视为由电阻R和电感L组成的串联回路。在一次场的激发下，导体产生的感应电流I2为：感应电流I2在其周围空间产生二次磁场H2，空间某点的二次磁场或异常场为：式中G为几何因子，是空间坐标（x，y，z）函数。电磁法主要是研究二次磁场的变化规律来达到解决地质问题的。在地面决置一个接收线圈，那么它一般能接收到总场：H＝H1＋H22、局部导体二次磁场的频率特性将H2作简单变换，可得：随着频率的增加，二次场实分量迅速增强，最后于一稳定值。随着频率的增加，二次场虚分量一方面随着频率的增加而增强，另一方面又随着总磁场实分量的削弱而削弱。频率较低时，频率增加使虚分量增强的作用更大，二次磁场虚分量总体上是随频率的增加而增强；频率较高时，总场实分量的削弱使虚分量削弱的作用更大，二次场虚分量总体上随着频率的增加而减弱。虚分量存在最佳工作频率:ω=R/L。良导球体的频率域异常场分析D为响应函数或频率特性函数3、局部导体二次磁场的时间特性在时间域电磁法中使用场源为脉冲电磁场，使用较多的是方波脉冲，也有三角形脉冲。研究二次场的时间特性是时间域电磁法的主要任务之一。时间特性计算方法a，直接法:直接在时间域计算麦克斯韦方程组；b，频谱法：时间域频率域时间域以RL回路为例计算，设一次磁场为阶跃磁场傅里叶变换傅里反叶变换闭合回路中激发的感应电流具有指数衰减形式，衰减速度取决于A的值。回路的导电性越差，A越大，感应电流衰减也越快；导电性越好，感应电流及其二次磁场的衰减越慢。可以根据二次异常的衰减快慢来判断地质体的导电性的优劣。4、交变电磁场的椭圆极化现象在频率域电磁法中，观测的场为一次场和二次场的总场，由于一次场和二次场在空间的取向不同且存在相位差，所以这两种场的合成结果必然形成椭圆，总磁场（或电场）矢量断点随时间变化的轨迹为椭圆的场叫做椭圆极化场。设有水平方向的一次磁场，二次磁场有相位移，则总磁场的水平分量为总磁场垂直分量为由此可见，有相位差的两个矢量合成的总场在直角坐标系中的各分量，不仅其振幅不同，而且相位也不同，在一般情况下可写出现讨论x、z平面内、场的极化情况。由于将上式整理后得平方后经整理得上式即为以和为变量的椭圆方程。电磁场的椭圆极化现象是电磁感应场的重要结构特征，它反映了地下良导地质体的存在。其极化椭圆长轴与X轴的夹角、长短轴半径分别为：分析：（1）——线性极化（3）极化倾角θ含有地质异常信息。(2)——圆极化本节知识要点1.掌握电磁参数随工作频率的变化规律；2.掌握平面电磁的传播规律；3.掌握电磁感应二次场的频响、时间响应和椭圆极化规律。练习与思考题1.什么是电磁系数？说明电磁系数的物理意义。2.试推导谐变场的亥姆霍兹方程，说明传播系数的物理意义。3.什么是椭圆极化？试推导总磁场水平分量和垂直分量为变量的椭圆极化方程，椭圆极化的存在说明了什么？