电磁数据处理与解释读书报告.docx

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电磁数据处理与解释读书报告

电磁数据处理与解释读书报告

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瞬变电磁法原理与应用

前言

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，利用地球物理技术对其进行探测和预报，有助于保证资源供给，减少经济损失，加快建设进度。

瞬变电磁法（Transientelectromagneticmethod，TEM）是进行地球物理研究的重要手段之一，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。

它属于时间域电磁法，是利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲电磁场，在一次电磁场的激励下，地下导体内部受感应产生涡旋电流：

在一次脉冲磁场的间隙期间，涡流电流产生的二次磁场不会随一次场消失而立即消失，即有一个瞬变过程，利用线圈或接地电极观测二次磁场，研究其与时间的变化关系，从而确定地下导体的电性分布结构及空间形态。

瞬变电磁法具有场源灵活、方法多样以及稳定高效等优点，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。

原理

瞬变电磁法（TransientElectromagneticMethod，简称TEM）是近年来迅猛发展的一种地球物理勘探方法，包括地面瞬变电磁法、航空瞬变电磁法、矿井瞬变电磁法等。

【15】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。

装置

瞬变电磁法的激励场源主要有两种，一种是载流线圈或回线形式的磁源，另一种是接地电极形式的电流源。

磁源常用的回线装置主要有重叠回线装置、同一回线装置、中心回线组合装置、大回线定源装置以及“8”字形回线装置。

【23】发射的电流脉冲波形主要有矩形波、梯形波和半正弦波,不同波形有不同的频谱,激发的二次场频谱也不相同。

1重叠回线装置

重叠回线装置在频率域方法中无法使用，为瞬变电磁法特有的组合，与目的物耦合最紧密；横向分辨率高，异常幅度大；测量时发射线圈逐测点移动，不会激发盲区；发射磁矩和接收磁矩较大，勘探深度可达数百米。

该装置的缺点是：

接收回线只能水平放置，因此接收磁场垂直分量分辨率较低；设备笨重，铺设线圈时比较麻烦；难以避开干扰区。

2、同一回线装置

同一回线装置测量时其主要响应为一单峰，异常形状简单；线圈较小，可任意放置观测多个分量，从而精确提供目的物的倾角和深度信息；测量设备轻便，适于深度浅、工作地区分散的探测。

该装置的缺点是发射磁矩小，勘探深度浅。

3、中心回线组合装置

该装置具有同点装置共有的最佳耦合，异常幅度大，横向分辨率高等优点；此外，由于中心回线组合装置接收回线较小，因此可观测磁场的水平分量，相比于重叠回线装置提高了分辨率；而且接收回线可避开金属管道等人为良导体，在良导体分布较多的地区，数据质量优于重叠回线装置。

装置的缺点是受地质体的不均匀性影响较重叠回线大。

4、大回线定源装置

该装置的优点是，由于发射回线固定，且发射线圈面积很大，因此可利用大功率发送设备提供很大的电流，从而达到探测深部地质信息的目的；接收时利用小线圈沿测线移动，勘探密度大，划分异常比较

详细；此外，小线圈移动灵活，可探测磁场任一方向的分量，分辨率高；在野外施工时，可多台测量设备同时工作，工作效率高。

其缺点为，对陡峭倾斜矿脉的激发不利；方形回线太大，铺设不便；体积效应较强，大回线外组合方式测量易受到集流效应的影响。

【23】

结论

（1）对于大深度（>700m）的勘探，宜采用大回线定源装置；中等深度（500m左右）勘探，同点装置优势明显；而对于浅层（<20Ore）勘探，同一回线装置即可满足要求。

（2）重叠回线装置与中心回线装置最能发挥瞬变电磁法长于勘探中等深度的优势，且与目标物耦合最紧密，勘探精度也较高，在实际工作中应该大力推广。

（3）在良导体分布较多的地区，中心回线组合装置在施工和数据质量方面均优于重叠回线装置，但它在空旷地区的优势不明显，因此在良导体分布较多的地区宜采用中心回线组合装置；在空旷地区，使用重叠回线装置施工要简洁一些。

