瞬变电磁法（TEM）绪论一、基本原理利用不接地回线向地下发射脉冲式一次电磁场，用线圈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（脉冲场源）。思路：观测断电后感应电磁场随时间、空间的变化。瞬变场的延迟时间特性与地下地质体的几何参数及电性参数有关。良导地质体的规模越大、导电性越好，瞬变场的强度就越大、衰减越慢、延迟时间就越长；反之则瞬变场的强度小、衰减快、延迟时间短。感应电磁场强：反映导电性断电时间：反映深度二、
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特点瞬变电磁法是时间域电磁法之一，随时域方法而出现，它是发展在后而发展很快的电法勘探分支方法。将瞬变电磁信号用于地质勘探的设想，早在20世纪30年代就有人提出。最早的时域电磁法在西方称为Elrtna法，它基于L.W.Blna在1933年获得的发明专利，该法利用电磁脉冲激发供电偶极形成电磁场，用电偶极测量电场。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。特点：１、断电后观测纯二次场，消除了频率域的装置耦合噪声，受地形起伏影响小。２、可采用不接地回线装置，适宜于在各种地理环境下工作，在沙漠、冻土带更显其独到特性;３、可以采用同点装置(如重叠回线、中心回线等)进行观测，达到与探测目标的最佳耦合，取得的异常强，形态简单，分层能力强;４、单脉冲激发就可以得到多信息的整条瞬变场衰减曲线，且对线圈点位、方位或接收距要求相对不严格，测地工作相对简单，工效高;５、可以通过多次脉冲激发，进行多次叠加观测，并采用空间多次覆盖技术，提高信噪比和观测精度;６、可以选择不同的时间窗口进行观测，有效地压制地质噪声，获得不同探测深度的信息;７、利用该方法的测量系统，可实施地面、空中、地下、水上、井中或坑道电磁法探测;８、不受高阻层的屏蔽影响，能穿透高阻层，对低阻层灵敏、分辨能力强，在低阻围岩区，由于是多道观测，早期道的地形影响较易分辨;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。 由于上述诸多特点，且伴随仪器的数字化与智能化，近些年来，瞬变电磁法在国内外都得到了较快的发展，应用范围非常广泛，并获得了明显的应用效果。问题：1、对浅层的垂向分辨能力不强。因为采样时间不能提得很早，最早的采样时间几微秒，电阻率100，也难对20米深度分层；2、同点装置边长越小，测的的视电阻率越小，与大地电阻率不符；3、现只有一维水平层状大地模型的定量解释方法。4、信噪比较低，更易受天然或人文干扰电磁信号的影响。探地雷达（GPR）：地面～地下2m；频率域（AMT）：地下1Km以下；时间域（TEM）：地下20m～1Km。第1章瞬变电磁法的基本理论1、瞬变电磁场的扩散特点一次磁场是以两种途径传播：第一种激发方式是，电磁波首先在空气中以光速很快传播到地表的每个点，然后有一部分电磁能量由地表传入地下，这是根据惠更斯原理，波前上每个点都视为一个新的球面波振源，故地表的每一个点都陆续成为波源，将部分电磁波传入地中，在远区，这种一次磁场可以认为是不均匀平面波，且沿铅直方向传播到地中。第二种激发方式是，电磁能量直接从场源传播到地中，是在导电介质中感应电流似“烟圏”那样，随时间推移逐步扩散到地下深处。第一种传播方式是瞬时建立的，由于大地的电抗作用，第二种场的建立比较迟缓。早期，两者在时间上是分开的，随着时间的推移，两种场相互叠加，随后达到极大值。在晚期，第一种激发方式的场在各处衰减殆尽，在地中第二种场占居主导地位，电磁场以“烟圏”形式逐步扩散到深处，在每一地层中的涡流都有产生和增加的过程以及达到最大后逐渐衰减的过程，并且随深度的增加出现极大值的时间逐渐向后推移。远区（波区）、中区（过渡区）、近区早期、中期、晚期在TEM法的发展初期，r>>Hn，远区场法；后期，L<
