瞬变电磁测深法

四）瞬变电磁测深法（水文地质工作手册）1、 方法原理简介瞬变电磁测深法(简称 TEMS)是一种时间域电磁法基于电性差异，以阶跃波形电磁脉冲激发，利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间(断电后)，利用线圈或接地电极测量由地下介质产生的感应二次场（二次涡流场）随时间的变化，达到寻找目标地质体的地球物理勘探方法其数学物理基础为电磁感应原理，即导电介质在阶跃变化的激励磁场的激发下产生涡流场的问题一次脉冲信号二次场信号表示为：(1)5203MqVt式中： 为磁导率；M 为发送线圈磁矩；q 为接收线圈等效面积； 为地层电0 阻率；t 为时间从上式中可以看出，二次场信号与 ， 成反比，当探测地下良导电地3454t质体时在往地面敷设的发送回线中通以一定的脉冲电流使回线中间及周围一定区域内便会产生稳定的磁场(称一次场或激励场)，如果一次电流突然中断，则一次磁场随之消失，使处于该激励场中的良导电地质体内部由于磁通量 的变化而产生感应电动势 (据法拉第电磁感应定律 )，感应电动势在良dt导电地质体中产生二次涡流，二次涡流又由于焦耳热消耗而不断衰减，其二次磁场也随之衰减( 见图 1)。

由于感应二次场的衰变规律与地下地质体的导电性有关，导电性越好，二次场衰减越慢；导电性越差，二次场衰减越快因此，通过研究二次场的衰减规律便可达到探测地下地质异常体的目的图 1 TEM 法工作原理示意图瞬变电磁场在大地中主要以扩散形式传播，在这一过程中，电磁能量直接在导电介质中由于传播而消耗，由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大传播深度： （2） 04dt传播速度： （3）2zVtt式中：t — 传播时间；—介质电导率；— 真空中的磁导率0由(2)式得： ， (4)7210thp在中心回线下，时间与表层电阻率之间的关系可写为：(5)250314ILt联立(4)(5)式，可得中心回线装置估算极限探测深度 H 的公式为:(6)152.LIHmRN式中:I— 发送电流；L— 发送回线边长；—上覆电阻率；1—最小可分辨电压，它的大小与目标层几何参数和物理参数及观测时间段有关。

一般为 0.2～0.5 nV/m 2；Rm —最低限度的信噪比；N — 噪声电压瞬变电磁测深的最佳工作装置是中心回线装置，发送回线边长和发送电流可参照公式(6)合理确定时窗范围 t 的确定，取决于测区内所要探测的目标物的规模及电性参数的变化范围，地电断面的类型及层参数，勘探深度等诸多因素，具体时窗范围应通过生产试验确定由于瞬变电磁测深是在一次场断电后测量二次场，不存在一次场源的干扰此外，阶跃脉冲实际上是由各种高频谐波叠加产生的宽频带电磁波，与频率域电磁法相比瞬变电磁法具有以下优点：(1)断电后观测的二次场，可以进行近区观测，减少了旁侧影响，增强了电性分辨能力；(2)可采用加大功率的方法增强二次场信号，提高信噪比，增加勘探深度；(3)穿透高阻层的能力强；(4)采用人工源方法，随机干扰影响小；(5)采用重叠回线装置， 可以避免地形影响；(6)线圈形态、方位要求相对不严格，测地工作简单、工效高；(7)测量磁场受静态位移的影响小；(8)通过多次脉冲激发，场的重复观测叠加和空间域多次覆盖技术的应用，可以提高信噪比和观测精度由于该方法具有探测深度大、对地层分辨能力高、受旁侧影响或体积效应小，以及工效高、成本低等特点，因而在寻找油气田、煤田、深部有色金属矿、地热田、地下水以及地质构造研究等方面取得了引人注目的成果。