（4）对于分散不连续的工区，使用同一回线装置比较适合。

（5）若将同一回线装置的线圈改成10cm×10cm或20cm×20cm，进行建筑物内部管线检测，优势非常明显，应该能取得很好的效果。

（6）对于大回线定源装置，由于发射线圈太大，铺设不便，而且对于大深度的勘探并非瞬变电磁法所擅长，因此不建议采用，但是其高效、高密度、高精度的优势还是不能忽视的。

【23】

现今仪器

最出名的是加拿大Geonics公司，该公司自1978年研制和生产瞬变电磁仪以来，已更新换代多次，目前在市场上销售的PROTEM47、PROTEM47HP（井下探水系统），PROTEM57-MK2和PROTEM67瞬变电磁仪占据着世界上该类仪器的很大市场份额。

以PROTEM为例

产品描述

PROTEM瞬变电磁仪

PROTEM接收机

   考虑到传导性，范围和方向，众所周知，在探测深度和精度上有一个平衡状态。

最大深度的探测必须有大的线圈，产生大的电流，所以这使得目标物的探测非常困难。

好的空间分辨率获得是以一种移动的发射机配合以短的组间距来完成的， 但探测的深度却变浅了。

 在勘测要求上的这些变化要求系统做灵活性的设计。

   时间域系统为一般地质探测使用， 例如为在断裂带淡水蓄水层的探测，并反映出地下水污染物。

浅深度的探测要求非常宽的波段和许多狭窄的采样通道。

   多样的要求促进的PROTEM时间域系统的发展。

 数字化， 三组分接收器能与任何三台TEM发射机共同使用，并且选择线圈来使用它的各种功能。

24位的分辨率，270千赫的波宽，微秒级的采样时间和同时三组分（XYZ）测量， PROTEM接收器提供最强大的时间域测量方法。

   PROTEM接收机可以选择每基础频率上20门进行20次采样，也可以选择30门进行30次采样。

如果30次采样要求包括延迟，那么这项选择包括频率转换和重复测量。

如果仅要求20次采样，使用20门减少测量时间10个因子。

   自动化的测量是每台接收器一个标准功能。

规格

单位                                  nV/m2

EM来源                             线圈

信道                                  1个常规信道和3个3组分通道

动态范围                           24位

基础频率                           0.3,0.75,3,7.5,30,75 和 285Hz 或

0.25,0.625,2.5,6.25,25,62.5 和 237.5Hz

结合时间                           0.5,2,4,8,15,30,60或120s

显示                                  240x64位图形LCD

数据处理                            能同时处理3300个数据，RS232口输出

同步                                   石英钟同步

电源                                  12V一次性电池可连续工作4个小时

重量                                   15kg

尺寸                                  34x38x 27cm

TEM47发射机

   三台可以互换的发射机-TEM47，TEM57-MK2和TEM67–和PROTEM接收机和电缆配合使用，可以组成不同功能的系统。

例如矿物探测， 结构图绘制， 电阻率和污染物的测量。

   TEM47是最小、最轻的发射机，电池供电，使之能快速的断电，从而进行近地表面的探测。

 PROTEM47（包括PROTEM的接收机，TEM47发射机）专门测量浅层地下水污染物、咸水入侵和地质构造的电阻率。

在这种配置，发射机线圈从5m到100m，断电时间达到半微秒， 能获得测量浅层地表面的最大分辨率。

   使用100m x 100m有线圈，发射机输出电流为3A，测量150m的深度可以达到最大的分辨率，这是做大区域的电阻率测量的理想仪器。

   TEM47使用参考电缆达到为浅层探测同步所需要的高准确性。

在应用中，PROTEM47系统采用高频率接收机电缆，高频率接收器电缆能够获取瞬变衰减的早期的部分。

   为了适应复杂的地质环境，推荐三组分高频率接收器电缆。

当配合PROTEM47使用时， TEM47提供2.5A、5m x 5m，8条回路的可移动发射机线圈，可以达到500Am2的偶极矩。

 以75Hz为基础频率，并且20门采样从49μs到2.9ms， 这种配置为适合水平的圈的浅层矿物的探测，以及矿床断裂处地下水的探测。

规格

波形                                   双极矩形波形（50%周期）

基础频率                           30,75, 或 285Hz（电流频率为60Hz时）

25,62.5 或237.5Hz（电流频率为50Hz时）

断电时间                           2.5μs（3A电流，40x 40m 线圈）； 小线圈的时间会更短

发射机线圈                       5x5 到100x 100m 单条回路线圈, 或5x 5m 8条回路线圈

输出电压                           0 到9V

电池                                   内置12V可充电电池

电池寿命                            2A电流可连续工作5个小时

重量                                   5.3kg

尺寸                                  10.5x24x 32cm

中国地质大学（武汉）的CUGTEM-4型和CUGTEM-GK1型瞬变电磁仪，是以单脉冲激发为基础发展起来的，可进行几次叠加，CUGTEM-4型最大的输出电流200A，CUGTEM-GK1型最大的输出电流30A，GPS同步方式，采样率1Ls、4Ls、16Ls三种模式，发射电流基频225Hz、75Hz、25Hz、12.5Hz、6.25Hz。

