電磁場理論概述和TEM正演技術(shù)

1、無憂PPT整理發(fā)布電磁場理論 和TEM正演技術(shù) 匯報人：汪志軍匯報人：汪志軍 時時 間：間： 2010.7.42010.7.4（周日）（周日）地地 點：深部巖土與地下工程重點實驗室點：深部巖土與地下工程重點實驗室217217室室無憂PPT整理發(fā)布內(nèi)容提要電電 磁磁 法法 理理 論論TEM TEM 正正 演演 技技 術(shù)術(shù)1 12 2無憂PPT整理發(fā)布第一部分第一部分 電磁場理論電磁場理論 電磁場理論，電磁場理論，顧名思義是研究顧名思義是研究電場與磁場關(guān)系電場與磁場關(guān)系的理論。電場與的理論。電場與磁場之間的關(guān)系磁場之間的關(guān)系可以用右圖直觀可以用右圖直觀表達(dá)。表達(dá)。運動運動電荷電荷電流電流激激發(fā)發(fā)激

2、激發(fā)發(fā)電場電場磁場磁場變化變化變化變化產(chǎn)生產(chǎn)生無憂PPT整理發(fā)布 電磁場的基本理論可以歸結(jié)為三定電磁場的基本理論可以歸結(jié)為三定律和一方程，其中三大定律包括：律和一方程，其中三大定律包括：( (1)1)庫侖定律定律庫侖定律定律（2 2）安培安培- -畢奧畢奧. .薩伐爾薩伐爾定律定律（3 3）法拉第電磁感應(yīng)定律法拉第電磁感應(yīng)定律；一方；一方程為程為麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組。 各種電磁法的理論基礎(chǔ)都是法拉第各種電磁法的理論基礎(chǔ)都是法拉第電磁感應(yīng)定律，其數(shù)理基礎(chǔ)都是麥克電磁感應(yīng)定律，其數(shù)理基礎(chǔ)都是麥克斯韋方程組。斯韋方程組。無憂PPT整理發(fā)布1.1.庫侖定律庫侖定律人們在自然界中發(fā)現(xiàn)了電荷，便人

3、們在自然界中發(fā)現(xiàn)了電荷，便打開了人類認(rèn)識電磁學(xué)的大門。打開了人類認(rèn)識電磁學(xué)的大門。庫侖定律是庫侖定律是1784-17851784-1785年法國工年法國工程師和物理學(xué)家通過扭秤實驗總程師和物理學(xué)家通過扭秤實驗總結(jié)發(fā)現(xiàn)的，它揭示了兩個帶電粒結(jié)發(fā)現(xiàn)的，它揭示了兩個帶電粒子之間的作用力關(guān)系，其數(shù)學(xué)表子之間的作用力關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：達(dá)式為：1202kq qFrr無憂PPT整理發(fā)布 庫侖定律的應(yīng)用條件是：真空中靜止的庫侖定律的應(yīng)用條件是：真空中靜止的點電荷，反應(yīng)的只是靜態(tài)電荷之間靜電場關(guān)點電荷，反應(yīng)的只是靜態(tài)電荷之間靜電場關(guān)系，但庫侖定律從力學(xué)的角度研究電荷，開系，但庫侖定律從力學(xué)的角度研究電荷，開

4、辟了研究研究電磁學(xué)的新思路，為后來安培辟了研究研究電磁學(xué)的新思路，為后來安培定律的發(fā)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)，它是牛頓經(jīng)典力學(xué)定定律的發(fā)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)，它是牛頓經(jīng)典力學(xué)定律在電磁學(xué)中的應(yīng)用。律在電磁學(xué)中的應(yīng)用。 庫侖定律包含（靜）電場的概念，提出庫侖定律包含（靜）電場的概念，提出了電場強(qiáng)度了電場強(qiáng)度E E，且定義，且定義F=F=EqEq，類似于牛頓力，類似于牛頓力學(xué)學(xué)F=maF=ma。無憂PPT整理發(fā)布2.2.安培安培- -畢奧畢奧. .薩伐爾定律薩伐爾定律 電荷定向移動形成電電荷定向移動形成電流，流，18201820年丹麥物理學(xué)年丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)。同年法國物理磁效應(yīng)。同