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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。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以用圆环电流来表示，某时刻圆环电流的垂向深度为：如下半空间为层状大地，则上式中之速度v为时间t所对应地层之速度。为突出做出此贡献之地层，速度需由下列差分式求视深度：一维经验反演烟圈理论一维反演的固有缺陷：1、全域视电阻率计算时可能出现的双解或无解。2、出现解释困难的“上凸”和“下凹”现象(以往又称为为“向上挠曲“、“向下挠曲”)啊啊强干扰信号剔除TEM数据在双对数坐标中随时间增加而不断衰减，若采集的数据不符合衰减趋势(即:后一测道较前一道基本不衰减甚至大于前一道的值;或后一道数据较前一道出现明显的下降“台阶”)，一般不宜先采取圆滑处理(因圆滑处理仅会将此强干扰分配到其它测道中去)，而应首先进行下述的强干扰剔除。在双对数坐标中，首先计算衰减曲线在各测点、各测道的斜率，并进行统计，计算出平均值及方差，并对斜率超差的测道进行校正。即当某测点第i道超差时，以其前一道的斜率为基础，综合考虑第i道前后各测道的斜率，加权归一得到斜率值k1，，同时计算邻近测点在该测道的加权斜率值k2:。则有:a测道圆滑在TEM观测中，即使纵向地层有明显变化，其感应电动势衰减曲线亦为相对连贯的变化曲线，若非如此，则视为干扰，可作测点圆滑处理。测点圆滑多数情况下，若测点距不太大时，其感应电动势在沿测线方向上亦应相对连贯，很少表现为单点异常。如连贯性太差，可进行测点圆滑。附：TDEMG2初步反演结果各量说明Ntx发射线圈匝数Trarea发射线圈面积(m2)Nrx接收线圈匝数Rxarea接收线圈面积(m2)I发射电流强度Trmp关断时间Chno测道序号Dtms采样时间V电压Rsohm.m全域视电阻率Pl视电阻率（晚期公式）Hr深度(m)No编号（编号1对应测道1与2之间，编号2对应测道2与3之间……）ADTms对应No的时间Ahr对应No的深度Psmk用烟圈理论计算的视电阻率Pn1、Pn2、Pn3：该视电阻率与真电阻率量纲一致，可作真电阻率使用，故亦称作似电阻率，它们较Rsohm.m相比，在层位发生变化时，响应更灵敏，其中Pn1最灵敏，Pn2次之，Pn3再次之。2、视纵向电导反演解释B·A·CHIOPOB把确定水平薄层纵向电导S及深度h的公式用到层状大地的情况，并把所得到的S、h称之为视纵向电导S，及视探测深度h，S，及h:参数可用于测深资料的反演。直流电测深方法中，为了简化对于多层断面的解释方法，引入了“代替层”的概念。在瞬变电磁测深方法中，如图2一l所示，引入等效导电薄层，其目的同样是为了简化对于多层断面的解释方法。层状大地的感应涡流环将随时间而向下、向外扩散衰变，因此，对于某个时间t、有相对应的探测深度h，在该深度范围内岩层的总纵向电导为S1。那么，对于这样的断面，可以用等效导电薄层模型位于深度为h:，，且纵向电导值S:、=S、的导电薄层加以等效。显然，S丫、h:值是时间t的函数，其计算公式可以利用上节中已列出的确定水平导电薄层的S:和h:公式，即中心回线及重叠回线装置情况下的表达式视纵向电导S:及视深度hT常规算法啊啊新的视纵向电导啊啊A第3章瞬变电磁法的工作方法1、工作装置重叠回线和中心回线置；分离回线置；框--回线装置；2、工作装置和回线大小的选择当要求的探测深度较小（数百米），要求较高的分辨率时----同点装置；当要求的探测深度较大，或铺设动源回线困难时-----大回线定源装置；回线边长大，探测深度大，横向分辨率低。同点装置：L>=0.5H大回线定源装置:L>=H我们曾用边长10m的小回线,用单脉冲强场源激励(其频谱特性参考文献[5]),能发现150m处的溶洞;文献[6]的作者们采用5m边长的小回线,在强场源激励下,获得800m深部信息。实践表明回线边长不决定于探测深度,而与探测目标的规模,以及赋存背景等条件密切相关。在找矿中,往往不是根据探测深度选择回线边长,而是根据几种常规边长,在已知矿上选择异常清晰的回线边长,作为全区找矿的回线边长。以异常清晰为目标,实际上是追求高信噪比的观测结果。在已知矿上无异常,即使再加大边长也往往无济于事。在找矿实例中,有加大回线边长、矿体异常更清晰的实例,但也有回线边长加大后异常变得不清晰、更零乱的实例。啊加大双向周期电源脉冲的脉宽,是降低场源基频、加大探测深度的必要措施,但是加大电流脉宽对于中、小功率场源系统是困难的。使用加拿大EM-37瞬变电磁探测系统,在新疆地区找矿10多年,取得了较好的效果,统计表明最大找矿深度约为200m左右。为了增加深度,将电流脉宽由10ms(基频25Hz)加宽至20ms(基频12.5Hz),预计探深可达300m左右。