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瞬变电磁法

发布时间:2019-01-07 浏览数:42

瞬变电磁法是探测介质电阻率的一种方法,以不接地回线源或接地电偶源以脉冲电流激励大地后,观测地下感生的二次电流场的一种探测方法。它可以在一次脉冲电流间断时(50%占空比)测量它的一系列二次感生电流随时间变化的值,也可以在电流方波反向时(100%占空比)测量它的一系列二次感生电流随时间变化值。由于二次场从产生到结束的时间短暂的,又是不断地衰变的,这就是“瞬变”一词的由来。

基本工作方法是:于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈,从而在其周围空间产生一次电磁场,并在地下导电岩矿体中产生感应电流:断电后,感应电流由于热损耗而随时间衰减。

一、瞬变电磁法的原理

它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场,在一次脉冲磁场间歇期间,利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。简单地说,瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分,衰减快,趋肤深度小;而晚期成分则相当于频率域中的低频成分,衰减慢,趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律,可得到不同深度的地电特征。

瞬变电磁法,又称为时间域电磁法(TEM)。其通过不接地回线或接地长导线供以双极性脉冲电流,当回线中的稳定电流突然切断后,根据电磁感应理论,发射回线中电流突然变化必将在其周围产生磁场.该磁场称为一次磁场。一次磁场在周围传播过程中,如遇地下良导电的地质体,将在其内部激发产生感应电流,又称涡流或二次电流.由于导电地质体是非线性的,所以脉冲电流从峰值跃变到零,一次磁场立即消失,而涡流并不立即消失,有一个瞬变过程,这个过程的快慢与导体的电性参数(体积规模和埋深以及发射电流的形态和频率)有关。地质体导电性愈好,涡流的热耗损愈小,瞬变过程愈长。这种涡流瞬变过程,在空间形成相应的瞬变磁场,又称为二次磁场.通过接收线圈测量二次场空间分布形态,就可发现地下异常地质体的存在,并确定异常体的电性结构和空间分布形态。

二、瞬变电磁法的优点

1. 同样的探测深度,瞬变电磁法远比CSAMT法要使用的时间更短,速度更快。

TEM法的探测深度由下式表示:

h≈28√p*t

由上式可以得出如下条件的探测深度:ρ=100Ω·m;t=0.001ms~100ms;h=8.8~2800m。此时,我们仅仅用了400ms的时间。

如果使用CSAMT法,即使像我们经常使用二进制不加密频点和每个频点只观测一次,要探测这么大的深度,最少也得用上20分钟。

2. 探测深度跨度大:使用NanoTEM最浅可以探测几十厘米;采用普通TEM,可以探测5000米以上。

3. 信息量大:剖面测量和测深工作同时完成。目前采用对数窗口,这个问题还不明显。如果采用算术等间隔窗口获得观测数据,使用GDP-32II的NanoTEM功能,用1.6μS取样,用 32Hz工作,我们可以得到1781个数据。使用GDP-32II的TEM功能,用30.52μS窗口宽度取样,用4Hz工作,我们最多可以得到4096个数据。

4. 采用算术等间隔窗口观测的数据,事后处理能力强。可以通过剔除、滤波方法提高信噪比,特别是可以采用当前认为滤波效果最好的小波滤波技术。

⑵瞬变电磁法在高阻围岩中寻找低阻地质体是最灵敏的方法,且无地形影响。

⑴由于施工效率高,纯二次场观测以及对低阻体敏感,使得它在当前的煤田水文地质勘探中成为首选方法。

⑶采用同点组合观测,与探测目标有最佳耦合,异常响应强,形态简单,分辨能力强。

三、概述

根据瞬变电磁法对低阻体反应敏感的特点,将其用于煤矿井下水文勘查还是近几年的事情。瞬变电磁法是一种极具发展前景的方法,可查明含水地质如岩溶洞穴与通道、煤矿采空区、深部不规则水体等。瞬变电磁法在提高探测深度和在高阻地区寻找低阻地质体是最灵敏的方法,具有自动消除主要噪声源,且无地形影响,同点组合观测,与探测目标有最佳耦合,异常响应强,形态简单,分辨能力强等优点。

