電法勘探-3-4匯編

1、3.5 瞬變電磁測(cè)深3.5.1 概況瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method，簡(jiǎn)稱(chēng)TEM）是利用不接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場(chǎng)，用線圈或接地電極觀測(cè)由該脈沖電磁場(chǎng)感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場(chǎng)的空間和時(shí)間分布，從而來(lái)解決有關(guān)地質(zhì)問(wèn)題的時(shí)間域電磁法。分類(lèi)：按其工作空間可分為：航空瞬變電磁法、海洋瞬變電磁法、地面瞬變電磁法、井-地瞬變電磁法、礦井瞬變電磁法。分類(lèi)：按其工作空間可分為：航空瞬變電磁法、海洋瞬變電磁法、地面瞬變電磁法、井地瞬變電磁法、礦井瞬變電磁法。歷史： 該方法最早由加拿大物理學(xué)家J.R.Wait于1951年提出，并于1953年獲取專(zhuān)利

2、權(quán)。 1960年，原蘇聯(lián)研制出第一臺(tái)共圈式瞬變電磁裝置（MPPO型）；1962年，Mclaughlin和Dolan研制出固定發(fā)射回線、移動(dòng)接收回線瞬變電磁儀，并利用該裝置于1964年和1970年在塞浦路斯和南美洲取得找礦效果。 70年代以后，各種地面TEM儀器相繼問(wèn)世，促進(jìn)了TEM的應(yīng)用理論研究的迅速發(fā)展。近幾年來(lái)，瞬變電磁法發(fā)展迅速，儀器更新較快。 國(guó)內(nèi)，TEM的研究始于70年代。原長(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、原西安地質(zhì)學(xué)院和中南工業(yè)大學(xué)等單位相繼研制了TEM儀器，并開(kāi)展了理論和方法技術(shù)方面的研究。80年代中期以后，該方法在我國(guó)應(yīng)用得到迅速推廣，由

3、最初金屬礦勘探發(fā)展到地?zé)?、水資源、水文地質(zhì)、環(huán)境與工程地質(zhì)的探測(cè)，其應(yīng)用范圍日益廣泛。3.5.2 瞬變電磁法基本理論在瞬變過(guò)程的早期階段，頻譜中高頻成分占優(yōu)勢(shì)，因此渦旋電流主要分布在地表附近，由于趨膚深度的高頻效應(yīng)，阻礙電磁場(chǎng)向地下深部傳播，因此早期階段的瞬變場(chǎng)主要反映地層的淺部地質(zhì)信息。在晚期階段，高頻成分被導(dǎo)電介質(zhì)吸收，低頻成分占主導(dǎo)地位，在這一階段，局部地質(zhì)體中的渦流，實(shí)際上全部消失，而各層產(chǎn)生的渦流磁場(chǎng)之間的連續(xù)相互作用使場(chǎng)平均化，這時(shí)瞬變場(chǎng)的大小主要依賴(lài)于地電斷面總的縱向電導(dǎo)。瞬變電磁場(chǎng)是指在發(fā)射回線中階躍變化電流作用下，地中產(chǎn)生的過(guò)渡過(guò)程的感應(yīng)電磁場(chǎng)（一次場(chǎng)）在導(dǎo)電介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的其結(jié)

4、構(gòu)和頻率在時(shí)間與空間上均連續(xù)變化的渦旋交變電磁場(chǎng)（二次場(chǎng)）。按過(guò)渡過(guò)程可分為過(guò)程的早期和晚期兩個(gè)階段，在兩個(gè)階段中場(chǎng)所提供的信息不同，其用途也不同。1) 均勻大地的瞬變電磁響應(yīng)過(guò)程 在導(dǎo)電率為、導(dǎo)磁率為的均勻各向同性大地表面敷設(shè)面積為零的矩形發(fā)射回線在回線中供以的階躍脈沖電流。 瞬變電磁法的激勵(lì)場(chǎng)源主要有兩種，一種是載流線圈或回線形式的磁源，另一種是接地電極形式的電流源。 發(fā)射的電流脈沖波形主要有矩形波、梯形波和半正弦波，不同波形有不同的頻譜，激發(fā)的二次場(chǎng)頻譜也不相同。 圖10.4.1矩形波圖10.4.2 矩形框磁力線 電流斷開(kāi)，t=0時(shí)刻：原電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)也很快消失，一次磁場(chǎng)的者一劇烈變化傳

