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。

3、应用
根据瞬变电磁法对低阻体反应敏感的特点，将其用于煤矿井下水文勘查还是近几年的事情。

瞬变电磁法是一种极具发展前景的方法，可查明含水地质如岩溶洞穴与通道、煤矿采空区、深部不规则水体等。

瞬变电磁法在提高探测深度和在高阻地区寻找低阻地质体是最灵敏
的方法，具有自动消除主要噪声源，且无地形影响，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，分辨能力强等优点。

4、装置及原理
瞬变电磁法的勘探原理是利用人工在发射线圈加以脉冲电流，产生一个瞬变的电磁场，该磁场垂直发射线圈向两个方向传播，通常是在地面布设发射线圈，依据半空间的传播原理，把地面以上的忽略。

当磁场沿地表向深部传播，当遇到不同介质时，产生涡流场或着遵照量子力学原理使活泼的碱金属产生能级跃迁或使含有大量氢原子的
液体的氢原子核沿磁场方向产生定向排列。

当外加的瞬变磁场撤销后，这些涡流场的释放或者活泼的碱金属要恢复原有的能级，释放跃迁产生能量。

以及含有大量氢原子的液体的氢原子核恢复原有的排列时，均以磁场的形式释放能量所获的能量。

利用接收线圈测量接收到的感应电动势v2。

该电动势包含了地下介质电性特征，通过种种解释手段（一维反演，视电阻率等）得出地下岩层的结构。

由于采用线圈接收V2，故对空间的电磁场或其它人文电磁场敏感，也就是通常所说的干扰。

为了减少此类干扰，采用尽量的发射大的电流，以获取最大的激励磁场，增加信噪比，压制干扰。

接收装置通常分为分离回线，中心回线和重叠回线3类，以重叠回线得到的信息最为完整，其它次之。

5、局限性及解决办法
瞬变电磁法的工作效率高，但也不能取代其它电法勘探手段，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，此时应补充直流电法或其它物探方法（见金属结构物对测量的影响一文）。

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。

在测量过程中，要随时记录地表可见的岩石特征，装置的倾角以及高程，以便在后续的解释中，准确的划分地层构造.同时在一个工区工作之前，要做实验，选择合理的装置以及供电电流，一经确定，
不能在测量中变更装置和供电电流，否则对解释造成影响。

在进入工区前尽量寻找已知地层的基准点对仪器进行校准（类似于重力或磁法测量的基点校正和仪器一致性试验）。

以确保测量的准确性（以后将有专题论述）。

6、资料处理
瞬变电磁法的解释，通常分为2种：定性解释和定量解释。

定性解释一般是观察测线多道剖面，通过多道剖面可以定性的看出地层的分布情况（参见供5000A电流EMPS-1电磁勘探仪一文中给出的地层多道剖面对比图），同时应排除晚期道的干扰假象.对双峰异常要多加关注（参见瞬变电磁法寻找地下热水实例和瞬变电磁法金属矿探测实例）。

