电性源瞬变电磁对薄层的探测能力

引用本文

陈卫营, 薛国强. 电性源瞬变电磁对薄层的探测能力[J]. 物探与化探, 2015,39(4): 775-779.
CHEN Wei-Ying, XUE Guo-Qiang. Detection capability of grounded electric source TEM for thin layer[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2015,39(4): 775-779. 复制到剪切板

Doi:10.11720/wtyht.2015.4.19
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电性源瞬变电磁对薄层的探测能力

陈卫营^1,², 薛国强^1,²

1.中国科学院矿产资源研究重点实验室,北京 100029

2.中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029

作者简介: 陈卫营(1987-),男,博士,从事瞬变电磁场理论与应用研究工作。E-mail:chenweiying1987@163.com

收稿日期: 2014-05-08

基金: 国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目(2012CB416605); 国家自然科学基金项目(41174090,1174108)

摘要

电性源短偏移距瞬变电磁法是目前的研究热点。针对地球物理勘查中经常遇到的薄层探测问题,以接地长导线源一维正演为基础,通过定义垂直磁场的相对异常,分析对比了电性源瞬变电磁法对不同电阻率、不同厚度、不同埋深的薄层的探测能力,并讨论了不同偏移距对探测灵敏度的影响。最后将电性源瞬变电磁法与回线源瞬变电磁法以及可控源音频大地电磁法进行对比,探讨不同电磁法装置对薄层的探测能力。结果显示,薄层电阻率越低、厚度越大、埋深越浅、观测偏移距越小越有利于电性源对薄层的探测;时间域电磁法对低阻薄层探测能力优于频率域电磁法,当偏移距较小时,电性源瞬变电磁对薄层的探测能力和回线源相当。

关键词: 瞬变电磁; 短偏移距; 电性源; 薄层; 探测能力

中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2015)04-0775-05

Detection capability of grounded electric source TEM for thin layer

CHEN Wei-Ying^1,², XUE Guo-Qiang^1,²

1.Key Laboratory of Mineral Resources, Institute of Geology and Geophysics Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

2.Institute of Geology and Geophysics Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

Abstract

Nowadays, the short-offset grounded electric source transient electromagnetic method (SOTEM) is a hot research topic. In this paper, based on the 1-D forward calculation algorithm and using relative anomalies between vertical magnetic field responses generated by a thin layer and homogeneous half space, the authors investigated the detection capability of SOTEM for thin layered models with different resistivities, different thicknesses and different buried depths as well as the impact of different offsets. In addition, the difference between electric source TEM and loop source TEM as well as CSAMT was comparatively studied. It is concluded by analysis that low resistance, greater thickness, smaller buried depth and smaller transmitter-receiver offset will be favorable for increasing the sensitivity to the earth. On the other hand, the time domain electromagnetic method is more sensitive to low resistance layer than the frequency domain electromagnetic method, and the SOTEM and the loop source TEM almost have an equal detection capability when the offset is small. What we have done in this paper has important reference value for the field production.

Keyword: transient electromagnetic; short offset; grounded electric source; thin layer; detection capability

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电性源瞬变电磁法是时间域电磁法(TEM)的一种工作装置, 采用两端接地的长导线源供以阶跃电流, 在旁侧一定范围内接收二次场电磁信号达到测深目的。由于探测深度大、施工方便等优点, 电性源瞬变电磁受到越来越多的关注, 并广泛应用于煤田地质勘探、金属矿探测、地热勘查、油气调查等领域 $\begin{matrix} ^{[15]]} \end{matrix}$ 。短偏移距电性源瞬变电磁(short offset transient electromagnetic)由于其采取近源观测的方式, 而具有信号幅值高、性噪比强、探测深度大等优点, 近年来受到越来越多关注^[6]。

