瞬变电磁原理、仪器及应用
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) 3.2ATEM-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 (25) 5.4 关断时间的影响 (26) 5.5 发射边长的选择 (27) 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)
一第３８卷第１期物一探一与一化一探Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．１一一２０１４年２月ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＡＬ＆ＧＥＯＣＨＥＭＩＣＡＬＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮＦｅｂ．，２０１４一 ＤＯＩ：１０．１１７２０／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－８９１８．２０１４．１．２２ Ｅ?Ｅφ二Ｅ?Ｅｘ广域视电阻率对比与应用 王启１，王宏宇１，２，程党性３，４ （１．西北有色地质勘查局，陕西西安一７１００５４；２．中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙一４１００８３；３．中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西西安一７１００１８；４．低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安一７１００１８） 摘要：在准静态极限条件下，利用水平电偶极子电磁场电分量的表达式，讨论了Ｅφ分量二Ｅｘ分量的幅值范围三在均匀半空间的条件下水平电场Ｅφ分量二Ｅｘ分量幅值范围不同，测量Ｅφ分量计算广域视电阻率可以扩大野外的观测扇区，减小施工成本三数值计算结果表明广域电磁法也有近区的存在三通过二层地电模型的正演理论曲线的讨论以及野外实测数据的对比与分析，发现Ｅ?Ｅφ分量定义的广域视电阻率受观测角度的影响较Ｅ?Ｅｘ广域视电阻率小，在相应的观测扇区内不会发生视电阻率曲线畸变三 关键词：广域电磁法；Ｅφ视电阻率；Ｅ?Ｅφ装置 中图分类号：Ｐ６３１一一一文献标识码：Ａ一一一文章编号：１０００－８９１８（２０１４）０１－０１２０－０５ 一一广域电磁法［１］是由中国工程院何继善院士提出的一种全新的人工源频率域电磁测深方法三其创新之处在于：①定义了 广域视电阻率 ；②只需测量电磁场的一个分量；③可以在广大的二不局限于远区的区域进行观测；相对于ＣＳＡＭＴ法以及ＭＥＬＯＳ方法而言，具有明显的进步［２－３］三 实际应用中，目前多是采用广域Ｅ?Ｅｘ工作方式［４］，使用沿测线方向的水平电场Ｅｘ分量来定义广域视电阻率三Ｅ?Ｅｘ工作方式的优点是工作效率高，适合大面积勘探工作三然而由于Ｅｘ分量幅值范围的限制，导致Ｅ?Ｅｘ工作方式的观测扇形区域一般在３０?以内（与电偶极子垂线夹角），接近或超过３０?，由Ｅｘ定义的广域视电阻率的误差就会很大三基于广域电磁法的基本原理，利用人工源电磁场Ｅφ分量定义的广域视电阻率，对Ｅ?Ｅｘ工作方式加以改进三由于Ｅφ分量幅值范围与Ｅｘ不同，由Ｅφ分量定义的广域视电阻率可以扩大广域电磁法的测量扇区三理论计算与野外实际应用表明，当观测扇区接近３０?时，由Ｅφ分量计算得到的广域电阻率明显优于Ｅｘ方式的计算结果三在野外施工时可在小角度观测扇区内测量Ｅｘ分量，在其外一定区域内测量Ｅφ分量，二者相结合即可减小观测角度带来的广域视电阻率的计算误差，又可达到提高工作效率减小采集成本的目的三１一Ｅ－Ｅφ广域视电阻率 如图１所示，在准静态极限条件下，水平电偶极子位于地表，偶极距为ＩｄＬ（Ｉ为谐变电流，ｄＬ为偶极子长度）三选取有共同原点的圆柱坐标系与直角坐标系，使原点位于电偶极子的中心，ｘ轴与电偶极矩的方向相同（φ定义为观测点与电偶极矩方向的夹角，ｘ轴正向即是φ＝０?的方向），ｚ轴垂直向下 三 图１一均匀半空间坐标系示意 此时，电磁场的电场分量表达式为［５－８］ Ｅｒ＝ＩρｄＬｃｏｓφ ２πｒ３１＋ｅｉｋｒ（１－ｉｋｒ） []，（１） Ｅφ＝ＩρｄＬｓｉｎφ ２πｒ３２－ｅｉｋｒ（１－ｉｋｒ） []三（２） 收稿日期：２０１３－０１－０８ 基金项目：国家自然科学基金项目（４０８２７００２）
山东盛泉矿业有限公司 科技进步成果奖励申报书 成果名称：瞬变电磁法在有掘必探工作中的应用 完成单位：沈家峁煤矿技术科（盖章）协作单位：（盖章）填报日期： 2016 年 9 月 10 日
