二维地质体的瞬变电磁响应特征

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1、维普资讯http://www.cqvip.com23(2)：252～256地震地质V0l+23NO22001年6月SEISMOLOGYANDGEOLOGYJune，2001二维地质体的瞬变电磁场响应特征陈明生”闫述石显新”解海军1)煤炭科学研究总院西安分院，西安7100542)西安文通大学电子与信息工程学院，西安710049摘要直接从时间域出发，应用时域有限差分方法(FDTD)分析地下和地面的瞬变响应由于二维情况便于图形表示，采取了线源二维地电模型。通过对二层均匀地电结构和含二维低阻体时地面垂直感生电动势曲线的计算，说明瞬变场响应有滞

2、后现象，即异常地质体一旦引起瞬变响应，就会往后延时，并使响应延续较长时间。在实际的工程勘察中，曾用3～5ms后的延迟时间探测过较溲的异常体，如20m至150m深度范围内的地下老窑采空区，并取得了较好的探测效果，上述数字模拟结果为以往的实践提供了理论依据。关键词瞬变电磁场时域有限差分扩散滞后1引言瞬变电磁法是通过接地电极或不接地回线通以脉冲电流，而在地下建立起一次脉冲磁场，并在一次磁场间歇期间，在时域接受感应的二次电磁场。由于早期信号反映浅部地电断面，晚期信号反映较深部的地电断面，由此可达到测深的目的。对于瞬变电磁法的测深原理．Nabi

3、ghian(1979)以“烟圈”效应形象地加以阐明：地表接受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，这就是瞬变电磁法探测地下地质情况的简单原理。以往对于瞬变电磁场信号的分析，大多先从频率域出发，导出水平分层大地上接收线圈中的感生电动势，然后再用拉氏变换转换到时问域。本文直接从时间域出发，应用时域有限差分方法(FDTD)(Oristaglioetal，1984)分析地下和地面的瞬变响应。由于二维情况便于图形表示，我们采取了线源二维地电断面

4、的模型进行计算。首先由无源Maxwell方程可导出似稳电场的扩散方程：V2E()一(r)(r)：0(1)(1)为矢量扩散方程，进一步简化为沿走向方向电场的标量扩散方程02EaE8E⋯一Oz2,ua万在直角坐标系下将求解空问剖分成矩形网格，构成五点差分格式(李荣华等，1984)，进一步*国家自然科学基金项目t49974026)资助。维普资讯http://www.cqvip.com2期陈明生等：二维地质体的瞬变电磁场响应特征253推得离散差分方程，给出边界条件，进行有限差分计算。在计算中，源作为初始条件引人，为了处理地表上的边界条件，还用

5、到了快速Fourier变换和三次样条插值。本文主要对一些计算结果作简要分析，以加深对瞬变场探测机理的认识。2从瞬变场在下半空间分布看“烟圈”效应地面观测的瞬变电磁场是大地感应涡流产生的，其涡流可近似地用圆形电流环表示。这些电流环就像由发射回线吹出的“烟囤”，其半径随着时间的延迟而增大，其深度随时间的延迟而加深。图1为二维线源瞬变场在地下半空间介质中的分布状态。正无限长线电流源位于原点0处，负源位于一50m处，构成二维不接地回线。当电流突然断开，在电阻率为300n·lit的下半空间产生二次场，图1中所示的断电后0．1256~s时地下二次

6、电场的等值线，单位为uV／m。图2表示断电后0．03ms时地下二次电场的等值线。图1均匀半空间中01256~s图2均匀半空间中003ms时瞬变电场时瞬变电场等值线剖面图等值线剖面图Fig．1Cross—sectionoftheelectricalfieldFig2Cross—sectionoftheelectricalfieldforforuniformhatf—space(elapsedtime=01256~s)uniformhailspace(elapsedtime=003ms)3半空间中二维异常体的响应特征假如在上述半空间中置一

7、个二维低阻体(电阻率为5n·tit，宽20m，高20m)，顶部埋深45m．水平位置处在40～60m之间(图3)，延迟时间为003ms。将图3与图2相比，可见受低华毕罐母单JTi1阻体的影响，电场等值线发生畸变。在低阻体蚪』01j处及其附近电场等值线密集，梯度变大，使源两J．IO侧的场分布很不对称。这种现象可用烟圈”理论加以解释：当涡流环扩散到导电体时，其扩散速度会降低，如同受到“吸引”。这也表明涡流在导体中密度大、衰减慢，因此瞬变场对导体有·g／m良好的分辨能力，这也是利用瞬变场寻找诸如图3均匀半空间中含低阻体的金属矿、含水地质体的依

8、据。瞬变电场(003ms)等值线剖面图Fig．3Crc~s-sectionoftheeLectncfieldforunifom1ha_f_spacewithaconductorfeLapsedtime=003ms)维普资