薄层地质体的有效探测是勘探地球物理学面临的一个重要而困难的问题。许多地质问题的地球物理探测都可以近似为薄层探测问题, 如储油层、储气层、深部采空区、深层地下水等, 对此类薄层的研究具有巨大的实际意义。针对不同地质问题的物性差异选择合适的地球物理方法是解决薄层探测问题需考虑的首要因素。其中, 时间域电磁法具有穿透低阻覆盖层能力强、无高阻屏蔽现象、垂向分辨率高等优点, 在薄层探测方面发挥了重要作用。许多学者在此方面做了大量论述与研究, 牛之琏^[7]结合野外实例讨论了瞬变电磁法对导电层的探测能力; 唐新功等^[8]以层状介质中多个三维导电薄板为例, 计算了距离发送源不同位置的目标体的电磁场响应, 并分析了探测难易性; 薛国强等^[9]利用瞬变电磁一维正演理论, 对有无薄层的地质模型进行分析研究, 以晚期视电阻率的相对误差为参考对比了不同参数下回线源瞬变电磁对薄层的探测能力, 并将TEM与可控源音频大地电磁(CSAMT)进行对比, 认为TEM对薄层的分辨能力优于CSAMT; 王战军等^[10]对不同埋深厚度比、不同电阻率比情况下的低阻薄层模型进行了一维正演, 利用二分法改进并定义了全期视电阻率, 以视电阻率相对误差为参考归纳了瞬变电磁法对低阻薄层的识别及分辨能力; 唐新功等^[11]研究了电性源在层状介质中三维薄板的瞬变响应, 主要论证了不同异常体位置对电磁响应的影响, 但是并未对薄层参数和装置参数的改变而带来的不同做出讨论。

总结发现, 前人的研究重点主要集中于回线源瞬变电磁对薄层的探测能力, 对电性源装置的讨论非常少。笔者以接地长导线源一维正演理论为基础, 针对高、低阻薄层模型, 通过改变电阻率、薄层厚度、埋深、偏移距等参数, 讨论了电性源瞬变电磁对薄层的分辨能力, 并与回线源瞬变电磁和可控源音频大地电磁进行了对比。

1 响应计算及对比依据

对于电磁法来说, 所谓对地层的探测能力是指某种方法装置在目标层所产生的异常场超过背景场的水平, 并且依据此种方法的理论可以从异常场提取地层信息的能力。传统方法一般以视电阻率为计算依据, 分析对比不同薄层参数对探测效果的影响。然而, 视电阻率并非地层响应的最真实反映, 而是人们为了直观判断电磁响应因果关系的一种手段, 并且目前视电阻率定义尚不完美, 特别是当地层层数较多, 电性结构较为复杂时, 不能精确地反应地层电性变化。因此文中直接以地层产生的电磁场响应为计算依据, 定义相对异常

$\begin{matrix} P_{i} = \frac{| F_{ia} - F_{i 0} |}{F_{i 0}} \times 100 % (1) \end{matrix}$

式中:F_i_a代表存在薄层时地层产生电磁场响应, F_i₀代表不存在薄层的均匀半空间产生的电磁场响应。P_i值越大表示薄层产生的相对异常越大, 薄层就越容易被识别。

目前在电性源瞬变电磁的实际工作中, 主要测量由垂直磁场H_z在地表引起的感应电压, 因此文中以垂直磁场H_z来分析各种参数下电性源对薄层的分辨能力。

按照偶极子叠加原理, 层状介质中长接地导线源在地表产生的频率域垂直磁场计算公式为^[12]:

式中:(x, y, z)为接收点坐标, r_n为接收点到偶极子的距离, r_TE为TE模式下的反射系数, J₁(λ r)为一阶贝塞尔函数。得到频域响应后利用傅氏变化得到时间域响应^[13]

$\begin{matrix} f (t) = \frac{2}{π} \int_{0}^{\infty} \frac{Im [f (ω)]}{ω} \cos (ωt) dω 。 (3) \end{matrix}$

2 对不同参数的薄层模型的探测能力

关于不同埋深和不同薄层厚度对异常的影响问题, 分别以高阻和低阻两种薄层模型进行讨论。研究中发射源参数固定不变, 发射导线长度为1 000 m, 发送电流10 A, 基频30 Hz, 偏移距r=1 000 m。当存在低阻薄层时, 设三层地电模型的电阻率分别为ρ ₁=100 Ω · m, ρ ₂=10 Ω · m, ρ ₃=100 Ω · m; 埋深h₁和薄层厚度h₂依次变化, 并取两者的比值h₂/h₁为参考量; 当存在高阻簿层时, 薄层电阻ρ ₂=1 000 Ω · m, 其他参数与低阻时一致。图1、图2分别为薄层厚度和埋深变化时, 低、高阻薄层模型的垂直磁场衰减曲线, 可明显地以看出, 低阻薄层产生的垂直磁场响应偏离均匀半空间的程度更高。为定量说明不同参数给响应带来的变化, 将不同h₂/h₁情况下, 高、低阻薄层产生的P_i极大值列于表1, 其中P_{max, l}代表低阻薄层产生的相对异常极大值, P_{max, h}代表高阻薄层产生的相对异常极大值。

