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瞬变电磁法的发展及应用

发布时间:2019-01-07 浏览数:28

1 综述

美国科学家L.W.Blau于1933年最先提出利用电流脉冲激发供电偶极形成时域电磁场.直到20世纪50~60年代,前苏联科学家成功地完成了瞬变电磁法的一维正、反演,建立了瞬变电磁法的解释理论和野外工作方法之后,瞬变电磁法才开始进入实用阶段,主要是将长偏移法在地热调查和地壳结构的调查中使用。

6O年代以后,当意识到时间域电磁测深法可以利用远远小于期望探测深度的收发距时,该方法有了一个快速发展。随之,短偏移、晚期、近区等技术研究迅速发展起来.直到20世纪70 80年代,短偏移法在美国等西方国家仍处于研究和试验阶段,未被广泛运用。随后一些专家对瞬变电磁法的一维正反演及方法技术进行了大量研究。与常规电法比较,目前瞬变电磁法具有如下的优势:①常规电法易受浅层低阻屏蔽,瞬变电磁法探测深度大,能轻易穿透厚大的低阻覆盖层;②理论上瞬变电磁法比直流电法分辨率高1/3次方;③瞬变电磁法采用密集采样方式(等算术),采样数据为千个至数百万个深度数据,大大提高了对勘查目的物空间位置及形态的控制能力。

我国于上世纪70年代初开始研究TEM.长春地质学院、中南工业大学、西安地质学院、中国有色金属工业总公司矿产地质研究院和西安物化探研究院等单位先后研制了电磁系统,并进行了理论和方法技术研究,主要采用近区方式的中心回线法和重叠回线法进行工作,取得了一批有价值的研究成果及大量成功的实际应用实例。近几年,瞬变电磁法的理论与应用研究越来越活跃,已渗透至工程勘察领域。目前,在瞬变电磁的解释技术方面,国内外水平接近.一维反演和二维电阻率成像是目前较成熟、实用的方法,也仍是瞬变电磁资料的主要常用解释手段.二维或三维瞬变电磁反演解释技术处于探索研究的阶段,离真正的实用阶段有相当大的距离。

瞬变电磁法(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。

2 瞬变电磁法的发展历史

将瞬变电磁信号用于地质勘探的设想,早在20世纪30年代就有人提出。最早的时域电磁法在西方称为Eltran法,它基于L.W.Blan在1933年获得的发明专利,该法利用电磁脉冲激发供电偶极形成电磁场,用电偶极测量电场。在前苏联,早在1937年,A.P.Kraev 就提出了瞬变电磁测深法。在20世纪50年代,前苏联基本建立了瞬变电磁法解释理论与野外施工的方法技术,20世纪60年代成功地发现了奥伦堡地轴上的大油田。前苏联在瞬变电磁法理论研究方面一直走在世界前列,在20世纪50~60年代成功地完成了瞬变电磁法的一维正反演。在20世纪70-80年代,前苏联地球物理工作者又在二三维正演方面做了大量工作。在20世纪80年代初,前苏联学者提出了电磁波拟地震波的偏移方法,吸取了偏移成像的广义概念,在电磁法中确定了正则偏移和解析偏移两种方法。在20世纪80年代末,KMaHeec等又从激发极化现象理论出发,研究了时间域瞬变电磁法的激电效应特征及影响,成功地解释了瞬变电磁法晚期段电磁响应的变号现象。同时由俄罗斯生产的大功率瞬变电磁仪器进入我国市场。

在西方,1951年首先由J.R.Wait 提出利用瞬变电磁场法寻找导电矿体的概念,但大规模发展该方法始于20世纪70年代对该方法的一维正反演及方法技术进行了大量研究。20世纪80年代以来,随着计算机技术的发展,西方各国在瞬变电磁法的二三维正演模拟方面做了大量工作,理论研究方面的代表性著作有A.A.Kaufman和G.V.Keller的专著“频率域和时间域电磁测深”及M.N.Nbaihgain主编的“应用地球物理学中的电磁方法”等。

地面瞬变电磁法仪器主要有加拿大Goenics公司的PROTEM系统(包括PROTEM47,PROTEM57,PROTEM67 等系列),加拿大CRONE公司的Digital PEM系统,澳大利亚CSIRO的SIROTEM,SIROTEM 111以及美国Zonge公司的GDP-32多功能电法仪,加拿大Phoenix公司的V5,V6A,V8多功能电测站等。