成果名称瞬变电磁法在有掘必探工作中 的应用 成果起止日期 成果的主要内容： 一、项目简介 随着矿井开采深度的加大，矿井水文地质条件日趋复杂，为防止矿井水害事故发生必须加强探放水管理，严格执行有掘必探、先探后掘、有采必探、先治后采的探放水原则，坚持物探先行、钻探验证、化探跟进的综合探测程序科学有效的开展井下探放水工作，原有的物探设备直流电法仪由于施工难度大、条件要求高、探测结果可靠性差已不符合井下物探要求，矿井瞬变电磁法是当前应用范围广的一种电法勘探技术。此方法观测的是二次场，能够较为直观的进行近区观测(能够使用重叠回线装置)，对低阻含水体特灵敏、不易受体积效应的影响、纵横向分辨率高，而且施工作业方便、快捷、效率比较高。因此，在煤矿水文地质探测方面有很高的应用价值。瞬变电法探测优点：高定向性（方位性)、高分辨率、有效探测距离大、适应性强、易于施工、效率高。YCS150型瞬变电磁仪具备操作简单、小功率、小线圈、大测深、分辨能力及抗干扰能力强、物探结果精度高、成图简单等优点现已投入使用，为更好的服务于井下探放水作业还需对瞬变电磁法探测的应用进行探索研究。 二、YCS150瞬变电磁施工方法 1、掘进迎头探测施工方法： 迎头超前探测，采用偶极共轴法，即发射线圈距接收线圈3-5米；发射线圈2*2米双匝，接收线圈直径0.6米；发射电压7.2V，电流2A;对迎头顺层方向、斜向上、两个平面分别按7个角度进行探测，探测距离为距迎头150米范围的前方视电阻率扇形图。布置方案如图1-1和1-2。 图1-1 现场施工布置框图
JSGY-2 型广域电磁仪 一、前言 JSGY-2 型广域电磁仪是湖南继善高科技有限公司最新研制开发的一款新型电磁仪，仪器以我国自主研发的、新的频率域电磁勘探方法——“广域电磁法”为理论基础，并配合先进的电子技术和计算机 技术，成功突破了传统人工源电磁法所固有的瓶颈，为客户更好地解决实际生产过程中所面临的问题。 该仪器集自动化、小型化、轻便化、节能化于一身，可广泛应用于油气藏/地热探测、页岩气探测、金属矿/地下水探测、煤田采空区探测等领域。 二、技术（方法、仪器）特点： 1、采用全域的“广域视电阻率”计算公式，不做简化，大大拓 展了人工场源电磁法的观测范围； 2、只测量一个电磁场分量，且多种频率同时发送和接收，抗干 扰能力强，提高了野外观测速度和精度； 3、可以在广大的、不局限于远区的区域进行观测，提高了野外 工作效率； 三、发送系统 发送系统由DGN-II型多功能信号控制器和JSDY-30电源柜组成。 多功能信号控制器采用高性能32位处理器和CPLD协同工作，既提供
了友好的用户界面和用户交互，同时也保证信号发送的稳定性和准确性，信号控制器可选择自同步或GPS同步工作。电源柜采用先进的电力电子技术和大功率开关技术，使得整个电源柜效率高、工作稳定、重量轻。 接收系统技术指标: 1. 发送波形：七频波、三频波。 2. 发送频率范围：0.011Hz～8192Hz； 3. 发送电压：≤1000V； 4. 发送电流：≤30A 5. 同步方式：GPS+恒温晶体同步、自同步 6. 同步精度：同步误差优于1us 7. 频率精度：优于0.1% 8. 电压精度：在80～1000V 时，优于1% 9. 电流精度：优于1%±100mA 10. 额定发送功率：30KW 11. 工作温度：-10～50℃ 12. 电源和AB 接线柱对机壳的绝缘电阻：≥100MΩ/1000V 13. 重量： DGN-II型多功能信号控制器：5kg JSDY-30电源柜：130kg 14. 外型尺寸： DGN-II型多功能信号控制器：33.9*29.5*15.2cm（L*W*H） JSDY-30电源柜：55*70*75cm（L*W*H） 三、接收系统 接收系统主机采用先进的军用笔记本，既方便携带进行野外作业，同时通过高性能的计算机平台可轻松完成多个通道并行高速数据的 实时采集、运算和处理。系统携带的高亮触摸液晶显示屏和基于Windows的操作软件为用户提供了方便、友好的操作。 接收系统技术指标:
瞬变电磁法在地质勘探中的应用 姓名：杨帅班级：资工803 学号：20081338 摘要:在地下水勘查工作中,用常规物探方法难以划分地层的结构、确定断裂构造的位置、查明基岩面的起伏形 态及判断地下水的赋存状况。通过瞬变电磁法(TEM)勘测并结合钻孔资料分析,对上述地质问题有了一些突破性 的认识,证明了瞬变电磁法在勘查工作中的有效性。当地下存在电性不均匀体时,通过瞬变电磁法会观测到电性 不均匀体的涡流异常场,进而推断矿体、地下水、地质构造等地下盲体的存在和部位。依据此特征成功地将瞬变电 法在探测中进行了应用。 关键词:瞬变电磁法;视电阻率;等值线;地下水勘查 0前言 随着我国国民经济快速发展,对能源的需求日益增大。 煤炭是我国目前主要能源之一,在煤矿生产和建设中,地质 构造直接影响煤矿生产安全生产和建设的重大灾害之一。 由于瞬变电磁法易于加大勘探深度,具有分辨能力强、工作效率高、受地形影响小等特点,近几年越来越受到人们的重视,被广泛用于油气田、地热、煤炭以及地下水勘查等领域。可以借助被探测地质体所产生的瞬变效应来划分地层结构、确定地质构造的位置、查明基岩面的起伏形态及判断地下水的赋存状况。 1勘探区概况 勘探区位于太行山西麓,沁水煤田东北部边缘中段, 地表部分面积被黄土覆盖,仅在工区内有部分基岩出露, 其它部分地段基岩出露。根据周边出露及揭露地层由老到 新有奥陶系中统峰峰组、石炭系中统本溪组、上统太原组、第四系。
