瞬变电磁法 讲义(原理)
瞬变电磁法
正演拟合法：需事先给定层参数、初始模型。多 用于规律研究。 直接反演法：无需先设定初始模型。 视纵向电导法：从感应电动势转换为视纵向电导 的过程。 基于烟圈理论的快速反演：此法之优点在于每一 延时给出相应的视深度和“似”电阻率，能给出构 造的空间“似”形态，计算简单、实用。然而不能 直接给出地电参数，一些学者认为此法不能算作真 正之反演。但通过此次论文工作，发现直接反演如 使用适当，可起到拟合反演不可替代的作用。
他指出，任一时刻的 涡电流产生的磁场可等 效为一个水平环状的线 电流产生的磁场。 地下涡电流向下、 向外扩散的现象---“烟圈 效应”。
“烟圈”的半径和深度 为： r 8c 2 t /( 0 ) a 2 ; d 4 t / 0 d 2 c 2 2 0.546479 v ; t t 0 8 早期瞬变电磁场由浅部 涡流产生 反映浅部电性； 晚期瞬变电磁场由深部 涡流产生 反映深部电性； 观测研究瞬变电磁场随 时间的变化规律，可探 测 大地电性的垂向变化 瞬变电磁测深的原理。 观测研究同一时间瞬变 电磁场沿剖面的变化规 率 可探测大地电性沿剖面 变化 瞬变电磁探测 地下电阻率不均匀体的 原理。
0 0.01 远区（波区） 0.01 0 3 （中区） 0 3 （近区）
远区----早期----第一种为主 近区----晚期-----第二种为主
2、均匀大地的瞬变电磁响应
I ; t 0 I (t ) 0; t 0
电流---磁场；电流断开---磁场消失； 磁场变化---介质中感应电流----感应磁场； 介质欧姆消耗---感应电流衰减---感应磁场衰减变 化----感应出强度更弱的电流； 这一过程一直进行，直至大地的欧姆损耗 将磁场能量消耗完毕为止。
瞬变电磁原理
瞬变电磁响应过程（1）
在导电率为s、磁导率为μ的均匀地质体表面敷设面积为S 的矩形发射回线中供以阶跃电流。
1 t 0 I t 0 t 0
在电流断开之前（t<0时），发射电流在回线周围 的地质体和空间中建立起一个稳定的磁场。
均匀大地瞬变电磁响应过程（2）
在t=0时刻，将电流突然关断，由该电流 产生的磁场也立即消失。一次场的剧烈变化 通过空气传至回线周围的地质体中，并在地 质体中激发出感应电流以维持发射电流断开 之前存在的磁场不会立即消失。
瞬变电磁法的“烟圈”理论 （2）
在发送一次脉冲磁场的间歇期间，观测由地质体受激 励引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场的强度。 地质体介质被激励所感应的二次涡流场的强弱决定于 地质体介质所耦合的一次脉冲磁场磁力线的多少，即二次场 的大小与地下介质的电性有关： （1）低阻地质体感应二次场衰减速度缓慢，二次场 电压较大； （2）高阻地质体感应二次场衰减速度较快，二次场 电压较小。 根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断被测地质体 的电性、性质、规模和产状等，由于瞬变电磁仪接收的信号 是二次涡流场的电动势（即二次电位），因此，瞬变电磁作 为一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法，是根据 地质构造本身存在的物性差异来间接判断相关地质现象的一 种有效的地质勘探手段。
0t
V d t 2
矿井瞬变电磁法特点（1）
• 从烟圈效应的观点看，早期瞬变电磁场是由近地 表的感应电流产生的，反应浅部电性分布，晚期 瞬变电磁场是由深部的感应电磁场产生的，反映 深部的电性分布。因此，观测和研究大地瞬变电 磁场随时间的变化规律，可以探测大地电位的垂 向变化，这便是瞬变电磁测深的原理。 • 矿井瞬变电磁法由于受仪器煤安条件限制、施工 环境限制、测量线圈大小限制等诸多因素，其勘 探深度不如地面深，一般深度小于100 m左右， • 井下为全空间瞬变响应，这种瞬变响应来自于回 线平面上下(或前后)地层，井下的支护、轨道等 铁构件属于良导体，这对确定异常体的位置带来 困难。
瞬变电磁原理
瞬变电磁原理
瞬变电磁原理是电磁学中一个重要的概念，它描述了当电流发生变化时，产生
的瞬时电磁感应现象。
理解瞬变电磁原理对于电磁学的学习和应用具有重要意义。
本文将从瞬变电磁原理的基本概念、数学表达和实际应用等方面进行介绍。
首先，我们来了解一下瞬变电磁原理的基本概念。
瞬变电磁原理是指当电流发
