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瞬变电磁方法技术应用实例与效果邓晓红dxhigge@163.com中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所●方法原理及特点●仪器设备●数据采集及解释技术●国内外找矿应用实例与效果内容提要基本原理瞬变电磁法（TEM）属于时间域人工源电磁方法，是以大地中岩（矿）石的导电性和导磁性差异为物理前提，根据电磁感应原理观测、研究电磁场空间和时间分布规律，以寻找地下良导矿体或解决相关地质问题的一种勘查方法。基本原理一次场二次场基本原理示意图CTxRx基本原理由于瞬变电磁法研究的是导体内涡流的过渡过程，观测是在脉冲间隙期间进行的，不存在一次场源的干扰。又由于脉冲是多种频率的合成，不同延时观测的主要频率成份不同，相应时间的电磁场在地下传播速度不同，因而勘测的深度不同。在金属矿勘查中，瞬变电磁法主要用于寻找良导性的致密块状、团块状、网脉状硫化物矿体。但对于浸染状硫化物矿体的探测效果不佳。基本概念关于采样时间与频率的关系，t≠1／f。这是由于任意时刻采样的信号都含有所有频率成分的信息，只是不同时刻的信号含频率成份的百分比不同而已。工作方式1、地面发射地面接收地面TEM2、地面发射井中接收地－井TEM观测参数dB/dt（感应电动势）B（磁场）E（电场）输出结果形式：用电流归一ε/Ι单位μV/A用接收线圈面积归一ε/AR单位nV/m2用接收线圈面积和发射电流归一ε/(AR·Ι)单位nV/(A·m2)用感应段强度归一无量纲关键术语发射电流波形、接收到的感应磁场示意图发射基频或时基下降沿零时采样时间起点优点纯异常组合多地形影响小加大功率加大勘探深度紧耦合幅度强形状简单多频叠加早延时晚延时多延时高频浅部低频穿透低阻层多频测深深部方法特点缺点分辨率随勘探深度而降低高阻体反映不佳方法特点地－井TEM工作布置1、ZK-1为地质普查钻孔，只见到少量硫化矿物或矿化层，不会再在附近布置钻探工作；2、地面瞬变电磁法发现了浅部矿异常，而深部矿由于埋深大而无可分辨。钻孔ZK-2穿过浅部矿后即终孔。3、深部矿感应出的瞬变场传播到地表已是弱不可辨；4、开展地－井TEM法就能发现井旁或井底的深部矿体。地－井TEM法的原理及用途示意图1、能寻找井旁、井底盲矿，判断已见矿体的空间分布，以及获得钻孔周围数百米范围内的有用地质信息，从而达到提高钻孔见矿率和找矿效果的目的；2、由于接收接近深部矿体，能获得比地面更强的异常；地－井TEM方法特点3、当矿体埋深太大，地面电磁法无法获得深部矿体有效信息时，地－井TEM法的优势就更加突出；4、由于探头在井中接收，而大地却能有效地压制矿山工业和人文等电磁干扰，因此在情况复杂的老矿区也能开展工作，找矿效果明显。地－井TEM方法特点仪器设备加拿大GEONIC公司EM系统PROTEM接收机EM37发射机EM47发射机EM57发射机仪器设备澳大利亚联邦科学工业研究院SIROTEMMk2SIROTEMMk3仪器设备美国ZONGE公司GDP-32Ⅱ接收机中功率发射机小功率发射机大功率发射机探头IGGETEM-20瞬变电磁仪（物化探所）发射机接收机磁探头仪器设备高温超导三分量磁强计（物化探所）仪器设备670870107012701470167018702070-1200-1100-1000-900-800-700-600-500-400-300-200-1000100200300m010306010015025040060010002000ρ/Ωm·670870107012701470167018702070-800-700-600-500-400-300-200-1000100200300m010204080120200300500700ρ/Ωm·由感应电动势计算的电阻率断面图解释的最大深度为800m由感应磁场计算的电阻率断面图解释的最大深度为1200m仪器设备上世纪70年代，单分量地－井系统已商品化；上世纪90年代初，三分量地－井系统商品化；加拿大CRONE公司PEM系统；加拿大GEONICS公司PROTEM系统；最大测量深度可达3000米；目前国内可测量最大深度2200米；物化探所已引进2200米大功率PEM系统；物化探所从1993年开始开展野外工作。