定量解释：一维反演是目前解释中最为准确的手段之一，但是要求输入初始模型。

对初始模型的求取，通常有以下几种手段。

1在矿区已有的地质资料（电测井）或者区域地质资料。

2用直流电法在工区作一个电测深,以该测点的电测深电阻率作为初始模型。

3也可用视电阻率和其它全域电阻率计算方法得出初始模型，但要保证其计算的结果的正确性。

当计算出地层电阻率后，要进行地形改正和倾角校正，用测量时记录的高程和倾角改正（参见瞬变电磁法金属矿探测实例）。

最后做出地质拟断面图。

当进行井下或坑道测量时，要考虑全空间的响应（和地面半空间有很大的区别），解释方法需要用全空间的解释算法，而不能简单的利用地面半空间解释方法。

其它方面：在工程勘探时，寻找地下空洞时，会有两种情况，一是充水空洞呈现低阻特征，二是未充水，呈高阻特征。

如有钢筋水泥结构支撑或回填塌陷后空洞的则情况比较复杂需要仔细判断。

同时要排除地下供水管暖气管的影响。

中国地域辽阔，地质结构不尽相同，地质结构的区域性使得不同地区的成矿，成水条件的不一致。

在解释资料时，一定要参考所在区域的地质资料和前人成果，以及其它方法的配合，特别是地质方面的配合。

切不可随意套用其它地区的解释经验，做出错误的判断。

野外采集的数据经过处理、分析与解释等一系列基本流程才能成为地质成果。

TEM野外采集到的数据含有发射线框、发射电流、关断斜坡、接收线圈、增益、迭加次数等诸多因素的影响，必须进行归一化。

资料采集过程中，硬件设计已考虑了压制50 Hz干扰和随机干扰，但并不彻底，还必须通过软件进一步去噪，然后再进行各种计算和反演。

原则上瞬变电磁测深法的理论公式都是依据水平层状模型推出的，目前较成熟的解释方法也都是在水平层状一维模型的基础上建立起来的。

对于二维、三维瞬变电磁反演解释方法由于理论上的复杂性，且影响因素较多，要达到实际应用阶段还存在距离。

较成熟的水平层状一维模型反演仍然是目前常用的有效反演方法。

在矿区开展TEM
勘探工作，有其特殊性，这就是干扰因素多、干扰程度强，有的地方甚至不适于开展此项工作，这应依据相关规范来进行。

在可工作区域，对不同的影响因素要有针对性更强的技术措施。

第2章探测原理
瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Methods），又称时间域电磁法（Time Domain Electromagnetic Methods）简称TEM或TDEM。

是近年来发展很快的电法勘探分支方法，在国际上有人称作是电法的“二次革命”。

由于它是一种无损高分辨率电磁探测技术，而且不同于探地雷达，它利用探测的电导率数据成图，可提供解释出地下埋藏的金属物体及相关信息。

利用瞬变电磁信号进行地球物理探测，早在30年代就由前苏联科学家提出，50年代开始应用于矿藏勘探，在钻井、航空和海洋等领域取得了一些成果。

我国对瞬变电磁法的研究也十分重视，自80年代初开始分别在方法理论、仪器及野外试验方面已经做了大量工作。

瞬变电磁测量是利用不接地线圈(或称回线)向地下发射一次瞬变磁场, 通常是在发射线圈上供一个电流方波,可在地下产生稳定的磁场分布, 当电流方波关断后, 地球介质将产生涡流, 其大小取决于地球介质的导电程度。

该涡流不能立即消失, 它将有一个过渡过程, 过渡过程产生的磁场向地表传播, 在地表接收线圈把磁场的变化转化为感应电压的变化。

瞬变电磁法的测深原理Nabighian(1979)又可以“烟圈”效应形
象地加以阐明，如图2.1所示，地表接收的二次电磁场是地下感应涡流产生的，其涡流以等效电流环向下并向外扩散，形如“烟圈”。

随着时间的推移，“烟圈”的传播与分布将受到地下介质的影响，这样从“烟圈效应”的观点看,可得早期瞬变电磁场是近地表感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场主要是由深部的感应电流产生的，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，可以探测大地电性的垂向变化，这便是瞬变电磁测深的原理。

瞬变电磁法工作过程可以划分为发射、电磁感应和接收三部分。

当发射回线中的稳定电流突然切断后，根据电磁感应理论，发射回线中电流突然变化必将在其周围产生磁场、该磁场称为一次磁场。

一次磁场在周围传播过程中，如遇到地
下良导电的地质体，将在其内部激发产生感应电流，又称涡流或二次电流（如图2.2所示）。

由于二次电流随时间变化，因而在其周围又产生新的磁场，称二次磁场。

由于良导电矿体内感应电流的热损耗，
二次磁场大致按指数规律随时间衰减，如图2.3所示的瞬变磁场。

二次磁场主要来源于良导电矿体内的感应电流，因此它包含着与矿体有关的地质信息。

二次磁场通过接收回线来观测, 并对所观测的数据进行分析和处理，进而来解释地下矿体及相关物理参数。

图2.2 瞬变电磁法工作原理示意图
图2.3 瞬变电磁法发射和接收波形示意图
近年来，瞬变电磁法在国内外得到迅速发展，可以解决的地质问题范围不断扩大 ，目前几乎涉足了地球物理勘探的各个领域包括空中和海洋，并且取得了显著的效果，可见已经成为不可缺少的地球物理勘探方法之一。

