第六讲TerraTEM瞬变电磁仪讲解

瞬变电磁法及其应用主讲人：杨双安河南理工大学资源环境学院第六讲一、概念瞬变电磁法（TransientElectromagneticMethod，简称TEM）是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极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。二、瞬变电磁方法原理TEM方法是以接地导线或不接地回线通以脉冲电流做为场源，以激励探测目的物感生二次电流，在脉冲间隙测量二次场随时间变化的响应。瞬变电磁场在大地中主要以“烟圈“扩散形式传播。电导率σ=0.1S/m烟圈T发射回线均匀半空间三、瞬变电磁方法特点1、TEM对电性差异反应灵敏。其响应与介质电阻率呈3/2次方关系，较其它电法对介质电阻率更为灵敏（其它电法小于等于一次方）；尤其当电性差异不大时，较其它电法更显优势。2、TEM为磁穿透，穿透能力强,能穿透高阻屏蔽层。3、剖面工作与测深工作同时完成，提供了更多有用信息，减少了多解性。4、TEM为磁耦合方式时，几乎不受接地条件的限制。四、野外工作技术1.装置类型的选择1）一般准则2）目的物参数的估计3）地质环境4）电磁噪声1）重叠回线装置是适用与轻便型仪器的工作装置，一般情况下回线边L=H，H为探测目标的最大埋藏深度。2）中心回线装置发送回线边长按该区测深工作所需要的探测深度、覆盖层平均电阻率、干扰电场及发送电流合理选定，也可以参照3）大定回线源装置发送线框依据探测深度，在100m×200m至300m×600m范围内选用，长边应平行地质体走向铺设，供电电流一般为10~30A。在发送框内、外用轻便线圈观测两个正交分量4）在工程勘查中，一般使用回线边长为10~20m，点距为5~10m的重叠回线工作。511255.0ILH2.回线大小的选择dtdBx/dtdBz/五、瞬变电磁应用领域1、金属矿产勘查、断裂构造勘查2、隧道超前探测、岩溶探测、陷落柱探测、煤田矿井涌水、突水通道勘察3、探测积水、非积水采空区4、岩体渗漏通道、地下水勘查5、地表探测公路、铁路隧道工程中的不良地质构造、堤渗漏隐患探测。六、TerraTEM瞬变电磁仪产品组成中功率，主机BatterypackLCDdisplayDisplaycontrolsIOconnectorPowerconnectorTxconnectorRxconnectorGPSantennaSynchronisationconnectorsandstatusLEDSOn/Offswitch50A大功率发射机接收线圈（探头）8（一）TerraTEM的特点优势介绍1、便携式接收机和发射机为一体的独特设计，设计紧凑，携带方便，封闭性很好；发射电流10A,外置可达50A。2、可做当前瞬变电磁方法所有的工作装置，包括同一回线、重叠回线、中心回线、大定源回线、分离回线、用户自定义装置等等。3、500KHz的高速采样率以最小2微秒速度进行采样，大大提高了近地表分辨率，丰富的时间门窗口，最大可达144个。4、大动态范围，可达156dB。分辨率：28位。5、极低的关断时间，在发射线圈40m×40m，电流2A情况下，≤2微秒。6、15英寸触摸屏液晶显示器配合完整的数据处理和初步解释软件，可实时显示采集数据、采集发射波形、分析信号噪音、监控数据采集的质量、数据处理。7、具有仪器自检功能。8、可单道或者三道接收。（二）TerraTEM的特点优势介绍1、便携式接收机和发射机为一体的独特设计，设计紧凑，携带方便，封闭性很好；发射电流10A,外置可达50A。2、可做当前瞬变电磁方法所有的工作装置，包括同一回线、重叠回线、中心回线、分离回线、用户自定义装置等等。2.1重叠回线：重叠回线（图C1）可用于大多数地质条件下的测量。此装置探测效率高、噪音低、对深部目标体灵敏度高（在测线上的点距取决于线圈半径）。