该区的电性特征:第四系多由黄色、红棕色、褐色亚 粘土及砂土组成,不整合于各时代地层之上。厚度不大, 导电性能强,整个新生界松散层及地表强风化岩层从全区 资料对比来看均呈相对中低阻反映。 二1煤层顶板大占砂岩裂隙较发育,含有裂隙水,是煤层顶板直接含水层。采掘使煤层顶板岩层变形、破坏,形成冒落带、裂隙带和弯曲变形带。区内顶板砂岩虽厚度大、且较稳定,裂隙亦较发育,但由于其上被多层砂质泥岩、泥岩隔水层所分割,补给和储存条件均较差,富水性弱。因此煤层顶 板砂岩孔隙裂隙水常以滴水、淋水的形式进入矿井,很少形成突水。由于砂岩赋水的不均一性,在其富水区及导水裂隙密集带,顶板砂岩会形成突水,但突水量一般不会太大。3·2导水通道 充水通道主要有断裂导水通道、煤层顶板采动裂隙通 道、煤层底板采动裂隙通道、废弃井筒、巷道等。矿区覆盖层 沉积厚度不大,前部裂隙和开采后的塌陷为上部煤层开采充足水通道;局部断层2侧岩层裂隙发育带,为矿井的主要充 水通道;煤层开采后,地质条件发生变化,断层带的稳定性遭 受破坏,可成为矿井的充水通道;区内勘探阶段封闭不良的 钻孔和废弃井筒也可成为矿井的充水通道。 4结论 (1)主要含水层为碳酸盐类岩溶裂隙含水层、碎屑岩类 孔隙裂隙含水层和松散岩类孔隙含水层。 (2)韩庄矿的充水水源主要为煤层顶底板砂岩裂隙水、 沿裂隙通道入渗的第四系松散孔隙水、太原组岩溶裂隙水和寒武系岩溶裂隙水,老窑水为主要威胁水源。 (3)充水通道为断层带裂隙发育及采空塌陷带。 参考文献: [1]房佩贤,等.专门水文地质学[M].北京:地质出版社,1996. [2]杨孟达,等.煤矿地质学[M].北京:煤炭工业出版社,2000.
矿井直流电法勘探涵盖了巷道顶底板电测深法和矿井高密度电阻率法这两种方法，两者属于频率域，而矿井瞬变电磁法则为时间域的方法。 1直流电法技术的基本原理 直流电法勘探是测定岩石电阻率的传统方法。它通过一对接地电极把电流供入大地中，而通过另一对接地电极观测用于计算岩石电阻率所必需的电位或电位差信息（见图1）。 图1 电法勘探工作原理示意图 一个点电源O 在均匀介质中的电场形态为球形(见图2) ，每个球壳为一个等电位面，不同等电位面上A、B 两点会产生电位差，电位差的大小与其通过的介质的导电性(电阻率)有关。 此时通过直流电法仪测得A、B 两点的电位差，即可计算出介质的视电阻率。 A' j电流线 图2点电源在均匀介质中的电场形态 矿井直流电法勘探在井下巷道内安放物理场源和接收装置，因测点位置靠近勘探对象，缩短了目标体的探测距离，许多在地表无法探测到的较小规模地电异常体，在井下可获得较强异常响应，为提高电法勘探应用能力创造了有利条件。 巷道顶底板直流电测深法装置形式 固定MN法（施伦贝尔装置）
工作布置方式为A---M-O-N---B ，即以 O 点为中心，两边对称布置A 、M 、N 、B 四个电极四个电极按比例由近及远同步移动。 三极装置（常用于井下迎头超前探测） 工作布置方式为A---M — O —N----B （*）。即以 O 点为中心，两边对称布置M 、N 两个电极，A 、M 、N 三极由近及远逐步移动，B 极位于无穷远处。 图2 三极测深法示意图 上述两种装置中A 、B 、均为供电电极，用于向岩层供电；M 、N 均为测量电极，用于探测地电场电压，根据测出的电流、电压值结合装置系数就可以换算出地层视电阻率值。通过对不同深度地层的视电阻率值进行全方位探测和综合分析，就可以达到探测岩性或构造的目的。 矿井高密度电法 巷道顶底板电测深法由于受其观测方式的制约，不仅测点稀，工作效率低信息量小，而且更难从多种电极排列去研究地电断面的特征、结构与分布。因此，所提供的关于地电断面的地质信息贫乏，资料解释存在相当困难。为了克服上述困难与不足，更好的发挥物探在工程勘察中的优势，便发展出了高密度电阻率这项新的勘探技术。 其在原理上属于电法勘探中电阻率法的范畴，它是以岩土体的电性差异为基础，以研究在施加电场的作用下，地下传导电流的变化分布规律，它是在常规电法勘探基础上发展起来的一种新的勘探方法。高密度电法集中了常规剖面法和电测深法两者的特点，不仅可以观测地下一定深度范围内横向电性变化情况，同时还可以观测垂向电性的变化特征，总体而言具
《地球探测与信息技术基础》 课程作业 题目：瞬变电磁法在地球勘探上的应用 姓名：周桥立 班级：064101 学号：20101003648 授课教师：胡祥云 2013 年 04 月 20日
摘要 瞬变电磁法是近年来电法勘探领域一种重要方法，是根据地壳中岩石或者矿体的导电性及介电性等电学性质的差异，研究电磁场的空间或时间分布规律，从而解决各种地质问题。目前已经发展为探测油气、金属和非金属矿产的一种重要方法，并且在深部地质构造研究、工程勘察、油气、矿产、水、地热勘探等领域得到广泛应用。
目录 1．概述 (4) 2. 瞬变电磁法 (5) 3．正演问题的研究 (8) 4．瞬变电磁勘探的应用 (12) 5．总结 (14) 参考文献 (15)
