电磁测深原理与资源勘探(魏文博).ppt
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电磁测深原理与资源勘探电磁测深原理与资源勘探魏文博魏文博中国地质大学(北京)中国地质大学(北京)20112011年年1010月月一一.概述概述二二.电磁场理论基础电磁场理论基础三三.电磁测深电磁测深1.1.地下介质中电磁波场传播的基本规律地下介质中电磁波场传播的基本规律2.2.电磁测深原理电磁测深原理3.3.电磁测深方法电磁测深方法四四.电磁测深资料的正、反演电磁测深资料的正、反演五五.电磁测深资料解释电磁测深资料解释六六.应用应用电法勘探的物理基础电法勘探的物理基础电法勘探是以岩(矿)石间电磁学性质及电化学性质的差异作为电法勘探是以岩(矿)石间电磁学性质及电化学性质的差异作为物质基础。
物质基础。
电磁学性质:
电磁学性质:
导电性、介电性、导磁性、激发极化性等等导电性、介电性、导磁性、激发极化性等等涉及的物性性参数:
涉及的物性性参数:
电阻率(电阻率(););极化率(极化率();磁导率();磁导率(););介电常数(介电常数()电法勘探研究的物理场电法勘探研究的物理场直流电场、交变电流场、低频电磁场、直流电场、交变电流场、低频电磁场、高频电磁波高频电磁波人工场(主动源)、天然场(被动源)人工场(主动源)、天然场(被动源)电磁测深电磁测深电学性质电学性质(电阻率(电阻率(););磁导率(磁导率(););介电常数(介电常数()物理场物理场低频电磁场低频电磁场(谐波;脉冲波;伪随机信号谐波;脉冲波;伪随机信号)一一.概述概述电磁测深电磁测深电阻率法电阻率法大地电磁测深(大地电磁测深(MT)人工场方法人工场方法天然场方法天然场方法频率域频率域时间域时间域音频大地电磁测深音频大地电磁测深宽频大地电磁测深宽频大地电磁测深长周期大地电磁测深长周期大地电磁测深电性源电性源磁性源磁性源瞬变电磁测深瞬变电磁测深可控源音频大地电磁测深可控源音频大地电磁测深频率测深频率测深电磁测深方法的应用:
电磁测深方法的应用:
没有一定之规没有一定之规强调地质前提和物理前提,具体问题具体分析强调地质前提和物理前提,具体问题具体分析电磁测深法的应用:
电磁测深法的应用:
勘查石油与天然气和煤田地质构造;勘查石油与天然气和煤田地质构造;寻找金属与非金属矿产;寻找金属与非金属矿产;水文工程地质、城市环境与建筑基础、地下管线铺设的勘查;水文工程地质、城市环境与建筑基础、地下管线铺设的勘查;探测深部地质构造。
探测深部地质构造。
直流电测深的局限性:
直流电测深的局限性:
1)1)受高阻和低阻层的屏蔽作用;受高阻和低阻层的屏蔽作用;2)2)作业空间大、消耗大、劳动强度高、工作效率低作业空间大、消耗大、劳动强度高、工作效率低,不容易,不容易实现大深度探测;实现大深度探测;3)3)对地下被探测目标体的分辨率低。
对地下被探测目标体的分辨率低。
发展电磁测深方法。
发展电磁测深方法。
电磁测深法定义:
电磁测深法定义:
以地壳中岩、矿石的导电性和导磁性差异为主要物质基础,利以地壳中岩、矿石的导电性和导磁性差异为主要物质基础,利用多种频率的谐变(不同形式的周期性脉冲)电磁场作为激用多种频率的谐变(不同形式的周期性脉冲)电磁场作为激励场,根据电磁感应原理观测、研究电磁场空间和时间分布励场,根据电磁感应原理观测、研究电磁场空间和时间分布规律,寻找地下良导矿体或解决其他地质问题的一组方法技规律,寻找地下良导矿体或解决其他地质问题的一组方法技术。
术。
二二.电磁场理论基础电磁场理论基础11、基本方程、基本方程麦克斯韦方程组:
麦克斯韦方程组:
设:
空间中任意光滑曲面设:
空间中任意光滑曲面SS,其边界为,其边界为LL;求;求EE旋度矢量通过旋度矢量通过SS的通量。
的通量。
nS外法线单位矢量。
外法线单位矢量。
据据“斯托克斯定理斯托克斯定理”:
L的切向单位矢量。
的切向单位矢量。
故:
故:
根据普通物理:
根据普通物理:
EE沿回路沿回路LL的环路积分等于回路内的感应电动势的环路积分等于回路内的感应电动势uu;BB的面积分,即穿过回路的磁通量的面积分,即穿过回路的磁通量。