从表1可以看出, 电性源对低阻薄层较为敏感, 围岩与薄层电阻率之比同样为1/10时, 低阻薄层产生的相对异常要远大于高阻薄层产生的相对异常。

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	图1 薄层厚度不同时的垂直磁场衰减曲线

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	图2 薄层埋深不同时的垂直磁场衰减曲线

表1 不同h₂/h₁时相对异常极大值P_max

另外, 薄层厚度与埋深之比越大, 相对异常越大, 这说明, 埋深越浅或者薄层厚度越大, 产生的相对异常也就越大, 薄层就越容易被识别; 而且从数据可以看出薄层厚度对异常的影响比埋深对异常的影响要大。

3 不同偏移距对探测能力的影响

对于同一个低阻薄层模型, 在不同收发距处计算了垂直磁场响应(图3)以及在每个收发距处与均匀半空间计算结果的相对异常值(图4)。

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	图3 不同偏移距时低阻薄层垂直磁场响应衰减曲线

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	图4 不同偏移距时低阻薄层相对异常

从图3可以看出, 早期场在短偏移处较大, 长偏移处较小; 随着时间推迟, 短偏移对应的场值相对变小, 而长偏移处场值相对变大。这说明电性源产生的垂直磁场响应极大值从场源附近出发向远处扩散, 并且极值的振幅逐渐减小。从图4中相对异常极大值的变化规律也可以看出, 随着偏移距的增加相对异常值呈逐渐减小的趋势, 并且相对异常的极值, 逐渐向晚时间道推移。因此可以得出结论, 短偏移处测量对地层分辨率更高, 分辨异常的时间更早。

4 与其他电磁法对比对薄层的探测能力

回线源装置是目前应用最为广泛的时间域电磁法装置, 而CSAMT是频率域电磁法中应用较为广泛的装置。结合本文的研究思路, 有必要将电性源装置与以上两种装置进行对比研究, 分析三者在薄层探测方面能力的不同。针对低阻和高阻薄层模型, 同时计算了三种装置的垂直磁场响应值, 并按照公式(1)计算了各自的相对异常值。其中电性源瞬变电磁偏移距分别取r=100, 500, 1 000 m, 其他参数与前文一致; 回线源瞬变电磁发射参数为回线尺寸200 m× 200 m, 发射电流10 A, 基频30 HZ; CSAMT发射参数为发射源AB=1 000 m, 发送电流10 A, 频率范围8 192 Hz~0.125 Hz。表2为计算的三种装置对于相同高、低阻薄层模型的相对异常极大值。

表2 不同电磁法装置对薄层的探测能力对比

相对异常极大值	电性源			回线源	CSAMT
相对异常极大值	r=100 m			r=500 m	r=1 000 m
$\begin{matrix} {P^{H}}_{\max} \end{matrix}$ /%	71.6	69.1	62.4	72.8	37.3
$\begin{matrix} {P^{K}}_{\max} \end{matrix}$ /%	11.4	11.2	10.4	11.6	10.8

表2 不同电磁法装置对薄层的探测能力对比

对比发现, 三种装置对低阻薄层的敏感度都远大于高阻薄层, 而且时间域电磁法对低阻薄层的探测灵敏度明显优于频域CSAMT。电性源装置在偏移距r=100 m时, 产生的相对异常最大, 随着偏移距增大, 异常极值随之减小。在上述三个偏移距处, 电性源装置对两种薄层的灵敏度都要稍微弱于回线源装置, 在偏移距较小处, 电性源装置对高阻薄层的探测能力要稍强于CSAMT。

5 结论

通过本次研究, 对电性源瞬变电磁在薄层探测方面有了进一步的认识, 可以概括为以下几点:

