电法勘探-3-4

§3.5瞬变电磁测深3.5.1概况瞬变电磁法（TransientElectromagneticMethod，简称TEM）是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，从而来解决有关地质问题的时间域电磁法。•分类：按其工作空间可分为：航空瞬变电磁法、海洋瞬变电磁法、地面瞬变电磁法、井--地瞬变电磁法、矿井瞬变电磁法。•分类：按其工作空间可分为：航空瞬变电磁法、海洋瞬变电磁法、地面瞬变电磁法、井地瞬变电磁法、矿井瞬变电磁法。•历史：•①该方法最早由加拿大物理学家J.R.Wait于1951年提出，并于1953年获取专利权。•②1960年，原苏联研制出第一台共圈式瞬变电磁装置（MPPO型）；1962年，Mclaughlin和Dolan研制出固定发射回线、移动接收回线瞬变电磁仪，并利用该装置于1964年和1970年在塞浦路斯和南美洲取得找矿效果。•③70年代以后，各种地面TEM仪器相继问世，促进了TEM的应用理论研究的迅速发展。近几年来，瞬变电磁法发展迅速，仪器更新较快。•④国内，TEM的研究始于70年代。原长春地质学院、地矿部物化探研究所、中国有色金属工业总公司矿产地质研究院、原西安地质学院和中南工业大学等单位相继研制了TEM仪器，并开展了理论和方法技术方面的研究。80年代中期以后，该方法在我国应用得到迅速推广，由最初金属矿勘探发展到地热、水资源、水文地质、环境与工程地质的探测，其应用范围日益广泛。3.5.2瞬变电磁法基本理论在瞬变过程的早期阶段，频谱中高频成分占优势，因此涡旋电流主要分布在地表附近，由于趋肤深度的高频效应，阻碍电磁场向地下深部传播，因此早期阶段的瞬变场主要反映地层的浅部地质信息。在晚期阶段，高频成分被导电介质吸收，低频成分占主导地位，在这一阶段，局部地质体中的涡流，实际上全部消失，而各层产生的涡流磁场之间的连续相互作用使场平均化，这时瞬变场的大小主要依赖于地电断面总的纵向电导。瞬变电磁场是指在发射回线中阶跃变化电流作用下，地中产生的过渡过程的感应电磁场（一次场）在导电介质内产生的其结构和频率在时间与空间上均连续变化的涡旋交变电磁场（二次场）。按过渡过程可分为过程的早期和晚期两个阶段，在两个阶段中场所提供的信息不同，其用途也不同。1)均匀大地的瞬变电磁响应过程000)(ttItI在导电率为σ、导磁率为μ的均匀各向同性大地表面敷设面积为零的矩形发射回线在回线中供以的阶跃脉冲电流。瞬变电磁法的激励场源主要有两种，一种是载流线圈或回线形式的磁源，另一种是接地电极形式的电流源。发射的电流脉冲波形主要有矩形波、梯形波和半正弦波，不同波形有不同的频谱，激发的二次场频谱也不相同。图10.4.1矩形波图10.4.2矩形框磁力线•①电流断开，t=0时刻：原电流产生的磁场也很快消失，一次磁场的这一剧烈变化传播到空气和地下导电介质中，并在大地中产生感应涡流场，最初激发的感应电流局限于地表，以阻碍发射电流断开之存在的磁场衰减（螺旋管），由于介质的欧姆损耗（热损耗），这一感应电流将迅速衰减，由它产生的磁场也迅速衰减，这种迅速衰见的磁场又在其周围导电介质中产生强度更弱的涡流，这一过程继续下去，直至完全衰减，这就是瞬变电磁过程，伴随这一过程的电磁场便是大地中的瞬变电磁场。地表各处感应电流的分布也是不均匀的，在紧靠发射回线一次磁场最强的地表处感应电流最强。•②随着时间的推移，地下的感应电流便逐渐向下、向外扩散。感应电流呈环带分布，涡流场极大值首先位于紧挨发射回线的地表下，随着时间推移，该极大值沿着与地表成30°倾角的锥形斜面向下、向外移动、强度逐渐减弱（美国地球物理学家M．N．Nabghan）。图10.4.4穿过Tx中心的横断面内电流密度等值线Tx=800×400m图10.4.3中示出了不同时刻穿过发射回线中心的横断面上地下感应电流密度等值线。