均匀大地的瞬变电磁响应
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发布时间：2022-06-30 08:04
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时间：2023-10-14 23:04
4.4.2.1 均匀大地瞬变电磁响应过程
瞬变场的激励场源主要有两种，一种是载流线圈或回线，另一种是接地电极。目前用得较多的是回线场源。发射的电流脉冲主要有矩形、三角波和半正弦波等。不同的波形有不同的频谱，激发的二次场频谱也不相同。为讨论问题的方便，下面主要讨论回线场源阶跃脉冲(相当于矩形脉冲后沿)激发的瞬变电磁场。
在电导率为σ、磁导率为μ0的均匀同性大地表面敷设面积为S的矩形发射回线，在回线中供以脉冲电流I(t)：
电法勘探
在电流断开之前，发射电流在回线的周围大地和空间建立一个稳定的磁场，如图4.4.2所示。
图4.4.2 矩形回线中输入阶跃电流产生的磁力线
在t=0时刻，当发送回线中电流突然断开时，由该电流产生的磁场也立即消失。根据法拉第定律，一次磁场这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间的磁场不会立即消失。由于介质的欧姆损耗，这一感应电流迅速衰减，由它产生的磁场也随之迅速衰减，这种变化的磁场在其周围介质中感应出更弱的涡流。这一过程继续下去，直至大地的欧姆损耗将磁场能量消耗完毕为止。以上为大地中的瞬变电磁过程，伴随这一过程存在的电磁场即是大地的瞬变电磁场。
应该指出，电磁场在空气中的传播速度比在导电介质中的传播速度大得多。当一次电流断开时，一次磁场的剧烈变化首先传播到发射回线周围的地表各点。因此，最初激发的感应电流局限于地表。地表各处感应电流的分布是不均匀的，在紧靠发射回线一次磁场最强的地表处，感应电流也最强。随着时间的推移，地下的感应电流便向下、向外扩散，其强度逐渐减弱，分布趋于均匀。美国地球物理学家纳比吉安(M.N.Nabighian，1988)对发射电流关断后不同时刻地下感应电流场的分布进行了研究。结果表明，感应电流呈环带分布，涡流场极大值最先位于紧临发射回线的地表下。随着时间的推移，该极大值将沿从Tx中心起与地面成30°倾角的锥形斜面向下及向外传播。图4.4.3显示了不同时刻穿过发射回线中心横断面上的地下感应电流密度等值线。
4.4.2.2 “烟圈效应”
纳比吉安指出，任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以等效为一个水平环状电流的磁场。在发射电流刚关断时，该环状电流紧挨发射回线，与发射回线具有相同的形状。随着时间的推移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变为圆电流环。图4.4.4给出了发射电流关断后3个不同时刻地下等效电流环的分布示意图。从图中可以看出，等效电流环很像从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，因此人们将地下涡旋电流的传播过程形象地称为“烟圈效应”。
图4.4.3 不同时刻穿过Tx中心横断面内地下感应电流密度的等值线
Tx=800 m×400 m
图4.4.4 半空间中的等效涡流环
“烟圈”的半径r和深度d的表达式分别为
电法勘探
式中：a 为发射线圈的半径；c2=8/π-2=0.546 479。
当发射线圈半径相对于“烟圈”半径很小时，可得tanθ=d/r≈1.07，则θ≈47°。故“烟圈”将沿47°倾斜锥面扩散，其向下传播的速度为
电法勘探
从式(4.4.2)和式(4.4.3)可以看出，地下感应涡旋电流向下、向外扩散的速度与大地电导率有关，导电性越好，扩散速度越慢。这意味着在导电性较好的大地上，能在更长的延时后观测到大地瞬变电磁场。
从“烟圈效应”的观点看，早期的瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，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。
