瞬變電磁法的理論與應用2010年11月一、前言(歷史回顧)瞬變電磁法是利用電磁感應原理找尋地下良導體的一種地球物理方法。瞬變電磁法最早由地球物理學家Wait于1951年提出，于1953年獲得專利權。1960年原蘇聯研制出第一臺共圈式瞬變電磁裝置（MPPO－型）。1962年Mclaughlin和Dolan研制出固定放射回線、移動接收回線的瞬變電磁儀，并利用該儀于1964到1970年在塞浦路斯和南美洲取得了找礦效果。從而推動了電磁法的進一步發展。自80年頭以來，瞬變電磁法獲得了比較大的發展。現已成為一種重要的電磁方法。在我國瞬變電磁法探討應用在20世紀70年頭起先,閱歷了30多年,涌現出一批著名的專家學者如樸化榮,牛之璉,曾孝箴,羅延中,蔣邦遠,劉顯耀,何朝明等(排名不分先后)他們為我國的瞬變電磁法探討和應用做出很大貢獻。為今日的探討和應用打下了堅實的基礎。瞬變電磁法或稱時間域電磁法是以不接地回線或接地線源通以脈沖電流為場源，以激勵探測目的物感應二次電流，在脈沖間隙測量二次場隨時間變更的響應。二次場從產生到結束的時間是短暫的。這就是“瞬變”或“過渡過程”名詞的由來。在西方地球物理界，時間域電磁法的代號是TDEM(TimeDomainElectroMagneticinduction)，瞬變電磁法的代號是TEM(Transientelectromagnetics)，有時TDEM即指TEM，但反過來TEM代替TDEM的極少。原蘇聯與TEM相關的方法，在我國直譯為過渡過程法。從方法機理來說，頻率域方法和時間域方法沒有本質的不同。前者探討諧變場特點，后者探討不穩定場特點。兩者可借富里葉變換相聯系。在某些條件下，一種方法的數據可以轉換為另一種方法的數據。二、瞬變電磁法的特點及應用范圍前面提到的觀測是在脈沖間隙中進行不存在一次場源的干擾，這稱之為時間上的可分性；脈沖是多頻率的合成，不同的延時觀測的主要頻率不同，相應時間的場在地層中的傳播速度不同，調查的深度也就不同，這稱之為空間的可分性。瞬變電磁法的特點就基于這兩個可分性由上述兩種可分性必導致以下具體特點：①把頻率域法的精確度問題轉換成靈敏度問題，加大功率靈敏度可以增大信噪比，加大勘探深度；②在高阻圍巖地區不會產生地形起伏影響的假異樣；在低阻圍巖區，由于是多道觀觀測，早期道的地形影響也較易辨別；③可以接受同點組合(同一回線，重疊回線等)進行觀測，使與探測目標的耦合最緊，取得的異樣強，形態簡潔，分層實力強；④線圈點位、方位或接收距要求相對不嚴格，測地工作簡潔，工效高；⑤有穿透低阻覆蓋的實力，探測深度大；⑥剖面測量與測深工作同時完成，供應了更多有用信息，削減了多解性。由于這些特點伴隨儀器的數字化和智能化，功率的增大，數學模型計算正反演的應用，說明水平的提高與閱歷的豐富。現在瞬變電磁法不僅是剖面的方法，也是測深的方法，可以解決的地質問題相應擴大。礦產勘探構造探測水文與工程地質調查環境調查與監測考古、UXO等。幾乎涉及物探工作的各個領域，特殊需要指出的是近年在找水、市政工程、土壤鹽堿化和污染調查以及淺層石油構造填圖都有良好的報導。依據國內外的閱歷，可以解決的地質問題有：二、方法原理瞬變電磁法的測量裝置由放射和接收兩部分組成。瞬變電磁法的工作過程可以劃分為放射、電磁感應和接收三部分。當放射回路中的穩定電流突然切斷后，依據電磁感應理論，放射回路中的電流突然變更，必將在其四周產生磁場，該磁場稱為一次磁場。一次磁場在向四周傳播過程中，如遇到地下的良導電的地質體，將向其內部激發產生感應電流，又稱渦流或二次電流。由于二次電流隨時間變更，因而又在其四周產生新的磁場，稱為二次磁場。如圖1所示。由于良導體內的感應電流的熱損耗，二次磁場大致按指數規律隨時間衰減。形成如圖2所示的瞬變磁場。二次磁場主要來源于良導體內的感應電流，因此它包含著與良導體有關的地質信息。