我国对TEM法的研究始于20世纪70年代。长春地质学院地矿部物化探研究所、中南工业大学、西安地质学院、中国有色金属工业总公司矿产地质研究院、煤炭科学研究总院西安分院及中国地质大学等单位分别在方法理论仪器及野外试验方面做了一定的工作,取得了一批好效果的应用实例。从20世纪90年代至今,在国内,TEM法进入了蓬勃发展和广泛应用阶段。由于短偏移距TEM法能够实现频率域方法中无法实现的近区勘探,特别是中心探头装置不存在记录点问题,且有极高的工作效率,因此,在中深层水文地质勘探中,TEM法已成为主要的勘探方法。近年来,随着探测深度的增加,长偏移距瞬变电磁测深(LOTEM)法的应用日见增多;同时,由于浅层工程地质勘探的需要,又促进了浅层FASTEM法的发展。总的来看,目前国内已比较完整地建立了TEM法的一维反演及方法技术理论,并自行研制了一些功率较小的仪器,主要有:长沙智通新技术研究所研制的SD-1型和SD-2型瞬变电磁仪、原地矿部物化探研究所的WD-C2型系统、西安物探研究所研制的EMRS-2型系统以及北京矿产地质研究院研制的TEMS-S3型瞬变电磁仪等。但无论从方法理论研究还是仪器研制均落后于世界先进水平,特别是在仪器研制方面,除少数有所独创外,大多是在国外仪器基础上的开发改进,一流的大功率多功能瞬变电磁法仪器目前仍然依赖进口。

3 瞬变电磁法的发展现状

3.1 瞬变电磁仪器发展现状

随着电子技术和计算机技术的发展,近十几年来,瞬变电磁仪经过五次改进更型。性能稳定、实用可靠的商品化瞬变电磁仪器始于70年代初期,最先推出商品仪器的为加拿大CRONE地球物理公司,目前国内外商品化仪器大约有十几种。

加拿大CRONE地球物理公司的DigitalPEM系统,匹配2.4 kW和4.8 kW二种发射机,发射机的发射电流下降沿固定模式有200Ls、300Ls、500Ls、1000Ls、1500Ls五种,发射线圈为任何状态、任何大地耦合条件下,发射机都可自动调整发射电流下降沿时间保持不变,接收传感器为棒状探头,探头脚架为可调式支架,能方便地调节探头地状态以满足测量三分量的要求,工作装置主要为中心回线、定源大回线和偶极~偶极。配有地~井TEM系统,井中三分量探头为分体式,即垂直分量和水平分量为二个探头,野外工作时每一激发回线状态下,分别测量垂直分量和水平分量,这样相对降低了工作效率,但大大增加了安全性,由于分体式比整体式三分量探头长度短得多,因此减小了卡探头的几率。

加拿大GEONIC公司的EM系列,接收机型号为PROTEM,可与EM47、EM57、EM67发射机配套形成小、中、大功率TEM系统,发射机自测电流下降沿时间,接收机依据发射机的自测值置入电流下降沿时间,以确定采样延迟时间的零时刻,单分量低频接收线圈为直径100 cm空芯线圈,单分量750Hz高频接收线圈为直径70 m空芯线圈,三分量探头尺寸为70×70×30 cm,相对国内外其它品牌的瞬变电磁仪器而言,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;③EM47发射机:在40m×40m线圈的条件下,发射电流下降沿时间为2.5Ls。TDEM47系统是瞬变电磁法用于工程勘查的最佳仪器。三分量井中探头为一体探头。在国外使用的主要装置为定源大回线,同样也适用于中心回线装置。

澳大利亚联邦科学工业研究院的SIROTEM-0型瞬变电磁仪,为中功率仪器,接收探头为50×50×50 cm的立方体,该仪器除可用于中心回线、定源大回线装置 外,还可用于重叠回线装置。目前该类型的仪器已停产。