而且其作为勘探地上溶洞、空洞、断层、地裂缝、地下水、有色金属矿、地层软弱带以及浅层至中深层的地电结构，比其它物探方法能取得更为理想的地质效果，在工程地球物理勘探方面不失为一种快捷、精细，先进并行之有效的方法。

瞬变电磁法测量装置由发射回线和接收回线两部分组成，工作过程分为发射、电磁感应和接收三部分。

当发射回线中通以阶跃电流I ，发射电流突然由I 下降到零，根据电磁感应理论，发射回线中电流突然变化必将在其周围产生磁场，该磁场称为一次磁场，一次磁场在周围传播过程中，如遇到地下良导电的地质体，将在其内部激发产生感应电流，又称涡流或二次电流，由于二次电流随时间变化，因而在其周围又产生新的磁场，称为二次磁场。

由于良导电地质体内感应电流的热损耗，二次磁场大致按指数规律随时间衰减，形成瞬变磁场，二次磁场主要来源于良导电地质体的感应电流，因此它包含着与地质体有关的地质信息，二次磁场通过接收回线观测，并对观测的数据进行分析和处理，对地下地质体的相关物理参数进行解释。

根据法拉第电磁感应定律，当把绕有匝数为N ，截面积为S 的圆柱形螺线管线圈放置在随时间变化的磁场B(t)中时，在线圈中就会产生感应电动势)(t V ，即：
)1.1.1()()()()()(020dt t dI l S N dt t nI d NS dt t dB q dt t d N t V ⋅⋅-=⋅-=-=-=μμφ
)2.1.1()/)(()(dt q t V t B t ⎰∞=
其中)(t φ为通过线圈的磁通量，0μ为真空导磁系数，n 为线圈密度，l 为螺线管长度，I(t)为产生的感应电流。

由此可见，在瞬变电磁法中的一次磁场、二次磁场可由线圈的感应电动势所反映，因此，若将感应电动势进行数字化采集处理后，即可得到二次场衰减曲线。

可见，观测信号)(t V 正比于dt t dB )
(，可以得
到接收线圈所观测到的一次场信号V1(t)、二次场V2(t)、及取样V2(t)的波形。

第3章 ATEM-II 瞬变电磁探测系统
3.1 ATEM-II 瞬变电磁发射机
发射机是主动源电磁方法中不可缺少的设备之一，在时间域电磁法（TDEM ），频率域电磁法（FDEM ），激发极化法（IP ），充电法和可控源大地电磁测深（CSAMT ）等方法中均需要发射一定功率的发射机。

一般说来，发射机的发射功率越大，其体积和重量就越大，这就是电磁法笨重难以在山区使用的主要原因之一。

因此，在发射机功率一定的前提下如何减少发射机体积和重量就是人们一直所追求的目标。

传统的电磁法发射机采用工频调压，可控硅桥式输出电路。

采用这种方式，一方面发射机的整体体积与重量大，很难适合山区等野外复杂环境下工作，另一方面由于可控硅关断特性决定，关断时间很难小于50μs 。

ATEM 瞬变电磁法发射机以开关变换器为核心，进行电能转换，以实现功率输出。

采用新器件（IGBT ）桥式逆变发射控制电路，成功地设计了一系列的轻便发射机。

1、发射机工作原理
对于瞬变电磁系统发射机的电气性能，人们更关注最大输出电压、最大输出
电流、额定输出功率、关断时间、与接收机的同步方式等几项。

其中，激发磁场的磁场强度同发射机的输出电流成正比，而有效勘探深度与发射功率有关，关断时间的长短直接影响着浅层勘探的分辨率和地质解释的精度。

为此，希望发射机能实现发射功率足够大、关断时间尽量短、体积小等功能。

发射机的主要组成部分如图3.1所示， IGBT全桥功率变换电路、驱动电路、保护电路、控制电路、输入显示、GPS同步电路等部分。

以单片机89c51作为主控单元，通过键盘对其进行各项参数的设置，通过液晶显示系统工作状态和各项参量，其中GPS模块提供同步信息以及10kHz的脉冲信号，89c51通过对波形合成单元的控制，对10kHz的脉冲信号进行分频、合成满足需求的同步和发射控制信号，发射控制信号通过EXB841驱动电路为IGBT提供驱动，IGBT桥路将发射脉冲提供给发射负载，形成双极性方波，为了保护发射桥路，在全桥电路中加入保护和缓冲吸收电路。