二次磁場通過接收回線的觀測，并對所觀測的數據進行分析與處理。以此來說明地下的良導體的地質屬性和及相關的物理參數。圖3是地面瞬變電磁系統，其放射裝置是一個大放射線框，接收裝置是可以移動的小型線框。依據法拉第(Faraday)電磁感應定律，當放射回線的穩定電流突然切斷后一段時間內，地下良導（礦）體內將產生感應電流，感應電流在良導體內擴散過程可分三個階段為了維護導體內原磁場，在斷電初，感應電流集中分布于導體表面，形成表面電流（GrantandWest，1965，Weaver，1970）。該階段稱為早期時間。隨著導體內感應電流的熱損耗，表面電流起先向導體內部擴散，見圖4。其擴散速度一般與導體的電導率成反比關系，該階段稱為中期。圖4球形導體內感應電流分布示意圖當導體感應電流擴散經過一段時間后，便進入所謂的晚期階段。其感應電流的每個線電流的阻抗和感抗均趨于于漸近值是晚期階段的主要特征，此時導體內的電流分布趨于相對的穩定，熱損耗速度減慢，表現為與感應電流相對應的二次磁場衰減的速度大大減緩（圖2）。導體內感應電流以及與對應的二次磁場隨時間的變更率取決于導體的電導率、尺寸大小及形態。早期導體表面的電流分布僅于導體的形態和大小有關，而與導體的電導率幾乎無關。瞬變電磁場的物理過程可用電路理論說明，如圖1所示。其放射、導（礦）體和接收分別由三個線圈模擬，如圖5，其中M01表示線圈I0與線圈I1之間的互感，R和L表示模樣導體線圈的阻抗和感抗。假定放射線圈中有電流強度為I0（t）的方波電流輸入，依據電磁感應定律，則導體線圈內產生的感應電流為：（1）(GrantandWest，1965)，其中τ＝L／R為導體線圈的時間常數。由（1）看出，導體線圈內的感應電流是隨時間按指數規律衰減。在t＝0時刻，即為衰減初期，導體內感應電流強度為：自不待言，此時的感應電流僅與一次磁場的穿過導體線圈的磁通量（M01I0）以及導體的形態和尺寸（L）有關，而與導體的電導率（1／R）無關。導體內的感應電流將在接收線圈中產生二次磁場，線圈輸出電動勢與二次磁場隨時間的變更率成正比關系，其表達式為：（2）

式中：δ(t)為單位脈沖函數。分析式（2）可知，對于導電性差的地質體，其時間常數τ值很小，二次場初始值較大，但衰減速度較快；反之，導電性良好的礦體，時間常數τ值較大，盡管二次場初始值小，但衰減速度慢（圖6）。瞬變電磁場的這一物理特性構成了利用瞬變電磁法找尋地下良導體的基本原理。圖6瞬變電場隨時間衰減規律與礦體導電性關系圖“煙圈”假設介紹1979年美國地球物理學家M．N．Nabiglliall提出了利用等效代換法計算勻整大地的晚期瞬變電磁響應的概念及計算方法。這種概念使人們能夠從物理意義上去理解瞬變電磁場的擴散規律，在滿足晚期的條件下，其計算精度也是令人滿足的。四、瞬變電磁法的野外工作方法1.瞬變電磁法地面測量裝置有以下幾種種：(1)單線框裝置：單線框裝置是瞬變電磁測量系統中最簡潔的一種。其主要特點是放射器和接收器為同一線框。既做為放射框同時又作為接收框。線框形態可以是正方型，亦可為矩形。線框邊長一般在200m之內．視具體狀況而定(圖la)。(2)共線框裝置共線框裝置是指放射線框和接收線框具有完全相同的幾何形態和尺寸。但兩線框相互布置在同一位置上(圖1b)。（3）環式線框裝置：接收線框位于放射線框內中心位置的形式稱環狀線框裝置。其尺寸比放射線框小的多．通常接收線框由多芯導線組成多扎線框。由每個單扎線圈可看作是一個磁偶極子。因此這種接收器又稱偶極接收器(圖1c)。(4)分別式線框裝：放射線框與接收線框保持特定距離分別布置的測量系統稱分別式線框裝置。該裝置有兩種形式。一種是放射和接收線框尺寸大小完全相同。另一種是接收線框為偶極接收器(圖ld）。(5)雙線框裝置:雙線框裝置是由兩個大小相同，平行而相鄰的線框并聯構成，該裝置如圖le所示。