应用中的瞬变电磁法Word格式文档下载.docx
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三、观测装置及初始场
图5瞬变电磁法野外观测装置
1.发射线圈磁矩M=INS
2.初始磁场方向及强度
图6初始场方向及强度
1）在框内初始磁场向上，在框外向下，并且随距离和穿透深度而改变，在更大深度上（即更长时间）方向从向下变为向上，在框内不变。
2）初始场强度随距离按指数衰减：
小线圈随距离按立方衰减；
大线圈随距离按平方衰减。
所以重叠装置和中心装置只能测框内，大定源装置可测框外，但框外场强是框内的≤1/2。
3.初始场扩散
图7关断时间之后初始场向地下扩散
早期初始场扩散到（a），覆盖的范围小，分辨率高，到晚期扩散（d），覆盖范围大，分辨率降低。
4.盲区及勘探深度
在工程勘探中需要了解最浅部的电性结构，因此观测时间引起的探测盲区要尽量小。
盲区大小可按下式评估：
（1）
h是在均匀介质中勘探深度的一种近似表达式，ρ是测点下方的电阻率值（Ω.m）,t是开始观测有效瞬变场的时间（ms），即关断时间toff。
PROTEM瞬变电磁仪TEM47，在40X40m发射线圈，2A发射电流时关断时间toff最小可短至0.5μs=0.0005ms，如果测点下方的电阻率ρ=30Ω.m，则h=28√30X0.0005=3.4m，即盲区3.4m。
如果按上式估算勘探深度，则t=瞬变场的衰减时间。
若t=15-20ms，地下电阻率ρ=100Ω.m，则勘探深度h=1080-1250m。
可见，地下电阻率ρ越高，勘探深度越大，但ρ越高，瞬变场衰减时间越快，所以勘探深度h与ρ不是简单的开平方关系。
在均匀介质中勘探深度的另一种近似表达式：
（2）
式中M是发射线圈磁距，
是测点下方至勘探深度H的平均电阻率值（Ω.m），RmN是瞬变电磁仪可分辨的最小信号电平。
对于PROTEM系统而言，归一化后的系统噪声为0.1nV/m2,即有效面积为1m2时接收线圈的噪声为0.1nV，如果接收线圈有效面积1000m2，则系统噪声为100nV，即10-7V。
此时，根据公式（5），勘探深度H如下表。
最大发射电流
发射线圈尺寸
测点下方至勘探深度H的电阻率值
20Ωm
100Ωm
1000Ωm
20A
单匝100m×
100m
S=10000m2
H=280m
H=390m
H=620m
单匝500m×
500m
S=250000m2
H=530m
H=730m
H=1170m
单匝1000m×
1000m
S=1000000m2
H=700m
H=960m
H=1540m
由于勘探深度H与
成正比，与
成反比，也即当M或
增加2倍时，勘探深度H仅增加15%；
当M或
增加4倍时，H增加32%。
可见勘探深度H与M的依赖关系是较弱的，但为了增加勘探深度也只能加大发射线圈的有效面积S或发射电流I，即加大发射线圈磁矩。
然而，当发射电流I过大时，关断时间toff显著加大，于是一次场强
显著降低，可见加大发射电流I并非最佳选择。
由于地层电阻率变化很大，在新生代沉积盆地区地层电阻率可低至20Ω.m，在基岩出露的山区电阻率可高达1000Ω.m以上，这对勘探深度影响可达1倍以上。
