時(shí)間域電磁測(cè)深概述

1、第八章 時(shí)間域電磁測(cè)深概述 時(shí)間域電磁法(Time domain electromagnetic methods)或稱瞬變電磁法(Transient electromagnetic methods)，簡(jiǎn)寫為TEM。它是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)的間歇期間，利用線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法。盡管TEM方法與頻率域電磁法(FEM)都是同屬于研究二次渦流場(chǎng)的方法，并且兩者通過傅立葉變換關(guān)系相互關(guān)聯(lián)著，在某些條件下，一種方法的數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換為另一種方法的數(shù)據(jù)。然而，就一次場(chǎng)對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響而言，兩種方法并不具有相同的效能，TEM是沒有一次場(chǎng)背景的情況下觀測(cè)研究二

2、次場(chǎng)，大大地簡(jiǎn)化了對(duì)地質(zhì)對(duì)象所產(chǎn)生異常場(chǎng)的研究，對(duì)于提高方法的探測(cè)能力更具有前景。 TEM盡管有各種各樣的變種方法，其數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)都是基于導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的激勵(lì)磁場(chǎng)激發(fā)下引起的渦流場(chǎng)的問題。研究局部導(dǎo)體的瞬變電磁響應(yīng)的目的在于勘查良導(dǎo)電金屬礦體，研究水平層狀大地的瞬變電磁場(chǎng)理論的目的在于解決地質(zhì)構(gòu)造測(cè)深問題。發(fā)展和推廣TEM的實(shí)踐表明，它可以用來勘查金屬礦產(chǎn)、煤田、地下水、地?zé)帷⒂蜌馓锛把芯繕?gòu)造等各類地質(zhì)問題。8.1發(fā)展概況利用瞬變電磁信號(hào)應(yīng)用于地質(zhì)構(gòu)造測(cè)深問題，在蘇聯(lián)早在30年代末由Aa提出。同時(shí)期內(nèi)，AH等人作了論證，為Ba建立遠(yuǎn)區(qū)建場(chǎng)測(cè)深方法()打下了基礎(chǔ)。50年代以后，BAC、等人建

3、立了近區(qū)建場(chǎng)測(cè)深方法()。在同時(shí)期內(nèi)，由u、B及u等人創(chuàng)立了應(yīng)用于勘查金屬礦產(chǎn)的過渡過程法()。60年代以后及得到更廣泛及成功的應(yīng)用和發(fā)展，制定出了適用于鉆井、航空和海洋等領(lǐng)域的變種方法的理論和技術(shù)。由u主編的金屬物探過渡過程法應(yīng)用指南及BAC專著脈沖感應(yīng)電法勘探反應(yīng)了在蘇聯(lián)的應(yīng)用水平。儀器方面，用于勘查金屬礦的主要儀器有：-3、-2、-4及N-；應(yīng)用于勘查油氣田的主要是用-2和-1、2數(shù)字站。圖8.1.1 瞬變電磁場(chǎng)示波觀測(cè)波形圖a供電電流b次磁場(chǎng)c接收線圈觀測(cè)到的一次電壓d導(dǎo)體響應(yīng)引起的二次電壓e總的電壓 在西方，1951年首先由JRWait提出了利用瞬變電磁場(chǎng)法尋找導(dǎo)電礦體的概念，他在示

4、波器屏幕上觀測(cè)到的瞬變場(chǎng)波形如圖所示，這種快速增長(zhǎng)(或減小)的磁場(chǎng)將使導(dǎo)體激發(fā)起渦流場(chǎng)，可以觀測(cè)到如圖8.1.ld所示的衰變電壓。1958年加拿大Barringer公司開始研制應(yīng)用于航空的INPUT系統(tǒng)，于1962年投入使用，經(jīng)過多次改進(jìn)，至今已成為世界范圍內(nèi)應(yīng)用的主要航電系統(tǒng)。地面儀器系統(tǒng)于70年代出現(xiàn)商品儀器，近些年不斷涌現(xiàn)出智能化的儀器，具有代表性的有：EM-37、47、57、42，DEEPEM，UTEMSIROTEM-II、III。此外，多功能電測(cè)站GDP-16、12及V-5等配置了用來TEM測(cè)量的功能。利用這些系統(tǒng)取得了不少引人注目的地質(zhì)效果。理論研究方面的代表著作是AHKaufma