瞬变电磁法的实际应用

1、瞬变电磁法应用于矿产资源勘查

物探方法寻找有色金属矿产是十分有效的，矿石与围岩物性的明显差异，是物探方法找矿的前提．块状硫化物矿石具有低电阻率特征；围岩表现为高电阻率特征目前．TEM由于其探测深度大、空间分辨能力较强等优点，已在国内外得到广泛应用。

从近年来直接寻找深部隐伏矿过程中的案例分析中可以发现，TEM是技矿效果最好的方法之一。

[16]

例如西藏沙让特大型钼矿的发现与瞬变电磁法探查就是一个极好的例子。

瞬变电磁仪器选用加拿大生产的V8多功能电法仪．采用：

发射线圈300×300（m2），在扫面阶段，选用25Hz基频进行工作，共40道，时间范围分别为：

0．072～8．64ms，异常评价阶段，选用8．3Hz基频进行工作，时间范围为：

0．216～25．92ms．

根据地球物理测量结果，测区内共发现矿化异常区两个（图8）．一号异常区的规模比较大，东西方向横穿测区，长度约3000ITI，最大宽度约为2190m，最小宽度约为140ITI．该区内的异常体厚度最大约590m，最小约120rn，异常体平均长度约为1900m，平均宽度约为1800m，所以，该区内的地下异常体在地面的投影面积约为3．42km2．该区内的地下异常体的海拔最高为5220m，最低为4440m．该矿化异常体普遍反映良好的深度范围主体为：

海拔4700～5000m．二号异常区规模较小，分布于测区的西北角一带，长度约1100m，最大宽度约为660m，最小宽度约为160札该区异常体厚度最大约640m，最小约210m，该异常体的平均长度约为1100m，平均宽度约为320m，因而该区内的地下异常体在地面的投影面积约为0．352km2．地下异常体的海拔最高为5200m，最低为4680m．两个异常区的面积总和为3．77km．

采用大回线源TEM最新研究技术：

（1）采用回线源瞬变电磁大深度观测技术．

（2）在数据处理时．采用与回线内场点位置有关的视电阻率计算公式．

最终，根据TEM资料，划分出低电阻率异常．推测主矿体在地表200m以下，矿体垂直延伸大于600m，异常区的面积总和为3．77km2．随后，对电法成果进行验证．打了19个孔，孔7L见矿，取得较好的地质效果．研究成果表明沙让钼矿为西藏首例独立的斑岩型钼矿床，具有形成特大型斑岩钼矿床的迹象，研究成果具有重要的区域找矿示范意义。

小结：

1）区域性地质构造和成矿带预测工作，对矿床找寻起着相当重要的先导作用；采用正确的地球物理数据采集手段和数据处理方法，是实现第二空间找矿最主要的途径．地质与地球物理方法紧密配合，是准确预测矿产资源的良好途径。