加拿大多伦多大学的UTEM系统,发射电流波形为连续三角波,测量输出的参数为感应电动势二次场与一次场的比值,目前测量结果还无法转换成电阻率参数,该系统主要用定源大回线装置进行工作。配有三分量地-井TEM系统。加拿大凤凰公司的V8多功能电法仪,专门配套了用于TEM功能型号为T-4发射机,用电池组提供发射机电源,发射电流下降沿时间最短为6Ls,接收探头有二种型号,中频探头MTEM-AL,采样延时段20Ls~800 ms,高频探头FTEM-AL,采样延时段6Ls~8 ms,二种探头均为空芯线圈,该系统可用于浅层工程地质勘查。

美国ZONGE公司的GDP-32多功能电法仪,原系统中TEM常规数据采集方式的采样率为30.4Ls,配套的接收探头为频带8kHz,有效接收面积为10000m2,除此还配有NT-20型快速关断电流的小功率发射机和电池组供电的ZT-30型TEM发射机,新型的GDP-32接收机具有密集采样功能,采样率最高可达1.25Ls,等间隔密集采样最多可达2048个。该系统虽然配有快速关断电流的小功率发射机,但缺少配套的高频接收探头。

国外的瞬变电磁仪器主要有上述六种,相对功能较为完善、性能稳定可靠的是PEM型和EM系列,这二种型号的仪器为专一的瞬变电磁法仪器,都有三十年左右的历史,经逐步改进完善,发展到目前真正实用型的仪器。其它类型的TEM仪器都存在一定的缺陷,主要是发射电流下降沿时间未知,原因是在进行动源装置测量时,随大地与发射回线的耦合关系不同、回线形状变化,发射电流下降沿时间随之改变,而发射机不能自动调整下降沿时间保持不变或逐测点读取下降沿时间,另外有些系统没有配套的接收探头。

地球物理地球化学勘查研究所生产的IG-GETEM-20瞬变电磁仪,发射机的性能类似PEM系统,中功率发射机发射电流下降沿固定模式有200Ls、300Ls、500Ls、1000Ls四种,小功率发射机可自测发射电流下降沿时间,采样率4Ls,采样窗口包括每个延迟时间级次10、14、20、30个采样道四种模式,目前该型号仪器为国内瞬变电磁仪中功能较完善、性能较稳定可靠的仪器。

上世纪末长沙智通技术研究所的SD-50系统,该系统的功能类似澳大利亚的SIROTEM型瞬变电磁仪,电源为电池组,主要工作装置为重叠回线方式,发射电流基频25Hz、6.25Hz、2.5Hz三种。相对国内瞬变电磁仪而言,该类型仪器是性能较稳定的仪器,在有色系统应用较为广泛。主要缺陷是为了防止大地与回线耦合关系和回线的尺寸、形状发生变化,导致发射电流波形振荡,采用了较小的阻尼电阻,使装置的固有过渡过程较大,反映在解释结果的表征是计算的视电阻率在几欧姆米至几十欧姆米范围内,比其它电法的结果至少低一个数量级。在此基础上,长沙白云仪器开发有限公司研制出了MSD-1型瞬变电磁仪,发射电流基频率225 Hz、75Hz、25Hz、8.3Hz、2.5 Hz、0.83 Hz、0.25Hz,最大发射电流20 A,记录(时窗)时间范围0.008ms~864ms,最大输出电压48 V。

吉林大学仪器科学与电气工程学院的ATEM型瞬变电磁仪,该仪器的特点:①感应段和过渡段全时域密集采样,仪器自身未进行窗口叠加处理,输出结果为等间隔单采样点的数据序列;②最大发射电流可达80 A。

重庆地质仪器厂生产的TEMII型瞬变电磁仪,为吉林大学ATEM型瞬变电磁仪的成果转化产品。

重庆奔腾数控技术研究所研制的WTEM瞬变电磁仪,2006年上半年刚研发成功,主要技术指标为:最大输出电压200 V,最大输出电流50 A,发射电流基频0.0625 Hz、0.125 Hz、0.25 Hz、0.5Hz、1Hz、2Hz、4Hz、8 Hz、16 Hz、32 Hz,同步方式电缆、石英钟、GPS三种。WTEM-1Q型小功率系统,接收发射一体机,用于浅部工程勘查。

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200 A,CUGTEM-GK1型最大的输出电流30 A,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。