一、概述 电磁场理论的应用已经遍及地学、生命科学、医学、空间科学、信息科学等几乎所有的技术科学领域,同时这些工程技术领域对电磁理论研究也不断地提出各种新的要求. 电磁法勘探是基于研究电磁波在导电介质中传播特性,从而达到研究地下地质体赋存特性的目的. 通过天然或人工场源在大地中激励的交变电磁场,研究电磁场的空间和时间分布,分析观测到的磁场信号,得到地下目标体的电性分布特征的一种地球物理方法。 瞬变电磁测深法( Transient elect romagneticmet hod ,简称TEM) 是电磁法勘探中应用较广的一种,是近年来在工程地质勘察中普遍应用的时间域电磁探测方法. 它是利用阶跃波或其它脉冲电流场源激励,在大地产生过渡过程场,断电瞬间在大地中形成涡旋交变电磁场,测量这种由地下介质产生的二次感应电磁场随时间变化的衰减特性,从测量得到的异常信号中分析出地下不均匀体的导电性能和位置,从而推断矿体、工程基础、地下水、地质灾害、工程病态等地下目标体的分布性态. 该技术具有灵敏度高、分辨率强、探测深度大、灵活多变适应性强以及轻便、快速、廉价诸多优点,近年来发展十分迅猛,应用前景十分广阔. 目前,瞬变电磁法已经成为地球物理探测领域内的重要方法之一. 已广泛应用于水利、交通、城建、环保、考古等部门. 成功地解决了大量实际问题。 近年来，计算机技术的进步使瞬变电磁法的二维与三维正演模拟计算方法得到了迅速的发展，目前常用的有有限元法、有限差分法和积分方程法等。瞬变电磁法的三维正演模拟受到科学工作者的重视，深入研究三维瞬变电磁法以提高其应用水平和解释精度，具有重要的理论和现实意义。
2.1频率域电磁法 电磁法是根据电磁感应原理研究天然或人工(可控)场源在大地中激励的交变电磁场分布，并由观测到的电磁场分布研究地下电性及地质特性的一种地球物理方法。电磁法分为频率域电磁法(FEM)和时间域(或称瞬变)电磁法(TEM)。大地电磁法(MT)和可控源音频大地电磁法(CSAMT)是频率域电磁法在国内应用最多的两种方法。 (1)大地电磁测深法(MT): 20世纪50年代初，Tikhonov和cargniard提出大地电磁测深法，该方是利用起源于高空电离层的赤道雷击的天然场源，假设以平面波形式垂直入射匀各向同性层状大地表面，并在地表通过测量Ex和Hy(或者场Ey和Hx)并按式(l一l) 计算大地视电阻率，巧妙地消去与场源有关的因素，成功提取到地下的电学信息确实是电磁法勘探历史上的一大进步。另外，天然电磁场具有很大的能量且分在较宽的频带上，只要选择合适的频率区间，MT法可以探测地下数百公里深范围内的电性变化，这是任何人工源电磁测深所难以达到的，它还具有受高阻屏蔽的影响小，对低阻层反应灵敏等特点〔10一，4J。但是，由于天然场源的随机性，测量信号的微弱及频率和大小不定，MT法需要花费巨大努力来记录和分析野数据，这样影响了勘探效率，大大提高了勘探成本。同时电阻率计算公式是正交分量之比的平方，两个分量的观测误差都被带入结果中，再经平方使误差加放大，影响精度。衍生出的音频大地电磁法AMT主要研究较浅处的电性变化 (2)可控源音频大地电磁法(CSAMT): 是加拿大多伦多教授D.wstrangway和他的学生MyronGoldstein针对MT法天然场源的随机性和信号微弱使得MT法的精度和效率都很低这两个弱点出来的，他们发现，采用可以控制的人工场源，能够克服MT的缺点。在人工场源的“远区”，Ex和Hy(或者马和Hx)之间同样存在像MT法那样的关系，援用cargniard
瞬变电磁法探测原理 瞬变电磁法，即Transient Electromagnetic Method(简称TEM)，是利用不接地回线 或接地线源向地下发送一次脉冲场，以激励地层介质感生电磁场，在一次脉冲场间歇期间 利用同一回线或电偶极接收感应电磁场。其物理基础是电磁感应原理，据此理论在电导率 和磁导率均匀的大地上，铺设输入阶跃电流的回线，当发送回线中电流突然断开时，在下 半空间就要被激励起感应涡流场以维持在断开电流前存在的磁场，此瞬间的电流集中在回 线附近的地表，并按指数规律衰减。 在发送一次脉冲磁场的间歇期间，观测由地下地质体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应电磁场(或称响应场)。地层介质被激励所感应的二次涡流场强弱决定于地层 介质所耦合的一次脉冲磁场磁力线的多少，二次场的大小与地下介质的电性有关：低阻地 质体感应二次场衰减较慢，二次场电压较大；高阻地质体感应二次场衰减较快，二次场电 压较小。根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断地下地质体的电性、性质、规模和产状等，由于瞬变电磁仪接收的信号是二次涡流场的电动势(纯异常响应)，对二次电位进行归 一化处理后。根据归一化二次电位值的变化特征，可间接地探测各种地质构造问题。因此，瞬变电磁作为一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法，是根据地质构造本身存在 的物性差异来间接判断有关地质现象的一种有效的地质勘探手段。 瞬变电磁场在大地中主要以“烟圈“扩散形式传播，在这一过程中，电磁能量直接在 导电介质中传播而消耗，由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是