生变化时，会产生瞬时的电磁感应现象。
这是由法拉第电磁感应定律所描述的，即磁感应强度的变化率正比于电流的变化率。
简单来说，当电流发生变化时，会产生瞬时的电磁感应，这就是瞬变电磁原理的基本概念。
其次，我们需要了解瞬变电磁原理的数学表达。
根据法拉第电磁感应定律，磁
感应强度的变化率可以用数学公式表示为ε=-dΦ/dt，其中ε表示感应电动势，Φ
表示磁通量，t表示时间。
这个公式表达了电流变化引起的感应电动势与磁通量变
化率的关系，是瞬变电磁原理数学表达的核心内容。
除了基本概念和数学表达，瞬变电磁原理还具有重要的实际应用价值。
在电磁
学和电工技术中，瞬变电磁原理被广泛应用于电磁感应传感器、电磁铁、电磁感应加热等领域。
例如，电磁感应传感器利用瞬变电磁原理可以实现对磁场变化的检测，从而实现对物体位置、速度、形状等信息的感知。
而电磁感应加热则利用瞬变电磁原理产生的感应电流来实现对物体的加热，广泛应用于工业生产中。
总之，瞬变电磁原理作为电磁学中的重要概念，对于理解电磁感应现象具有重
要意义。
通过了解其基本概念、数学表达和实际应用，我们可以更好地理解和应用瞬变电磁原理，推动电磁学和电工技术的发展。
希望本文对于读者对瞬变电磁原理有所帮助，谢谢阅读。
瞬变电磁原理
瞬变电磁原理
瞬变电磁原理是指在电路中出现瞬时电流或电压变化时，所产生的瞬时电磁场现象。
这种瞬变电磁场会对电路中的其他元件产生影响，因此瞬变电磁原理在电磁兼容性和电磁干扰抑制方面具有重要意义。
瞬变电磁原理的产生主要有两种情况，一种是由于电路中突然断开或闭合的开关动作引起的电流瞬变，另一种是由于电路中电压突然升高或下降引起的电压瞬变。
无论是电流瞬变还是电压瞬变，都会产生瞬时的电磁场，从而对周围的电路产生影响。
在电路中，当电流瞬变时，会产生瞬时的磁场，这种瞬时磁场会导致电感元件中产生涡流，从而产生涡流损耗；同时也会对周围的元件产生感应电动势，引起电磁干扰。
而当电压瞬变时，会产生瞬时的电场，这种瞬时电场会导致电容元件中产生充放电过程，从而产生能量损耗；同时也会对周围的元件产生感应电流，引起电磁干扰。
为了减小瞬变电磁场对电路的影响，可以采取一些措施来进行抑制。
例如，在电路设计中可以采用阻抗匹配、屏蔽、滤波等措施
来减小瞬变电磁场的影响；在电路布局中可以采用合理的线路走向、距离和屏蔽措施来减小瞬变电磁场的传播；在电路元件选择中可以
采用抗干扰能力强的元件来减小瞬变电磁场的影响。
总之，瞬变电磁原理是电路中一个重要的物理现象，对电路的
正常工作和电磁兼容性具有重要影响。
了解瞬变电磁原理，采取合
适的抑制措施，可以有效减小电路中瞬变电磁场的影响，保证电路
的正常工作和电磁兼容性。
瞬变电磁法简介
第三节瞬变电磁法（TEM）一、方法原理瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源通以脉冲电流为场源，以激励探测目的物感应二次电流，在脉冲间歇测量二次场随时间变化的响应。
当发射回线中的电流突然断开时，在介质中激励出二次涡流场（激发极化场），二次场从产生到结束的时间是短暂的，这就是“瞬变”名词的由来。
在二次涡流场的衰减过程中，早期以高频为主，反映的是浅层信息，晚期以低频为主，反映的是深层地下信息。
研究瞬变电磁场随时间变化规律，即可探测不同导电性介质的垂向分布。
瞬变电磁法的探测深度与回线线圈的大小、匝数有关，线圈越大、匝数越多，探测的深度就越深。
瞬变电磁法的观测是在脉冲间隙中进行，不存在一次场源的干扰，这称之为时间上的可分性，脉冲是多频率的合成，不同的延时观测的主频率不同，相应的时间场在地层中的传播速度不同，调查的深度也就不同，这称之为空间的可分性。
由这两种可分性导致瞬变电磁法有以下特点：把频率域法的精确度问题转化成灵敏度问题，加大功率，灵敏度可以增大信噪比，加大勘探深度；在高阻围岩地区不会产生地形起伏影响的假异常；在低阻围岩地区由于是多道观测，早期道的地形影响也较易分辨；可以采用同点组合（同一回线、重叠回线等）进行观测，使与探测目标的耦合最好，取得的异常强，形态简单，分层能力强；线圈点位、方位或接收距要求相对不严格，测地工作简单，功效高；有穿透低阻覆盖层的能力，探测深度大；剖面测量与测深工作同时完成，提供了更多有用信息，减少了多解性。