西安物化探研究所的EMRS-2型瞬变电磁仪和中国有色金属工业总公司北京地质矿产研究所的TEMS-3瞬变电磁仪均为单脉冲激发方式,可发射几百安培的电流,EMRS-2型瞬变电磁仪主要采用装置组合是小线圈中心回线方式,TEMS-3型瞬变电磁仪主要采用装置组合是重叠回线方式。

单脉冲型在60年代前苏联曾试用过,目前国外再未使用。单脉冲型一般脉冲电流很大,最高达几百安培,但无法采用瞬变电磁技术中普遍采用的多次叠加技术来压低干扰,所谓的大电流实际起到补充无叠加技术之不足。此类型发射的大电流是靠电容放电得到,其结果是电流波型,一般情况下不理想,由此导致的装置固有过渡过程较长,由于发射电流较大,需要接收机有非常大动态范围,否则早期信号经常会处于饱和状态被限幅。由于难以采用多次叠加技术,一般情况下晚期响应信噪比较低。

国内瞬变电磁仪存在的主要缺陷: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。

3.2 瞬变电磁数据处理和解释方法的现状

在瞬变电磁解释技术方面,一维反演和二维电阻率成像是较成熟、实用的方法,仍是目前瞬变电磁资料的主要常用解释手段。二维或三维瞬变电磁反演解释技术方面仍处于探索研究阶段,离真正实用阶段有相当大的距离。瞬变电磁的二维正演上世纪80年就有相关报道,由于纯二维问题,在瞬变电磁法中激发源为单条或二条无限长直导线,因此不具有世纪意义。三维正演较为完善,采用积分方程、有限源和有限差分算法都已实现。二维或三维瞬变电磁正、反演存在的主要技术问题,是正演计算量过大。

二、三维的正、反演算法,自90年代初中期以来,有基于积分方程正演算法的各种非线性和局部非线性反演算法,以及基于波场转换理论的各种偏移成像技术。这二类反演算法的优点是计算量少、反演速度快。由于积分方程正演算法仅适用于个别形体的正演,相应的反演结果也只能是反映个别异常体的图像。时间域电磁数据的波场变换,以及类似于地震偏移层析成像的时间域逆时偏移层析成像技术都有较大发展。但各种偏移成像技术在反演过程中必须通过其它方法确定背景区电阻率,因而,反演结果也只能给出主要目标体的图像。美国洛沦兹贝克利国家实验室的谢干权博士于1997年提出的GOLD的新算法,使得反演的速度大大提高。

目前在国内,直接在时间域分析二维、三维瞬变电磁场的研究工作和相关的文献并不多见。中国地质大学(北京)吴广耀老师在Wang等人的基础上成功开发和研制了三维时域瞬变电磁场数值模拟计算。王华军等(2003)应用有限元法导出了中心回线装置瞬变电磁法2.5维二次场(纯异常)算法;陈明生等(2001)直接从时间域出发,应用时域有限差分法(FDTD)研究了二维地质体的瞬变电磁响应特征;李貅等(2001)提出了中心回线装置的拟地震解释方法;杨长福等(2001)根据烟圈理论,导出三维瞬变电磁近似反演方法;孙怀凤(2013)利用有限差分法实现了回线源瞬变电磁任意复杂三维模型的正演计算。

近十年来国际上研制出了一些TEM数据处理和解释软件。一般以二种方式存在:①软件与自身的电法仪器配套使用,主要功能是一般的常规数据处理和一维解释;②比较通用的数据处理与资料解释软件系统,比较有代表性的有美国Interpex公司的IX1D v3电法数据处理系统。该系统包括直流电法、瞬变电磁法、大地电磁法、频谱激电和相位激电,但其处理仅限于一维模型;澳大利亚Encom公司推出的EMvisIon瞬变电磁法软件,主要功能为层状介质模拟、复合板状模型模拟、块状模型模拟,具体包括导电半空间中的球体的正演、层状介质的正、反演、二层大地中复合板体的正演、层状大地中块体模型的正演模拟。EMIGMA7V.8为综合物探资料解释工作站,瞬变电磁法的软件功能包括数字滤波、阶跃响应校正、视电阻率和视深度计算、三维正演、一维反演、电导率深度成像。中科院地质与地球物理所开发的TEMINT基于一维反演的电阻率成像软件。吉林大学地探学院开发的/GeoElectro电法数据处理系统0,功能为常规数据处理和一维反演。中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所的2.0版本的电法工作站,瞬变电磁的功能包括一维正反演、二维电磁偏移成像、基于烟圈理论的电阻率成像。