以上是在均匀半空间介质中的勘探深度。
如果探测局部导体，由于其规模有限探测深度将显著降低。
提高瞬变电磁法勘探效果的最佳途径，是在勘探深度范围内初始场能与目标体有最好耦合，即初始场能垂直穿过目标体走向，这样目标体在初始场作用下能产生最大的涡流和最强的二次场（瞬变场）。
四、初始场与导体耦合问题
这是瞬变电磁法能否成功探测出目标体的关键问题。
图8Tx发射的磁场对不同位置导体的耦合情况
如果初始场方向与板状导体平面或走向垂直则耦合最好，该导体产生的二次场最强；
如果初始场方向与板状导体平面或走向平行，该导体产生的二次场为零，无法发现它。
为了便于理解，我们用初始场在导体内产生的涡流系统来讨论耦合问题：
图9对地下垂直的和水平的导体薄板处在不同位置时，与初始场耦合情况的变化：
a良好耦合，b零耦合，c强耦合，d弱耦合
图10在导体中的涡流取向：
在板状导体中涡流系统处在导体平面内（a），在球状导体内涡流与初始场方向垂直（b）
涡流是由变化的初始场在导体内部产生的。
初始场变化越快，涡流越强，即关断时间越短，涡流越强。
涡流以封闭形式存在于导体内。
发射电流一旦关断，就产生初始磁场。
初始磁场在导体内感应出涡流系统，涡流随时间而衰减。
高频涡流，在导体表面流动，最早衰减、衰减快，所以早期瞬变场最强，下降最快。
随着时间涡流向导体内部流动，导体导电率和体积越大，涡流向导体内部移动速度越慢、即衰减过程越慢。
图11涡流随时间的变化：
a球状导体，b薄板状导体
图12在不存在导体介质的情况下，发射电流波形在接收线圈中产生的感应电动势
要使初始场与探测目标体有最佳耦合，需要考虑初始场方向和探测目标体的倾向。
如图6，图13.
图13发射线圈与矿体位置断面图
五、不同地质结构的瞬变电磁响应
上面讨论的是在均匀的不导电的（高阻的）地下介质中存在局部的导电体（目标体）情况下的耦合问题，但实际情况是非常复杂的。
例如可能有薄的浅部高导层（例如风化层，沉积层薄层）存在，地下介质可能是电性均匀的，目标体位于均匀介质之中，地下介质也可能电性分层的，目标体位于其中等等。
上述各种介质均会产生瞬变电磁响应，而我们观测的瞬变电磁场是它们的综合反映，下面分别讨论。
1.地下均匀导电介质响应
这是最简单情况，电性差仅存在地下—空气界面处。
这个模型对于了解初始场的扩散，烟圈概念，扩散深度和衰减率以及分析二次场扩散概念等都是非常有用的。
在地面回线发射情况下，涡流就是发射回线的图像，图14a。
图14初始场感应的涡流系统：
a在导电半空间内，图15在导电半空间内涡流随时间的扩散情况
b有高导覆盖层的导电半空间内，a早期；
b中期；
c晚期
c有闭合导体的导电半空间内
图15表示的是水平发射线圈发射的初始场在地下感应的涡流随时间逐渐扩散的图像。
可见随着时间的增加，涡流向外和向下移动，电流密度快速衰减，能量快速损耗。
从图15可见，在发射线圈下方涡流体的形状就像圆饼一样，称之为“烟圈”，它在地下连续扩散，强度和扩散速度随时间下降。
“烟圈”按近30˚角向下膨胀。
涡流的幅度强烈地依赖于地下电导率和扩散时间。
由于存在地表空气界面，否则电流就会向任何方向扩散。
1）在均匀介质中的扩散深度d：
（3）
t是衰减时间.