5、n和GVKeller的專著頻域和時(shí)域電磁測(cè)深及MNNabighian主編的應(yīng)用地球物理學(xué)中的電磁方法。在我國(guó)，于70年代的初期開始研究TEM，投入研究的單位有：長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院、地礦部物化探研究所、中國(guó)有色金屬工業(yè)總公司礦產(chǎn)地質(zhì)研究院及中南工業(yè)大學(xué)（中南大學(xué)）。這些單位各自都研制了儀器系統(tǒng)，進(jìn)行了理論及方法技術(shù)研究，與野外隊(duì)合作廣泛開展了試驗(yàn)研究及推廣應(yīng)用，取得了一批好效果的應(yīng)用實(shí)例。出版的代表著作有：蔣邦遠(yuǎn)等的研究報(bào)告、樸化榮著電磁測(cè)深法原理及牛之璉等著脈沖瞬變電磁法及應(yīng)用。盡管近些年在儀器研制方面取得了某些進(jìn)展，但研制并投產(chǎn)世界先進(jìn)水平的儀器提供給野外生產(chǎn)使用仍然是當(dāng)務(wù)之急。8.2工作裝置按T

6、EM應(yīng)用領(lǐng)域可以把工作的裝置分為四類。圖 TEM剖面測(cè)量裝置a同點(diǎn)裝置b偶極裝置c大定回線源裝置 (1)剖面測(cè)量裝置：常用的剖面測(cè)量工作裝置如圖所示。它是被用來勘查金屬礦產(chǎn)及地質(zhì)填圖的裝置，分為同點(diǎn)、偶極和大定回線源三種。同點(diǎn)裝置中的重疊回線是發(fā)送回線(Tx)與接收回線(Rx)相重合敷設(shè)的裝置；由于TEM方法的供電和測(cè)量在時(shí)間上是相分開的，因此Tx與Rx可以是共用一個(gè)回線，稱之為共圈回線。同點(diǎn)裝置是頻率域方法無法實(shí)現(xiàn)的裝置，它與地質(zhì)探測(cè)對(duì)象有最佳的耦合，是勘查金屬礦產(chǎn)常用的裝置。偶極裝置與頻率域水平線圈法相類似，Tx與Rx要求保持固定的發(fā)、收距r，沿測(cè)線逐點(diǎn)移動(dòng)觀測(cè)dB/df值。大定回線裝置的

7、Tx采用邊長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米的矩形回線，Rx采用小型線圈(探頭)沿垂直于Tx長(zhǎng)邊的測(cè)線逐點(diǎn)觀測(cè)磁場(chǎng)三個(gè)分量的dB/dt值。后兩種裝置是頻率域電磁法中常用的裝置，只要兩域方法所使用的裝置相同，其異常剖面曲線形態(tài)是相同的。 (2)測(cè)深裝置：常用的測(cè)深工作裝置如圖所示。中心回線裝置是使用小型多匝Rx(或探頭)放置于邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的發(fā)送回線中心觀測(cè)的裝置，常用于探測(cè)1km以內(nèi)淺層的測(cè)深工作。其他幾種主要用于深部構(gòu)造的測(cè)深，偶極距r選擇大約等于目標(biāo)層的深度。用Rx觀測(cè)得到的dB/dt值一般都換算成視電阻率Pf(t)參數(shù)，使用t曲線進(jìn)行反演推斷。(3)井中裝置：井中TEM方法的地質(zhì)目的在于探測(cè)分布于鉆孔附近的深部導(dǎo)電礦

8、體，并獲得礦體形態(tài)、產(chǎn)狀及位置等信息，其工作裝置如圖所示。發(fā)送回線通常以兩種基本方式布置于地面，接收線圈(探頭)沿鉆孔逐點(diǎn)移動(dòng)觀測(cè)磁場(chǎng)井軸分量的dB/dt值。當(dāng)勘查區(qū)有彼此相靠近的多個(gè)鉆孔的條件下一般只敷設(shè)一個(gè)大發(fā)送回線，從不同鉆孔中觀測(cè)到的異常變化規(guī)律可獲得地下隱伏導(dǎo)體的位置等方面的信息。在僅有單個(gè)鉆孔的情況下，需要在地面敷設(shè)五次發(fā)送回線，根據(jù)Tx位于不同方位上所觀測(cè)到的異常變化規(guī)律再去反演有關(guān)參數(shù)。圖 TEM測(cè)深工作裝置a電偶源b磁偶源c線源d中心回線圖井中TEM的工作裝置a多個(gè)Tx b單個(gè)Tx圖 航空TEM系統(tǒng)示意(4)航空裝置：如圖8.2.5所示，航空TEM系統(tǒng)的發(fā)送線圈安裝于機(jī)身，接