3.3 瞬变电磁法实际应用领域

3.3.1地质矿产行业的应用

瞬变电磁法一直都是寻找金属矿产的重要手段。张林用小回线瞬变电磁测深勘查铝土矿作了试验,张晓永应用瞬变电磁法预测研究中深部铝土矿,陈贵生探讨瞬变电磁法在金属矿产勘查中的应用效果及存在问题,叶敏生等研究用瞬变电磁法勘查内蒙古元山子镍矿,金中国用瞬变电磁法勘查黔西北猫猫厂铅锌矿等。贺建国等用瞬变电磁测深进行区调评价砂岩型铀矿区,认为通过瞬变电磁测深资料的研究,有利于判断地下水动力条件及铀矿化的成矿有利区,同时大范围的电磁测深工作有利于区调选区工作的进行,可达到缩小靶区、提供钻探设计依据的目的;方根显等在古河道砂岩型铀矿探测一文中通过电性的横向变化判断古河道位置取得了一定的效果;赵希刚等在红柳园地区铀矿勘查一文中查明了找矿目的层的地层结构、埋深、厚度及空间展布特征,解释了断裂构造。

3.3.2石油行业中的应用

在石油行业中,地震勘探是其他物探方法不可以取代的。但在地震勘探难以解决的地方,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。

张胜业等通过设计水合物的模型,编写程序来计算瞬变响应,结果表明海洋勘探天然气水合物的方法是可行的。

吴克峰等采用基于张量格林函数的体积分方程进行四维模型瞬变电磁响应的正演研究,首先论述了四维瞬变电磁法模拟的可行性及程序实现,然后分别设计了两个三维异常体模型(水藏、油藏),采用两种观测方式(激发与接收平行、激发与接收垂直)进行正演模拟计算,并对所得的二次总场的数据进行了分析。

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。

3.3.3煤矿行业中的应用

瞬变电磁法在煤矿行业中应用相对较多,较之其他行业,无论是理论研究还是实际应用都走在最前面。应用于寻找煤矿采空区、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。可以说瞬变电磁法是保障煤矿安全的一种手段,对减少煤矿安全事故有积极作用。在这个方面,中国矿业大学一直走在前面,并形成了完整的理论体系。

在采空区探测的应用方面,李金花通过采用地震和瞬变电磁法(美国的GDP32-Ò型电法工作站)探测煤矿采空区,为煤矿集团厂房提供选址依据;成剑文等采用ATEM-II瞬变电磁仪成功探测出位于怀仁县西北部中低山区的王卞庄的煤矿采空区;张开元等等采用加拿大PROTEM 67D瞬变电磁勘探系统探测山东新汶某煤矿西边界老窑采空区和河北某镇采空区,都取得了很好的效果。

煤田水防治与勘探是瞬变电磁法的重要应用方面。例如:山东省七五煤矿的傅佩河,新光集团有限公司昭阳煤矿的倪良高,皖北煤电集团有限公司祁东煤矿地测科的易德礼,安徽煤田地质局物探测量队的吴有信,河南省煤田地质局物探测量队的张运霞、周韬、周建雄,中国矿业大学的刘树才,中国地质大学的刘金涛,中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所的黄力军等,都抓住了瞬变电磁法对低阻目标体敏感的特征开展工作,在煤层水、顶板水防治,煤矿采区水文勘探方面取得了较好的效果。

在超前探测方面,即解决构造破碎带、裂隙发育区、岩溶、陷落柱等富水区(体)的水问题。郭纯等在掘进巷道50 m以后进行一次跟踪探测,表明采用该技术可有效地预测煤矿巷道掘进头前方30~50 m范围的富水异常;长安大学地质工程与测绘工程学院的李貅,河北省煤田地质局第二水文地质队的张纪勋、范志平,平煤集团天安香山矿的麻新堂等也从事了这方面的工作。

王惠亮应用瞬变电磁法探测煤层风氧化带有创新性。由于煤层被风氧化后,煤层的含水性、胶结性等变化很大,总体导电能力下降,煤层变为高阻体,因此在多测道电压剖面曲线图上,风氧化带相对于正常煤层表现为低电压。