(法拉第电磁感应)(法拉第电磁感应)设:
空间中任意光滑曲面设:
空间中任意光滑曲面SS,其边界为,其边界为LL;求;求HH旋度矢量通过旋度矢量通过SS的通量。
的通量。
据据“斯托克斯定理斯托克斯定理”:
LL的切向单位矢量。
的切向单位矢量。
(H沿任何闭合回路的环路积分等于穿过该回路的总电流,包括传导电流和位沿任何闭合回路的环路积分等于穿过该回路的总电流,包括传导电流和位移电流)移电流)(安培(安培-毕萨拉定律)毕萨拉定律)实验结果的数学表达式,实验结果的数学表达式,表明自然界中不存在磁场源(磁荷),表明自然界中不存在磁场源(磁荷),磁感应强度磁感应强度BB是纯涡旋场,是由涡旋电流激发的。
是纯涡旋场,是由涡旋电流激发的。
据据“库仑定律库仑定律”:
介电常数为介电常数为的均匀各向同性介质中,点电荷的均匀各向同性介质中,点电荷的电场强度的电场强度EE(ddrr沿矢径方向的单位矢量)。
沿矢径方向的单位矢量)。
(电场是(电场是“有源有源”的)的)麦克斯韦方程组补充方程:
麦克斯韦方程组补充方程:
电流连续性方程:
电流连续性方程:
(电荷守恒定律)(电荷守恒定律)边界条件:
边界条件:
场的法向分量:
场的法向分量:
场的切向分量:
场的切向分量:
电流法向分量连续性:
电流法向分量连续性:
2、电磁测深常涉及的电磁场模式、电磁测深常涉及的电磁场模式1)均匀各向同性介质中的电磁场)均匀各向同性介质中的电磁场、为常数为常数矢量恒等式:
矢量恒等式:
2)电磁场的基本模式电磁场的基本模式场的波动模式:
场的波动模式:
场的似稳模式:
研究随时间变化十分缓慢的电磁场,忽略对时间的二场的似稳模式:
研究随时间变化十分缓慢的电磁场,忽略对时间的二次导数。
次导数。
对于谐变场:
对于谐变场:
电磁感应法电磁感应法电磁感应定律在地球物理勘探方面的具体应用。
电磁感应定律在地球物理勘探方面的具体应用。
电磁感应定律:
电磁感应定律:
三三.电磁测深电磁测深1.1.地下介质中电磁波场地下介质中电磁波场传播的基本规律传播的基本规律忽略位移电流忽略位移电流垂直入射的平面波场:
垂直入射的平面波场:
2.2.电磁测深原理电磁测深原理3.3.电磁测深方法电磁测深方法1)1)人工源场人工源场近区;近区;反之,即反之,即“远区远区”。
(1)
(1)频率域(频率域(EMEM):
):
测深技术测深技术多频,电场源或磁场源,发射谐变场,测电场和磁场,视电阻多频,电场源或磁场源,发射谐变场,测电场和磁场,视电阻率频率响应。
率频率响应。
视电阻率定义:
视电阻率定义:
赤道偶极装置赤道偶极装置:
r收发距收发距AB-s装置:
装置:
n线圈匝数;线圈匝数;S线圈面积。
线圈面积。
可控源音频大地电磁测深可控源音频大地电磁测深(CSAMT):
(CSAMT):
频率测深频率测深(EM):
(EM):
A.A.电性源方法电性源方法:
B.B.磁性源方法磁性源方法:
视电阻率拟断面图视电阻率拟断面图阻抗相位拟断面图阻抗相位拟断面图
(2)时间域()时间域(TEM):
):
测深技术测深技术电场源或磁场源,发射脉冲信号(方波),电场源或磁场源,发射脉冲信号(方波),测感应场随时间的变化,视电阻率时间响应。
测感应场随时间的变化,视电阻率时间响应。
频率域与时间域电磁场之间的关系:
频率域与时间域电磁场之间的关系:
富里叶变换与反变换富里叶变换与反变换频率合成:
频率合成:
设:
矩形脉冲,周期设:
矩形脉冲,周期20ms,脉宽,脉宽10ms,后沿,后沿线性下降线性下降1ms,前沿响应对后沿无影响;异常,前沿响应对后沿无影响;异常体相当于体相当于R=1,L=5毫亨的毫亨的线线圈。
圈。
计算算结果:
果:
t(ms))误差(%)误差(%)误差(%)2.554846405.04001051009.03365151谐波数(谐波数(谐波数(结论:
(结论:
(A)迭加谐波的次数越多,迭加谐波的次数越多,误差越小,尤其是早期信号(高频成份多);(误差越小,尤其是早期信号(高频成份多);(BB)1010次以上谐波的作用可忽略;次以上谐波的作用可忽略;(CC)早期)早期高频;高频;晚期晚期低频。
低频。