(1) 与其他电磁法装置类似, 电性源瞬变电磁对低阻目标体的敏感度远大于高阻目标体, 薄层厚度和埋深对探测效果影响较大, 薄层厚度大、埋深浅更容易被探测。

(2) 垂直磁场响应的极值随时间由发射源向四周扩散并衰减, 偏移距较小时, 电性源对地层的分辨能力越强, 而且能够更早的分辨异常。

(3) 短偏移距电性源瞬变电磁与回线源瞬变电磁相比, 对薄层分辨的能力稍弱但相差不大; 与CSAMT相比, 两者对高阻薄层探测能力相仿, 但对低阻薄层电性源要明显优于CSAMT。

(4) 本文仅以垂直磁场为例进行分析研究, 对于电性源装置产生的其他电磁分量未做讨论。今后非常有必要综合研究多分量的探测技术, 以寻求对地层探测能力最优的分量进行探测。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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严良俊, 胡文宝, 陈清礼, 等. 长偏移距瞬变电磁测深法在碳酸盐岩覆盖区落实局部构造的应用效果[J]. 地震地质, 2001, 23(2): 271-276.

The paper presents the trial method and results with Long-offset & window Transient Electromagnetic Method (LoTEM) to investigate detailed geological structure in the area covered with carbonatite. We chose a well known local structure in Sangzhi Shimen synclinorium, Siwang mountain structure whose area is about 200 km 2 ,to test the LoTEM. The rugged topography area is covered with carbonatite, and the surface geological condition gives priority to the complicated structure. The resistivity of the surface carbonatite is greater than 500Ω·m, and the target layer is Silurian marlite with resistivity value about 10Ω·m, and its buried depth is one to two kilometers. These give the better geophysical preconditions to the working area. Two sources were setup in the field. We finished eight lines with total 212 geophysical sites. The grid was arranged with equality (2km×0.5km).Althought there is strong cultural noise in the area, LoTEM features good anti disturbance. The rate of higher quality data is more than 80%. The EMF curve is credible before 1s and it guaranteed the data quality for interpretation. Through data processing and inversion, resistivity versus depth profiles of eight lines were obtained, and they have good coherence with the seismic profile. The results show that LoTEM can be used in prospecting for detailed structure in complicated areas.

详述了长偏移距瞬变电磁测深法(LoTEM)在碳酸盐岩地区进行局部构造落实的试验与效果。选择了面积约200km 2 的湖南桑植-石门复向斜中的四望山构造区作为试验区。工区地形复杂,地表地质条件以高陡构造为主;表层为灰岩覆盖,电阻率一般大于500Ω·m,目标层为志留系泥岩,电阻率在10Ω·m左右,埋深一般为1～2km。试验布设场源2个,测线8条,共完成物理点212个。测网基本均匀,线距2km,点距500m。尽管测区内文化干扰十分严重,由于LoTEM法具有较强的抗干扰能力,资料质量的优良率达到了80%以上,单点电动势曲线1s以前可靠,确保了资料解释质量。通过资料处理与反演,获得了该区各测线的电阻率深度剖面图,与工区内地震剖面对比的一致性较好,表明该方法能在如此复杂的地区进行局部构造落实。

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黄力军, 陆桂福, 刘瑞德. 电性源瞬变电磁法在煤田水文地质调查中的应用[J]. 工程地球物理学报, 2004, 1(2): 174-177.

煤田开采过程中坑道涌水严重威胁着矿山财产和人身安全,煤田水文地质调查是煤田地质勘探工作中的一项重要地质任务,瞬变电磁测深是目前煤田水文地质调查的主要方法.大多煤田水文地质调查的任务是查明区内工业煤层围岩的赋水性、主要断层的含水及导水性等问题.一些煤田浅部电阻率相对较低,电磁法应用难度相应较大.煤田地表大多较为复杂,河流和地表建筑严重地影响中心回线装置瞬变电磁方法正常施工,采用内回线测量方法可以降低地表复杂环境影响.文中以山东某煤田上的应用实例,介绍内回线装置瞬变电磁法的对比试验结果,视电阻率与反演电阻率资料对比结果以及在煤田水文地质调查中的应用效果.