扩散深度是指初始场的最终穿透深度，它远远大于勘探深度。
图16在不同电导率介质中，初始场在不同时间内的扩散深度
可见在高阻介质中扩散深度大，因为涡流在其中扩散的快。
随着介质电阻率的降低，涡流的扩散速度下降。
2）均匀半空间的晚期响应
正如上述，在早期涡流体系扩散的很快，在晚期当扩散很大深度时，涡流体系扩散受到限制，其位置改变的很慢，也就是说扩散速度降低了。
在晚期，在很大范围内涡流是平铺的，二次场是垂直的，幅度几乎是不变的，所以均匀半空间的水平场衰减快于垂直场衰减，这是判断均匀半空间和层状导体的重要指标。
晚期二次场幅度按功率定律衰减，也即二次场幅度随时间t按指数5/2衰减：
即，
二次场（4）
2.地表高导薄层影响
地表高导薄层与水平发射线圈之间有最好的耦合，由于它与发射线圈非常接近，所以会产生强烈的瞬变响应。
此情况下，在地表高导薄层内部以及该层与下伏层的接触面上均感应有涡流系统（14b），涡流扩散被阻止在高导薄层内部。
如果高导薄层是均匀的，侧向无限延伸的，那么涡流就快速地向侧向扩散，其衰减速度大于在半空间的衰减速度，衰减过程受高导薄层导电率和厚度之乘积（电导）所控制。
随着层厚的增加，涡流系统垂直向下扩散和向外扩散，响应过程逐渐接近均匀半空间。
当地下是多层介质时，瞬变感应同时出现在每个导电层之中，他们的衰减响应相互影响。
各层的电导、埋深和层间距离决定着各层的响应幅度和对各层的分辨率能力。
由于薄的高阻层电导值很小，TEM是发现不了的。
图17表示浅部高导层瞬变场幅度和下部均匀半空间导电层的瞬变场幅度随时间的变化情况。
可见，在早期浅部高导层响应占主导地位，而深度导电层（背景场）响应尚未出现。
随着时间延长，来自浅部的响应逐渐变弱，来自深部的背景场响应逐渐占主导地位，但幅值弱，衰减慢。
图17浅部高导层和导电围岩（半空间）按功率定律衰减
当导电的均匀半空间含有不同导电率的异常体时，在初始场关断后，就会产生两个涡流体系。
一个涡流体系是背景场（均匀半空间产生的），另一个是异常体产生的，两者相互叠加。
当高导异常体处于高阻半空间中，由于高阻半空间不产生涡流体系，所以异常体的涡流体系没有背景场影响，异常体内部涡流依赖于它的τ值、即异常体的电导率和规模。
对于电性均匀的异常体来说，其晚期响应A随时间按指数衰减（图18）：
（5）
A0是初始幅度，其大小与导体形状，尺寸，埋深以及时间常数τ有关。
时间常数τ是指信号幅度衰减到信号起始幅度1/e时（36.8%）所需的时间（ms）。
时间常数τ之大小与导体的电导率和有效截面积S有关：
（6）
对于矿化带而言，其时间常数τ大致在200μs至几百ms变化，对于层状高导电率地层而言其τ值可达几秒。
图18表示不同τ值的衰减曲线。
以上是瞬变曲线沿时间变化（衰减）的一般规律，它可以帮助我们识别地下的地质结构和高导异常体。
瞬变曲线沿空间变化、即瞬变场断面图。
可帮助我们识别导体位置、边界、深度和形状的信息。
3.高导异常体响应：
图18不同时间常数τ的导体晚期衰减曲线，
可见τ值越大衰减时间越长
4.估算导体电导率：
导体电导率可根据公式（7）计算，τ是时间常数，S是导体截面积。
（7）
τ的估算方法见图19.