5、年法國物理學(xué)家畢奧學(xué)家畢奧. .薩伐爾和安培薩伐爾和安培發(fā)現(xiàn)了電流環(huán)路之間力發(fā)現(xiàn)了電流環(huán)路之間力的作用，即安培的作用，即安培- -畢奧畢奧. .薩伐爾定律。其表達(dá)式薩伐爾定律。其表達(dá)式為：為：0111222122124IdldFI dlrr 無憂PPT整理發(fā)布 奧斯特電流效應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，首次將電與奧斯特電流效應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，首次將電與磁聯(lián)系起來。安培磁聯(lián)系起來。安培- -畢奧畢奧. .薩伐爾定律從牛頓薩伐爾定律從牛頓經(jīng)典力學(xué)角度研究電流之間力的作用，這其經(jīng)典力學(xué)角度研究電流之間力的作用，這其實已經(jīng)是一種場概念的雛形，它揭示了穩(wěn)恒實已經(jīng)是一種場概念的雛形，它揭示了穩(wěn)恒電流產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場的事實。電流產(chǎn)

6、生穩(wěn)恒磁場的事實。 安培安培- -畢奧畢奧. .薩伐爾定律包含磁場的概念，薩伐爾定律包含磁場的概念，提出了磁感應(yīng)強(qiáng)度提出了磁感應(yīng)強(qiáng)度B B，且，且dFdF= =BIdlBIdl，類似庫侖，類似庫侖定律電場強(qiáng)度得到：定律電場強(qiáng)度得到：024IdldBrr 無憂PPT整理發(fā)布3.3.法拉第電磁感應(yīng)定法拉第電磁感應(yīng)定律律 （穩(wěn)恒）電場能夠產(chǎn)生（穩(wěn)恒的）磁場，那么磁場是（穩(wěn)恒）電場能夠產(chǎn)生（穩(wěn)恒的）磁場，那么磁場是否能夠產(chǎn)生電場呢？法拉第電磁感應(yīng)定律給出了答案：否能夠產(chǎn)生電場呢？法拉第電磁感應(yīng)定律給出了答案：能。能。 法拉第電磁感應(yīng)定律原始描述：法拉第電磁感應(yīng)定律原始描述：“閉合回路中的一閉合回路中的

7、一部分導(dǎo)體在磁場中作切割磁感線，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電部分導(dǎo)體在磁場中作切割磁感線，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流，產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流。流，產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流。” ” 這就證實了變化的這就證實了變化的磁場也能產(chǎn)生電場而且是變化的電場。但它只揭示了磁場也能產(chǎn)生電場而且是變化的電場。但它只揭示了動生電動勢。后來人們發(fā)現(xiàn)只要閉合回路中磁通量動生電動勢。后來人們發(fā)現(xiàn)只要閉合回路中磁通量發(fā)生變化就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，補(bǔ)充了感生電動勢發(fā)生變化就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，補(bǔ)充了感生電動勢（就是后來的位移電流）。（就是后來的位移電流）。 因此法拉第電磁感應(yīng)定律準(zhǔn)確表述為：因磁通量變因此法拉第電磁感應(yīng)定律準(zhǔn)確表述為：因磁通量變化產(chǎn)

8、生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象?；a(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象。無憂PPT整理發(fā)布 法拉第電磁感應(yīng)定律揭示了變化的磁場能夠法拉第電磁感應(yīng)定律揭示了變化的磁場能夠產(chǎn)生變化的電場的事實。特別是磁通量變化的產(chǎn)生變化的電場的事實。特別是磁通量變化的提出完善了電磁場理論，感應(yīng)電動勢的發(fā)現(xiàn)為提出完善了電磁場理論，感應(yīng)電動勢的發(fā)現(xiàn)為后來我們的電磁法勘探奠定了基礎(chǔ)，因為電磁后來我們的電磁法勘探奠定了基礎(chǔ)，因為電磁法本身就屬于一種感應(yīng)類電法。法本身就屬于一種感應(yīng)類電法。 感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件是感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件是：（：（1 1）電路是閉合電路是閉合回路（回路（2 2）dd / /dtdt 0( 0(有磁通量變化有磁通量變化) )。并