二、地球物理前提由于瞬变电磁法是观测断电后由一次脉冲激励出的二次涡流场随时间的变化规律，二次涡流场随时间的衰减快慢和强弱与被探测介质（道碴、混凝土、岩石等）及介质状态（含水与干燥、完整与破裂）有关，TEM法衰减曲线的变化过程反映了检测点由高频到低频、由浅层到深层的地质信息变化过程。
检测的参数是各层规一化的电阻率，对实测的衰减曲线进行反演拟合，绘制地下电性分层及分层的电阻率柱状图，进而以反演拟合曲线为基础，绘制成曲线簇断面图、等值线断面图及电性分级断面图。
瞬变电磁原理
其中：Sn为接收线圈等效面积，N为匝数
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视电阻率（1）
• 视电阻率是形象表达地下电性结构的一种常用参 数，因此也往往通过某种算法将时间域瞬变电磁 法（ＴＥＭ）观测到的感应电动势转化为视电阻 率参数进行瞬变电磁响应的地球物理解释
区域构造、石油 含水层厚度、埋深
找水
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瞬变电磁法基本原理（2）
瞬变电磁法或称时间域电磁法（Transient Electromagnetic Method，简称TEM）， 利用不接地回线（线圈）向被测地质体发射 脉冲式电场作为场源（一次场），以激励被 测地质体产生二次场，在发射脉冲的间隙利 用接收回线（线圈）接收二次场随时间变化 的响应。从接收的二次场数据中分析出地质 体异常导电体的位置，从而达到解决地质问 题的目的。
瞬变电磁法特点就基于这两个可分性。
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瞬变电磁响应过程（1）
在导电率为s、磁导率为μ的均匀地质体表面敷设面积为S 的矩形发射回线中供以阶跃电流。
It
1 0
t 0 t 0
在电流断开之前（t<0时），发射电流在回线周围
的地质体和空间中建立起一个稳定的磁场。
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均匀大地瞬变电磁响应过程（2）
Vd t
2
0t （5-3-3）
从式（5-3-1）到式（5-3-3）可以看出：感应涡流扩散的速 度与地质体电导率和磁导率有关。导电性和磁导率越好，扩 散速度越慢，在导电性和导磁性较好的地质体上，能在更长
的延时后观测到大地瞬变电磁场。
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第三章瞬变电磁法
图3.1.1 瞬变电磁法原理示意图
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由于瞬变电磁法测量的是导体内涡流的过渡过程，观测是在脉冲间歇期间进行 的，不存在一次场源的干扰，观测参数为纯二次场，是电磁法中唯一可采用同点装置 的方法，探测目标耦合最紧，获得的响应最强。磁性源激发，不受接地条件限制。 在金属矿勘查中， 主要用于寻找良导性的致密块状、 团块状、 网脉状硫化物矿体。 但对于浸染状硫化物矿体的探测效果不佳。 瞬变电磁法具有以下特点： （1）由于 TEM 法接收的是纯二次场，因而不受一次场的影响； （2）可以采用高密度时序采样，纵向分辨率较高； （3）穿透低阻覆盖能力强，勘探深度大； （4）发射用不接地回线，不受地表接地条件限制； （5）一般矿山主要干扰是电场，相对 TEM 干扰较小。
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甚至重要的作用。应用此图时，回线长可看着任意比例尺，并以它来归一测点距、深 度和异常体大小。
图 3.1.4 通过主剖面的垂直剖面下方的一次场磁力线分布图
2、正常场 正常场是剖面测量中的一个术语，它是指局部异常响应的背景。典型的正常场就 是均匀非磁性导电半空间表面的瞬变响应。层状大地也可视为相当某一电阻率的半空 间。 （1）重叠回线 设半径为 a 的单匝圆回线铺设于均匀非磁性导电半空间表面上，在 t=0 的瞬间， 回线中的电流 I 阶跃地下降为零： I t ≤ 0 I (t ) = 0 t > 0 则均匀半空间的电动势响应为： (3.1.4)
§3.2 野外工作方法
3.2.1 常用装置类型及功能 常用装置类型及功能
瞬变电磁法用于找矿勘查能够较准确地确定地质体的倾向、埋深、走向等。野外 工作装置形式繁多，并是电磁法中唯一能进行同点发射—接收的方法。根据勘查任务 的不同可非常灵活地选用装置，常用的装置组合有以下几种（图 3.2.1） 。