图19高导异常体的瞬变场值随时间衰减：
（a）按功率定律计算衰减常数K，（b）在晚期曲线上计算时间常数τ，A1和A2是在时间t1和t2时的瞬变场幅值
时间常数τ值的大小是评估导体质量的依据。
对于大面积的良导体而言，其中的涡流衰减很慢，因此晚期的瞬变场仍有较高幅值，对于小面积的、低电导率体而言，瞬变场衰减很快（图20）。
图20良导体，中等导体和非良导体瞬变场衰减曲线对比
从公式（5）和图20可见，对于所有不同导电率导体而言，在起始时间t=0时的起始幅度A（t）=A。
它们的τ值不同，但它们的二次场起始幅度A0是相同的，但随时间t延长，二次场幅度及其衰减发生了很大变化。
如果有浅部高导薄层存在或电导性围岩存在，那么它们控制了早期和中期的衰减过程，此时良导异常体的早、中期衰减过程就被掩盖掉了，只有到了晚期高导异常体所引起的二次场衰减过程才占统治地位。
5.涡流沟道
如果高导异常体是埋藏在电导性的围岩之中，则高导异常体和围岩之间在电性上是相连的，此时电导性围岩和高导异常体在初始磁场激发下都会产生各自的涡流体系并相互影响。
此时，高导异常体受三种机制、以复杂的方式被激发：
（1）发射线圈产生的、崩塌式变化的初始磁场，
（2）电性围岩中缓慢流动的半空间涡流产生的变化磁场。
（3）半空间涡流通过高导异常体产生的变化磁场，这叫涡流集结或涡流沟道效应。
如果围岩是电阻性的，那么它的背景电流体系（涡流）在很短时间就会消失，如果围岩是电导性的，那么它的涡流体系就要保持较长时间。
当高导体离开发射线圈较远时，高导体的涡流体系就会变弱，但电导性围岩的涡流体系仍然很强并且控制了高导体的涡流体系。
涡流沟道效应增强了在地表观测的瞬变场幅度，使高导异常体的瞬变场变宽了。
涡流沟道效应也可以有效地增加低电导率导体的瞬变响应，这就很难区分高电导率异常体和低电导率异常体了。
在高导围岩中几乎不可能识别高导异常体。
同样浅部高导薄层的扩展涡流体系也是涡流沟道效应的源头之一。
在电导性围岩之中的高阻体将会使半空间涡流体系在高阻体周围发生偏移，导致高阻体周围涡流增强，高阻体内部涡流缺失。
所以在高阻体上方，在地面观测到的是瞬变场低值。
综上所述，识别不同地质结构瞬变响应（二次场）的关键指标是：
1）非封闭的均匀半空间或均匀导电层的瞬变响应是：
•在晚期阶段瞬变曲线按功率定律衰减；
•水平瞬变场（x-y）的衰减速度快于垂直瞬变场（Z）的衰减速度。
2）在高阻围岩中的封闭导体的瞬变响应是：
•在晚期阶段瞬变曲线按指数衰减，衰减快慢取决于导体τ值，而τ值依赖于导体的电导率值、形状和大小。
3）浅部高导薄层的瞬变响应是：
•在早期浅部高导层瞬变响应强，衰减快；
•在浅部高导瞬变响应消失后，在晚期可以观测到围岩产生的缓慢的、半空间的瞬变响应。
•在晚期阶段半空间的瞬变响应消失后，可观测到封闭导体产生的缓慢的、弱的、按指数衰减的瞬变响应。
4）在电导性围岩中的高导异常体的瞬变响应往往被围岩的，衰减慢的，高强度的瞬变响应所淹没。
5）在电导性围岩中的高阻体周围瞬变响应增强，在高阻体上方瞬变响应变弱或消失。
六、野外工作
拟探测的目标导体具有不同的电性，不同的形状，不同的倾向和走向以及不同的埋深，它可能孤立存在，也可能在附近有其它导体，它的围岩可能具有不同的电性，勘探区可能存在表层高导薄层，也可能不存在，总之情况千差万别，所以要采用不同的方式以便有效地探测到目标导体。
采用单一的电磁法达到最佳的探测目的往往是不可能的。
在不同的情况下，可采用阶跃发射或脉冲发射，对于不同的目标体要在不同的时间间隔上测量二次场衰减。
此外，需要考虑的仪器参数还有基本频率、系统结构，以及对采集的数据如何归一化。
这些参数共同影响探测和分辨目标体的能力。
它们也强烈影响探测深度。
1.发射波形和基本频率