雙線框即做放射線框，又做接收線框，工作方式類似于單線框裝置。放射和接收線框分別由兩個大小相同而又獨立的雙線框組成。工作方式類似于共線框裝置。雙線框裝置抗干擾實力強。但施工不便利，運用時受到限制。(6)固定放射移動接收裝置該裝置由一個固定的大線框和一個可移動的多繞層小線框組成。大線框為放射框、小線框為接收框。放射線框通常為矩形。長邊約600m以上，有時可達1～2km;接收框通常為正方形，邊長在1m以內；觀測點可布置在放射框內或外。該裝置可通過調整接收線框方位進行三重量現測，是目前較普遍的觀測方法之一(圖1f)。2、觀測參數瞬變電磁儀器系統的一次場波形、觀測道數及其時窗范圍、觀測參數及其計算單位等，各個廠家的儀器之間有所差別。盡管各種儀器絕大多數都是運用接收線圈觀測發送電流脈沖間歇期間的感應電壓V(t)值。就觀測讀數的物理量及計量單位而言，或許可以分為三類：①用發送脈沖電流歸一化的參數：儀器讀數為V(t)/I值，以μＶ／Ａ作計量單位。②以一次場感應電壓V１歸一的參數：例如加拿大Crone公司的PEM系統，觀測值是用一次場剛剛將要切斷時刻的感應電壓V1值來加以歸一。并令V1＝１０００，計量單位無量綱，稱之為Crone單位。③歸一到某個放大倍數的參數：例如加拿大的EM－37系統，野外觀測值為：m=V(t)·G·2N式中V(t)為接收線圈中的感應電壓值；G為前置放大器的放大倍數；2N

為儀器公用通道的放大倍數，N=1、2、…、9。m值以mV計量。為了便于對比，在整理數據中，無論用哪種儀器，一般都要求換算成為下列幾種導出參數，并以這幾種參數作圖。(1)瞬變值dB(t):dB(t)/dt=V(t)/SＲＮ，以nV/m2計量，V(t)表示接收線圈的感應電壓；SＲ表示接收線圈的面積；N為接線圈的匝數。有時接受B(t)/I，以nV/m2Ａ計量。(2)磁場B(t)值：由對dB(t)取積分得到B(t)值，以pw/m2計量(3)視電阻率ρτ（ｔ）值，以Ωｍ計量。(4)視縱向電導Sτ（ｔ）值，以S(西門子)計量。3、瞬變曲線特征接受不同裝置觀測瞬變場時，所得到的瞬變曲線具有不同的特征。下圖給出了良導直立脈狀體上方不同裝置上的磁場曲線的異樣特征。假設各裝置的放射框與接收框之間中心點連線與巖脈走向垂直，其對應的磁場的剖面曲線特征好下：（1）單線框、共線框和環式線框:在直立巖脈上兩側出現雙峰正異樣，其波谷位于巖脈頂部中心（圖2a）。（2）分別式線框裝置:在巖脈頂部為單值負異樣，并介于兩個正異樣之間（圖2b）。(3)雙線框裝置：三峰正異樣，最大正異樣位于巖脈頂部，兩側為低值正異樣（圖2c）固定放射移動接收式：磁場垂直重量曲線在巖脈頂部出現正、負異樣，在靠近放射線框一側為正異樣，負異樣位于遠離放射線框一側，正負異樣之中點對應巖脈頂部中心位置（圖2d）；磁異樣水平重量曲線為一對稱單峰正異樣，峰值點對應巖脈頂部中心（圖2e）4、施工技術瞬變電磁法野外施工要留意兩個問題，即裝置的選擇和測網設計。該兩個問題須要依據具體的地質狀況、勘探的目的和要求，通過野外試驗來確定，這里就其共性問題加以介紹。4.1測量裝置的選擇共線框、環式線框和固定放射移動接收裝置是電磁法勘探運用較多的測量裝置。前兩種裝置具有施工便利、信號較強的特點，但是異樣較為困難，淺層影響較大。后一種裝置的特點是異樣易于辨別，淺層影響小，但是布置線框時費時，尤其是在地形起伏地區。由于放射線框固定，測量過程簡潔、快速。目前較為流行的共線框和環式線框尺寸為100m×100m。固定式大線框有兩種，分別是300m×600m和400m×800m。其中環式線框和固定放射移動接收裝置的多繞層接收線框一般為0.5m×0.5×m×1m,其線框繞數在300~500匝之間。依據線框尺寸大小，共線框和環式線框裝置又稱為小線框裝置，固定放射移動接收又稱為大回線裝置。一般來說，大線框放射可產生較強的一次場，探測深度大。