9、且。并且定義了感應(yīng)電動勢定義了感應(yīng)電動勢：（：（ =BSsin ）EmfdUdt 無憂PPT整理發(fā)布 前面介紹了靜電場、穩(wěn)恒電磁場前面介紹了靜電場、穩(wěn)恒電磁場和交變電磁場，沒有形成一個完備和交變電磁場，沒有形成一個完備的電磁場理論系統(tǒng)。時代呼喚著一的電磁場理論系統(tǒng)。時代呼喚著一個巨人的降臨，這個人就是英國物個巨人的降臨，這個人就是英國物理學(xué)家麥克斯韋。麥克斯韋方程組理學(xué)家麥克斯韋。麥克斯韋方程組像牛頓經(jīng)典力學(xué)一樣，是對電磁場像牛頓經(jīng)典力學(xué)一樣，是對電磁場理論的全面總結(jié)和提升。他不僅從理論的全面總結(jié)和提升。他不僅從數(shù)學(xué)定義式上給出了完備的電與磁數(shù)學(xué)定義式上給出了完備的電與磁關(guān)系，而且提出了關(guān)系，

10、而且提出了“場場”的概念。的概念。4.4.麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組無憂PPT整理發(fā)布 麥克斯韋提出了位移電流和渦旋電場。借助電磁學(xué)常用參數(shù)（1）介電常數(shù)（2）磁導(dǎo)率（3）電導(dǎo)率 (4)傳導(dǎo)電流面密度j jC C （5）位移電流面密度j jD D(6)電荷體密度，并結(jié)合歐姆定律微分表達(dá)式用方程組高度概括了四個矢量E E和D D，H H和B B之間的關(guān)系：0CDBHEttDEHjjEEttDB 無憂PPT整理發(fā)布 麥克斯韋方程組揭示的道理是：式揭示了變化的磁場產(chǎn)麥克斯韋方程組揭示的道理是：式揭示了變化的磁場產(chǎn)生渦旋的電場，本式可以通過感應(yīng)電動勢結(jié)合斯托克斯公式推生渦旋的電場，本式可以通過感應(yīng)電

11、動勢結(jié)合斯托克斯公式推導(dǎo)得到。導(dǎo)得到。 式揭示了變化的電場產(chǎn)生渦旋的磁場，磁場包括式揭示了變化的電場產(chǎn)生渦旋的磁場，磁場包括傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場和位移電流產(chǎn)生的磁場，本式可以通過歐傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場和位移電流產(chǎn)生的磁場，本式可以通過歐姆定律、廣義安培定律和高斯公式聯(lián)合推導(dǎo)得到。姆定律、廣義安培定律和高斯公式聯(lián)合推導(dǎo)得到。 式描述式描述了電場的性質(zhì)即為有源場，說明了電場可以是庫侖穩(wěn)恒電場了電場的性質(zhì)即為有源場，說明了電場可以是庫侖穩(wěn)恒電場（有源無旋）也可以是變化的磁場產(chǎn)生的渦旋電場（有源有旋）（有源無旋）也可以是變化的磁場產(chǎn)生的渦旋電場（有源有旋）本式可以由廣義安培定律推導(dǎo)得到。本式可以由廣義安培

12、定律推導(dǎo)得到。 式描述了磁場的性質(zhì)式描述了磁場的性質(zhì)即為無源有旋場，說明了磁場可以由傳導(dǎo)電流激發(fā)，也可以由即為無源有旋場，說明了磁場可以由傳導(dǎo)電流激發(fā)，也可以由變化電場的位移電流激發(fā)，他們都是無源渦旋場。變化電場的位移電流激發(fā)，他們都是無源渦旋場。 麥克斯韋方程組的核心思想是：變化的磁場可以產(chǎn)生渦旋麥克斯韋方程組的核心思想是：變化的磁場可以產(chǎn)生渦旋的電場，變化的電場可以產(chǎn)生渦旋的磁場，電場和磁場不是孤的電場，變化的電場可以產(chǎn)生渦旋的磁場，電場和磁場不是孤立的，它們相互聯(lián)系、相互激發(fā)組成一個統(tǒng)一的電磁場。立的，它們相互聯(lián)系、相互激發(fā)組成一個統(tǒng)一的電磁場。無憂PPT整理發(fā)布 麥克斯韋方程組方程組是