2）随着技术手段的进一步改进，瞬变电磁法将能够更快更精确的圈定异常区域，为我们找矿事业提供有力的帮助。

2、石油行业的运用

石油行业，向来是地震勘探的天下，但是这不代表其他勘探方法不能在石油勘探上体现自己的作用。

例如，如在碳酸岩等覆盖地区，地震波向下传播困难，电磁法勘探可能达到意想不到的效果，然而目前大多停留在理论研究阶段。

赵峰等在准噶尔盆地南缘采用瞬变电磁法通过连续观测，获得地震勘探区地表及近地表结构的电性剖面，利用岩性与电性的关系，建立地表及近地表的地质模型。

在此基础上，有目的地部署地震微测井或小折射控制点以获取相应的深度、速度数据，从而建立地表及近地表速度-深度模型，可以求取准确的静校正量。

这种以表层地质模型为基础建立的地球物理速度-深度模型，其静校正量的求取具有唯一性。

唐新功等采用基于张量格林函数的体积分方程对层状地层中一个油藏的动态变化过程进行瞬变电磁响应的正演模拟。

首先在频率域内计算电磁分量的频率域响应，然后利用快速数字滤波技术将计算结果转换到时间域。

模型计算结果表明，当油藏厚度逐渐变薄时，在电场和磁场二次场分量图形上可以得到清晰的反映，这表明用瞬变电磁法对油藏进行动态检测是可行的。

黄力军等以在江苏油田的应用为例，介绍了电性源瞬变电磁法在油气田上的应用效果。

小结：

石油资源是现在全世界都在争夺的资源，只要我们深入研究，电法在石油勘探上必能有一番作为。

3、煤矿行业的应用

相对于其他行业，电法在煤矿行业上发挥了最大的作业，无论是在煤矿采空区的探测还是煤矿巷道掘进头的连续跟踪超前探测、探测煤层水、防治煤层水等。

电法帮助煤炭行业提供了很多详实可信的资料，减少了许多在开采过程中可能发生的危险，对减小煤炭矿难的发生起到了关键的正面作用。

所谓煤田采空区是指地下煤矿体采出后所留下的空间区域，当煤矿从地下被采出后，上覆岩层失去支撑而导致平衡状态被破坏，应力重新分布，以期达到新的平衡．在此过程中，采空区上覆岩层变形和移动向上波及地表，而地层内部岩石强度和内聚力也大大降低，并在地表或地下（陷落柱）呈现出塌陷、裂缝和台阶等多种形式的地质灾害．煤田采空区及其影响区岩层完整性被破坏，从而改变了其电阻率、密度、弹性等物性特征，为使用综合物探方法探测采空区和检测采空区注浆质量提供了物性前提．采空区引起的地面塌陷、山体滑塌、地面不均匀沉降、地下水疏干、破坏性矿震等地质灾害已经对铁路与公路建设、水利与电力工程设施、工业与民用建筑、生态与水文环境及人民生命财产带来了直接危害．况且现在我国大部分煤矿采空区没有经过处理，有的为不规范开采煤矿形成的采空区，有的为煤矿古空区，其位置和范围很难确定，存在很大隐患，这些地质灾害大都发生在采空影响区内，严重影响区域内经济可持续发展和社会稳定【14】

瞬变电磁法勘探的物理前提是采空区与岩层之间存在较大的电性差异。

煤层赋存于成层分布的煤系地层中，煤层被开采后形成采空区，破坏了原有的应力平衡状态，电性发生明显的变化。

不充水的空洞由于岩性疏松，导电性降低，在电性呈高阻异常，二次涡流场衰减快，产生的感应电动势较低，在瞬变电磁多道电压感应剖面图上表现“低电压异常”，在瞬变电磁拟视电阻率断面图上表现“高电阻异常”；充水采空区由于水是低阻体，所以电性呈低阻异常，二次涡流场衰减慢，产生的感应电动势较高，在瞬变电磁多道电压感应剖面图上表现“高电压异常”，在瞬变电磁拟视电阻率断面图上表现“低电阻异常”；瞬变电磁就是根据这种在电性上的差异来判断采空区的位置和类型【20】。

新疆乌鲁木齐市米东区煤矿采空区深度约80～350m，下图为测区做了瞬变电磁法后的图像。

【14】从图中我们可以看出，瞬变电磁法在煤矿采空区探测方面效果极佳，具有极好的社会经济效应。

小结：

a.无论从效率、成本还是从地质效果看TEM法都是矿区水文地质调查的首选方法，它对煤矿水害防治、保证矿井安全生产具有重要意义。

b.对于复杂地形区，采取必要的技术措施后，地形影响一般都能被有效抑制或消除，真实异常得以显现。

c.在强干扰源附近，要取得较好的效果并不现实；在干扰较平静的地区，第一手资料可靠，经过资料处理，获得的成果贴近实际，效果比较理想。

4、工程物探的应用

瞬变电磁法在工程物探的应用方面较多，涉及面广，包括公路、铁路、水利、码头、城市建设。

主要探测工程地质中的不良地质体（溶洞、空洞、地裂隙、地下采空区、断层、地质灾害调查），在隧道建设中用于探测顶板水或者对隧道掘进方向进行超前地质预报，并根据瞬变电磁法对低阻敏感的特性进行工程质量检测。