瞬变电磁法
中线回线全域电阻率
啊
在晚期感应电动势ε(t)∝t-2/5，在双对数坐标 上的响应曲线呈68.2°下降直线。电阻率越 大，早、中期的时间短，且幅度大，电阻率 越小，早、中期的时间长。图2.2.1给出中心 回线下回线半径100m的两层大地的电动势时 间特性曲线。
4、高阻围岩中水平导电板的瞬变电磁
第2章 瞬变电磁法的反演方法
1、基于烟圈理论的最简化反演 根据M.N.Nabighian的推导，蒋邦远提出了 一种简单的、快速近似反演方法。 该方法的基本原理如下；均匀半空间地表 线圈激发的阶跃瞬变响应可，则上式中之速度v 为时间t所对应地层之速度。
否则， ; 早期瞬变电磁场用的较 少。
晚期视电阻率
/ r ; u 0 m r0 0 3 / 2 BZ (t ) m0 0 3 / 2 E (t ) ( ) ; ( ) 40t t t 20t t
特点： 1、晚期场与成反比，在导电性差的 大地上，磁 场经早期衰减，已衰减 殆尽的缘故。 2、晚期场与位置无关， 表明晚期场等效烟圈电 流 已扩散到无限远、无限 深处了。 3、晚期磁场随时间迅速 衰减。
他指出，任一时刻的 涡电流产生的磁场可等 效为一个水平环状的线 电流产生的磁场。 地下涡电流向下、 向外扩散的现象---“烟圈 效应”。
“烟圈”的半径和深度 为： r 8c 2 t /( 0 ) a 2 ; d 4 t / 0 d 2 c 2 2 0.546479 ; v t t 0 8 早期瞬变电磁场由浅部 涡流产生 反映浅部电性； 晚期瞬变电磁场由深部 涡流产生 反映深部电性； 观测研究瞬变电磁场随 时间的变化规律，可探 测 大地电性的垂向变化 瞬变电磁测深的原理。 观测研究同一时间瞬变 电磁场沿剖面的变化规 率 可探测大地电性沿剖面 变化 瞬变电磁探测 地下电阻率不均匀体的 原理。
瞬变电磁法资料
第1章概述瞬变电磁法，是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。
其基本工作方法是：于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流：断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。
1、原理瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method)也称时间域电磁法（Time domain electromagnetic methods），简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。
它是建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法。
它利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，在其激发下，地下地质体中产生的感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场。
该信号和地下地质结构的电性特征有着直接的关系。
通过研究瞬变场随时间的变化规律，从而达到解决地质问题的目的。
其工作原理见图1。
其衰减过程一般分为早、中和晚期。
早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。
通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。
瞬变电磁法是在没有一次场背景情况下观测研究二次场，简化了对探测目标产生异常的研究。
该方法以其装置轻便、受旁侧影响小、高工效、低成本等特点已被广泛用于金属矿和煤田地质勘探、工程物探、地下水与地热勘探、采空区与岩溶发育带探测及环境灾害地质调查研究等诸多领域。
由于方法本身的属性，不宜在高压超高压输变电线路、铁路等强干扰源附近采集资料，这也为相关规范、技术规程所规定。
2、优点瞬变电磁法探测具有如下优点⑴由于施工效率高，纯二次场观测以及对低阻体敏感，使得它在当前的煤田水文地质勘探中成为首选方法；⑵瞬变电磁法在高阻围岩中寻找低阻地质体是最灵敏的方法，且无地形影响；⑶采用同点组合观测，与探测目标有最佳耦合，异常响应强，形态简单，分辨能力强；⑷剖面测量和测深工作同时完成，提供更多有用信息。