图10.4.3半空间等效涡流环从图中可以看到．等效电流环很象从发射回线“吹”出来的一系列“烟圈”，因此，人们将地下涡旋电流向下、向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”。“烟圈”的半径r、深度d的表达式分别为：202/8atcr（10.4.1）0/4td（10.4.2）546479.0282c式中a为发射线圈半径，当发射线圈半径相对于“烟圈”半径很小时。可得：47,07.1tanrd故“烟圈”将沿47。倾斜锥面扩散．其向下传播的速度为：ttdv02（10.4.3）•纳米吉安指出，任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以等效为一个水平环状电流的磁场，在发射电流刚关断时，该环状线电流紧挨发射回线，与发射回线具有相同的形状，随着时间的推移，电流环向下、向外推移，逐渐变形为园电流环，象从回线中“吹”出的“烟圈”。3.5.3均匀大地上垂直磁偶源的瞬变电磁场及视电阻率定义1）瞬变电磁场的计算方法2）视电阻率公式3）视电阻率理论曲线/22t/20/rur或zzMMsnr925早瞬变场扩散参数：1）磁偶源早期定义式条件0/2/rur或3/200)5(42zVtMsnt晚2）磁偶源晚期定义式条件：•瞬变电磁测深视电阻率理论曲线t111//ht171102绘制双对数坐标：理论曲线：1）回线—回线装置（磁偶源）水平层状大地：12曲线特点：首支与收发距r有关；尾支22）电偶源晚期3.5.4瞬变电磁测深的装置形式图1重叠回线装置示意图图2同一回线装置示意图如图1为重叠回线装置。1.重叠回线优点:1)为瞬变电磁法特有的组合，它与目的物耦和最紧2)发射线圈逐测点移动，不会激发盲区3)发射磁距和接收磁距较大缺点:1)分辨率相对较低，因为只能观测垂直分量2)设备较重，铺线较麻烦3)人文导体较多处很难避开2.同一回线装置如图2，该装置即为同一回线装置。优点:1)主要响应为一单峰，异常形状较简单2)可观测多个分量，能较精确地提供目的物倾角和深度信息3)设备较轻便，适用于航电异常检查等深度浅、工作地区分散的工作缺点:1)一般发射磁距小2)勘探深度较小3.中心回线组合装置图3中心回线装置示意图优点:1)是重叠回线的变型，具有重叠回线的优点2)可观测水平分量，分辨率较高3)接收回线可以避开管道等人为导体，在人为导体较多的测区，其数据质量优于重叠回线缺点：地质体的不均匀性影响较重叠回线大4.大回线外组合图5大回线回线外组合装置示意图5.大回线内组合图6大回线回线内组合装置示意图优点：1）划分异常比较详细2）勘探深度大缺点：1）对陡峭倾斜矿激发不利2）方形回线太大，铺设不便3.5.5野外工作技术1.装置类型的选择1）一般准则2）目的物参数的估计3）地质环境4）电磁噪声2.回线大小的选择1）重叠回线装置是适用与轻便型仪器的工作装置，一般情况下回线边L=H，H为探测目标的最大埋藏深度。2）中心回线装置发送回线边长按该区测深工作所需要的探测深度、覆盖层平均电阻率、干扰电平及发送电流合理选定，也可以参照511255.0ILH3）大定回线源装置发送线框依据探测深度，在100m×200m至300m×600m范围内选用，长边应平行地质体走向铺设，供电电流一般为10~30A。在发送框内、外用轻便线圈观测dtdBx/dtdBz/两个正交分量。4）在工程勘查中，一般使用回线边长为10~20m，点距为5~10m的重叠回线工作。3.道数和叠加次数的选择一般来说，在实际工作中选择取样道数希望尽可能多些，以记录到在较宽的延时范围内的有用信号；而叠加次数则希望取得少些，以提高观测速度。这两点主要决定于测区内所用观测装置的信噪比。要想选择合适的取样道数和叠加次数，在一个测区开始工作之前首先做些试验工作。