其解决的主要地质问题有一下几方面：a) 金属矿产及某些非金属矿产勘查；b) 地质构造研究；c) 煤田、油气田以及地热田勘查；d) 水文地质及工程地质勘查；e) 寻找地下管线及地下人文遗迹2、 方法应用条件及注意事项确定瞬变电磁测深法的地质任务或施工项目，在考虑勘查工作需要的前提下，首先要分析是否具有一定的地电条件，勘查目标与围岩之间是否存在明显的电性差异对于方法的有效性分析，正演模拟法是论证方法有效性和开展野外试验工作的依据，正演所选取的地电断面类型及参数要以已知地段及不同工作区的实际断面为参考，一般可由正演模拟求得最佳工作装置及其尺寸值得注意的是，凡属下列情况之一者，只宜列为试验项目:(1)寻找深部矿、难识别矿及间接寻找目标物等情况下，尚未进行瞬变电磁法试验工作，方法有效性尚不明确的新区2)外来电磁噪声干扰较严重，使用现有仪器及观测方法的效果受到影响的地区3)探测目标与围岩之间的电性差异较小，或探测目标物的相对规模不大，埋深较大，不能肯定是否能测出目标物异常响应的地区注意事项：(1)测区、测网和比例尺测区范围应根据工作任务和测区的地质矿产及以往物化探工作程度合理确定并考虑以下因素:a)探测目标物的规模、埋深及与围岩的电性差异，应保证所得到的异常完整性及周围有一定范围的正常背景场；b) 测区范围应尽可能包括已知区，不同年度的测区相衔接；c) 大定源回线装置不同发送回线的测区范围相衔接时，必须有一定的重迭面积。

测深法装置，开展面积性工作时，常用比例尺和测网密度参照表 1表 1比例尺 测线间距 沿测线点距 测点数/km 21：5 万 0.5km～2km 0.5km～1km 4～1/21：2.5 万 0.25km～1km 0.25km～0.5km 16～21：1 万 100m～500m 100m～250m 100～181：5 千 50m～250m 50m～100m 400～401：2 千 20m～100m 20m～50m 2500～200(2)工作精度设计地面瞬变电磁法工作精度时，应遵循下述两点:a)应考虑能够观测与分辨勘查对象所产生的最弱异常，一般应使最大误差的绝对值小于任何有意义异常的 1/3；b)应根据仪器的技术性能合理设计，其总精度不应超过现有仪器设备所能达到的精度地面瞬变电磁法工作的总精度以均方相对误差来衡量，分级列于表 2表 2V/I 或 B/I 总均方相对误差级别有位差 无位差A 10% 15%B 15% 10%注:表 2 中无位差(无点位误差)是 V/I 或 B/I 的观测误差和其他误差的叠加，如，外界电磁噪声的变化，仪器不稳定引起的误差有位差(有点位误差)是装置和无位误差的盈加，装置误差是测地误差和布线、布点不准引起观测值变化的误差对于使用晚期观测数据时，一般可采用不大于噪声电压 3 倍的均方绝对误差来衡量。

在要求高精度和进行定量计算时，可采用不大于噪声电压 2 倍的均方绝对误差来衡量工作精度可根据工作任务及工作装置的特点，以取得较好的地质效果和经济效益，可选择某一观测精度或 A.B 之间的中等精度3)生产试验工作凡属新区开展工作，在正式生产之前，应首先进行生产试验工作，并在设计中明确试验任务、方法技术及工作量，其要求是:a) 了解矿区内已知矿体上的异常响应特征，包括异常强度、形态、范围、时间特性、时窗范围、地质噪声及信噪比等；b) 查明外来电磁噪声电平及干扰特征，选择和确定迭加次数；c) 检查工作精度、测网密度、工作装置及回线边长等选择是否合理4) 测地工作地面瞬变电磁法测地精度、测点位置的质量指标列于表 3,表 3 测地工作精度级 平面点位限差 测 深 相对高程限差别 mm 点位均方相对误差 ％ 测线方向 高程测量 mmA 2.0 3 5 V 2B 2.5 5 10 Va)点距及发送回线边长大于 100 m 的测深装置在地面目标物明显的条件下，可用 1 : 10000 或更大比例尺的地形图定点，定位精度级别参照表 3 中 Bb)测深装置对于发送回线角点点位精度级别参照表 3 中 B；对于接收回线角点及中心点点位精度级别参照表 3 中 A，中心点要求观测高程。