初始场波形控制着瞬变响应。
要获得理想的阶跃波初始场或方波脉冲初始场，则发射线圈中的电流要瞬间关断，但这是不可能的，因为发射线圈的电感防止了电流的瞬变关断。
发射电流上升可以是线性的，但开断时间通常是比较快速的线性斜坡。
一般而言，大功率发射系统关断时间长。
关断时间长显著影响对浅部的分辨能力，下降发射脉冲宽度则显著影响对慢衰减导体的分辨率。
最关键的参数是初始场重复率，也叫基本频率。
降低基本频率可使低频初始场能量增强，但也增加了关断时间，这有利于观测晚期瞬变场，有利于分辨良性导体，即电导率高，体积大的导体。
提高基本频率可以增加高频能量，降低关断时间，可清楚地观测早期二次场，有利于分辨非良性导体和近地表的地质结构。
基本频率设置的原则是对目标体能提供最佳的分辨能力。
在已知地区实验不同的重复性有利于最佳重复率的确定。
否则，可通过数字模拟来确定。
2.发射装置结构
发射装置结构指的是发射线圈和接收机之间的排列方式，方位以及发射线圈的尺寸。
调查的详细程度决定着所应用的发射-接收装置结构，它也决定着侧向分辨率。
大回线水平发射线圈与围岩，水平地层和缓倾角导体耦合的最好。
发射线圈一般是由单根导线组成的线圈或长方形线圈。
对于大部分瞬变法而言都要测量垂直分量（Z）和沿测线方向的水平分量（X），某些时候也测量垂直测线的分量（Y）。
当发射线圈与接收线圈处于同一平面时，我们叫共同结构，当两者的轴线处于同一条直线上时，我们叫共轴结构。
1）移动回线模式（中心回线装置和偶极装置）
对于普查勘探和未知目标导体倾斜方向情况下，常用移动回线观测模式。
最常用的移动回线模式为中心回线装置，也叫框内装置。
这种装置的接收机位于发射框中心。
对于探测水平导电层和均匀半空间而言，在该装置中心点上二次场水平分量X和Y为零图21a。
图21发射—接收装置结构，（a）框内装置（中心或重叠装置），（b）移动模式分离结构（偶极装置），（c）固定发射结构（大定源装置）
非对称分离装置，也叫偶极装置，对于探测陡倾角的薄状导体最有效。
发射线圈中心和接收机之间的距离一般为方形发射线圈单边长度的两倍。
观测的数据相当于发射线圈和接收线圈的中心位置。
移动回线模式的发射线圈单边长度一般为50m-500m，移动间隔，即测点距离应为单边长度的50%。
由于每次移动后发射线圈与目标导体的相对位置都是不同的，因此其间的耦合程度也是变化的，也即在每个位置上产生的涡流电流体系都是不同的。
所以回线模式可以认为是观测沿测线方向导体产生的涡流（二次场）或耦合程度的变化情况；
固定回线模式（大定源装置）是发射线圈与目标导体耦合固定情况下观测导体内圈定的涡流体系沿测线的变化情况，移动回线模式对探测目标体的知倾向和走向最有效。
2）固定回线模式（大定源发射线圈）
用于已知目标体的倾向、走向和深度勘探情况。
因为已知目标导体和倾向，故可正确的布设发射线圈位置。
发射线圈长边要与目标导体走向平行。
可在框内和框外观测。
向框外的观测距离受初始场强度随发射边的距离之衰减而定。
大定源装置的发射线圈必须与陡倾角的目标导体走向垂直，以便获得好的耦合。
3）发射线圈尺寸
大的发射线圈尺寸和低的重复频率晚期信噪比就高，勘探深度就大。
当发射线圈尺寸和勘探深度处于同一量级时信噪比和垂直分辨率最高。
但大发射线圈与地表高导薄层和电性围岩耦合的愈好，他们产生的响应会淹没掉目标导体的异常影响。
所以必须在它们之间做折中选择。
同样，在移动回线模式中，大尺寸发射线圈有大的勘探深度，但降低了空间分辨率，所以也必须做折中选择。
一般说来，线圈尺寸（线圈周长）和勘探深度之比在高阻区大约1:
3；
在有浅部高导薄层和电性围岩存在的情况下发射线圈尺寸要大，一般大约是1:
6。
4）瞬变电磁法野外工作设计