源下面的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。从烟圈效应的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反应浅部电性分布，晚期瞬变电磁场是由深部的感应电磁场产生的，反应深部的电性分布。因此，观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电位的垂向变化。 矿井瞬变电磁法原理与地面电磁法原理基本相同，所不同的是矿井瞬变电磁法是在井下巷道内进行瞬变电磁场呈全空间分布,接收线圈接收的信号是来自发射线圈上下两个方向全空间岩石电性的综合反映。
第三节瞬变电磁法（TEM） 一、方法原理 瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源通以脉冲电流为场源，以激励探测目的物感应二次电流，在脉冲间歇测量二次场随时间变化的响应。当发射回线中的电流突然断开时，在介质中激励出二次涡流场（激发极化场），二次场从产生到结束的时间是短暂的，这就是“瞬变”名词的由来。在二次涡流场的衰减过程中，早期以高频为主，反映的是浅层信息，晚期以低频为主，反映的是深层地下信息。研究瞬变电磁场随时间变化规律，即可探测不同导电性介质的垂向分布。 瞬变电磁法的探测深度与回线线圈的大小、匝数有关，线圈越大、匝数越多，探测的深度就越深。 瞬变电磁法的观测是在脉冲间隙中进行，不存在一次场源的干扰，这称之为时间上的可分性，脉冲是多频率的合成，不同的延时观测的主频率不同，相应的时间场在地层中的传播速度不同，调查的深度也就不同，这称之为空间的可分性。由这两种可分性导致瞬变电磁法有以下特点：把频率域法的精确度问题转化成灵敏度问题，加大功率，灵敏度可以增大信噪比，加大勘探深度；在高阻围岩地区不会产生地形起伏影响的假异常；在低阻围岩地区由于是多道观测，早期道的地形影响也较易分辨；可以采用同点组合（同一回线、重叠回线等）进行观测，使与探测目标的耦合最好，取得的异常强，形态简单，分层能力强；线圈点位、方位或接收距要求相对不严格，测地工作简单，功效高；有穿透低阻覆盖层的能力，探测深度大；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。 二、地球物理前提 由于瞬变电磁法是观测断电后由一次脉冲激励出的二次涡流场随时间的变化规律，二次涡流场随时间的衰减快慢和强弱与被探测介质（道碴、混凝土、岩石等）及介质状态（含水与干燥、完整与破裂）有关，TEM法衰减曲线的变化过程反映了检测点由高频到低频、由浅层到深层的地质信息变化过程。检测的参数是各层规一化的电阻率，对实测的衰减曲线进行反演拟合，绘制地下电性分层及分层的电阻率柱状图，进而以反演拟合曲线为基础，绘制成曲线簇断面图、等值线断面图及电性分级断面图。 TEM法主要用于隧底检测。隧底结构的正常场，一般情况下，干燥的道碴与铺底砼、基岩相比，相对电阻率高、电导率低，铺底砼的电阻率次高、电导率次低，基岩的电阻率相对较低、电导率相对较高，略高于铺底砼。当隧底结构出现异常，有裂损的铺底砼与完好的铺底砼相比，电导率升高、电阻率降低。如果在铺底层与基岩顶面之间有干虚碴层或存在吊空、松散层时，则将出现低电导率、高电阻率层；相反，虚碴层、松散层含水时，则出现高电导率、低电阻率。因此，用TEM法对隧底进行检测后，将实测的衰减曲线进行反演拟合，并以反演拟合为基础，绘制成电性分级断面图等图件，最后结合收集的既有资料（隧底结构图、竣工图、施工开挖地质情况等），对这些图件进行分析解释，提供隧底结构分层（道碴层、铺底层、基岩面、道碴充水充泥段和陷槽段）、有无底板层（含仰拱）、底板层破损段、
直流电法、高密度电法和瞬变电磁法比较 矿井直流电法勘探涵盖了巷道顶底板电测深法和矿井高密度电阻率法这两种方法，两者属于频率域，而矿井瞬变电磁法则为时间域的方法。 1直流电法技术的基本原理 直流电法勘探是测定岩石电阻率的传统方法。它通过一对接地电极把电流供入中，而通过另一对接地电极观测用于计算岩石电阻率所必需的电位或电位差信息（见图1）。 图1 电法勘探工作原理示意图 一个点电源O 在均匀介质中的电场形态为球形(见图2) ，每个球壳为一个等电位面，不同等电位面上A、B 两点会产生电位差，电位差的大小与其通过的介质的导电性(电阻率)有关。 此时通过直流电法仪测得A、B 两点的电位差，即可计算出介质的视电阻率。 A B C C' B' O A' j电流线 等电位面 图2点电源在均匀介质中的电场形态 矿井直流电法勘探在井下巷道安放物理场源和接收装置，因测点位置靠近勘探对象，缩短了目标体的探测距离，许多在地表无法探测到的较小规模地电异常体，在井下可获得较强异常响应，为提高电法勘探应用能力创造了有利条件。 巷道顶底板直流电测深法装置形式