回线一旦选定，对于半径50m或更小的回线，决定其工作效率的主要是在测量点间的移动。两回线间最少要偏移1m以消除可能的超顺磁作用，装置的探测深度一般是线圈直径的2-3倍。TxRx优点：1、为瞬变电磁法特有组合，它与目的物耦合最紧。2、发射线圈逐点移动不会有激发盲区。3、发射磁矩和接收磁矩较大。缺点：1、分辨率相对较低，因为只能观测垂直分量。2、设备较重，铺线麻烦。3、人文导体较多处很难铺开。图C.1：重叠回线2.2单一回线（同一回线）：单一回线（图C.2）很容易安装，并能快速布置及移动。但与重叠回线比较，更容易受到噪声影响。TxRx图C.2单一回线2.4分离回线(偶极回线)：分离回线装置（图C.4）由两回线组成，回线分离的距离取决于所要探测的深度。此装置的信号较弱，但对垂直异常体特别敏感，并能很好地镜像不规则目标体。优点：1、主要响应为一单峰，异常形状较简单。2、可观测多个分量，能较精确地提供目的物倾角和深度信息。3、设备较轻便，适用于航电异常检查等深度浅、工作地区分散的工作。缺点：1、一般发射磁矩小，信号电平低。2、勘探深度小。图C.4分离回线TxRx2.5井中接收装置：井中接收装置（图C.5）对深度上传导率的细微变化有着极高的灵敏度。为得到深部的有效信息，必须要配备大定源发射装置。井中接收装置在内置传感器中安装有三分量探头，能对三个方位进行探测，这样能帮助用户绘制三维目标体图像。TxRx图C.5：井中接收装置2.6大定源回线又称为大固定发射一移动接收组合，简称为大回线。在野外，地面大定源观测装置常用矩形大回线作为发射源，在回线外或者回线内测量垂直磁场产生的感应电动势。为由观测的感应电动势获得地下电阻率的变化规律。TRRRRRTRRRRR常用组合大致应用范围：1、重叠回线和中心回线常用于普查，勘探深度中等。2、大定源回线常用于详查，或者要求勘探深的任务。3、分离回线常用于踏勘和浅部探测任务。3、500KHz的高速采样率以最小2微秒速度进行采样，大大提高了近地表分辨率。（二）TerraTEM的特点优势介绍Time(ms)WindowNumber1234567891011(b)4、极低的关断时间，在发射线圈40m×40m，电流2A情况下，≤2微秒。TerraTEM的特点优势介绍关断时间t5、15英寸触摸屏液晶显示器配合完整的数据处理和初步解释软件，可实时显示采集数据、采集发射波形、分析信号噪音、监控数据采集的质量、数据处理。6、具有仪器自检功能。TerraTEM的特点优势介绍实时诊断图示窗口采集发射波形窗口22当今一流的电磁法和电法仪器必然是硬件和软件的完美结合，以达到：1、高分辨率，高信噪比。2、宽频带，大动态范围。3、高集成，多功能，低功耗。4、操作简单，轻便灵活，现场实时显示结果。一台好的仪器，也必须考虑到仪器的稳定性，使仪器的性能和仪器的稳定性结合在一起。仪器选择应考虑因素七、瞬变电磁法实际工作案例（一）超前探测、顶底板突水构造探测掌子面上探测照片隧道侧壁溶洞掌子面上充泥裂隙掌子面上夹泥塌方掌子面上夹泥断裂带图三掘进头正前方32—40m段为低阻区，此低阻区来源于巷道正前偏左方向，偏右方向及巷道右帮无异常。经查地质资料，此处存在一个平面图上漏标的钻孔，怀疑系钻孔漏水所致。经钻探及实际巷道掘进，证实此结论。掘进头超前探测漏水钻孔152025303540455055606570152025303540455055606570正前方侧帮平探右帮-250泄水巷掘进头瞬变电磁勘探视电阻率断面图掘进头前探正前偏右30度视电阻率值色界图探测距离（m）图例：瞬变电磁勘探点20视电阻率等值线超前低阻区1234567891012141618202428303540正前偏左30度验证：正前34m偏左为一钻孔（漏水）,对应低阻区。2004--09--30物探预测掘进头前方24—43m为低阻区（兰色区），重点低阻区位于巷道前方偏右部位。实际钻探时朝巷道正前及正前偏左、偏右方向均布置了钻孔，正前钻探时进尺37m出水，偏右方向钻孔水量（17m3/h）明显比其它方向大。