瞬变电磁法

瞬变电磁法（TEM）1.基本原理瞬变电磁法也称时间域电磁法（Timedomainelectromagneticmethods），简称TEM，它是利用阶跃波形电磁脉冲激发，利用不接地回线向地下发射一次场，激励电流便形成了一次磁场，瞬间断开“关断”脉冲。这一随时间突变的磁场在管体中激励起随时间变化的“衰变涡流”，从而在周围空间产生与一次场方向相同的二次“衰变磁场”，二次磁场穿过接收回线中的磁通量随时间变化，在回线中激励起感生电动势，通过测得的感应电动势来判断管道的畸变。2．国内外发展现状最早提出关于时间域电磁法是西方的“Eltran”法，它基于美国科学家L.W.Blan在1933年的专利，该方法利用电流脉冲激发供电偶极形成电磁场，用电偶极测量电场，此方法提出后，石油公司做了很多野外实验，希望得到类似地震反向法的结果，但由于脉冲激发的瞬变电磁响应频率较低，在沉积盆地难以得到能够识别的分辨率，因此没能达到预期效果。在上世纪30年代末，前苏联的A.П.Краев才提出将瞬变电磁信号应用于地质构造测深，而利用瞬变电磁法寻找导电矿体，最早是由加拿大地球物理学家J.R.Wait于1951年提出，并于1953年获得专利权。直到50~60年代，原苏联科学家完成了瞬变电磁法的一维正、反演问题，建立了瞬变电磁法（亦称建场法）的解释理论和野外工作方法，瞬变电磁法才步入实用阶段；80年代以后，随着计算机技术的发展，G.W.Hohmem、A.P.Raiche、B.R.Spies与M.N.Nabighian等学者发表了大量论文，促进了二、三维正演模拟技术的发展。我国的瞬变电磁法研究起始于上世纪70年代初，其中较早开展这项研究工作的有朴化荣、曾孝箴与王延良等人，推出了均匀大地上空时间域电磁响应，并将脉冲式航电仪器用于地质填图和找矿；1977年地矿部物化探勘查研究所的蒋邦远等将脉冲电磁法用于勘探良导体金属矿；1985年牛之琏将脉冲电磁法用于金属矿勘探，并取得了明显的效果；随后北京矿产地质研究所、中国地质大学、中国有色金属工业总公司矿产地质研究院、中南工业大学、西安地质学院等单位进行研究。通过国内学者的努力，取得了一些有价值的研究成果和大量的应用实例，在理论和技术方面推动了瞬变电磁法在我国的应用和发展。近些年我国输油气管道四通八达，埋地钢制管道的破损往往会引发各种问题，轻则浪费资源，重则造成环境污染、引发安全事故、导致国家巨大经济损失。管道长期深埋地下，受到土壤环境的侵蚀会出现不同程度的金属腐蚀，腐蚀严重就会造成局部破损，引发不良后果。因此对在役地下管道定期进行腐蚀检测，及时发现问题管道并进行更换，变得至关重要。3．特点瞬变电磁法检测时，具有时间和空间的可分性。这是因为观测是在激励信号关断后的时间段进行的，而且也只分析脉冲间隙期间的数据，所以去除了一次磁场的干扰，就是瞬变电磁法检测在时间上的可分性；另外，从傅里叶变换可知，任何脉冲都可分解为不同频率的正弦信号之和，不同延时观测的主要频率成分不同，则相应时间的场在管中的传播速度不同，检测深度也就不同，这称为空间上的可分性。这使得瞬变电磁法与频率域电磁法有显著区别。与其他检测方法相比，瞬变电磁法检测埋地金属管道具有以下特点：（1）瞬变电磁法在断电后进行观测，接收的是纯二次场，排除了一次磁场即装置耦合噪声的干扰，简化了对异常响应的研究，具有更高的检测和分辨能力。（2）瞬变电磁法检测埋地金属管道时，是在管道外、土壤上方直接检测管壁缺陷，因此可实现在不开挖、在役检测，可大大缩短更换和修复时间，提高检测效率。（3）因受激励线圈方位、形状等的影响不大，所以对这些没有严格的要求。可根据现场检测条件调整装置的结构，因此具有测地工作简单、灵活，工作效率较高的优点。（4）由于发射场能量分布的频带较宽，通常信噪比较低，所以容易受到雷电等自然和人为因素的影响。（5）增大发射功率可使增强二次场强度，就可以增加检测深度；接收机可以通过采集适合的观测时窗信号，则可以降低噪声的干扰。（6）穿透低阻覆盖能力强，勘探深度大。发射用不接地回线，不受地表的条件限制。4.常用的激发场波形在瞬变电磁法中，发射信号的波形常使用的多种周期脉冲信号有：方波、三角形波、半正弦形波、梯形波、伪随机波等信号。由傅里叶频谱分析理论可知，任何一种脉冲信号都可以分解为一系列不同频率的谐波信号。显然，每个谐波将对导体激励起频率相同的正弦信号。所以，任一种脉冲信号在导体中产生的信号可以看做是一系列不同频率的正弦信号产生响应之和。可见，瞬变电磁法的测量结果相当于频率域中，由多频测量的结果之和。我们模型的建立是在ANASY中完成的，激励源信号采用单个阶跃波而实际检测中，由于激励线圈的RLC特性及负载的影响，输出的波形不可能理想下降，波形上升沿呈指数上升，下降沿呈斜阶跃下降。5.局限性瞬变电磁检测关键在于接收地底传回的电磁信号，易受周围空间不稳定电磁干扰影响。瞬变电磁法的工作效率高，当遇到周边有大的金属结构时地面或空间的金属结构时，所测到的数据不可使用。同时在地层表面遇到大量的低阻层矿化带时（例如在陕西南部某地铅锌矿区，地层表面充满石墨层）瞬变电磁法也不能可靠的测量，因此在选择测量时要考虑地质结构。初步应对想法：可以把多种方法合起来，共同检测某一点，从而使其结果更为准确。6.目前考虑的几个问题（1）怎么消除应力作用在管道上对二次磁场的影响（2）怎么判别腐蚀的种类（点蚀、孔状、缝隙）（3）怎么判断管道是否并行和重叠（4）怎么确定腐蚀在管道横截面的分布位置