固定MN 法（施伦贝尔装置） 工作布置方式为A---M-O-N---B ，即以 O 点为中心，两边对称布置A 、M 、N 、B 四个电极四个电极按比例由近及远同步移动。 三极装置（常用于井下迎头超前探测） 工作布置方式为A---M — O —N----B （*）。即以 O 点为中心，两边对称布置M 、N 两个电极，A 、M 、N 三极由近及远逐步移动，B 极位于无穷远处。 图2 三极测深法示意图 上述两种装置中A 、B 、均为供电电极，用于向岩层供电；M 、N 均为测量电极，用于探测地电场电压，根据测出的电流、电压值结合装置系数就可以换算出地层视电阻率值。通过对不同深度地层的视电阻率值进行全方位探测和综合分析，就可以达到探测岩性或构造的目的。 矿井高密度电法 巷道顶底板电测深法由于受其观测方式的制约，不仅测点稀，工作效率低信息量小，而且更难从多种电极排列去研究地电断面的特征、结构与分布。因此，所提供的关于地电断面的地质信息贫乏，资料解释存在相当困难。为了克服上述困难与不足，更好的发挥物探在工程勘察中的优势，便发展出了高密度电阻率这项新的勘探技术。 其在原理上属于电法勘探中电阻率法的畴，它是以岩土体的电性差异为基础，以研究在施加电场的作用下，地下传导电流的变化分布规律，它是在常规电法勘探基础上发展起来的一种新的勘探方法。高密度电法集中了常规剖面法和电测深法两者的特点，不仅可以观测地下一定深度围横向电性变化情况，同时还可以观测垂向电性的变化特征，总体而言具有以下
矿井瞬变电磁探测技术与应用 岳建华，姜志海 （中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州２２１００８） ［摘要］扼要介绍了矿井瞬变电磁法的发展背景、技术特点、井下施工的装置形式，论述了矿井瞬变电磁法相关理论基础，指出了矿井瞬变电磁法的特点，结合实践说明矿井 瞬变电磁法是一种有着良好应用前景的探测技术。 ［关键词］矿井瞬变电磁法；磁偶源；全空间 ［中图分类号］Ｐ６３１．３＋２５［文献标识码］Ａ［文章编号］１６７２!９９４３（２００６）０５!００７２!０４ ０引言 地质勘查是煤矿水害和煤与瓦斯突出灾害防治工作的第一步。只有准确查明诱发灾害事故的地质因素，掌握和控制地质构造并探明水、瓦斯富集区和地应力集中区的情况，才有可能超前采取措施进行治理，从而避免或减少煤矿灾害事故的发生。目前，我国上百个煤矿开展过矿井直流电法勘探工作，取得了良好的应用效果，但当遇到巷道掘进头超前探测，破碎顶板电极接地困难，巷道极短造成的直流电法难以组织有效施工等问题时，矿井直流电法勘探有其局限性。为此，中国矿业大学资源学院地球探测与信息技术系将瞬变电磁法引入井下［１］，在东部矿区十多对矿井开展了矿井瞬变电磁法的试验、应用工作，中国科学院地质与地球物理研究所白登海［２］等也进行了此类研究。 １瞬变电磁理论发展现状 目前矿井瞬变电磁法应用借鉴的均是地面瞬变电磁法的基本理论，尚未形成自己的理论体系。对于地面瞬变电磁法，西方研究比较完善［３］。在一维层状方面，Ｗａｉｔ给出了均匀层状大地研究理论，Ｈ．Ｆ．Ｍｏｒｒｉｓｉｏｎ提出了层状半空间瞬变电磁场定量解释方法，１９８１年，Ｒａｉｃｈ和Ｓｐｉｅｓ给出了适合于延时、电导率和层深改变的二层均匀大地的理论曲线；１９７９年，Ｍ．Ｎ．Ｎａｂｉｇｈｉａｎ提出了用作解释与反演的“烟圈”理论，１９８２年Ｒｉｇｈｔ提出用Ｇａｖｅｒ－ｓｔｅｈｆｅｓｔ算法进行反演，比用傅里叶变换进行反演更为有效，更为稳定，１９８５年Ｒａｉｃｈｅ提出用共框ＴＥＭ测深数据和对称四极电阻率测深数据进行联合反演。在二维方面，１９８０年Ｋｕｏ和Ｃｈｏ首次用有限元法解时域中的变分方程，求任意二维地电断面的瞬变响应并用中心差分来代替热传导方程中对时间的导数。１９８３年Ｇｏｌｄｍａｎ等引进积分－差分的混合算法，计算了垂直磁偶极子激发下轴对称模型的ＴＥＭ响应。Ｏｒｉｓｔａｇｌｉｏ等在１９８４年用有限差分法计算了二维地电断面，Ｊ．Ｉ．Ａｄｈｉｄｇａａ，在１９８５年用有限差分法计算导电半空间二维体的瞬变响应，并研究了导电围岩和导电覆盖层对ＴＥＭ的影响。Ｇｏｌｄｍａｎ等在１９８４年提出用有限元法解二维地电断面问题，并在１９８６年用有限元法研究了无限长线源激发下，任意二维地电断面的ＴＥＭ响应。在三维方面，Ｈｊｅｌｔ给出了瞬变偶极场中两层球体的似稳态瞬变电磁场解，Ｌｅｅ计算了层状大地中导电球体的ＴＥＭ响应，在１９８１年采用解积分方程的众数匹配法求解，进一步阐明了导电围岩中球体的异常与自由空间中异常的差别。ＳａｎＦｉｌｉｐｏ（１９８５）计算了矩形回线中阶跃电流激发下棱柱体的瞬变电场的数值解。Ｇｕｎｄｅｒｓｏｎ等人在１９８６年研究了三维层状大地的ＴＥＭ响应，同年Ｎｅｗｍａｎ和Ｈｏｈｍａｎ研究了层状大地中三维体的ＴＥＭ响应规律［３］。 对于瞬变电磁法正反演来说，国内的有关研究与报道较少。盛圣圣与牛之琏推导了激励电流为阶跃波的中心回线及重叠回线装置情况下，层状大地的瞬变电磁感应电压的余弦积分表达式，并引入一种线性数字滤波方法来评价这种震荡类型的积分，同时利用所建立的程序库，计算了一维层状大地模型上的瞬变电磁正演响应［４］。丁世荣， 电子与计算机技术 基金项目：高等学校博士学科专项科研基金资助课题（２００５０２９０５０１）