能否探测到隐伏的、不连续的目标导体，取决于地质环境，应用的仪器，发射装置以及野外工作的严格性。
在野外工作设计中，需要考虑的参数包括：
目标体的规模大小，电导率有多大，它的形状和倾向、埋藏深度、目标导体是孤立的，还是与其它导电体相连的。
水平板状导体相比于陡倾角的板状导体更容易探测，因为前者与初始场的耦合最强。
当然围岩的导电性能更强烈的影响瞬变法的探测能力。
5）数据处理——幅度归一化
二次场强度依赖于初始场强度，所以测量的二次场幅度要相对一次场强度归一化。
每一道振幅都要用同时发射电流去除，称归一化。
对于线圈接收器而言，其感应电动势也依赖于线圈灵敏度，所以也必须对接收线圈的电压做归一化。
全部归一化后的单位是V/（ANm2）。
V（伏）是接收线圈测定的感应电动势（伏）
A（安培）是发射电流值（即对初始场归一化）
N接收线圈匝数，m2单匝接收线圈面积（平方米），除以Nm2即对接收线圈的归一化
初始场强度随着离开发射线圈的距离而逐渐降低，因此在远处的异常被畸变了，用初始场强度去归一化二次场幅度可以降低这种影响。
6）观测道幅度（即沿测线的瞬变场断面图）
对于框内装置（中心装置）而言，观测道的幅度代表发射线圈中心处的瞬变场幅度；
对于大定源装置而言，它是接收点处的幅度；
对偶极装置而言，它是发射线圈和接收线圈之间的中点幅度。
瞬变场断面图的优点是，它真实的显现了观测结果，可以快速的了解地下的异常响应。
其缺点是，它难于做地质解释，因为异常幅度与异常体本身没有可比性。
瞬变场幅度图的第二种表示方法，是在一些特殊测点确定功率常数K和时间常数τ（图19）
七、资料解释及应用实例
1.资料解释过程
最通常的解释方法是首先识别导电体的类别，包括：
文化导体，地形影响、地表导体，地层或区域性导体以及基岩导体等等，在矿产勘探中它们都属于环境噪声。
例如地表导体（导电覆盖层），覆盖范围大，能产生广阔的，强的瞬变响应。
地层或区域导体，具有大的走向延伸很广的电导率范围，能产生宽阔的异常幅度。
他们包括断层，剪切带岩石（例如页岩，石墨等等），岩石接触面等等。
如果瞬变响应延迟的时间非常短，它可能是浅部响应。
在偶极装置情况下，导体的响应是不对称的，而且还依赖于接收机位于发射线圈的哪一边和相对于导体位置。
巨大的瞬变响应常与石墨，富硫化物的页岩，片麻岩以及含水构造（断层，含水层）和风化层有关。
对于相互接近的多个导体的瞬变响应是非常复杂的，因为它们相互感应，此时把个别异体分辨出来是困难的。
在没有浅部风化层的高阻地区，可以直接对目标导体的参数进行评估，但在有浅部高导层情况下就不一样了。
在定性解释中首先应分析每个测点的瞬变曲线随时间是如何变化的（随时间变化），以获得测点下方的地质电性结构和垂直变化以及是否存在异常体等定性信息。
然后分析瞬变曲线沿测线方向的
空间变化，包括瞬变场的幅度、形态、异常宽度，梯度和过零点，以获得沿测线方向的电性分层，地质结构以及异常体的形态，边界和深浅等定性信息。
三个分量X，Y，Z的响应是明显不同的，但它们都与电性异常体结构有关。
瞬变场资料解释受不同的装置结构和不同的EM系统（发射阶跃波或脉冲波）所牵制，它们决定了地下的电磁响应。
例如，在低电导率侵染矿体上方可以观测到很强的脉冲响应，但对于高电导率的块状矿体则没有很强的脉冲响应，然而块状矿体却能产生很强的阶跃响应。
2不同观测装置下、不同产状导体的瞬变响应
图22到图25描述了常用的三种观测装置，在有浅部低阻薄层和没有浅部低阻薄层情况下，不同倾向的薄层导体的Z分量和X分量的瞬变响应断面图，现分析如下：
图22在中心装置下计算的瞬变响应，包括三种取向的薄板状导体，有无浅
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