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薛国强, 陈卫营, 周楠楠, 等. 接地源瞬变电磁短偏移深部探测技术[J]. 地球物理学报, 2013, 56(1): 255-261.

Although the loop-source TEM near-field survey system has been widely used, this method still cannot meet the demand for large-area 3D data acquisition and fine probing of deep ore bodies. Based on the advantage of near-field survey, a new configuration called short-offset TEM with a grounded wire-source (named SOTEM by authors) has been proposed and the detecting technique has been studied to solve the problem of detecting underground deep ore targets at high resolution. Analysis of the detection capability of this system such as time-domain response as well as investigation depth suggests that the SOTEM has more merits than the long-offset TEM(LOTEM). Apparent resistivity formula suiting for whole field area has been used to calculate apparent resistivity response of geo-electric models in the short-offset TEM system and the results are consistent with that of the designed geo-electric models. The field data have been collected and the results agree with the drilling data. It is concluded that the proposed method is more easily in exploration and has larger detecting depths and higher detection accuracy. It also shows that the SOTEM is a kind of methods worth to be widely applied.

对于接地源时间域瞬变电磁法,当选取适当的激励波形后,可将辐射场与自有场分离开来, 实现频率域电磁法无法实现的近源深部勘探;水平分层大地的解析分析表明,随着偏移距的缩短,接地导线源的场对地层的反映变得更为灵敏;时间域瞬变电磁法的探测深度主要由观测时长决定.基于接地源近场测深的优越性,作者提出短偏移瞬变电磁探测技术并首次命名为SOTEM, 采用了1000 m的偏移距对埋深为1400 m的某盐矿溶腔进行探测, 在全期视电阻率-深度剖面上圈定的溶腔分布被钻孔所揭露, 验证了SOTEM方法的探测能力.该方法为大深度、高分辨探测地下矿产资源提供了新的技术手段.

... 短偏移距电性源瞬变电磁(short offset transient electromagnetic)由于其采取近源观测的方式,而具有信号幅值高、性噪比强、探测深度大等优点,近年来受到越来越多关注^[6] ...

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牛之琏. 瞬变电磁测深法法对导电层的探测能力[J]. 地质与勘探, 1992, 28(7): 37-40.

... 许多学者在此方面做了大量论述与研究,牛之琏^[7]结合野外实例讨论了瞬变电磁法对导电层的探测能力 ...

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唐新功, 胡文宝, 严良俊. 瞬变电磁法对地下不同位置多个三维薄板探测能力的研究[J]. 物探与化探, 2004, 28(6): 528-531.

In this paper, the detectability of the transient electromagnetic (TEM) method to multiple anomalous bodies with different locations and buried depths in the stratum was detailed discussed. The results of these models illustrate that the detectability of TEM to those bodies buried shallower is quite good no matter whatever their distance from the source, which also gives a further theoretical basis to the idea that TEM method can be used in the shallow target exploration. The detectability is the poorest when the multiple thin bodies are arranged vertically. When those anomalous bodies which have different locations and depths are horizontally arranged along the measurement line, those bodies with shallower depths and the one which is nearest to the source can be most easily detected by TEM method, while the bodies between them are always neglected if their sizes are too small or depth are too large. In general, the detectability of TEM to multiple bodies is much better to those arranged horizontally than those arranged vertically.

以层状地层中多个位于不同位置和不同埋深的三维导电薄板为例,对瞬变电磁(TEM)法分辨地下多个三维异常体的能力进行了详细的分析和讨论.模型计算的结果表明,无论异常体与源的距离远近,TEM法对近地表的多个异常体分辨能力总是很好.当多个异常体在垂直方向排列时,TEM法对它们的探测能力最差;当它们以不同埋深沿测线方向排列时,埋深最浅和最近源的异常体最容易探测到;当夹在中间的异常体规模较小、埋深较大时,它的异常场容易被其它异常体所掩盖.总体上讲,无论在源下方还是在接收器下方,TEM法对水平方向多个异常体分辨能力优于垂向上的.

... 唐新功等^[8]以层状介质中多个三维导电薄板为例,计算了距离发送源不同位置的目标体的电磁场响应,并分析了探测难易性 ...