瞬变电磁原理ppt课件
瞬变电磁原理
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瞬变电磁原理
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瞬变电磁法的“烟圈”理论 （2）
在发送一次脉冲磁场的间歇期间，观测由地质体受激 励引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场的强度。
地质体介质被激励所感应的二次涡流场的强弱决定于 地质体介质所耦合的一次脉冲磁场磁力线的多少，即二次场 的大小与地下介质的电性有关：
（1）低阻地质体感应二次场衰减速度缓慢，二次场 电压较大；
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0t （5-3-3）
从式（5-3-1）到式（5-3-3）可以看出：感应涡流扩散的速 度与地质体电导率和磁导率有关。导电性和磁导率越好，扩 散速度越慢，在导电性和导磁性较好的地质体上，能在更长 的延时后观测到大地瞬变电磁场。
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矿井瞬变电磁法特点（1）
• 从烟圈效应的观点看，早期瞬变电磁场是由近地 表的感应电流产生的，反应浅部电性分布，晚期 瞬变电磁场是由深部的感应电磁场产生的，反映 深部的电性分布。因此，观测和研究大地瞬变电 磁场随时间的变化规律，可以探测大地电位的垂 向变化，这便是瞬变电磁测深的原理。
• 由于是小电流、小线圈，就造成一次场强小，所 得到的二次感应场也小，二次场容易被人文电磁 场噪声干扰、甚至淹没。
瞬变电磁原理
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矿井瞬变电磁法特点（3）
• 井下测量装置排除天电干扰，提高了测量信号的 信噪比。
• 可以将线圈置于巷道底板测量，探测巷道底板下 一定深度内含水异常体垂向和横向发育规律，
• 可以将线圈直立于巷道内，当线圈面平行巷道掘 进前方，可进行超前探测;当线圈面平行于巷道侧 面煤层，可探测工作面内和顶、底板一定范围内 含水低阻异常体的发育规律
第六讲TerraTEM瞬变电磁仪讲解
-250泄 水 巷 掘 进 头 瞬 变 电 磁 超 前 探 测 视 电 阻 率 断 面 图
超 75
前 70 探 测 65
距 60 离
55
（ m）
50
45
40
35
30
25
20
15
超 前 偏 左 45度
正前方
超 前 偏 右 45度
超 前 偏 左 20度
超 前 偏 右 20度
掘进头超前探
75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 右帮侧探
8
（二）TerraTEM的特点优势介绍
1、便携式接收机和发射机为一体的独特设计，设计紧凑，携 带方便，封闭性很好；发射电流10A,外置可达50A。
2、可做当前瞬变电磁方法所有的工作装置，包括同一回线、 重叠回线、中心回线、分离回线、用户自定义装置等等。
2.1重叠回线：重叠回线（图C1）可用于大多数地质条件下的测量。此 装置探测效率高、噪音低、对深部目标体灵敏度高（在测线上的点距 取决于线圈半径）。回线一旦选定，对于半径50m或更小的回线，决 定其工作效率的主要是在测量点间的移动。两回线间最少要偏移1m以 消除可能的超顺磁作用，装置的探测深度一般是线圈直径的2-3倍。
物探预测掘进头前方24—43m为低阻区（兰色区），重点低阻区位于巷道前 方偏右部位。实际钻探时朝巷道正前及正前偏左、偏右方向均布置了钻孔， 正前钻探时进尺37m出水，偏右方向钻孔水量（17m3/h）明显比其它方向大。
掘进头超前探测灰岩破碎区
-250泄 水 巷 掘 进 头 瞬 变 电 磁 超 前 探 测 视 电 阻 率 断 面 图
第六讲
瞬变电磁法及其应用
主讲人：杨双安 河南理工大学资源环境学院
瞬变电磁原理与应用课件
无损探测
瞬变电磁法是一种非接触式探 测方法，对地下目标进行无损 探测，不会破坏地质结构。
成本低
瞬变电磁法所需设备相对简单， 成本较低，便于推广应用。
瞬变电磁法的局限性
受地形影响较大
瞬变电磁法在复杂地形和地表覆盖地 区的应用受到一定限制，探测精度和 可靠性可能下降。