瞬变场(时间域)基本概念:
瞬变场(时间域)基本概念:
频率域:
频率域:
利用富氏变换:
利用富氏变换:
概率积分概率积分瞬变场参数:
瞬变场参数:
(忽略位移电流)(忽略位移电流)无磁介质:
无磁介质:
(米)(米)当当一定,一定,曲线拐点曲线拐点瞬变场的极限探测深度瞬变场的极限探测深度一定,一定,不同延时的信号,探测深度不不同延时的信号,探测深度不同。
同。
瞬变测深视电阻率定义式:
瞬变测深视电阻率定义式:
AB-s装置装置AB-MN装置(赤道装置,装置(赤道装置,)与谐变场类似,引入与谐变场类似,引入“归一化距离归一化距离”“感应数感应数”UU1“远区区”。
频率域与时间域参数类比:
频率域与时间域参数类比:
(形式上类似)(形式上类似)大地电磁场的特点大地电磁场的特点均匀大地条件下均匀大地条件下MT场场低频谐变场,垂直入射的平低频谐变场,垂直入射的平面波场。
面波场。
可见,可见,Ey只与只与Hx有关,有关,Ex只与只与Hy有关,它们都沿有关,它们都沿Z轴传播轴传播线性偏振波。
线性偏振波。
以场沿以场沿y方向的分量命名:
(方向的分量命名:
(EyHx)E偏振波;(偏振波;(HyEx)H偏振波。
偏振波。
2)2)天然场方法天然场方法大地电磁测深大地电磁测深(MT)E偏振波:
偏振波:
H偏振波:
偏振波:
从上面的讨论看,我们对坐标轴从上面的讨论看,我们对坐标轴x-y的方位并没有作任何限制。
显然,在均的方位并没有作任何限制。
显然,在均匀各向同性介质中这两组线性偏振波的分解是任意的。
匀各向同性介质中这两组线性偏振波的分解是任意的。
如果取如果取y轴沿磁场轴沿磁场H的极化方向,的极化方向,Hy=H,Hx=0;这时,必然;这时,必然Ey=0,Ex=E。
所以说。
所以说,平面波在均匀各向同性介质中平面波在均匀各向同性介质中EH。
波阻抗波阻抗故:
均匀介质中,波阻抗故:
均匀介质中,波阻抗Zxy与与Zyx振幅相同,相位相反;电场相位比磁场振幅相同,相位相反;电场相位比磁场落后落后/4。
卡尼亚电阻率(视电阻率)卡尼亚电阻率(视电阻率)大地电磁测深技术大地电磁测深技术AMT,宽频带,宽频带MT,长周期,长周期MT。
EquipmentsanddataacquisitionHxEyEx90HyHzFivecomponentsAcq.GPS主机盒子电池HxHyHzExEymineoilandgasgeothermalenveromentothersdeepstructureMTU-5,Phoenix,Canadanaturesignal四四.电磁测深资料的正、反演电磁测深资料的正、反演1、正、反演理论、正、反演理论m模型空间;模型空间;d数据空间。
数据空间。
d=GmG模型空间到数据空间的一个映射模型空间到数据空间的一个映射泛函算子泛函算子物理定律。
物理定律。
1)正演)正演已知场源和模型,求物理场分布;已知场源和模型,求物理场分布;解析解解析解数值模拟计算数值模拟计算物理模拟物理模拟2)反演)反演已知物理场分布,求场源和模型。
已知物理场分布,求场源和模型。
一维一维二维二维三维三维2、地球物理反演的基本问题:
、地球物理反演的基本问题:
1)解的存在性:
给定数据)解的存在性:
给定数据d,按照物理定律,能否找到满足要求的模型参数;,按照物理定律,能否找到满足要求的模型参数;2)模型构制:
若解存在,如何构制问题的数学物理模型,使得反演问题的解能)模型构制:
若解存在,如何构制问题的数学物理模型,使得反演问题的解能迅速而准确地确定;迅速而准确地确定;3)解的非唯一性:
若解存在,其是否唯一;)解的非唯一性:
若解存在,其是否唯一;4)解的评价:
若解是非唯一的,如何从非唯一解中获取真实解的信息。
)解的评价:
若解是非唯一的,如何从非唯一解中获取真实解的信息。
五五.电磁测深资料解释电磁测深资料解释1、地
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- 电磁 测深 原理 资源 勘探 魏文博
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