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薛国强, 邓湘. 瞬变电磁法对薄层的探测能力[J]. 石油地球物理勘探, 2007, 42(6): 709-713.

为了正确认识瞬变电磁法对薄层的分辨能力，文中设计了不同的地电模型，进行了瞬变电磁法响应正演计算，对有无薄层存在时相应视电阻率曲线进行了对比，并计算两者之间的相对误差，根据误差大小分析瞬变电磁法对薄层结构体的分辨能力，得出有实际指导意义的结论。对于同样的薄层地电模型，进行了瞬变电磁法与可控源音频大地电磁法探测能力的比较，认为瞬变电磁法对薄层的分辨能力强于可控源音频大地电磁法。

... 薛国强等^[9]利用瞬变电磁一维正演理论,对有无薄层的地质模型进行分析研究,以晚期视电阻率的相对误差为参考对比了不同参数下回线源瞬变电磁对薄层的探测能力,并将TEM与可控源音频大地电磁(CSAMT)进行对比,认为TEM对薄层的分辨能力优于CSAMT ...

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王战军, 朱自强, 李建慧, 等. 瞬变电磁法对低阻薄层的分辨能力研究[J]. 物探化探计算技术, 2012, 34(8): 646-651.

摘　要：从垂直磁偶极源激发的频率域电场出发，采用回线源瞬变电磁法一维正演方法，分别计算了低阻薄层随埋深厚度比和电阻率差异比变化时的感应电动势。依据电磁法探测的体积效应，对传统二分法进行了改进并定义了全区视电阻率的计算方法，并在此基础上分别绘制了低阻薄层埋深厚度比为1：1．2、1：1．5、1：2及1：4，电阻率差异比为1：5、1：10及1：20的视电阻率曲线。通过对比不同地电模型视电阻率曲线的特征，指出了不同电阻率差异比时，瞬变电磁法对低阻薄层的分辨极限，归纳了瞬变电磁法对低阻薄层的识别及分辨能力，这对于研究地下水平层状介质的垂直电性变化具有重要意义。

... 王战军等^[10]对不同埋深厚度比、不同电阻率比情况下的低阻薄层模型进行了一维正演,利用二分法改进并定义了全期视电阻率,以视电阻率相对误差为参考归纳了瞬变电磁法对低阻薄层的识别及分辨能力 ...

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唐新功, 胡文宝, 严良俊. 层状地层中三维薄板的瞬变电磁响应[J]. 石油地球物理勘探, 2000, 35(5): 628-633, 650

Using triple integral equation based on scalar Green function for forward modeling transient electromagnetic response to a 3-D anomalous body，a frequency respouse of electromagnetic field component has been evaluated first on frequency domain，then the evaluated results has been transformed into time domain by using fast numeric filtering algorithm.Response of the transient electromagnetic field to surface horizontal electric dipole and thin horizontal conducted plate in different depths respectively in a geoelectric model of five layers and analysised in detail. The results showed that nearsource effects are very big when conducted anomalous body is beneath a source of field and that the survey capacity of TEM technique can yet increase instead with increasing of conductivity contrast of anomalous body to surrounding medium when berry depths of the anomalous body is deeper.

用基于张量格林函数的体积分方程对三维异常体进行瞬变电磁响应的正演模拟，首先在频率域内计算电磁场分量的频率域响应；然后利用快速数字滤波技术将计算结果转换到时间域。文中分别通过对五层地电模型表面的水平电偶极子和接收器下方不同深度的水平导电薄板的瞬变电磁场响应进行计算，并作了详细分析。结果表明：当导电异常体位于场源下方时，其近源影响非常大；同时表明随着异常体与周围介质电导率对比度的增大，当异常体埋深增大时，瞬变电磁 (TEM)法对其探测能力反而有可能会增大。

... 唐新功等^[11]研究了电性源在层状介质中三维薄板的瞬变响应,主要论证了不同异常体位置对电磁响应的影响,但是并未对薄层参数和装置参数的改变而带来的不同做出讨论 ...

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... 按照偶极子叠加原理,层状介质中长接地导线源在地表产生的频率域垂直磁场计算公式为^[12]: ...

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... 得到频域响应后利用傅氏变化得到时间域响应^[13] ...