四、装置及原理

瞬变电磁法的勘探原理是利用人工在发射线圈加以脉冲电流,产生一个瞬变的电磁场,该磁场垂直发射线圈向两个方向传播,通常是在地面布设发射线圈,依据半空间的传播原理,把地面以上的忽略。当磁场沿地表向深部传播,当遇到不同介质时,产生涡流场或着遵照量子力学原理使活泼的碱金属产生能级跃迁或使含有大量氢原子的液体的氢原子核沿磁场方向产生定向排列。

当外加的瞬变磁场撤销后,这些涡流场的释放或者活泼的碱金属要恢复原有的能级,释放跃迁产生能量。以及含有大量氢原子的液体的氢原子核恢复原有的排列时,均以磁场的形式释放能量所获的能量。利用接收线圈测量接收到的感应电动势v2。该电动势包含了地下介质电性特征,通过种种解释手段(一维反演,视电阻率等)得出地下岩层的结构. 由于采用线圈接收V2,故对空间的电磁场或其它人文电磁场敏感,也就是通常所说的干扰.为了减少此类干扰,采用尽量的发射大的电流,以获取最大的激励磁场,增加信噪比,压制干扰。

接收装置通常分为分离回线,中心回线和重叠回线3类,以重叠回线得到的信息最为完整,其它次之。

五、局限性及解决办法

瞬变电磁法的工作效率高,但也不能取代其它电法勘探手段,当遇到周边有大的金属结构时地面或空间的金属结构时,所测到的数据不可使用,此时应补充直流电法或其它物探方法。同时在地层表面遇到大量的低阻层矿化带时(例如在陕西南部某地铅锌矿区,地层表面充满石墨层)瞬变电磁法也不能可靠的测量,因此在选择测量时要考虑地质结构。

在测量过程中,要随时记录地表可见的岩石特征,装置的倾角以及高程,以便在后续的解释中,准确的划分地层构造.同时在一个工区工作之前,要做实验,选择合理的装置以及供电电流,一经确定,不能在测量中变更装置和供电电流,否则对解释造成影响。在进入工区前尽量寻找已知地层的基准点对仪器进行校准(类似于重力或磁法测量的基点校正和仪器一致性试验)。以确保测量的准确性(以后将有专题论述)。

六、测量结果表达

瞬变电磁法的解释,通常分为2种:定性解释和定量解释。定性解释一般是观察测线多道剖面,通过多道剖面可以定性的看出地层的分布情况(参见供5000A电流 EMPS-1电磁勘探仪一文中给出的地层多道剖面对比图),同时应排除晚期道的干扰假象.对双峰异常要多加关注(参见瞬变电磁法寻找地下热水实例和瞬变电磁法金属矿探测实例)。

定量解释:一维反演是目前解释中最为准确的手段之一,但是要求输入初始模型。对初始模型的求取,通常有以下几种手段。1在矿区已有的地质资料(电测井)或者区域地质资料。2用直流电法在工区作一个电测深,以该测点的电测深电阻率作为初始模型。3也可用视电阻率和其它全域电阻率计算方法得出初始模型,但要保证其计算的结果的正确性。当计算出地层电阻率后,要进行地形改正和倾角校正,用测量时记录的高程和倾角改正(参见瞬变电磁法金属矿探测实例)。最后做出地质拟断面图。

当进行井下或坑道测量时,要考虑全空间的响应(和地面半空间有很大的区别),解释方法需要用全空间的解释算法,而不能简单的利用地面半空间解释方法。

其它方面:在工程勘探时,寻找地下空洞时,会有两种情况,一是充水空洞呈现低阻特征,二是未充水,呈高阻特征。如有钢筋水泥结构支撑或回填塌陷后空洞的则情况比较复杂需要仔细判断。同时要排除地下供水管暖气管的影响。

中国地域辽阔,地质结构不尽相同,地质结构的区域性使得不同地区的成矿,成水条件的不一致。在解释资料时,一定要参考所在区域的地质资料和前人成果,以及其它方法的配合,特别是地质方面的配合。切不可随意套用其它地区的解释经验,做出错误的判断。