随着我国铁路，公路隧道及南水北调引水隧洞建设的加快，隧道（洞）的勘查设计时闻比较短，在隧道（洞）工程建设开发之前，很难提供足够的时间来进行地面地球物理勘探和岩土工程地质勘察，况且由于受到复杂地质和水文地质条件的影响，不良地质情况预报无论在理论方法和技术手段上都没有得到有效解决，难以应对隧道施工中可能出现的水体灾害问题．长安大学，西安煤炭研究所率先用瞬变电磁法进行隧道掌子面前方不良地质体超前预报．取得了较好的效果．类半平面问题在掌子面高和宽大于5倍的回线尺寸的情况下，近似认为是半平面．引进了微分电导成像技术，解决掌子面前方含水构造探测问题．采用3米长的回线框作为发送，直立地贴近于掌子面，用特制的接收磁探头（固定于回线正中心）接收来自掌子面前方的二次感应电压信号，通过一系列各种隧道效应校正，得到较好的资料．通过近年来几十个隧道探测．取得了较多的经验和效果．

例如京广铁路支线沙午铁路（沙河至午涉）。

2007年初，在该铁路40km+870m段东侧不足10m的地方发生地面塌陷。

同年6月在东侧距铁路32m处又发生严重塌陷，形成直径约60m的塌陷坑，边缘还有不断的滑塌现象，地面出现多处裂缝；铁路西侧无明显塌陷，但也存在多条地面裂缝，铁路被迫停运。

这不仅影响了铁路安全运输，还威胁着附近居民的生命财产安全。

经初步调查发现，该区地处邯邢矽卡岩型铁矿成矿带上，铁矿开采形成许多隐性采空区，它们的存在破坏了原有应力平衡，导致上覆岩层发生变形、塌落，影响到地表形成地面塌陷下沉。

因此，需对铁路沿线及周围地区进行勘查，以查明采空区的空间分布，消除安全隐患，为地质灾害治理及确保铁路安全运营提供科学依据。

应用瞬变电磁法，综台叫区地勘资料附近矿井开采情况、物探结果及地表裂缝情况成功的圈出了10处采空区，占测区的28.5%。

为今后的处理方案提供了充实的依据。

小结：

瞬变电磁法在城市中受到各种强电磁干扰时效果可能不好，但是应用在远离干扰的铁路，桥梁，码头等地，可以得到清晰的地下异常图像，为工程的进展提供有力的帮助。

瞬变电磁法实际应用中需要注意的问题

（1）根据目的不同，选择合适的瞬变电磁方法。

根据瞬变电磁研究的对象和理论侧重点的不同可分为2类：

第一类依据“烟圈”扩散理论，主要研究地壳结构、断层深部形态，并用于找水等工作，进一步又可分为大地电磁法、音频大地电磁法、可控源音频大地电磁测深法；第二类依据瞬变电磁感应原理，主要研究局部导电体，并主要用于矿床勘查中，也就是通常所说的时间域电磁法。

根据研究对象的不同，有针对性地选择方法，从而达到地质目的。

（2）瞬变电磁法适用于含良导体的金、铜、镍、铅、锌矿床。

瞬变电磁法所发现的矿床中几乎无一例外地具有较高的硫化物含量。

前人的成功实例中以镍矿和铜、铅、锌矿为主。

（3）选用合适的装置，根据测区不同的地形地貌，应当选取不同的装置以达到最合适的目的，不合适的装置会使得瞬变电磁法后期资料处理与解释寸步难行。

（4）要与实际地质资料相结合，所有的物探方法都是为地质工作服务的，只有立足于地质资料，不盲从、不盲信，具体问题具体分析，根据勘查对象的特点选择合适的地球物理方法、网度，在地质资料的基础上对物探工作取得的资料进行合理解释，并进一步有针对性地寻找判定有效异常的办法，才能取得瞬变电磁方法实际应用的成功。

瞬变电磁法资料处理新方向

（1）通过研究阻尼系数对瞬变电磁观测信号的影响特征，总结了不同阻尼系数时接收系统的性能特性；分析了瞬变电磁系统对地下地质体瞬变响应信号的影响特征，发现瞬变电磁法的研究存在一个模型误差：

瞬变电磁仪所观测记录到的瞬变电磁信号并不是理论计算时接收线圈感应到的瞬变电磁信号，两者存在着较大区别，对于浅层勘探，这个影响是不能忽略的；给出了临界阻尼电阻的计算方法，为实时自动或手动调整临界阻尼电阻的值，提供了可行方案．研究成果的应用能最终提高瞬变电磁系统野外观测数据的质量，尤其是对瞬变电磁的早期数据，对减小瞬变电磁的浅部勘探盲区，使瞬变电磁法在超浅层勘探及超前勘探中更能有效地发挥作用．