在发射过程中，为了为数据反演提供一次场信号数据对发射波形的下降沿进行记录并且实时显示发射电流和关断时间，在电路中加入了电流采集和数据存储电路，其通过串联在发射线框中的大功率采样电阻对发射电流进行采样。

图3.1 ATEM-II瞬变电磁发射机原理框图
发射机的主回路为全桥变换电路，其原理如图3.2所示，负载RL是为一定长度导线构成的负载线圈；ED为直流电源。

用单片机产生桥路控制信号，控制开关S1、S3和S2、S4交替闭合导通输出信号，在负载RL上获得如图3.3所示
一般使用方式一发射双极性方波作为发射激励源。

瞬变电磁法采用正反向脉冲方波供电，在理想状态下，其电流发射波形应该是标准的方波，但是因为发射回路感性负载，方式一发射的电流波形如图3.4所示。

图3.4 方式一实际发射的方波波形
方波发射的几个阶段过程：
初始上升阶段：电流从无到有，一次场建立，波形呈指数规律上升，上升时间取决于发射回路的电性参数：L、R，略受回路和大地的耦合电容C的影响，在不同的地质条件下，其上升过程存在一定的差异。

电流平坦区：当上升阶段结束，电流达到稳定值，此阶段存在一次场，其脉冲宽度设计要适合地下体探测目标，及其探测深度。

电流关断阶段：电流从有到无，也是呈指数规律下降，一次场缓慢消失，其下降规律同样受发射回路的电性参数影响，在实际操作当中，一般要采取措施尽可能的使其线性关断，并且要减小关断时间，以尽快消退一次场，增加接收数据的有效长度以尽可能的获取地下体浅层信息。

反向过冲阶段：由于发射桥路及其发射回路存在感性和容性，当电流关断到零时，存在反向过冲，为了保护器件以及减小对接收信号的影响，应采取措施，减小或消除反向过冲。

3、发射机注意事项
1）.采用GPS同步时，LCD显示器不显示：“G……”用万用表检查GPS天线输出Q9插头是否有直流5V输出，如有，检查天线，否则转6）.
2）.实时时钟到达设定时间显示器不显示“G W …”，检查设定参数是否正确，如正确转6）.
3）.开机后无任何显示，检查内部电池是否没电，如有电转6）.
4）.时钟到达设定起始时间后无电流输出或电流指示不正常，首先关机，然后检查输入输出、回路是否正确，如正确转7）.
5）.接收电流波形不正确，检查同步输出波形是否正确，如正确转7）.，不正确转6）.
6）.检查同步板及电源板。

7）.检查控制板及IGBT。

3.2ATEM-II瞬变电磁接收机
1、瞬变信号的特点
●瞬变信号早期衰减快，且幅度大（从几十微秒~几百微秒，幅度从10
伏左右衰减到毫伏级甚至微伏级）；而中、晚期信号衰减慢，幅度小（从几百微秒~几毫秒甚至几秒，幅度从毫伏或微伏衰减到微伏级或纳伏级）。

为了在很宽的时间范围内不失真地测定瞬变信号的衰减特性，必须保证接收装置有足够高的采样率，以及足够大的动态范围。

●瞬变电磁信号是宽频信号，实际上随着谐波次数的增高而能量变弱。

但其能量主要集中在低频范围内，因此为了消除高频信号对有用信号的干扰，要求接收装置有低通滤波功能。

●瞬变电磁信号早期强，晚期信号又非常弱，接收装置要保证不失真
采样，必须在瞬变信号早期避免放大器饱和，同时又要保证低噪声，才不至于让晚期的有用信号淹没在噪声里。

●由于瞬变信号是由于发射电流的突然关断感应出来的二次磁场，因
为接收装置必须在发射装置发射脉冲的下降沿开始采集，以采集到全程瞬变信号，所以要求接收机与发射机严格同步，同步精度一般不大于几十纳秒。