对高阻覆盖层穿透能力以探测深部目标。
对低阻目标敏感度低
瞬变电磁法对低阻目标体的敏感度较 低，可能难以识别和区分。
数据处理和解释难度较大
瞬变电磁法的数据处理和解释涉及到 多个参数和复杂的地球物理特征，需 要专业知识和经验。
瞬变电磁法的发展趋势与展望
智能化探测
多方法综合应用
随着人工智能和机器学习技术的发展，未 来瞬变电磁法有望实现智能化探测，提高 数据处理的自动化程度和精度。
瞬变电磁法的应用领域
矿产资源勘探
瞬变电磁法可以用于寻找金属矿、煤炭等矿产资源，通过测量和分析 二次磁场的变化，可以推断出矿体的位置和埋深等信息。
工程地质勘察
瞬变电磁法可以用于工程地质勘察，如公路、铁路、桥梁、建筑等工 程的场地勘察，了解场地地质构造和岩土性质等信息。
水文地质调查
瞬变电磁法可以用于水文地质调查，如地下水资源的勘探、地下水污 染的监测等，了解地下水的分布和流动规律等信息。
瞬变电磁法在矿产资源勘探中的应用
总结词
高效、准确
详细描述
瞬变电磁法在矿产资源勘探中应用广泛，通过测量地下介质的电性特征，能够高效准确地探测出矿产 资源的分布和储量，为矿产资源开发提供重要的技术支持。
瞬变电磁法在地下水勘探中的应用
总结词
快速、无损
详细描述
瞬变电磁法在地下水勘探中具有快速、 无损的优势，通过测量地下介质的电 导率变化，能够快速准确地确定地下 水的位置和储量，为地下水资源开发 提供重要的技术手段。
瞬变电磁培训讲解
烟圈理论 瞬变电磁法物理基础是电磁感应原理，据此理论，在电导率和磁导率均匀的大地 上，敷设输入阶跃电流的回线，当发送回线中电流突然断开时，在下半空间就要被激 励起感应涡流场以维持在断开电流前存在的磁场，此瞬间的电流集中在回线附近的地 表，并按指数规律衰减。随后，面电流开始扩散到下半空间中，在切断电流后的任意 晚期时间里，感应涡流呈多个层壳的环带状，随着时间的延长，涡流场将向下及向外 扩散。感应涡流场在地表引起的磁场为整个“环带”各个涡流层的总效应，这种效应 可以用一个简单的电流环等效，表现为一系列与发送线圈同形状并且向下向外扩散的 电流环，通常称之为“烟圈”。在发送一次脉冲磁场的间歇期间，观测由地下地质体 受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场（按指数规律衰减）。地层介质被 激励所感应的二次涡流场的强弱决定于地层介质所耦合的一次脉冲磁场磁力线的多少， 即二次场的大小与地下介质的电性有关：低阻地质体感应二次场衰减速度缓慢，二次 场电压较大；高阻地质体感应二次场衰减速度较快，二次场电压较小。根据二次场衰 减曲线的特征，就可以判断地下地质体的电性、性质、规模和产状等，由于瞬变电磁 仪接收的信号是二次涡流场的电动势（即二次电位），对二次电位进行归一化处理后。 因此，瞬变电磁作为一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法，是根据地质构 造本身存在的物性差异来间接判断相关地质现象的一种有效的地质勘探手段。 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线电流的磁场。在 发射电流刚关断时，该环状线电流紧接发射回线，与发射回线具有相同的形状。随着 时间的推移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。图1-2示意了发射 电流关断后不同时刻地下等效电流环的分布。从图中可以看到，等效电流环很像从发 射回线中“吹”出的一系列“烟圈”，因此，人们将地下涡旋电流向下、向外扩散的 过程形象的称为“烟圈效应”。
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（Time domain electromagnetic methods），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。
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国内研制的用于资源探测的TEM系统及其与国外的对比
北京延庆国内TEM仪器对比实验 仪器对比实验 北京延庆国内
参加单位 使 用 系 统 开 发 水 平 注 释
新疆土屋国内外仪器TEM对比实验 对比实验 新疆土屋国内外仪器
使 用 系 统 开 水 发 平 采用测 量装置