5、播到空氣和地下導(dǎo)電介質(zhì)中，并在大地中產(chǎn)生感應(yīng)渦流場(chǎng)，最初激發(fā)的感應(yīng)電流局限于地表，以阻礙發(fā)射電流斷開(kāi)之存在的磁場(chǎng)衰減（螺旋管），由于介質(zhì)的歐姆損耗（熱損耗），這一感應(yīng)電流將迅速衰減，由它產(chǎn)生的磁場(chǎng)也迅速衰減，這種迅速壞見(jiàn)的磁場(chǎng)又在其周?chē)鷮?dǎo)電介質(zhì)中產(chǎn)生強(qiáng)度更弱的渦流，這一過(guò)程繼續(xù)下去，直至完全衰減，這就是瞬變電磁過(guò)程，伴隨這一過(guò)程的電磁場(chǎng)便是大地中的瞬變電磁場(chǎng)。地表各處感應(yīng)電流的分布也是不均勻的，在緊靠發(fā)射回線一次磁場(chǎng)最強(qiáng)的地表處感應(yīng)電流最強(qiáng)。 隨著時(shí)間的推移，地下的感應(yīng)電流便逐漸向下、向外擴(kuò)散。感應(yīng)電流呈環(huán)帶分布，渦流場(chǎng)極大值首先位于緊挨發(fā)射回線的地表下，隨著時(shí)間推移，該極大值沿著與地表成30

6、傾角的錐形斜面向下、向外移動(dòng)、強(qiáng)度逐漸減弱（美國(guó)地球物理學(xué)家MNNabghan）。圖10.4.4 穿過(guò)Tx中心的橫斷面內(nèi)電流密度等值線Tx=800400m圖10.4.3中示出了不同時(shí)刻穿過(guò)發(fā)射回線中心的橫斷面上地下感應(yīng)電流密度等值線。 圖10.4.3半空間等效渦流環(huán)從圖中可以看到等效電流環(huán)很象從發(fā)射回線“吹”出來(lái)的一系列“煙圈”，因此，人們將地下渦旋電流向下、向外擴(kuò)散的過(guò)程形象地稱(chēng)為“煙圈效應(yīng)”。 “煙圈”的半徑r、深度d的表達(dá)式分別為：（10.4.1） （10.4.2） 式中a為發(fā)射線圈半徑，當(dāng)發(fā)射線圈半徑相對(duì)于“煙圈”半徑很小時(shí)?？傻?： 故“煙圈”將沿47。傾斜錐面擴(kuò)散其向下傳播的速度為

7、： （10.4.3） 納米吉安指出，任一時(shí)刻地下渦旋電流在地表產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以等效為一個(gè)水平環(huán)狀電流的磁場(chǎng)，在發(fā)射電流剛關(guān)斷時(shí)，該環(huán)狀線電流緊挨發(fā)射回線，與發(fā)射回線具有相同的形狀，隨著時(shí)間的推移，電流環(huán)向下、向外推移，逐漸變形為園電流環(huán)，象從回線中“吹”出的“煙圈”。3.5.3 均勻大地上垂直磁偶源的瞬變電磁場(chǎng)及視電阻率定義1）瞬變電磁場(chǎng)的計(jì)算方法2）視電阻率公式3）視電阻率理論曲線瞬變場(chǎng)擴(kuò)散參數(shù)：1）磁偶源早期定義式條件2）磁偶源晚期定義式條件：瞬變電磁測(cè)深視電阻率理論曲線繪制雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)：理論曲線：1）回線回線裝置（磁偶源）水平層狀大地：曲線特點(diǎn)：首支與收發(fā)距r有關(guān)； 尾支2）電偶源 晚期3.