瞬变电磁法检测技术 摘要：本文是对瞬变电磁法（TEM）检测的一个综述，该方法具有许多独特的检测优势。 文中首先介绍了瞬变电磁法的相关理论知识，包括基本原理、一次场传播途径 等，然后简单叙述了瞬变电磁法的优点与局限性，最后就其应用做了简单介绍， 如在地质勘探、埋地管道等检测中的应用。 关键字：瞬变电磁检测应用 引言 瞬变电磁法（TEM）是地球物理探测中最有效的电磁方法之一，与其他检测方法相比具有简单易行、探测深度大、受地形干扰小、不受一次场干扰等优点，近年来在国内外发展迅速，其应用范围已经涉及地矿、石油、水利、电力、铁道、交通、有色、国防工程等各个领域,并且已经取得了显著效果。国外对瞬变电磁法的研究开展较早，已取得一些成绩，而在我国，对瞬变电磁检测方法的研究始于上世纪70年代，由最初的金属矿勘探到地热、水资源、水文地质、环境与工程地质的探测，近年来应用日益广泛。大功率、大动态范围、高密度时序序列数据采样、三分量同步观测、低噪声仪器性能将是先进TEM仪器发展的主要趋势。 1 瞬变电磁法检测理论 瞬变电磁法利用不接地回线（磁源）或接地线源（电流源）向地下发送一次脉冲，通常称为一次场。该稳定磁场由闭合稳定电流产生，然后在某一时刻将电流中断，一次场随之消失。根据电磁学原理，地下的导电介质将产生一个大小相等、方向相反的涡流场以阻止一次场的消失，这个涡流场叫二次场。由于二次场包含有地下地质体丰富的地电信息，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或者接地电极观测二次场（或称场效应），通过对这些信息的提取与分析，从而达到探测地下地质体的目的。所研究的是场效应与时间的关系，故称之为时间域电磁法。由于一次场和二次场均为瞬态场，也称之为瞬变电磁法。 一次场以两种途径传播，第一种是：电磁波首先以光速在空气中传播到地表
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)
瞬变电磁法 1、概述 顺便电磁法（TEM）属于时间域电磁法，它是的原理是根据地壳中岩石或者矿体的导电性及介电性等电学性质的差异，以不接地的回线或者是连接地线通上脉冲电流为场源，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，有一个瞬变的过程。可以通过判断和分析二次的时空变化特征，来判断地下地质体的电性特征，找出其位置，产状和埋深等特征。具有可以同时的具有时间和空间的可分性、探测深度达、分辨率高、信息丰富等优点。近几十年来，我国科学技术快速进步，经济迅猛发展，各项基础建设稳步展开，对于各种矿产资源、能源、地下水资源等的需求快速增加。同时，各项建设中遇到了许多工程问题，如公路建设中的地下空洞、煤田开采中的陷落柱、隧道开挖中的突水问题等等。这些因素在一定程度上制约着我国经济的发展，而顺便电磁法的出现，利用其测量方面的优势，已经发展成为探测油气、金属和非金属矿产的一种重要方法，并且在深部地质构造研究，工程勘察、油气、矿产、水、地热勘探等领域得到了广泛的应用。可以很好地保证资源供给，减少经济损失，加快建设进度。 2、研究现状 2.1、研究历史 对勘测工程工作的种种困难，把瞬变电磁法应用到地质勘探中的想法在上世纪30年代就有人提出来。最初的时域电磁法是利用到了L.W.Blan在1993年获得专利，用电磁脉冲激发提供电偶极形成电场。随后在前苏联有人提出了瞬变电磁测深法。在50年代，前苏联、加拿大、美国等国已经开始就瞬变电磁法的理论与应用技术进行了深入的研究，同时期由J.R.Wait 提出了使用瞬变电磁场法寻找导电矿体的理念。前苏联也基本已经建立了瞬变电磁法与野外施工的技术方法，更在70、80年代开展了大量的测量工作，特别是在二维和三维测量的方面就有了很大的进步，这使的瞬变电磁法在地质勘探上运用有了很大的发展。随着计算机的发展，西方各国在瞬变电磁法的二三维正演模拟方面也取得很大的成就。 我国于20世纪70年代研究TEM法。长春地质学院地矿部物化探研究所、中南工业大学、西安地质学院、中国有色金属工业总公司及中国地质大学等单位都在方法理论仪器及野外试验方面进行了一定的工作，先后研发出瞬变电磁系统，取得了很大的研就成果。至今TEM法一直处于蓬勃发展和广泛应用阶段。总的来看，目前国内已比较完整地建立了TEM 法的一维反演及方法技术理论，并自行研制了一些功率较小的仪器。 2.2、仪器的发展现状 近十几年来，伴随着计算机技术的快速的发展，瞬变电磁仪经过五次改进更型。性能稳定、实用可靠的商品化瞬变电磁仪器始于70年代初期，最先推出商品仪器的为加拿大CRONE地球物理公司，目前国内外商品化仪器大约有十几种。 2.2.1国外瞬变电磁仪 加拿大CRONE地球物理公司的DigitalPEM系统，匹配2.4 kW和4.8 kW二种发射机，发射机的发射电流下降沿固定模式有200Ls、300Ls、500Ls、1000Ls、1500Ls五种，发射线圈为任何状态、任何大地耦合条件下，发射机都可自动调整发射电流下降沿时间保持不变，接收传感器为棒状探头，探头脚架为可调式支架，能方便地调节探头地状态以满足测量三分量的要求，工作装置主要为中心回线、定源大回线和偶极~偶极。配有地~井TEM系统，井中三分量探头为分体式，即垂直分量和水平分量为二个探头，野外工作时每一激发回线状态下，分别测量垂直分量和水平分量，这样相对降低了工作效率，但大大增加了安全性，由于