但是,在新疆的地电条件下,由于EM-37的2.8kW功率不足,对于电流脉宽20ms激励,无法观测到信噪比好的瞬变响应信号。预计场源需要达到15kW才能奏效。3、瞬变电磁法的资料整理和解释观测参数：多道的：供电电流：二次感应电位。图件：1、多道剖面图；2、测深曲线3、拟断面图资料的解释测深资料的解释：当需划分岩层垂向分布时，进行测深资料的解释。作出各测点的测深曲线，由曲线类型，大致分层，用专门软件进行定量解释。剖面资料解释：进行剖面资料解释时，主要是探测局部良导地质体，主要是定性解释。第4章信号检测发射机通过发射线圈向地下良导体发射交变的磁场，地下良导体感应到能量并在体内产生涡旋电流从而激发出二次场，但实际的发射-接收过程却很复杂。尤其是多砸线圈。为了简化讨论，发射，接收过程假定都为理想过程，接收采集为全时间采集，这样就得到整个收发过程中信号的时序图，见下图：飞v在瞬变电磁法勘探中增大发射回线和接收回线边长,可以增强信号强度,延长有效信号的持续时间,有利于加大探测深度。但这样会使回线布设困难,横向分辨率降低。此外,在增大有效信号强度的同时,使干扰信号强度也增大。因而,野外人员在保证预定勘探深度的情况下,一般都尽可能地选择小的回线边长。有时为增强信号强度来达到一定的探测深度,发射和接收装置常常采用多匝线圈。暂态过程分析线圈不仅有内阻、自感,而且还有分布电容,TEM发射回线等效电路如图1所示。图中R*是线圈的内阻,R为匹配电阻,C为分布电容,L为自感。当突然断开或接通加入电路中的电源时,这个回路中的电流将从原来的状态向新的状态变化,这种过程不可能在瞬间完成,即存在一个过渡过程,其间在线圈中产生感应电动势,之后又随时间的增加而衰减,该现象称为线圈的固有暂态。1、发射线圈aa啊①自感电动势曲线要经历感应和衰减二个阶段,当发射线圈中的电流在t=0关断时,回路中的电流要经过一段时间才能降为0。此时,线圈产生的感应电流随回路中电流的减小而增大,且方向相反。在发射电流降至0时,感应电流达到最大值。接着进入衰减段,同样由于线圈的自感作用,感应电流也不能立刻降为0,而要随时间逐渐衰减至0;②由于多匝线圈的整体感应能力较强,其感应电动势曲线(图2(b))感应段和衰减段所用时间比单匝线圈长的多(图2(a)),感应电动势的最大值也远大于单匝线圈。感应段和衰减段时间越长,对有效观测值的范围影响越大。而感应电动势最大值越大,则对早期的观测值影响越大。因此,多匝线圈自感对早期数据的干扰比单匝线圈大得多。由此可见,对线圈必须精心设计,尽量减小暂态。（3）多砸关断时间长。下图表示从关断时间后开始接收信号所接收的二次场信号，其实二次场在关断时间(较短)内几乎是以线性增加，而在关断后近似以指数衰减，如下图：可见，在tof时间内，感应电流逐渐增加，在t=tof时达到极大值，然后按指数规律衰减，由图2.3.2可见，这种上升、衰减速度决定于τoft比值。tof较大的情况下，感应电流将缓慢增大至极大值，然后以较慢的速度按指数规律衰减。关断时间主要取决于发射回线尺寸及发射电流大小，可以采用下式作粗略地估算，式中L为发射回线电感，对于单匝圆形回线L=2r/300(以mh为单位)，R为回线电阻，V为外加于回线的电压；oft以ms为单位。由于发射回线确定后，发射回线电阻R和电感L是定值，发射电流增大，关断时间增大，发射电流增大一倍，关断时间增大1.28倍。2、接受线圈由电路理论可知，对于由电阻R、电感L、和电容C构成的电路，当突然断开或接通加入电路中的电源时，电路中的电流将从原来状态向新的稳定状态变化，这种变化过程不可能瞬间时内完成，中间存在一个过渡过程。激励场变化产生的一次磁场和二次磁场形成的感应电动势对线圈分布电容进行“充电”和“放电”。当采用接收线圈观测二次场时，由于接收线圈本身将存在一种固有过渡过程，以致接收线圈输出的并不完全是线圈上的感应电压，包括线圈上的分布电容的电位u(t)变化。它的存在将干扰正常观测，需要研究其规律，以便在实际观测信号时加以抑制和消除。野外常用的接收线圈有：多匝空芯线框及磁芯多匝线圈(探头)两种，其等效电路如图3.2.1所示，图中L表示线圈的电感，r表示线圈的内阻，Cr为分布电容；Ca、Ra分别为前置放大器的输入电容和输入电阻。为了使线圈的过渡过程处于临界状态，有时需接入匹配电阻RT，一般情况下RT<
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