瞬变电磁实例(专业教学)

瞬变电磁仪——以PROTEM为例Transitional EM Instrument——As Example by PROTEM刘国栋（北京欧华联科技责任有限公司 BOST in China）摘要：本文以PROTEM瞬变电磁仪为例，讨论了如何提高瞬变电磁仪发射系统的发射偶极矩，以及关断时间，电流脉冲宽度等对二次场（瞬变场）的影响；同时也讨论了对接收系统的技术要求，其中包括分辨率，动态范围，三分量接收和叠加等问题。

此外，还讨论了瞬变电磁法在矿产资源，地下水，煤田和油气田以工程和环境勘探等方面的应用问题。

Abstract: In this paper, it has been described that how to improve the transmit dipole moment of transmitting system and also introduces the effect on secondary field（transitional field）brought by the turn-off time and width of current impulse by taking PROTEM for example. It described the technical requirement of receiving system in which included resolution，dynamic range，three-component and data stacking. Beside the cases study including the applications for mineral, underground water, seam layer as well as oil and gas explorations.一、引言最近几年来瞬变电磁法在国内发展很快，在矿产资源勘探、煤田储水构造和地下水探测以及工程勘探等方面获得广泛应用。

四）瞬变电磁测深法（水文地质工作手册）1、 方法原理简介瞬变电磁测深法(简称TEMS)是一种时间域电磁法。

基于电性差异，以阶跃波形电磁脉冲激发，利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间(断电后)，利用线圈或接地电极测量由地下介质产生的感应二次场（二次涡流场）随时间的变化，达到寻找目标地质体的地球物理勘探方法。

其数学物理基础为电磁感应原理，即导电介质在阶跃变化的激励磁场的激发下产生涡流场的问题。

一次脉冲信号。

二次场信号表示为：52M q Vμ⋅⋅=(1) 式中：0μ为磁导率；M 为发送线圈磁矩；q 为接收线圈等效面积；ρ为地层电阻率；t 为时间。

从上式中可以看出，二次场信号与34ρ ，54t 成反比，当探测地下良导电地质体时。

在往地面敷设的发送回线中通以一定的脉冲电流。

使回线中间及周围一定区域内便会产生稳定的磁场(称一次场或激励场)，如果一次电流突然中断，则一次磁场随之消失，使处于该激励场中的良导电地质体内部由于磁通量Φ的变化而产生感应电动势d dt ε=-Φ (据法拉第电磁感应定律)，感应电动势在良导电地质体中产生二次涡流，二次涡流又由于焦耳热消耗而不断衰减，其二次磁场也随之衰减(见图1)。

由于感应二次场的衰变规律与地下地质体的导电性有关，导电性越好，二次场衰减越慢；导电性越差，二次场衰减越快。

因此，通过研究二次场的衰减规律便可达到探测地下地质异常体的目的。

图1 TEM 法工作原理示意图瞬变电磁场在大地中主要以扩散形式传播，在这一过程中，电磁能量直接在导电介质中由于传播而消耗，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。

传播深度：d= （2）传播速度：zd V t ∂==∂ （3）式中：t — 传播时间；σ —介质电导率；0μ— 真空中的磁导率。

由(2)式得：72210t h p π-=⨯， (4) 在中心回线下，时间与表层电阻率之间的关系可写为：()()2125031400I L t ηπρμ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦= (5) 联立(4)(5)式，可得中心回线装置估算极限探测深度H 的公式为:15210.55L I Hρη⎛⎫ ⎪⎝⎭= (6)mR N η=式中:I — 发送电流；L — 发送回线边长；1ρ—上覆电阻率；η—最小可分辨电压，它的大小与目标层几何参数和物理参数及观测时间段有关。

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。

北京欧华联科技有限责任公司应用中的瞬变电磁法—PROTEM瞬变电磁仪主要内容一、瞬变电磁法原理二、如何实现瞬变电磁法原理三、观测装置及初始场四、初始场与导体耦合问题五、不同地质结构的瞬变电磁响应六、野外工作七、资料解释及应用实例八、井中瞬变电磁法尊敬的用户：您好！您是PROTEM瞬变电磁仪或瞬变电磁法用户，相信您在使用中已经取得了很多宝贵经验。