9、收線圈及前置放大器安裝在吊艙之中，吊艙用電纜拖拽在飛機(jī)的后下部，飛行高度一般為150m。航空TEM方法主要應(yīng)用于大面積范圍內(nèi)快速普查良導(dǎo)電礦體及地質(zhì)填圖。8.3觀測(cè)參數(shù) 瞬變電磁儀器系統(tǒng)的一次場(chǎng)波形、測(cè)道數(shù)及其時(shí)窗范圍、觀測(cè)參數(shù)及其計(jì)算單位等，各個(gè)廠家的儀器之間有所差別。盡管各種儀器絕大多數(shù)都是使用接收線圈觀測(cè)發(fā)送電流脈沖間歇期間的感應(yīng)電壓V(t)值，就觀測(cè)讀數(shù)的物理量及計(jì)量單位而言，大概可以分為二類： 1.用發(fā)送脈沖電流歸一化的參數(shù)：儀器讀數(shù)為V(t)I值，以及VA作計(jì)量單位。 2.以一次場(chǎng)感應(yīng)電壓歸一的參數(shù)：例如加拿大Crone公司的PEM系統(tǒng)，觀測(cè)值是用一次場(chǎng)剛剛將要切斷時(shí)刻的感應(yīng)電壓值

10、來加以歸一，并令1000，計(jì)量單位無量綱，稱之為Crone單位。 3.歸一到某個(gè)放大倍數(shù)的參數(shù)：例如加拿大的EM-37系統(tǒng)，野外觀測(cè)值為：式中為接收線圈中的感應(yīng)電壓值；G為前置放大器的放大倍數(shù)；為儀器公用通道的放大倍數(shù)，N=1、2、9。m值以mV計(jì)量。 為了便于對(duì)比，在整理數(shù)據(jù)中，無論用那種儀器，一般都要求換算成為下列幾種導(dǎo)出參數(shù)，并以這幾種參數(shù)作圖。 (1)瞬變值，以nv計(jì)量，這里表示接收線圈的面積，N為接收線圈的匝數(shù)。有時(shí)采用B(t)I，以nvA計(jì)量。 由V(t)I觀測(cè)值換算成B(t)的公式為：由m觀測(cè)值換算成B(t)的公式為：由Crone單位觀測(cè)值R。換算成B(t)的公式為： 式中G為放

11、大倍數(shù)，n為測(cè)道數(shù)。 (2)磁場(chǎng)B(t)值：由對(duì)B(t)取積分得到B(t)值，以pw計(jì)量。 (3)視電阻率值，以·m計(jì)量。 (4)視縱向電導(dǎo)值，以S(西門子)計(jì)量。8.4與頻率域電磁法(FEM)的比較 由于TEM是在無一次場(chǎng)背景情況下觀測(cè)二次場(chǎng)，主要的噪聲源不同于FEM，顯示出更多的優(yōu)點(diǎn)，主要有以下幾個(gè)方面。 (1)由于觀測(cè)的是二次場(chǎng)，自動(dòng)消除了FEM中的主要噪聲源裝置耦合噪聲，它的主要噪聲源來自外介的天電及人文電磁場(chǎng)干擾。因此，TEM具有較低的檢測(cè)二次場(chǎng)極限值，可以采用提高功率靈敏度的方法增大信噪比，以提高探測(cè)深度。此外，TEM的測(cè)量方法比FEM既快又簡(jiǎn)單，更適合于勘查工作的需要。