13、時間域的表達(dá)式，麥克斯韋方程組方程組是時間域的表達(dá)式，通過定義便可以得到麥克斯韋方程組頻率域表通過定義便可以得到麥克斯韋方程組頻率域表達(dá)式。達(dá)式。 聯(lián)合推導(dǎo)和式（兩邊取旋度）便可以得聯(lián)合推導(dǎo)和式（兩邊取旋度）便可以得到電磁場波動方程（又稱赫姆霍茲方程）和擴(kuò)到電磁場波動方程（又稱赫姆霍茲方程）和擴(kuò)散方程。一切電磁場正反演都是從麥克斯韋方散方程。一切電磁場正反演都是從麥克斯韋方程組推導(dǎo)出發(fā)的。程組推導(dǎo)出發(fā)的。it無憂PPT整理發(fā)布電磁場理論給我們什么啟示呢？電磁場理論給我們什么啟示呢？無憂PPT整理發(fā)布TEM一次場和二次場波形分析T x I (mA)二次場二次場 Rx dB/dt (mv/s)t(

14、ms)t(ms)Tx dI/dtTx Current (I)Rx dB/dt無憂PPT整理發(fā)布第二部分第二部分 TEMTEM正演技術(shù)正演技術(shù) TEMTEM（Transient Electromagnetic Transient Electromagnetic MethodMethod）是瞬變電磁法的英文簡稱。）是瞬變電磁法的英文簡稱。TEMTEM的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)原理，的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)原理，其數(shù)理基礎(chǔ)是麥克斯韋方程組。其數(shù)理基礎(chǔ)是麥克斯韋方程組。 TEMTEM的迅速發(fā)展依賴于正、反演技術(shù)的迅速發(fā)展依賴于正、反演技術(shù)的提高，其中最重要的就是的提高，其中最重要的就是TEMTEM正

15、演技正演技術(shù)的發(fā)展。術(shù)的發(fā)展。TEMTEM正演是反演的前提和依正演是反演的前提和依據(jù)。據(jù)。無憂PPT整理發(fā)布 正演與反演是物探永恒的主題，正演就是由因正演與反演是物探永恒的主題，正演就是由因及果，即已知地球物理模型需要得到其對應(yīng)的電及果，即已知地球物理模型需要得到其對應(yīng)的電磁場特征；反演則是由果推因，即根據(jù)測量得到磁場特征；反演則是由果推因，即根據(jù)測量得到的電磁場特征來推測其對應(yīng)地球物理模型。的電磁場特征來推測其對應(yīng)地球物理模型。 正演和反演就好像數(shù)學(xué)方程中的自變量正演和反演就好像數(shù)學(xué)方程中的自變量x x和定和定變量變量f(xf(x) )，已知，已知x x求求f(xf(x) )為正演；已知為正

16、演；已知f(xf(x) )反求反求x x則為反演。則為反演。1.1.正演與反演正演與反演無憂PPT整理發(fā)布 TEMTEM正演模擬包括物理模擬和數(shù)值模擬。物理模擬是正演模擬包括物理模擬和數(shù)值模擬。物理模擬是指建立實際物理模型然后利用儀器測得其感應(yīng)電磁場指建立實際物理模型然后利用儀器測得其感應(yīng)電磁場特征曲線；數(shù)值模擬是指利用數(shù)值模擬軟件建立仿真特征曲線；數(shù)值模擬是指利用數(shù)值模擬軟件建立仿真物理模型，并計算得到其感應(yīng)電磁場特征。當(dāng)前數(shù)值物理模型，并計算得到其感應(yīng)電磁場特征。當(dāng)前數(shù)值模擬成為模擬成為TEMTEM正演模擬的主要研究內(nèi)容。正演模擬的主要研究內(nèi)容。 TEM TEM物理模擬主要是居于多層水平層狀體、球體和柱物理模擬主要是居于多層水平層狀體、球體和柱體模型，這是由于其感應(yīng)電磁場特征可以由麥克斯韋體模型，這是由于其感應(yīng)電磁場特征可以由麥克斯韋方程組直接求得其解析解，并且由于其對稱性可以簡方程組直接求得其解析解，并且由于其對稱性可以簡化計算。化計算。無憂PPT整理發(fā)布 TEM TEM數(shù)值模擬就是居于麥克斯韋方程組推導(dǎo)，數(shù)值模擬就是居于麥克斯韋方程組推導(dǎo)，將得到的解析解采用離散級數(shù)求和的思路將連續(xù)的將得到的解析解采用離散級數(shù)求和的思路將連續(xù)的電磁場曲線分區(qū)間離散，然后分段進(jìn)行擬合逼近。電磁場曲線分區(qū)間離散，然后分段進(jìn)行擬合逼近。這樣做是因為計算機(jī)只能對離散數(shù)據(jù)進(jìn)行處理加之這樣做是因為