地－井TEM仪器设备仪器设备加拿大CRONE公司PEM系统的主要设备：1、数字接收机2、2.4、4.8kW发射机3、整流器4、发电机5、三分量井中探头（面积:Z-6000m2、XY-2600m2）6、定向探头和电池包7、900m、1200m及2200m井中电缆及绞盘仪器设备部件名称长度（cm）直径（mm）有效面积（m2）灵敏度μV/nT·Hz频带（kHz）Z分量探头1603260004230XY分量探头21432260018.230定向工具6532电池包9032PEM三分量地－井TEM井下系统设备仪器设备加拿大GEONIC公司EM系统主要有三方面特色：1、可同时进行三分量数据采集；2、采用积分器采样，各采样道均为独立的积分器，信噪比较高；3、EM47发射机：在40×40m线圈的条件下，发射电流下降沿时间为2.5μs。自研制仪器设备三通道接收机大功率发射机GPS同步钟5kW整流器下井探头研制的深井地－井TEM系统发射机1、脉冲顶端应平稳；2、下降沿应线性下降。TEM仪器对比试验85号点PEM发射系统实际发射波形图周期波形下降沿发射框：200m×200m发射电流：20A发射基频：12.5Hz下降沿：1000μs85号点GDP-32发射系统实际发射波形图周期波形下降沿发射框：200m×200m发射电流：20A发射基频：8Hz下降沿：60μs85号点V8发射系统实际发射波形图周期波形下降沿发射框：200m×200m发射电流：7A发射基频：8.33Hz下降沿：50μsTEM仪器对比试验93号点PEM发射系统实际发射波形图周期波形下降沿发射框：200m×200m发射电流：20A发射基频：12.5Hz下降沿：500μs93号点GDP-32发射系统实际发射波形图周期波形下降沿发射框：200m×200m发射电流：20A发射基频：8Hz下降沿：50μs93号点V8发射系统实际发射波形图周期波形下降沿发射框：200m×200m发射电流：7A发射基频：25Hz下降沿：20μsTEM仪器对比试验107号点PEM发射系统实际发射波形图周期波形下降沿发射框：200m×200m发射电流：20A发射基频：12.5Hz下降沿：500μs107号点GDP-32发射系统实际发射波形图周期波形下降沿发射框：200m×200m发射电流：20A发射基频：8Hz下降沿：60μs107号点V8发射系统实际发射波形图周期波形下降沿发射框：200m×200m发射电流：7A发射基频：8.33Hz下降沿：15μsTEM仪器对比试验119号点PEM发射系统实际发射波形图周期波形下降沿发射框：200m×200m发射电流：20A发射基频：25Hz下降沿：500μs119号点GDP-32发射系统实际发射波形图周期波形下降沿发射框：200m×200m发射电流：20A发射基频：8Hz下降沿：60μs119号点V8发射系统实际发射波形图周期波形下降沿发射框：200m×200m发射电流：7.4A发射基频：8.33Hz下降沿：120μsTEM仪器对比试验三种探头的外观对比SB70KPEM30KGDPTEM-3生产单位探头带宽有效面积尺寸ZongeGDP（TEM-3）8kHz10000m2长度610mm，直径110mmCronePEM30kHz1890m2长度585mm，直径64mm大地华龙SB70K70kHz1800m2长度525mm，直径60mm10.00100.001000.0010000.00100000.00-60.00-40.00-20.000.0020.0040.00dBHz绿色：GDP蓝色：PEM红色：大地华龙三种探头的幅频特性对比TEM仪器对比试验depth(m)ρ（Ω.m）010020030040050013001200110010009008007006005004003002001000瞬变响应衰减曲线图0.010.101.0010.00100.0010-210-1100101102103104105一维反演电阻率曲线图GDP(下降沿60us)PEM(下降沿500us)dBz/dt(nV/A.m2)t(ms)v8(下降沿25us)GDPPEMv8119号点PEM、GDP-32、V8仪器瞬变响应曲线及一维反演曲线对比图正确使用TEM仪器采集野外数据问题的提出当前，许多单位已引进了多功能电法仪，如GDP-32II多功能电法仪，既可以做CSAMT，又可以做IP，还可以做TEM，这本来是件好事。但如果技术人员对方法技术和仪器功能不太了解，使用仪器不当，将获得错误的原始数据，造成巨大的浪费。GDP-32II仪器的TEM功能与专用TEM仪器的性能指标并不一样，如发射电流下降沿为自由沿并且不固定或者不可见，具体的下降沿时间依靠操作员根据经验公式来估计。为此，我们开展了野外试验工作，总结了正确使用GDP-32II仪器做TEM勘查的野外操作流程。正确使用TEM仪器采集野外数据试验结果及分析t(ms)10-410-310-210-110010110-110010110210310410512345678910111213141516171819202122123456789101112131415161718192021下降沿60us，延时152.6us下降沿60us，延时0usdBz/dt(nV/A.m2)下降沿50us，延时122.1us下降沿45us，延时122.1us下降沿45us，延时213us下降沿100us，延时122.1us当下降沿设置为60μs、总延时设置为0μs时衰减曲线早期道明显落入下降沿段（黑色曲线）。而当下降沿和总延时两个参数均设置不准确时（其它颜色曲线），就不能得到正确的衰减曲线，差异较大。差异主要体现在早期道，这将给反演结果造成很大的差异。正确使用TEM仪器采集野外数据正确的参数设置根据示波器测量结果，下降沿应为60μs，已知探头延时15μs，滤波器延时26μs，第一时间窗口宽度30.5μs。为此，正确的参数设置为：下降沿参数应设置为60μs，总延时参数应设置为60＋15＋26＋30.5＝131.5μs。在仪器菜单中选择总延时应选择152.6μs档，虽然比实际的总延时大一些，但不能比实际的总延时小，否则采样起始时间会落入下降沿段，获得错误的衰减曲线。一次场我们在这里讨论的一次场是指在回线源中供电时自由空间的磁场强度和空间特征，了解这种场的特征对场源布置，以及解释所取得的成果都会有所帮助。一次场垂直分量公式回线中心：回线轴上：主剖面上：lIlIH45.0201)/()0()/2)(/1(2)0(121222211lzfHlzlzHzH)/()(/1)/1(1/1)/1(1220121221211lxfzHlxlxlxlxHzH一次场一次场垂直分量沿X轴的变化f(x/l)曲线图回线中部x＜0.66范围内的场接近均匀，当逐渐靠近回线，场剧烈地增加，越过回线，场的符号改变并随远离回线而迅速下降。一次场主剖面一次场磁力线方位分布图场源布置最佳耦合资料解释一次场场源布置最佳耦合资料解释正常场正常场是剖面测量中的一个术语，它是指局部异常响应的背景。典型的正常场就是均匀非磁性导电半空间表面的瞬变响应。层状大地也可视为相当某一电阻率的半空间。设半径为a的单匝圆回线铺设于均匀非磁性导电半空间表面上，在t=0的瞬间，回线中的电流I阶跃地下降为零：000)(ttItI正常场重叠回线均匀半空间感应电动势响应为：其中τ0＝t/(σμ0a2)为综合参数（无量纲）；J1(x)是一阶一类贝塞尔函数；μ0＝4π×10－7H/m。)(20ccfaIdxxxexxJfxc)(11)()(000021002正常场重叠回线早期τ0≤0.01