12、 (2)可使用同點(diǎn)裝置工作，與欲探測(cè)的地質(zhì)對(duì)象有最佳的耦合，具有較高的探測(cè)能力，并且受旁側(cè)地質(zhì)體的影響也是最小。 (3)對(duì)于受到導(dǎo)電圍巖及導(dǎo)電覆蓋層等地質(zhì)噪聲干擾的“礦異?！钡膮^(qū)分能力優(yōu)于FEM。在高阻圍巖條件下，不存在地形起伏引起的假異常；低阻圍巖起伏地形所引起的異常也比較容易識(shí)別。 (4)對(duì)于線框敷設(shè)的點(diǎn)位、方位及形狀等的要求相對(duì)于FEM可以放寬，測(cè)地工作簡(jiǎn)單，工效高。 近代科技的發(fā)展，促進(jìn)了TEM的快速發(fā)展。尤其是由于電子計(jì)算技術(shù)的引用，對(duì)于儀器系統(tǒng)抑制噪聲、減小觀測(cè)誤差、資料處理及正反演計(jì)算均有了較大的進(jìn)展。當(dāng)前，TEM向著尋找深部盲礦、解決深部構(gòu)造及工程勘查的方向發(fā)展，但是，仍然有許

13、多問題還有待探索及研究。8.5時(shí)域電磁測(cè)深方法的探測(cè)能力時(shí)城電磁測(cè)深方法探測(cè)能力的討論與其他電測(cè)深方法一樣，都是以觀測(cè)到異常值的信噪比的大小及分辯地層參數(shù)的能力來確定。也就是說，探測(cè)能力不僅與探測(cè)目標(biāo)引起的異常值有關(guān)，同時(shí)受地質(zhì)噪聲、人文電磁噪聲及天電干擾等大小的限制。通常的觀測(cè)儀器一班都采用高次疊加平均取數(shù)的方法來提高信噪比，并且儀器裝有“天電噪聲抑制”裝置；這樣，電磁噪聲電平可減少到0.5毫微伏每平方米(此值為接收線圈上觀測(cè)到的噪聲電平被接收框面積和匝數(shù)乘積歸一的值)，平靜時(shí)期可減少到0.2毫微伏每平方米。對(duì)于天電干擾，由于它是隨機(jī)信號(hào)，采用高疊加次數(shù)不一定能增加信噪比。噪聲電平隨時(shí)間的推

14、移而下降，到超過2毫秒后，噪聲電平已趨于恒定值(約2毫微伏每平方米)。天電噪聲隨季節(jié)變化，一般在夏季較大；若在1千英里之內(nèi)有雷電活動(dòng)，可使干擾電平增大一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)。一天之內(nèi)，天電噪聲電子可變化達(dá)10倍左右，在中午13點(diǎn)左右最強(qiáng)。 理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于水平導(dǎo)電層的異常響應(yīng)(或探測(cè)深度)，并不是隨導(dǎo)電層的縱向電導(dǎo)的增大而增大，例如圖8.5.1所示，對(duì)于具有中等縱向電導(dǎo)的地層的探測(cè)更為有利，其探測(cè)深度可達(dá)1公里以上，在考慮地質(zhì)噪聲影響的條件下，早期道已不能利用，有可能下降到500米以下。在蘇聯(lián)文獻(xiàn)中，提供了金屬礦區(qū)探測(cè)5001200米深導(dǎo)電層的實(shí)例。圖 對(duì)水平導(dǎo)電層的探測(cè)深度于縱向電導(dǎo)的關(guān)

15、系SIROTEM-II觀測(cè)的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果重疊回線邊長(zhǎng)=200m，異常下限值取3V/A，導(dǎo)電層用不同厚度鋁板，介質(zhì)為空氣對(duì)于二層斷面，時(shí)域電磁測(cè)深方法最大的探測(cè)深度與頂層電阻率、發(fā)送磁矩M及噪聲電平有關(guān)，可粗略的用下式估計(jì)：式中為所要求的最低限度信噪比，N為平均噪聲電平，乘積得到最小可分辯信號(hào)電平，SIROTEM系統(tǒng)毫微伏每方米。由上式可見，對(duì)于二層斷面的最大探測(cè)深度隨發(fā)送磁矩M增加及噪聲電平的陣低而增大；但是由于存在五次方根的關(guān)系，M或N數(shù)值較大的變化對(duì)的影響并不大。圖8.5.2給出了在二層斷面上，采用400 x 400平方米的重疊回線，I20A時(shí)的與的關(guān)系。圖 二層斷面最大探測(cè)深度與1關(guān)系對(duì)