5) 电性参数测定和物理模拟试验a)为了解释异常，必须对区内各类岩(矿)石进行电性参数测定b)电性参数测定方法，应根据实际情况采用露头法、标本法或测井法及已知点测深反演法c)样品测定数量，每类岩(矿)石，一般不少于 30 块，严格测定条件，保证数据质量d)为更好地解释异常或解决某些特定的间题，应进行物理模拟或数值模拟工作物理模拟工作应根据野外的实际地电断面条件，符合相似性原理3、 野外工作方法及资料处理解释(1）仪器与参数瞬变电磁测深仪器所观测到的二次场信号，有信号弱、频带宽、动态范围大的特点因此，要求仪器必须具有分辨率高，采样速度快，动态范围大的性能目前在国内比较流行的仪器有：加拿大 Geonics 公司的 EM-37，TEM47，TEM57 仪器；澳大利亚 Geometics 公司的 SIROTEM-Ⅱ、Ⅲ仪器；美国 Zong 公司的 GDP-12、16、32、32Ⅱ及加拿大 Phoeix 公司的 V-5、6 多功能电测站；地矿部物化探研究所的 WDC-2 智能化瞬变电磁仪；西安物化探研究所的 LC 瞬变电磁系统；长沙智通新技术研究所生产的 SD-1 和 SD-2 型瞬变电磁仪，中国有色金属工业总公司北京矿产地质研究所研制的 TEM-3S 仪。

这些仪器都各有特色，下面介绍一下仪器的性能与主要技术指标1、加拿大 Geonics 公司的 EM-37，TEM47，TEM57 仪器TEM47，最大勘探深度 150m，统称 PROTEM47TEM57-MK2，最大勘探深度 500m，统称 PERTEM57 TEM-67，最大勘探深度 1000m-1200m，统称 PROTEM67加强型 TEM67,最大勘探深度 2000mTEM47Hp，井下探水，探测距离 100m-120m，统称加强型 PROTEM47HPBH43-3 钻井内三维瞬变电磁仪，可在 2,000m 深钻孔内工作，探测半径120mPROTEM 接收机具有 24 位瞬时分辨率，29 位系统分辨率，270KHz 带宽，微秒级的 30 个采样门和 XYZ 三分量同时观测等特点，是时间域电磁系统的最佳选择技术指标： 观测值：三分量感应磁场的衰减比，nv/m2电磁传感器：空心线圈道数：用单道接收线圈顺序测量或用三分量接收线圈同时测量时间门：在两个量级时间轴上 20 个门测量，或三个量级时间轴上 30 个门测量信号分辨率：24 位，包括 1 个符号位，系统分辨率 29 位基本频率：0.3，0.75，3，7.0，30，75，285Hz（60Hz 工频时）0.25，0.625，2.5，6.25，25，62.5，237.5Hz（50Hz 工频时）积分时间：0.5，2，4，8，15，30，60 和 120 秒显示器：240×64 点液晶显示数据管理：固态存储 3300 套数据，RS232 输出同频：参考电缆同步或高稳定性石英钟同步工作温度：-40℃—+60℃电源：12V 可充电电源，可连续工作 8 小时重量：15Kg体积：34×38×27cmTEM47 发射机是最小、最轻便的发射系统，关断时间极短，可探测近地表异常。

PROTEM47（PROTEM 接收机配以 TEM47 发射机）经常用于浅部几米到 150m 深的探测在这种模式下，可用单匝 5m×5m 到 100m×100m 发射线圈，关断时间可短至 0.5μs，从而获得最高的浅表分辨率也可采用多匝发射线圈 TEM47 采用参考电缆同步，可满足浅部探测对高精度同步的要求无论在那种情况下，PROTEM47 都使用高频接收线圈该接收线圈的带宽足以捕捉最早期的瞬态衰减信号当 PROTEM47 用于剖面测量时，采用 8 匝 5m×5m 移动式发射线圈，2.5A 发射电流时，发射磁矩为 500Am在基频 75Hz、20-30 个测量门时，该模式便成。