廊 坊 物探所
WDC-2
商品化 仪 器
发射电流
关断波形
T0
T1
发射机准确记录关断波形
实施策略之二: A/D采样策略 实施策略之二:双A/D采样策略
V
发射电流 接收一次场+二次场 接收一次场 二次场
TEM采样区间 采样区间 ATTEM采样区间 采样区间
t
超高速A/D 超高速 24位A/D 位
可能实施的策略之三: 可能实施的策略之三:
Channel 1
1/2
例如对一个50欧姆米的半空间， 不同电磁方法的最佳探测范围： 地质雷达（GPR）：< 2米 瞬变电磁（TEM）：20-1000米 大地电磁（MT） ：>1000米
上述方法有探测盲区（Gap），这个 上述方法有探测盲区（Gap），这个 ）， 盲区又是地下人文活动最频繁的区 域。
GPR
探测盲区（Gap） 探测盲区（Gap）
用双通道并行前放和相关技术来压制噪声
预期的主要研究成果
• • • 一套ATTEM系统样机； 一套ATTEM系统样机； ATTEM系统样机 一套ATTEM数据处理软件； 一套ATTEM数据处理软件； ATTEM数据处理软件 ATTEM试验数据( ATTEM试验数据(该实验数据将对今 试验数据
后的浅层地球物理探测研究起到重要 的指导作用) 的指导作用)
VETEM 的优缺点 优点： 优点：利用了早期 信号， 信号，提高了分辨 率。 缺点：时间范围小， 缺点：时间范围小， 限制了探测能力。 限制了探测能力。
地面 D
模 糊 区
T1
VETEM的探测范围 的探测范围
TV=5微妙 微妙
VETEM系统的实施实例（来自Wright，et al，2000）
VETEM 的优缺点 优点：速度快， 优点：速度快，可 进行大面积扫描。 进行大面积扫描。 缺点：庞大笨重； 缺点：庞大笨重； 代价昂贵； 代价昂贵；对地形 要求高。 要求高。
浅层高分辨全程瞬变电磁系统 ATTEM） ( ATTEM）与关键技术研究
矿
长：祖章贤
总工程师： 总工程师：上官隆 技术推荐： 技术推荐：王益伦
什么是ATTEM？
All —Time Transient ElectroMagnetic Method
全程瞬变电磁法
研究领域：利用电磁波在地下介 研究领域： 质中的传播特性来探测地下，即 质中的传播特性来探测地下， 属于地球物理探测仪器的一种。 属于地球物理探测仪器的一种。
电磁法的探测深度
频率域方法： 频率域方法： 频率域电磁法） FEM（频率域电磁法） GPR(地质雷达)， MT(大地电磁测深) 探测深度： 探测深度： δf =[ρ/πfµ] 时间域方法： 瞬变电磁法） 时间域方法： TEM(瞬变电磁法） 瞬变电磁法 探测深度： 探测深度： δt=[2ρT/µ]1/2
EM-47
25, 62.5, 262.5 Hz 双极性阶跃波 0～9V 可调 ～ 最大 3A 垂直分量 84db 单道 6.8～2200µs（关断后） ～ （关断后） 20/30门固定中心时间 门固定中心时间 <1µs (纯电阻 纯电阻) 纯电阻 12V 电瓶 20～100m ～
ATTEM
1～10KHz可调 ～ 可调 双极性阶跃波 0～110V可调 ～ 可调 最大30A 最大 三分量 120db 3道 全程记录（含关断时间） 全程记录（含关断时间） 全程密集采样 <1µs (纯电阻 纯电阻) 纯电阻 12V电瓶 电瓶/2800W发电机 电瓶 发电机 2～500m ～
1. 电流关断期间和关断后的早期一次场 与二次场叠加在一起，如何分离？ 与二次场叠加在一起，如何分离？ 2. 硬件实现上的困难：早期信号特别强， 硬件实现上的困难：早期信号特别强， 易出现过饱和现象，还需高密度采样； 易出现过饱和现象，还需高密度采样； 晚期信号特别弱可低密度采样， 晚期信号特别弱可低密度采样，但信 噪比极低。全程采样需要解决海量数 噪比极低。全程采样需要解决海量数 据存储和大动态范围（超过24位 据存储和大动态范围（超过 位）的 技术难题。 技术难题。
地表
TEM/FEM
如何解决 2 - 20 米范围的问题？
TEM理论模型的缺陷
瞬变电磁法的基本原理
I（发射电流） （发射电流）
理想模型难以物理 实现的原因： 实现的原因： 发射电流不能用零 时间关断！ 时间关断！
I0 T0
瞬变场的时间范围（二次场） 瞬变场的时间范围（二次场）
T1
T2
T3
T 时间） （时间）
Amplifier
Multiplier
Averager
Input port