8、5.4 瞬變電磁測(cè)深的裝置形式圖1 重疊回線裝置示意圖 圖2 同一回線裝置示意圖 如圖1為重疊回線裝置。 1. 重疊回線優(yōu)點(diǎn): 1)為瞬變電磁法特有的組合，它與目的物耦和最緊2)發(fā)射線圈逐測(cè)點(diǎn)移動(dòng)，不會(huì)激發(fā)盲區(qū)3)發(fā)射磁距和接收磁距較大缺點(diǎn): 1)分辨率相對(duì)較低，因?yàn)橹荒苡^測(cè)垂直分量2)設(shè)備較重，鋪線較麻煩3)人文導(dǎo)體較多處很難避開(kāi) 2. 同一回線裝置如圖2，該裝置即為同一回線裝置。 優(yōu)點(diǎn): 1)主要響應(yīng)為一單峰，異常形狀較簡(jiǎn)單2)可觀測(cè)多個(gè)分量，能較精確地提供目的物傾角和深度信息3)設(shè)備較輕便，適用于航電異常檢查等深度淺、工作地區(qū)分散的工作缺點(diǎn): 1)一般發(fā)射磁距小2)勘探深度較小3. 中心

9、回線組合裝置圖3中心回線裝置示意圖 優(yōu)點(diǎn):1) 是重疊回線的變型，具有重疊回線的優(yōu)點(diǎn)2) 可觀測(cè)水平分量，分辨率較高 3) 接收回線可以避開(kāi)管道等人為導(dǎo)體，在人為導(dǎo)體較多的測(cè)區(qū)，其數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)于重疊回線缺點(diǎn)： 地質(zhì)體的不均勻性影響較重疊回線大4. 大回線外組合圖5 大回線回線外組合裝置示意圖 5. 大回線內(nèi)組合圖6 大回線回線內(nèi)組合裝置示意圖 優(yōu)點(diǎn)：1） 劃分異常比較詳細(xì) 2） 勘探深度大缺點(diǎn)： 1） 對(duì)陡峭傾斜礦激發(fā)不利 2） 方形回線太大，鋪設(shè)不便3.5.5 野外工作技術(shù)1. 裝置類(lèi)型的選擇1）一般準(zhǔn)則2）目的物參數(shù)的估計(jì)3）地質(zhì)環(huán)境4）電磁噪聲2. 回線大小的選擇1）重疊回線裝置是適用與輕

10、便型儀器的工作裝置，一般情況下回線邊L=H，H為探測(cè)目標(biāo)的最大埋藏深度。2）中心回線裝置發(fā)送回線邊長(zhǎng)按該區(qū)測(cè)深工作所需要的探測(cè)深度、覆蓋層平均電阻率、干擾電平及發(fā)送電流合理選定，也可以參照3）大定回線源裝置發(fā)送線框依據(jù)探測(cè)深度，在100m200m至300m600m范圍內(nèi)選用，長(zhǎng)邊應(yīng)平行地質(zhì)體走向鋪設(shè)，供電電流一般為1030A。在發(fā)送框內(nèi)、外用輕便線圈觀測(cè) 兩個(gè)正交分量。 4）在工程勘查中，一般使用回線邊長(zhǎng)為1020m，點(diǎn)距為510m的重疊回線工作。3. 道數(shù)和疊加次數(shù)的選擇一般來(lái)說(shuō)，在實(shí)際工作中選擇取樣道數(shù)希望盡可能多些，以記錄到在較寬的延時(shí)范圍內(nèi)的有用信號(hào)；而疊加次數(shù)則希望取得少些，以提高觀

11、測(cè)速度。這兩點(diǎn)主要決定于測(cè)區(qū)內(nèi)所用觀測(cè)裝置的信噪比。要想選擇合適的取樣道數(shù)和疊加次數(shù)，在一個(gè)測(cè)區(qū)開(kāi)始工作之前首先做些試驗(yàn)工作。如果最后幾道讀數(shù)為儀器噪聲電平，說(shuō)明有用信號(hào)都已記錄下來(lái)，取樣數(shù)和疊加次數(shù)選擇是合適的；如果最后的讀數(shù)超過(guò)噪聲電平但波動(dòng)較大，這表明還未達(dá)到噪聲電平，應(yīng)增加測(cè)道數(shù)和疊加次數(shù)，直到最后幾道僅為噪聲電平為止。 測(cè)區(qū)范圍應(yīng)根據(jù)工作任務(wù)和測(cè)區(qū)的地質(zhì)及地球物理工作程度合理確定，應(yīng)主要考慮以下因素：1）探測(cè)目標(biāo)的大小、埋深及與圍巖的電性差，為了保證所得異常的完整性，周?chē)幸欢ǚ秶恼１尘皥?chǎng)，以便分析對(duì)比。2）測(cè)區(qū)范圍應(yīng)盡可能包括已知區(qū)。3）大定源回線裝置不同發(fā)送回線的測(cè)區(qū)范圍相