理論上可以證明，大線框可以獲得較高的信噪比。假設rs和rn分別是接收線框到地質目標體和淺層非勻整干擾源之間的距離，則接受大線框裝置和小線框裝置所獲得的信噪比分別近似為(rn/rs)4和(rn/rs)6。此外，接受大線框可以進行三重量觀測，有利于資料的對比和說明。因此，固定放射移動接收已經成為目前較為流行的瞬變電磁法的野外工作方法。4.2、測網設計測線方向和點、線距是測網設計的主要內容。一般來講，測線盡量與預料地質體垂直。當接受固定放射移動接收裝置時，放射線框的長邊應平行于地質體走向，這樣可以獲得最佳電磁耦合。點距、線距一般取決于勘探目的和探測地質體的大小。通常在普查階段，線距應小于地質體的長度，點距應保證兩個異樣點的記錄；在詳查階段，線距應小于地質體的長度之半，點距應保證6~8個異樣點的記錄當接受共線框和雙線框裝置進行普查時相鄰測點線框一般不重疊（圖3a），點距一般等于線框邊長；詳查時，相鄰測點線框可重疊百分之五十（圖3b）。當運用固定放射移動接收式裝置普查時，線距800m。點距為50m；詳查時，線距多為100m或200m，點距為25m。5、干擾與限制瞬變電磁法野外觀測中常見干擾有兩種，一種是人文設施的干擾，另一種是電磁噪聲人文設施干擾主要包括工業電線、地下金屬管道等，對于這些金屬體位于放射線框旁邊時，可被激發而產生瞬變電磁法干擾異樣，使獲得的資料變得困難。通常接受在干擾源為中心與原放射線框對稱的位置放置另一個相同的放射線框來限制人文設施干擾，接受該措施可以大大降低干擾信號。電磁噪聲主要源于天電、動力電（50Hz、60Hz）、甚低頻無線電電臺等。這些亦可在接收線框中干擾電磁信號。但是，由于這些干擾源都有固定的頻率范圍，規律性較強，因此，在較新型的數字瞬變電磁儀器中都接受了多次疊加式濾波的方法使得這些干擾得到有效的壓制。此外，當運用共線框裝置時，有時還會遇到放射線框與接收線框之間的電磁干擾，此時，應將二者分別2到3米為宜（圖4）五、瞬變電磁法的資料外理與說明1瞬變電磁資料圖示1.1瞬變電磁場剖面圖以測點為橫軸，觀測數據為縱軸，沿測線方向繪出各時間道曲線，即得到該剖面線上的瞬變場剖面圖。橫軸接受算術坐標，縱軸接受算術或對數坐標。為便于多道曲線對比和部分道數據變更范圍較大時(用對數坐標)，可接受對數和算術混合坐標系(圖1)。瞬變場剖面曲線特點是通過對比不同時間道場值異樣與地下地質體對應關系顯示的。1.2瞬變場衰變曲線該曲線圖橫軸代表時間道號，縱軸為觀測場值。衰減曲線常繪制在雙對數坐標系中(圖2)，也可接受單對數坐標系(圖3)。為便于不同觀測點衰減曲線間對比，實際工作中可將不同觀測點衰減曲線繪制在一張圖上，如圖2、3所示。1.3視電阻率擬斷面圖以測點為橫軸，時間道號為縱軸，以視電阻率為記錄值，繪制斷面等值線(圖4)。擬斷面圖直觀的繪出沿測線地電斷面電性變更特征。圖4中低阻異樣區對應硫鐵礦脈。1.4瞬變場等值線平面圖在工程布置圖上，將同一時間道的觀測值標在對應測點旁，然后構制瞬變場等值線平面圖(圖5)由于瞬變場衰減與深度有關，不同時間道對應的等值線平面圖反應不同深度瞬變場的變更特征，因此，同一測區應繪制反應不同深度的多個時常間道的平面圖，通常繪制早期、中期和晚期三個時間道的等值線平面圖。2瞬變場資料說明瞬變場資料說明和直流電法一樣，分兩階段進行，而定性說明和定量說明.定性說明主要通過對原始數據、各種定性圖件分析對比，確定異樣體的存在和圈定異樣體的分布范圍;定量說明是通過典型剖面曲線分析，獲得時間常數，計算機模擬及反演處理等方法取得異樣體定量參數，如埋深、礦體形態及導電等。2.1確定異樣體形態和埋深異樣體形態是通過瞬變場剖面分析而確定的。曲線特征取決于異樣體的電性和形態，還和測量裝置有關。圖6給出了固定放射移動接收裝置獲得的水平、傾斜和直立板狀良導體對應的瞬變場剖面曲線。水