瞬变电磁原理、仪器及应用

瞬变电磁原理、仪器及应用

林君嵇艳鞠于生宝王艳

吉林大学仪器科学与电气工程学院

二零零七年五月二十五日

第1章绪论 (1)

1.1 瞬变电磁法发展概况 (1)

1.2 瞬变电磁探测方法的特点及应用领域 (2)

第2章瞬变电磁法探测原理 (4)

第3章ATEM-II瞬变电磁探测系统 (7)

3.1 ATEM-II瞬变电磁发射机 (7)

3.2 ATEM-II瞬变电磁接收机 (10)

第4章瞬变电磁响应分析 (17)

4.1各向同性水平层状大地上回线源的瞬变电磁响应 (17)

4.2均匀大地表面上大回线源在地表形成的瞬变电磁场 (17)

4.3中心回线下的隐伏球体的响应特征 (18)

4.4中心回线下的隐伏无限延伸的水平圆柱体的响应特征 (20)

4.5导电围岩中的局部导体瞬变电磁响应 (20)

第5章瞬变电磁野外工作方法 (22)

5.1 回线组合选择 (22)

5.2 发射电流的选择 (24)

5.3 发射脉冲宽度的选择 (26)

5.4 关断时间的影响 (26)

5.5 发射边长的选择 (28)

5.5 接收最早取样时间的选择 (29)

5.7 接收线圈的频率选择 (30)

第6章瞬变电磁探测的数据处理与成图 (31)

6.1数据质量判别 (31)

6.2 数据处理 (33)

6.2.1 平滑滤波 (33)

6.2.2 近似对数等间隔取样 (34)

6.3 基于“烟圈”理论的一维快速反演 (37)

6.4 数据成图 (40)

第7章 ATEM系统野外应用 (42)

7.1 长春秦家屯模型验证研究 (42)

7.2 长春伊通河活断层勘察研究 (44)

7.3 内蒙正镶白旗水源勘察 (45)

7.4 安徽铜陵矿山接替资源勘探 (49)

7.5 浙江舟山连岛工程探测 (52)

第1章绪论

1.1 瞬变电磁法发展概况

在1933年，美国科学家L.W.Blan最早提出利用电流脉冲激发供电偶极形成时间域电磁场，采用电偶极测量电场，并命名为“Eltran”法，于当年获得美国发明专利，该方法提出后美国石油公司做了很多野外实验，希望得到类似地震反射法的结果。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识别的分辨率，使得“Eltran”法的幻想破灭。

在30年代末，前苏联的А.П.Краев提出将瞬变电磁信号应用于地质构造测深，在1946年，А.Н.Тихонов等人作了论证，此后由Л.Л.Ваянъян建立远区建场测深方法(ЗСД),它主要采用电偶源(通以方波的接地导线)，在距源r处用接收线圈测垂直分量，了解磁场的建立过程，初期发射－接收距r≤(4~6)H，(H为高阻基底上部沉积岩的总厚度)，这是一种以分析地层深度变化特征的方法，此法主要用于地震探测油田效果不理想的地区。在西方，1951年首先由学者J.R.Wait提出利用瞬变电磁场法寻找导电矿体的概念。60年代В.В.Тикшаев、В.А.Сидоров等人将发射－接收距改成r≤0.7H，建立近区建场测深方法(ЗСБ)。在同时期，前苏联科学家Ю.В.Якубовский、В.К.Коваленик及Ф.М.Камецкий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，建场法和过渡过程法得到更广泛及成功的应用和发展，该方法步入实用阶段。

20世纪60年代前苏联在全国各个盆地进行普查，发现了奥伦堡地轴上的大油田。60年代中期到70年代末这段时间，人们认识到时间域电磁测深法可以利用远远小于期望探测深度的收发距时，这种方法有了快速发展，随之如“短偏移”、“晚期”、“近区”这类方法迅速发展起来。

美国等西方国家在20世纪70～80年代，短偏移法一直处于实验和研究阶段，未被广泛应用，而长偏移法得到了应用，特别是在地热调查和地壳结构调查中。比较有代表的学者：G.V.Keller，1977；Stemberg，1979。随后，J.R.Wait，G.V.Keller，A.A.Kaufman 等科学家对瞬变电磁法一维正、反演计算及方法技术进行了大量研究。20世纪80年代以后随着计算机技术的发展，在二三维正演模拟技术方面，G.W.Hohmem，A.P.Raiche，B.R.Spies，M.N.Nabighian等学者，发表了大量论文。

我国的瞬变电磁法研究起始于20世纪70年代初，较早开展这项工作的有原长春地质学院的朴化荣、曾孝箴、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。随后中南工业大学、西安地质学院、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等单位进行研究。通过国内学者的二十多年的努力，取得了一些有价值的研究成果和大量的应用实例，在理论和方法技术方面推动了TEM在我国的应用和发展。

仪器研制方面，专门用于时间域电磁法仪器：1953年出现第一专利，为Newmont 勘探公司申请，1962年Mclanghlin和Dolan研制出Newmont EMP-1型仪器，1964年EMP－1野外实验成功，1974年Crone公司推出偶极系统的商品仪器，1974年Newmont EMP正式用于野外，1977年CSIRO研制出SIROTEM－I，1972年Lamontagne研制出UTEM －1,1980年Geonics研制出EM－37，1996年EM-67等。20世纪80年代末以后，多功能电法仪器相继问世，美国Zonge公司的GDP12、GDP16、GDP32,加拿大的V-5、V-6、V5-2000等。我国从20世纪70年代开始研制的脉冲式航电仪用于野外实验研究，80年代地矿部物化探研究所的WDC系列瞬变电磁仪，西安物化探研究所的LC瞬变电磁仪，90年代中南工业大学的SD-2仪器，中国有色金属工业总公司的TEM-3S仪器，2001年，吉林大学研制的ATEM－II型瞬变电磁仪器系统。

1.2 瞬变电磁探测方法的特点及应用领域

在发射电流脉冲间歇期间（断电）后，观测地下介质产生的感应二次场随时间的变化，既瞬变电磁响应，不存在一次场源的干扰，这称之为时间上的可分性。从傅里叶变换可知，一个阶跃脉冲是由各种高频和低频谐波叠加而成，产生的激发场（一次场）是宽频带电磁波，其瞬变电磁响应不同延时观测的主要频率成分不同，相应时间的场在地层中的传播速度不同，探测深度也就不同，这称之为空间的可分性。瞬变电磁法的特点就基于这两个可分性。因此与频率域电磁法相比具有以下特点：

1.断电后观测二次场，可以近区观测，减少旁测影响，增强电性分辨能力；

2.可用加大功率的方法增强二次场信号，提高信噪比，从而加大勘探深度；

3.在高阻围岩地区不会产生地形起伏影响的假异常；在低阻围岩区，由于是多道观测早期道的地形影响也较易分辨；

4.可以采用同点组合（重叠回线，中心回线）进行观测，使与探测目标的耦合最紧，取得的异常响应强，形态简单，分层能力强；

5.线圈形状、方位或接发距要求相对不严格，测地工作简单，工效高；

6.有穿透低阻覆盖的能力，探测深度大；

7．由于测磁场，受静态位移影响小；

8．通过多次脉冲激发，响应信号的重复观测叠加和空间域多次覆盖技术的应用，提高信噪比和观测精度；

9.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。

由于瞬变电磁法这些特点，近几年在国内外得到迅速发展。伴随仪器的数字化和