过去10余年PROTEM瞬变电磁仪在我国已得到广泛应用，已成为矿产资源勘探，工程勘探和煤矿水患预测的重要手段，获得了大量的成功实例。

为了提高瞬变电磁法应用水平，促进瞬变电磁法的发展，我公司编辑了《应用中的瞬变电磁法》一文，供您参考。

并希望得到您的指正。

北京欧华联科技有限责任公司2014年11月13日一、瞬变电磁法原理1. 频率域原理（图1a）图1 a表示频率域电磁法连续变化的初始场在导体中产生的二次场方向反抗初始场的变化。

b表示时间域电磁法在发射电流关断之前的稳定的初始场。

C表示时间域电磁法在发射电流关断之后在导体中感应的涡流及其产生的二次场。

Tx是发射线圈，Rx是接收线圈2. 时间域原理图1（b）表示稳定电流产生稳定磁场（关断前），在导体中不产生涡流。

图1（c）表示稳定磁场突然关断，便产生磁场反对关断，此磁场称为一次场。

该一次场在导体中感应出变化的涡流，该变化涡流产生二次场，即瞬变场。

瞬变场（涡流）在导体中分布符合趋肤效应，即高频在表面，低频在内部，瞬变场随时间按指数衰减，即高频衰减快，低频衰减慢。

瞬变场幅度和衰减的快慢取决于导体的电导率值和大小，即导体的时间常数（以后讲）。

所以观测瞬变场的幅度及其随时间衰减过程便可确定导体的电导率和大小。

二、如何实现上述原理1. 产生初始场和二次场图2 初始场和瞬变场形成过程及衰减发射机向发射线框输入脉冲电流A，A不变时在发射线周围产生稳定的初始场（见图1b），当发射电流A突然关断时，则发射线圈产生瞬时变化的初始磁场并向地下穿透。

实验报告（瞬变电磁法）第一篇：实验报告 (瞬变电磁法)瞬变电磁法野外数据采集实验报告专业：勘察技术与工程学号：060231 33姓名：郭猛猛瞬变电磁法野外数据采集一、实验目的1.掌握瞬变电磁法的工作布置及观测方法；2.了解瞬变电磁法法在良导体或高阻体上的视电阻率异常特征。

二、实验器材瞬变电磁仪一台，电源一个，多匝线框两个三、实验原理瞬变电磁法称时间域电磁法Time domain electromagnetic methods ,简称TEM,它是利用不接地回线或接地线源向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二次涡流场的方法。

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,断电后感应流由于热损耗而随时间衰减。

衰减过程一般分为早、中和晚期。

早期的电磁场相当于频率域中的高频成分,衰减快,趋肤深度小,而晚期成分则相当于频率域中的低频成分,衰减慢,趋肤深度大。

通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律,可得到不同深度的地电特征。

瞬变电磁仪的观测系统采用宽频带观测方式。

因此，为了压制随机干扰，提高信噪比，采用多次叠加技术。

瞬变电磁法的探测深度除与介质导电性以及发射磁矩有关外，还与时窗选择有关。

一般来说，中心频率越低，其时窗越往晚期方向伸延，这虽然有利于晚期信号的观测，从而有利于对深部信息的采集，但由于早期信号观测不足导致浅部信息大量丢失。

反之，中心频率越高其时窗向早期方向伸延这有利于对浅部信息的采集，但由于时窗的限制，其有效勘查深度亦受到限制。

因此，在工作中根据具体的地质，地球物理条件，选择适当的中心频率是非常重要的。

对于重叠回线装置，在均匀半空间条件下，其感应电动势为：由式可见V与t有着复杂的关系。

在剖面测量中，基本的测量参数就是用发射电流归一的感应电动势值：V/I。

四、实验内容在校园内找一片空旷的地方进行瞬变电磁法的模拟实验。