12、銜接時(shí)，必須有一定的重疊面積。 4. 測(cè)區(qū)、測(cè)網(wǎng)的選擇五、 應(yīng)用實(shí)例1. 楊村煤礦四采區(qū)水文物探圖8 9測(cè)線反演視電阻率斷面圖2. 瞬變電磁法在徐州權(quán)臺(tái)煤礦34223工作面頂板水文探測(cè)中的應(yīng)用圖9 皮帶道TEM視電阻率斷面圖TEM與頻率域方法對(duì)比頻率域優(yōu)點(diǎn)：理論成熟，正反演解釋經(jīng)驗(yàn)豐富；儀器方面：窄帶放大，信噪比高；GDP32、V8等儀器工作效率高。缺點(diǎn)：靜電效應(yīng)；近場(chǎng)區(qū)、中區(qū)校正復(fù)雜；紀(jì)錄點(diǎn)問(wèn)題；受側(cè)向影響大；分辨能力差。CSAMT對(duì)大地耦合對(duì)薄導(dǎo)電層TEM優(yōu)點(diǎn)：觀測(cè)純二次場(chǎng)，消除了頻率域中裝置耦合噪聲；其噪聲源主要來(lái)自外界。對(duì)導(dǎo)電圍巖覆蓋層分辨率高。對(duì)大地：對(duì)薄導(dǎo)電層：在高阻圍巖條件下，地

13、形引起的假異常??；重疊回線提高了對(duì)地質(zhì)體的橫向分辨率。缺點(diǎn)：不能完整地記錄曲線；曲線首支畸變1）曲線特點(diǎn)：電測(cè)深曲線：曲線首支水平，曲線尾支45直線上升。大地電磁測(cè)深：曲線首支震蕩趨向于，曲線尾支63直線上升。CSAMT：曲線首支震蕩趨向于，曲線尾支45直線上升。瞬變電磁測(cè)深法：曲線首支于，曲線尾支63直線上升。2）各種方法特點(diǎn)：直流電測(cè)深法優(yōu)點(diǎn)：1）理論方法技術(shù)簡(jiǎn)單、成熟； 2）對(duì)淺層的地質(zhì)異常體分辨能力強(qiáng)；3）對(duì)高阻、低阻體均反映良好； 4）抗干擾。缺點(diǎn)：1）高阻屏蔽影響； 2）體積勘探，隨深度的加深分辨能力急劇下降；3）地形影響大； 4）生產(chǎn)效率較低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。大地電磁測(cè)深優(yōu)點(diǎn)：1）能穿透高阻屏蔽層； 2）對(duì)低阻層分辨能力高；3）探測(cè)深度大。 缺點(diǎn)：1）對(duì)淺層的分辨能力較差。 2）生產(chǎn)效率較低。CSAMT優(yōu)點(diǎn)：1）能穿透高阻屏蔽層； 2）對(duì)低阻層分辨能力高； 3）巖層各向異性影響小； 4）勘探深度大；5）儀器方面：窄帶放大，信噪比高； 6）工作效率高。缺點(diǎn)：1）靜電效應(yīng)； 2）近場(chǎng)區(qū)、過(guò)渡區(qū)校正復(fù)雜；3）紀(jì)錄點(diǎn)問(wèn)題； 4）對(duì)高阻層分辨能力差。瞬變電磁測(cè)深法優(yōu)點(diǎn)：1）觀測(cè)純二次場(chǎng)，不受靜態(tài)位移影響； 2）