第八章 时间域电磁测深概述

第八章时间域电磁测深概述

时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)或称瞬变电磁法(Transient electromagnetic methods)，简写为TEM。它是利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。尽管TEM方法与频率域电磁法(FEM)都是同属于研究二次涡流场的方法，并且两者通过傅立叶变换关系相互关联着，在某些条件下，一种方法的数据可以转换为另一种方法的数据。然而，就一次场对观测结果的影响而言，两种方法并不具有相同的效能，TEM是没有一次场背景的情况下观测研究二次场，大大地简化了对地质对象所产生异常场的研究，对于提高方法的探测能力更具有前景。

TEM尽管有各种各样的变种方法，其数学物理基础都是基于导电介质在阶跃变化的激励磁场激发下引起的涡流场的问题。研究局部导体的瞬变电磁响应的目的在于勘查良导电金属矿体，研究水平层状大地的瞬变电磁场理论的目的在于解决地质构造测深问题。发展和推广TEM的实践表明，它可以用来勘查金属矿产、煤田、地下水、地热、油气田及研究构造等各类地质问题。

8.1发展概况

利用瞬变电磁信号应用于地质构造测深问题，在苏联早在30年代末由A．Π．Кaев提出。同时期内，A．H．Тихонов等人作了论证，为Л．Л．Baянъян建立远区建场测深方法(ЗСД)打下了基础。50年代以后，B．A．Cидоров、В．В．Тикшаев等人建立了近区建场测深方法(ЗСБ)。在同时期内，由ІО．В．Якяубовскuŭ、B．Х．Κоваленк及Ф．М．Каменецкuŭ等人创立了应用于勘查金属矿产的过渡过程法(МПП)。60年代以后ЗСБ及МПП得到更广泛及成功的应用和发展，制定出了适用于钻井、航空和海洋等领域的变种方法的理论和技术。由Ф．М．Каменецкuŭ主编的《金属物探过渡过程法应用指南》及B．A．Cидоров专著《脉冲感应电法勘探》反应了在苏联的应用水平。仪器方面，用于勘查金属矿的主要仪器有：МПП-3、МППУ-2、МПП-4及Nмпулъс-ц；应用于勘查油气田的主要是用Цикл-2和Цэс-1、2数字站。

图8.1.1 瞬变电磁场示波观测波形图

a～供电电流b～次磁场c～接收线圈观

测到的一次电压d～导体响应引起的二次电压e～总的电压

在西方，1951年首先由J．R．Wait提出了利用瞬变电磁场法寻找导电矿体的概念，他在示波器屏幕上观测到的瞬变场波形如图8.1.1所示，这种快速增长(或减小)的磁场将使导体激发起涡流场，可以观测到如图8.1.ld所示的衰变电压。1958年加拿大Barringer公司开始研制应用于航空的INPUT系统，于1962年投入使用，经过多次改进，至今已成为世界范围内应用的主要航电系统。地面仪器系统于70年代出现商品仪器，近些年不断涌现出智能化的仪器，具有代表性的有：EM-37、47、57、42，DEEPEM，UTEM．SIROTEM-II、III。此外，多功能电测站GDP-16、12及V-5等配置了用来TEM测量的功能。利用这些系统取得了不少引人注目的地质效果。理论研究方面的代表著作是A．H．Kaufman 和G．V．Keller的专著《频域和时域电磁测深》及M．N．Nabighian主编的《应用地球物理学中的电磁方法》。

在我国，于70年代的初期开始研究TEM，投入研究的单位有：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及中南工业大学（中南大学）。这些单位各自都研制了仪器系统，进行了理论及方法技术研究，与野外队合作广泛开展了试验研究及推广应用，取得了一批好效果的应用实例。出版的代表著作有：蒋邦远等的研究报告、朴化荣著《电磁测深法原理》及

牛之琏等著《脉冲瞬变电磁法及应用》。尽管近些年在仪器研制方面取得了某些

进展，但研制并投产世界先进水平的仪器提供给野外生产使用仍然是当务之急。

8.2工作装置

按TEM应用领域可以把工作的装置分为四类。

图8.2.1 TEM剖面测量装置

a～同点装置b～偶极装置c～大定回线源装置

(1)剖面测量装置：常用的剖面测量工作装置如图8.2.1所示。它是被用来勘查金属矿产及地质填图的装置，分为同点、偶极和大定回线源三种。同点装置中的重叠回线是发送回线(Tx)与接收回线(Rx)相重合敷设的装置；由于TEM方法的供电和测量在时间上是相分开的，因此Tx与Rx可以是共用一个回线，称之为共圈回线。同点装置是频率域方法无法实现的装置，它与地质探测对象有最佳的耦合，是勘查金属矿产常用的装置。偶极装置与频率域水平线圈法相类似，Tx与Rx要求保持固定的发、收距r，沿测线逐点移动观测dB/df值。大定回线装置的Tx采用边长达数百米的矩形回线，Rx采用小型线圈(探头)沿垂直于Tx 长边的测线逐点观测磁场三个分量的dB/dt值。后两种装置是频率域电磁法中常用的装置，只要两域方法所使用的装置相同，其异常剖面曲线形态是相同的。

(2)测深装置：常用的测深工作装置如图8.2.2所示。中心回线装置是使用小型多匝Rx(或探头)放置于边长为L的发送回线中心观测的装置，常用于探测1km 以内浅层的测深工作。其他几种主要用于深部构造的测深，偶极距r选择大约等于目标层的深度。用Rx观测得到的dB/dt值一般都换算成视电阻率Pf(t)参数，

ρ～t曲线进行反演推断。

使用

τ

(3)井中装置：井中TEM方法的地质目的在于探测分布于钻孔附近的深部导电矿体，并获得矿体形态、产状及位置等信息，其工作装置如图8.2.3所示。发送回线通常以两种基本方式布置于地面，接收线圈(探头)沿钻孔逐点移动观测磁场井轴分量的dB/dt值。当勘查区有彼此相靠近的多个钻孔的条件下．一般只敷设一个大发送回线，从不同钻孔中观测到的异常变化规律可获得地下隐伏导体的位置等方面的信息。在仅有单个钻孔的情况下，需要在地面敷设五次发送回线，根据Tx位于不同方位上所观测到的异常变化规律再去反演有关参数。

图8.2.2 TEM测深工作装置

a～电偶源b～磁偶源c～线源d～中心回线

图8.2.3井中TEM的工作装置

a～多个Tx b～单个Tx