如果最后几道读数为仪器噪声电平，说明有用信号都已记录下来，取样数和叠加次数选择是合适的；如果最后的读数超过噪声电平但波动较大，这表明还未达到噪声电平，应增加测道数和叠加次数，直到最后几道仅为噪声电平为止。测区范围应根据工作任务和测区的地质及地球物理工作程度合理确定，应主要考虑以下因素：1）探测目标的大小、埋深及与围岩的电性差，为了保证所得异常的完整性，周围要有一定范围的正常背景场，以便分析对比。2）测区范围应尽可能包括已知区。3）大定源回线装置不同发送回线的测区范围相衔接时，必须有一定的重叠面积。4.测区、测网的选择五、应用实例1.杨村煤矿四采区水文物探2102603103604104605105606106607107608108609109601010106011101160121012601310136014101460-550-500-450-400-350-300-250-200-150-100-50-550-500-450-400-350-300-250-200-150-100-50图89测线反演视电阻率断面图2.瞬变电磁法在徐州权台煤矿34223工作面顶板水文探测中的应用0306090120150180210240270300330360390420450480510540570600030609012015018021024027030033036039042045048051054057060010305070901101301501030507090110130150图9皮带道TEM视电阻率断面图•TEM与频率域方法对比•频率域•优点：•理论成熟，正反演解释经验丰富；•仪器方面：窄带放大，信噪比高；•GDP32、V8等仪器工作效率高。•缺点：•静电效应；•近场区、中区校正复杂；•纪录点问题；•受侧向影响大；•分辨能力差。CSAMT对大地耦合•对薄导电层ρ21•TEM•优点：•观测纯二次场，消除了频率域中装置耦合噪声；其噪声源主要来自外界。•对导电围岩覆盖层分辨率高。对大地：•对薄导电层：•在高阻围岩条件下，地形引起的假异常小；•重叠回线提高了对地质体的横向分辨率。•缺点：•不能完整地记录曲线；•曲线首支畸变233S1•1）曲线特点：•电测深曲线：曲线首支水平，曲线尾支45°直线上升。•大地电磁测深：曲线首支震荡趋向于ρ1，曲线尾支63°直线上升。•CSAMT：曲线首支震荡趋向于ρ1，曲线尾支45°直线上升。•瞬变电磁测深法：曲线首支不趋向于ρ1，曲线尾支63°直线上升。•2）各种方法特点：•直流电测深法•优点：•1）理论方法技术简单、成熟；2）对浅层的地质异常体分辨能力强；•3）对高阻、低阻体均反映良好；4）抗干扰。•缺点：•1）高阻屏蔽影响；2）体积勘探，随深度的加深分辨能力急剧下降；•3）地形影响大；4）生产效率较低、劳动强度大。•大地电磁测深•优点：•1）能穿透高阻屏蔽层；2）对低阻层分辨能力高；•3）探测深度大。•缺点：•1）对浅层的分辨能力较差。2）生产效率较低。•CSAMT•优点：•1）能穿透高阻屏蔽层；2）对低阻层分辨能力高；•3）岩层各向异性影响小；4）勘探深度大；•5）仪器方面：窄带放大，信噪比高；6）工作效率高。•缺点：•1）静电效应；2）近场区、过渡区校正复杂；•3）纪录点问题；4）对高阻层分辨能力差。•瞬变电磁测深法•优点：•1）观测纯二次场，不受静态位移影响；2）穿透高阻层能力强；•3）对低阻地质体反应灵敏；3）地形影响小；•4）重叠回线：旁侧影响小、横向分辨率高；5）生产效率高。•6)采用同点装置测量，与探测目标体耦合最佳，异常响应最强，形态简单，分层能力强;•7）线圈的点位、方位和收发距要求不严，工作简单、效率高;•8)具有穿透低阻盖层能力，探测深度较大，剖面测量和测深同时进行，信息丰富，减少多解性•缺点：•1）抗干扰能力有限（比频测方法低）；2）不能完整地记录曲线；•3）曲线首支畸变。