Frequency Selector
Output
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
DUT
Amplifier
Frequency Selector
Channel 2
A few pV
Block diagram of a correlated spectrum analyzer (IEEE Trans Instr & Meas, 2000 )
T1
VETEM的探测范围 的探测范围
TV=5微妙 微妙
ATTEM 采样试验
I（发射电流） （发射电流） 发射 信号
瞬变全过程
I0 T（时间） （时间）
T0
一次场 + 二次场
T1
3
二次场范围
记录 信号
V(m v)
2
1
0 -200 0 200 400 600 800 1000
T(us)
采样空间延拓之后遇到的难题： 采样空间延拓之后遇到的难题：
四 研究基础
与本项目有关的研究工作积累
吉林大学（原长春科技大学） 吉林大学（原长春科技大学）： • 1989年地矿部资助开展以TEM为主多功能电磁法仪器与方法研究 1989年地矿部资助开展以TEM为主多功能电磁法仪器与方法研究 年地矿部资助开展以TEM • 1996-1997 年申请者赴美收集了 VETEM 系统的研究成果和试验资料 。 1996-1997年申请者赴美收集了VETEM系统的研究成果和试验资料 年申请者赴美收集了VETEM系统的研究成果和试验资料。 • 1996-2000 年地矿部重点资助研究了基于 GPS 的同步测量技术并研 1996-2000年地矿部重点资助研究了基于GPS的同步测量技术并研 年地矿部重点资助研究了基于GPS 制成功面向资源探测的TEM TEM发射与接收系统 制成功面向资源探测的TEM发射与接收系统 • 2000 年在中国地质调查局资助下 ，在北京延庆和新疆土屋等地开 2000年在中国地质调查局资助下 年在中国地质调查局资助下， 展了TEM野外对比试验研究。 TEM野外对比试验研究 展了TEM野外对比试验研究。 国家地震局地质研究所： 国家地震局地质研究所： • 2000年以来开展了常规TEM全程总场的试验，全程视电阻率的数值 2000年以来开展了常规TEM全程总场的试验 年以来开展了常规TEM全程总场的试验， 计算和关断电流校正的实现为ATEM ATEM系统的数据处理迈出了关键的 计算和关断电流校正的实现为 ATEM 系统的数据处理迈出了关键的 第一步。 第一步。 • 2000年4月在新疆进行了野外试验。 2000年 月在新疆进行了野外试验。
三、研究方案
硬件设计 / 改进 总 体 设 计 试 软件设计 / 改进 验 建立 / 改进实验 室标准模型 2. 试 验 参 数 资料； 资料； 3. 实 验 室 标 准模型。 准模型。 满意？ 满意？
成果： 成果：
1. ATTEM系 系 统硬件和软 件样品； 件样品；
实施策略之一: 实施策略之一: 发射机关断电流 波形的记录（ 波形的记录（传 统的发射机只记 录关断时间）， 录关断时间）， 用于一次场的计 算与分离。 算与分离。
导 线 同 步
加拿大 EM-67
商品化 仪 器
中心回 线装置
吉林大学
ATEM1 单脉冲 大电流 TEM3S 自行研 制 单脉冲 大电流 自行研 制 大电流
研 样
究 机
GPS 同步
桂 林 工学院
商品化 仪 器
导 线 同 步
吉 大 ATEM1 有色研 究 所 TEM3S
研 样
究 机
中心回 线装置
商品化 仪 器
TEM发 发 射机
(c)
TEM 的工作方式之一
t
V
常规TEM工作原理
地下电阻率不同影响 衰减曲线变化
Slow Delay Fast Delay
T0 TEM衰减曲线示意
t
新疆某铜矿0线 新疆某铜矿 线TEM电阻率断面图 电阻率断面图
0 50 100 150 200
5260
5340
5420
5500
5580
T0 T1 T2
地面
瞬变电磁法的实际模型
I（发射电流） （发射电流）
I0
实际记录时间范围
T0
T1
T2
T3
T 时间） （时间）
地面
D T1 T2 T3
实际记录开始时刻
VETEM（Very Early TEM) 系统的设计思想
I（发射电流） （发射电流）
I0 T0 T1
VETEM TV T2
常规仪器记录时间范围 T 时间） （时间）
重叠回 线装置
西 安 煤研所
商品化 仪 器
导 线 同 步