3.3.4工程物探中的应用

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。

在解决工程地质问题方面,西安交通大学的薛国强从事瞬变电磁法研究多年,瞬变电磁法探测公路隧道工程中的不良地质构造的测量结果给公路设计提供重要的参考,也为应用瞬变电磁法在不良地质体及在地形复杂地区进行工程地质勘察积累了经验;在公路地质勘察中采用了有效的观测装置,结合二维地电模型正演计算结果,对资料做出解释,查明了地下溶洞的赋存状态,探测成果得到了钻孔资料的验证;对灰岩溶洞采用大回线源瞬变电磁法在指定场地进行了探测,并采用线性数字滤波技术进行正演模拟,用改进的阻尼最小二乘可行方向法对资料进行反演计算,查出地下灰岩溶洞的赋存位置。其他学者也从事了这方面的工作,像郭文波、朱正国、陈清礼、嵇艳鞠、龚惠民等。工程物探超前预测的基本原理与煤矿相同,王亚琼、李貅等做了实际工作,也取得了良好的应用效果。

工程质量检测是一个比较新的应用领域,黄桂柏通过试验表明在没有杂散电流干扰的较理想情况下,瞬变电磁法对埋地钢质管道腐蚀检测结果与管体腐蚀的实际情况基本一致,对科学地指导油田埋地管道大修具有重要意义。高永才对瞬变电磁法金属管道腐蚀检测模型进行了理论分析,董延朋采用瞬变电磁法对地下隐蔽工程质量检测取得了良好的效果,徐善杰利用瞬变电磁法检测桩基础钢筋笼长度等开辟了应用新领域。

4 瞬变电磁法实际应用中需要注意的问题

(1)根据目的不同,选择合适的电磁方法。根据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 III 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到300 m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。

(5) 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。

5 瞬变电磁法发展趋势

(1)理论研究方面:研究高分辨率的数据采集系统;研究三维精细解释方法,发展对地下目标体的3D反演;以可视化技术为主体的计算机技术的应用;研究三分量技术;研究多孔径瞬变电磁探测理论。发展成像技术及瞬变电磁测深资料与其它勘探资料的联合反演。瞬变电磁法的激电效应特征研究。

(2)研究弱信号技术:包括瞬变电磁早期信号的研究和晚期信号研究。瞬变电磁发射线圈和接收线圈之间存在互感,以及它们自身都有自感,其等效回路相当于RLC电路,自感信号与电磁响应信号迭加在一起,如何对这种信号进行分离,如何确定有效观测起始时间,从而确定瞬变电磁最小探测深度。当然瞬变电磁的探测深度与仪器的分辨能力、地下介质导电情况、围岩特性、目标体与围岩差异等因素有关。晚期信号能量较弱,最后被背景噪声淹没,研究有效的信噪分离方法,以增大瞬变电磁法的探测精度和深度。

(3)方法技术方面:接收装置阵列化。瞬变电磁法拟地震的时间域和空间域多次覆盖技术研究是十分重要的。另外,多分量的观测技术研究也不应忽视。研究多源发射聚焦探测方法。

(4)仪器方面:采集系统图像化。发展多通道大功率、多功能、智能化电测系统,高灵敏度高性能探头的研制,是现代仪器研制开发的难点。仪器向数字化、多功能化、智能化、自动化、轻便化方向发展。特别是研制多分量瞬变电磁法系列(航空、地面、井下)。考虑到岩层各向异性对测量结果的影响,以及大地电磁干扰场是一种水平极化场,因此通常选择测量磁场的垂直分量。观测水平分量可以研究断面的各向异性,这一方面的理论研究有待发展。

(5)应用方面:除了通常应用于金属矿产及石油资源的勘查外,还应用在地下水、地热环境及工程勘查中。另外,井下瞬变电磁法的研究和应用还处于起步阶段,瞬变电磁法的隧道超前地质预报及深部构造精细探测方面应该加强研究。还要大力研究海洋瞬变电磁法和深部剩余油瞬变电磁法精细探测。井-地瞬变电磁勘探系统,已经取得初步成果,希望在油田,矿产资源领域得到较好应用。石油天然气勘查。深部油藏监测,剩余油勘察等仍然是瞬变电磁法的一个难题。所以,要实现三维反演的实用化,成果推广化,还需要走一段很长的道路。