第22卷 第4期 地 球 物 理 学 进 展V ol .22 N o .42007年8月(页码:1195～1200) P ROG RESS IN G EOP H YSICS A ug . 2007 瞬变电磁法理论与应用研究进展 薛国强1, 李 貅2, 底青云1 (1.中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029;2.长安大学地质工程与测绘工程学院,西安710054) 摘 要 对国内外瞬变电磁法的方法研究概况、理论研究、仪器状况以及在应用领域的研究进展情况做出了综述性评价.瞬变电磁法的理论研究主要涉及正演方法、反演方法、资料处理方法.瞬变电磁法的应用领域包括地面、海洋、航空以及地下等不同工作场地.同时指出瞬变电磁法的发展趋势为研究三维正反演、多分量观测、成像技术、微信号分析等,以及注重发展海洋、井下、航空瞬变电磁法等.关键词 瞬变电磁法,理论与应用,研究进展 中图分类号 P631 文献标识码 A 文章编号 1004-2903(2007)04-1195-06 The progress of TEM in theory and application XUE Guo -Qiang 1 , LI Xiu 2 , DI Qing -Yun 1 (1.I nstitute o f Geo log y and Geoph ysics ,Chinese A cademy o f Sciences ,Beijing 100029,Ch ina ;2.S chool o f Geo log y and S ur vey En gineer ing ,Chang ,an Un iver sity ,X i ,an 710054,China ) A bstract We give the to tal condition of T EM study include techno lo gy ,theo ry ,instrument and application ,the the -o ry study mainly include fo rw ard calculation metho d ,inver se problem and da ta pro ce ssing scheme .T he applicatio n o f it include ea rth sur face ,sea and aerial survey ,subsurface explora tion .We also give advance prog ress the o f T EM ,include study ing 3D fo rwa rd and inv erse calcula tion ,multi -co mpo nent survey techno lo gy ,imaging study ,and w eak signal a nalyses ,as well as ,sea ,tunnel ,aerial T EM develo ping . Keywords tr ansient elect romag netic me tho d ,theo ry and applicatio n ,study pro g ress 收稿日期 2007-04-10; 修回日期 2007-06-20. 基金项目 中国博士后基金(2005038388),中国科学院王宽诚博士后奖励基金,中国科学院知识创新项目((KZCZ -yw -113).)国家自然科 学基金重点项目(50539080)联合资助. 作者简介 薛国强,男,1966年生,1989年于西安地质学院获学士学位,2002年于长安大学获硕士学位,于2005年于西安交通大学获博士 学位.研究方向为电磁探测理论与应用.(E -mail :ppxueguoqiang @https://www.doczj.com/doc/4f10094646.html, ) 0 引 言 瞬变电磁法(TEM )是一种时间域的电磁探测方法.介质在一次电流脉冲场激励下会产生涡流,在脉冲间断期间涡流不会立即消失,在其周围空间形成随时间衰减的二次磁场.二次磁场随时间衰减的规律主要取决于异常体的导电性、体积规模和埋深,以及发射电流的形态和频率[1～6].因此,我们可以通过接收线圈测量的二次场空间分布形态,了解异常体的空间分布[1～6]. 瞬变电磁法在上世纪30年代最早由前苏联科学家提出,当时采用的是远区工作模式.但是,利用电流脉冲激发供电偶极形成时域电磁场的是1933年由美国科学家L .W .Blau 最先提出,当时利用不 同电导率地层界面电磁波的反射与地震反射波信号的相似性,进行了大量的实验和比较.到了上世纪 50～60年代,前苏联科学家成功地完成了瞬变电磁法的一维正、反演,建立了瞬变电磁法的解释理论和野外工作方法之后,瞬变电磁法才开始进入实用阶段.上世纪60年代以后,当意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,该方法有了一个快速发展.随之,“短偏移”、“晚期”、“近区”、等技术研究迅速发展起来.美国等西方国家在上世纪70～80年代之间,短偏移法一直处于研究和试验阶段,未被广泛运用,而长偏移法已得到了应用,特别是在地热调查和地壳结构的调查中.随后一些专家对瞬变电磁法的一维正反演及方法技术进行了大量研究[7].我国于70年代初开始研究TEM ,长