掘进头超前探测灰岩破碎区图四152025303540455055606570751520253035404550556065707512357101520253035404550正前方-250泄水巷掘进头瞬变电磁超前探测视电阻率断面图超前偏右45度视电阻率值色界图探测距离（m）超前图例：瞬变电磁勘探点10视电阻率等值线超前偏左45度掘进头超前探超前偏左20度超前偏右20度右帮侧探验证：低阻区为灰岩破碎区，超前钻探时37m处出水。2005--2--5正前偏右钻孔出水量明显比其它方向大（17m3/h）。图五物探发现掘进头前方29—50m段为低阻区，巷道往前掘进18m开始打钻（灰岩巷道，保持超前距不小于10m），钻探进尺18.5m（即位于物探掘进头位置前方36.5m）时出水，水量75m3/h。此段为断裂破碎带。掘进头超前探测断裂破碎带152025303540455055606570751520253035404550556065707512345678910正前方-250泄水巷掘进头瞬变电磁超前探测视电阻率断面图超前偏右45度视电阻率值色界图探测距离（m）超前2005-5-6图例：瞬变电磁勘探点10视电阻率等值线超前偏左45度掘进头超前探超前偏左20度超前偏右20度验证：巷道往前掘进18m开始打钻，正前打钻进尺18.5m，（即物探迎头前方36.5m）时出水，水量75m3/h,为断裂破碎带。确定疏水降压孔位置瞬变电磁探测到50m处巷道底板存在低阻区，在此布置了4#放水（疏水降压）孔，出水量为60m3/h。图七0102030405060708090100-100-90-80-70-60-50-40-30-20-10-100-90-80-70-60-50-40-30-20-101235101520304050（西）（东）4#放水孔比例尺：1：1000煤层顶板L8顶板瞬变电磁勘探视电阻率断面图(m)深度西大巷4#放水孔附近视电阻率值色界图图例：瞬变电磁勘探点10视电阻率等值线评价工作面回采时水害安全性、圈定易突水地段物探结论为：该面通尺40----260m段为相对低阻区（图中兰色部分），低阻区呈上下连通状且导高较大，此区域在工作面回采时易发生底板突水，应提前采取防水措施（232m处为已知底板出水点，与物探结果吻合。）4060801001201401601802002202402602803003203403603804004204404604805005207060504030207060504030202610152030406080100150200250300400比例尺：X=1：2000Y=1：1000日期：2004--12--3015011工作面下风道瞬变电磁勘探（45度斜下探）视电阻率断面图探距离（m）视电阻率值色界图图例：瞬变电磁勘探点20视电阻率等值线通尺位置（m）斜L8顶界面底板出水点图八煤层底板含水层注浆改造前、后效果对比图十、十一分别为某工作面下顺槽底板含水层注浆改造前、后瞬变电磁勘探结果。注浆改造前勘探结果显示，工作面中存在多处上下沟通状低阻异常区（纵向裂隙发育区）；注浆改造后勘探结果显示，上下沟通状低阻异常区大多变为相对高阻区，剩余的少数深部异常导高明显变小，浅部异常与深部无沟通（系注浆浆液迫挤水分的反映），说明注浆改造效果理想。图十图十一8010012014016018020022024026028030032034036038040042044046048050052054056012011010090807060504030201201101009080706050403020视电阻率值色界图图例：瞬变电磁勘探点20视电阻率等值线日期：2004-5-25124610152030406080100150探测距离（m）801001201401601802002202402602803003203403603804004204404604805005205405601