七、瞬变电磁法的应用对象和应用条件

(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)根据工作区的面积及勘查工作阶段,选用合适的载体系统.目前,瞬变电磁法根据使用的系统载体的不同,可分为航空瞬变电磁系统、半航空瞬变电磁系统、地面瞬变电磁系统和井下瞬变电磁系统4类,并各有其优点.根据工作的不同阶段合理选择系统载体对取得好的找矿效果尤为重要.如在预查阶段,一般需要利用大面积的地球物理工作来寻找可能的普查靶区,这时选择航空瞬变电磁系统,能以低成本快速完成靶区的筛选.在选择航空瞬变电磁系统后,还可进一步根据普查面积和海拔因素来选择固定翼航空瞬变电磁系统或直升机航空瞬变电磁系统。

在普查和详查工作阶段,在地势平坦的地带,可直接实施地面瞬变电磁剖面工作;而在测量条件较为复杂的地区,如地势起伏的山区等,为提高效率,并获得较航空瞬变电磁系统更高的信噪比和更好的空间分辨率,应选择半航空瞬变电磁系统;在地质复杂地带,矿体变化较大,如在第1II勘探类型金属矿床勘查工作中,为防止漏矿并寻找深部矿体,使用地井瞬变电磁法,可有效地探测直径200 300 121范围内的良导体。另外,在地面瞬变电磁测量中,根据探测深度的不同,合理选取线框大小。

(4)选择合适的仪器。以地面瞬变电磁系统为例,目前,国内外商品化的仪器大约有十几种,如国外的澳大利亚SIROTEM—III型,加拿大Diginal PEM系统、EM系列,多伦多大学ETM系统,凤凰公司V8多功能电法仪等及美国GDP一32多功能电法仪;国内有IG—GETEM一20型,长沙SD一50型,吉林大学ATEM—II型,重庆WTEM型,中国地质大学(武汉)CUGTEM一4型、CUGTEM—GK1型,西安物化探研究所EMRS一2型以及北京地质矿产研究所TEMS一3瞬变电磁仪等.吕国印E4]指出,与国外同类产品相比,国产仪器存在如下的主要缺陷:①至今未研制出适用于复杂环境条件下的高精度石英钟同步系统,大多数仪器的同步方式为电缆,只能用重叠回线工作装置,在大多数地质环境条件下,重叠回线装置的固有过渡过程较长,使得获取的电性断面显示较低的电阻率,尤其是深部,计算的电阻率比实际情况低几十倍,甚至几百倍;②缺少配套的、性能稳定、频率特性满足TEM方法要求的感应探头;③稳定性差 .因此在勘查深度大、成矿类型较为复杂时,选择使用合适仪器的队伍是保证勘查活动成功的前提。

八、瞬变电磁法实际应用中应注意的问题

尽管国内外有大量利用瞬变电磁法取得较好找矿效果的实例,该方法仍有一定的局限性.如在无地质资料等先验信息的条件下,不能得出金属矿体(目的体)的埋深等参数。另外一系列干扰因素有可能对数据产生影响.其中最常见的有:①地面磁性体干扰;②工业电磁信号干扰;③周期电信号干扰。

为排除上述干扰,并区分矿致异常与非矿致异常.陈贵生提出了下列11种区分办法:时空特征区分法、异常形态区分法、异常强度区分法、异常衰减特征区分法、场源体形态区分法、深度区分法、良导率区分法、模拟法、综合物探法、化探法、地质法等。如某斑岩铜矿区,大部分矿体是浸染状的,品位较低,瞬变电磁异常不显着,前人经过TEM试验后,认为该方法在该矿区是失败的,但前人忽略了该区一些明显的瞬变电磁异常的地质意义.之后的地质工作者重新分析后得出个别勘探线已知异常与硐探后控制的隐伏富矿体对应,其余异常则构成了潜在的富矿体靶区。

总之,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区分矿和非矿的办法,才有可能取得找矿成功.找矿目标转向隐伏矿,意味着地质工作者需要了解更多的地球物理知识,并与地球物理工作者更密切配合,实现就矿找矿。