16、于斷面的分辨能力，瞬變電磁法優(yōu)于其他電測(cè)深法。為了簡(jiǎn)單起見，仍以水平導(dǎo)電層為例加以說明，對(duì)于直流電阻率法而言，視電阻率值是K值的函數(shù)，其中及分別為導(dǎo)體及圍巖的電阻率，頻率電磁測(cè)深法中，電磁異常響應(yīng)在低頻段與導(dǎo)電層的縱向電導(dǎo)的關(guān)系，其實(shí)分量正比于；但是，瞬變電磁響應(yīng)是正比于。顯然瞬變電磁異常響應(yīng)的分辯能力最佳。圖給出了對(duì)于H型三層斷面的物理模擬曲線，由圖可見，當(dāng)值低達(dá)0.22西門子時(shí)曲線仍能清楚地分辯出中間電導(dǎo)層的存在；據(jù)對(duì)直流電測(cè)深量板曲線的對(duì)比結(jié)果，當(dāng)西門子時(shí)已完全不能分辨出中間層的存在。圖 不同S2值H型s曲線的對(duì)比8.6時(shí)域電磁測(cè)深資料解釋方法概述蘇聯(lián)已經(jīng)對(duì)水平成層介質(zhì)的時(shí)域電磁測(cè)深曲線

17、進(jìn)行了大量計(jì)算，并且匯編成量板冊(cè)，上面我們引用了些典型曲線。使用量板冊(cè)求斷面參數(shù)的方法，完全類似于直流測(cè)深方法。首先在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪出的關(guān)系曲線，然后與理論曲線對(duì)比，直至兩者相擬合，便可以求得斷面參數(shù)但是，在目前儀器裝備條件下，實(shí)踐中要獲得一條完整的曲線比較困難，加上時(shí)域電磁測(cè)深曲線的等值作用范圍比較小，在使用量板過程中很難找到與實(shí)測(cè)曲線擬合的理論曲線，使用起來十分不便；因此，求斷面參數(shù)主要用曲線的左、右兩友漸近線、極值點(diǎn)的坐標(biāo)及S帶等途徑，這方面蘇聯(lián)已總結(jié)出成套方法，這里不去贅述。至于計(jì)算機(jī)反演的方法，他具有解釋速度快及自動(dòng)擬合等特點(diǎn)，但至今在國(guó)內(nèi)尚未得到很好發(fā)展。下面僅介紹兩種較簡(jiǎn)單而適

18、用的解釋方法。對(duì)于導(dǎo)電基底層，提出利用曲線后支漸近線求深度的公式： ()式中h導(dǎo)電層埋深(公里)回線后支上對(duì)應(yīng)時(shí)間t的電阻率；導(dǎo)電層電阻率；b發(fā)送回線邊長(zhǎng)之半(公里)。利用該公式的優(yōu)點(diǎn)在于所求的h與上覆地層情況無關(guān)，并且由于h與正比，確定的誤差對(duì)求h的精度影響微弱。當(dāng)時(shí)，應(yīng)用公式(8.6.1)的誤差不超過10%。下面介紹一種在儀器觀測(cè)道時(shí)間范圍有限的情況下，在發(fā)送框外觀測(cè)值變號(hào)時(shí)間來確定巖層埋深的方法。我們已熟悉，在半空間中，當(dāng)切斷場(chǎng)源后“煙圈”(等效渦流環(huán))移動(dòng)的規(guī)律，更精確地講，每個(gè)“煙圈”可以看成一個(gè)二次垂直磁偶極子源，據(jù)磁偶極場(chǎng)分布規(guī)律，沿磁偶極子中心與水平面成35º角的錐形面上的磁場(chǎng)垂直分量為零。設(shè)在地表的剖面線穿邊發(fā)送回線中心，那么變號(hào)點(diǎn)必然在發(fā)送回線之外，變號(hào)點(diǎn)至發(fā)送邊之間及回線內(nèi)的值為正號(hào)。由于 故 ()式中R發(fā)送線框中心至觀測(cè)點(diǎn)的距離； d“姻圈”位于使觀測(cè)點(diǎn)變號(hào)時(shí)刻(t)的深度。于是可得到： ()式中t的單位用微秒；為半空間的電阻率。值得指出的是，我們用接收線圈所觀測(cè)到的是的變時(shí)號(hào)間，它晚于上述t。據(jù)推導(dǎo)，在時(shí)發(fā)生變號(hào)，其中所以 ()這里的單位用微秒。由（）式可以計(jì)算繪制出以不同延時(shí)間為參變量的和R的關(guān)系曲線，如圖所示，該圖適用于SIROTEM系統(tǒng)。圖 半空間電阻率與