2、电磁噪声特点
瞬变电磁方法进行探测时，接收的瞬变信号中的噪声主要包括仪器系统本身的噪声和外部干扰噪声，其中外部干扰远大于仪器内部噪声，而外干扰噪声主要包括来自外部的电磁噪声和非目标体引起的地质噪声，地质噪声主要取决于发射线圈的边长，外部电磁噪声由天然的电磁场噪声和人文电磁噪声。

人文电磁噪声是指与人类文化设施有关的电磁噪声，主要包括电力线网、工业用电、有线广播网、中波及甚低频电台等设施产生的电磁场,在城市内进行瞬变电磁勘探时，就存在着这些电磁噪声。

1)、来自电力线网的干扰噪声
在我国工业电频率为50Hz，因此，干扰噪声为50Hz及其谐波的电平，其频率稳定度约为0.5%~ -1%，在靠近动力线地段干扰电平n×10～n×100mv是常见值。

尽管这种干扰随着接收线圈远离动力线而大大地有所减弱，但它具有区域性特点，有人曾在南极大陆及西藏高原观测到了频率为50Hz及其谐波的大地电流场，这也许是工业用电渗入大地而形成的地表环流。

在工业区，一些附加进来的无规律强脉冲干扰电平，一方面是来自动力用电的转换过程；也可能来自高压电网上的电晕放电现象。

但是，一般低压输电网及民用电网对于瞬变电磁系统并不构成很强的干扰。

2)、工业用电的干扰噪声
在工厂附近工作时，由于电器设备开启、关闭及运转时产生噪声，尤其是发生火花放电之时将产生高值脉冲干扰，往往只好采取远离这些设备或避开设备工作时间观测。

3)、无线电台发送波的噪声
尽管电磁系统内的低通滤波器能够有效地抑制电台的干扰噪声，但是这种讯号已被接收线圈感应加入接收机输入端，就防止它串入后几级所带来的影响。

人文噪声等这些外来电磁场具有很宽的频谱范围，它包括了从0Hz的地磁场到GHz的高频磁场。

常规的瞬变电磁系统工作频率范围约为0Hz至n*10k Hz，因此在这个范围内的干扰噪声均被接收系统所能接收到。

图1为在长春蔡家勘查区观测的野外噪声，通过对野外实验数据分析，测区噪声水平相当大，达到±2μV/m2，噪声水平比较高，需要采取一些措施进行压制。

第4章技术要求
4.1 回线组合选择
瞬变电磁野外工作有动源回线组合（包括重叠回线、中心回线等）；定源回线组合（包括大回线等）方式，一般说来，在给定的条件下，选择最佳的野外工作回线受许多因素的影响，主要有：
（1）目的物的特性；
（2）地质环境；
（3）电磁噪声干扰。

动源回线组合的灵敏度随位置的变动是均匀的；定源回线组合的灵敏度随离开发射线圈的距离而降低。

在不知道目的物的埋深、或要求勘探深度较浅及做地质普查时采用动源回线组合，而大固定源回线组合可以提供高磁矩，为了深部找矿，应采用大固定源回线组合。

磁源瞬变电磁法可在地面、海洋、井中和空中进行。

但在本文只扼要介绍地面和井中的组合类型。

1.地面动源类
此类指发射系统与接收系统逐测点移动观测的组合，计有：
(1).同点类型这种类型指发射回线的中心点与接收回线或线圈的中心点在空间重合，即接发距为零的组合，这是本方法特有的、效果好、效率高的组合，它们包括同一回线组合，重叠回线组合和内一回线组合（或称中心回线组合）三种；
(2).分离回线类型（又称斯林格拉姆型）发射、接收线圈分开一段距离并同时移动的组合；
图5.1 重叠回线装置示意图。