第八章 时间域电磁测深概述.doc

电磁测深教程 第八章 时间域电磁测深概述第八章 时间域电磁测深概述 时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)或称瞬变电磁法(Transient electromagnetic methods)，简写为TEM。它是利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。尽管TEM方法与频率域电磁法(FEM)都是同属于研究二次涡流场的方法，并且两者通过傅立叶变换关系相互关联着，在某些条件下，一种方法的数据可以转换为另一种方法的数据。然而，就一次场对观测结果的影响而言，两种方法并不具有相同的效能，TEM是没有一次场背景的情况下观测研究二次场，大大地简化了对地质对象所产生异常场的研究，对于提高方法的探测能力更具有前景。 TEM尽管有各种各样的变种方法，其数学物理基础都是基于导电介质在阶跃变化的激励磁场激发下引起的涡流场的问题。研究局部导体的瞬变电磁响应的目的在于勘查良导电金属矿体，研究水平层状大地的瞬变电磁场理论的目的在于解决地质构造测深问题。发展和推广TEM的实践表明，它可以用来勘查金属矿产、煤田、地下水、地热、油气田及研究构造等各类地质问题。8.1发展概况利用瞬变电磁信号应用于地质构造测深问题，在苏联早在30年代末由Aa提出。同时期内，AH等人作了论证，为Ba建立远区建场测深方法()打下了基础。50年代以后，BAC、等人建立了近区建场测深方法()。在同时期内，由u、B及u等人创立了应用于勘查金属矿产的过渡过程法()。60年代以后及得到更广泛及成功的应用和发展，制定出了适用于钻井、航空和海洋等领域的变种方法的理论和技术。由u主编的金属物探过渡过程法应用指南及BAC专著脉冲感应电法勘探反应了在苏联的应用水平。仪器方面，用于勘查金属矿的主要仪器有：-3、-2、-4及N-；应用于勘查油气田的主要是用-2和-1、2数字站。图8.1.1 瞬变电磁场示波观测波形图a供电电流b次磁场c接收线圈观测到的一次电压d导体响应引起的二次电压e总的电压 在西方，1951年首先由JRWait提出了利用瞬变电磁场法寻找导电矿体的概念，他在示波器屏幕上观测到的瞬变场波形如图8.1.1所示，这种快速增长(或减小)的磁场将使导体激发起涡流场，可以观测到如图8.1.ld所示的衰变电压。1958年加拿大Barringer公司开始研制应用于航空的INPUT系统，于1962年投入使用，经过多次改进，至今已成为世界范围内应用的主要航电系统。地面仪器系统于70年代出现商品仪器，近些年不断涌现出智能化的仪器，具有代表性的有：EM-37、47、57、42，DEEPEM，UTEMSIROTEM-II、III。此外，多功能电测站GDP-16、12及V-5等配置了用来TEM测量的功能。利用这些系统取得了不少引人注目的地质效果。理论研究方面的代表著作是AHKaufman和GVKeller的专著频域和时域电磁测深及MNNabighian主编的应用地球物理学中的电磁方法。在我国，于70年代的初期开始研究TEM，投入研究的单位有：长春地质学院、地矿部物化探研究所、中国有色金属工业总公司矿产地质研究院及中南工业大学（中南大学）。这些单位各自都研制了仪器系统，进行了理论及方法技术研究，与野外队合作广泛开展了试验研究及推广应用，取得了一批好效果的应用实例。出版的代表著作有：蒋邦远等的研究报告、朴化荣著电磁测深法原理及牛之琏等著脉冲瞬变电磁法及应用。尽管近些年在仪器研制方面取得了某些进展，但研制并投产世界先进水平的仪器提供给野外生产使用仍然是当务之急。8.2工作装置按TEM应用领域可以把工作的装置分为四类。图8.2.1 TEM剖面测量装置a同点装置b偶极装置c大定回线源装置 (1)剖面测量装置：常用的剖面测量工作装置如图8.2.1所示。它是被用来勘查金属矿产及地质填图的装置，分为同点、偶极和大定回线源三种。同点装置中的重叠回线是发送回线(Tx)与接收回线(Rx)相重合敷设的装置；由于TEM方法的供电和测量在时间上是相分开的，因此Tx与Rx可以是共用一个回线，称之为共圈回线。同点装置是频率域方法无法实现的装置，它与地质探测对象有最佳的耦合，是勘查金属矿产常用的装置。偶极装置与频率域水平线圈法相类似，Tx与Rx要求保持固定的发、收距r，沿测线逐点移动观测dB/df值。大定回线装置的Tx采用边长达数百米的矩形回线，Rx采用小型线圈(探头)沿垂直于Tx长边的测线逐点观测磁场三个分量的dB/dt值。后两种装置是频率域电磁法中常用的装置，只要两域方法所使用的装置相同，其异常剖面曲线形态是相同的。 (2)测深装置：常用的测深工作装置如图8.2.2所示。中心回线装置是使用小型多匝Rx(或探头)放置于边长为L的发送回线中心观测的装置，常用于探测1km以内浅层的测深工作。其他几种主要用于深部构造的测深，偶极距r选择大约等于目标层的深度。用Rx观测得到的dB/dt值一般都换算成视电阻率Pf(t)参数，使用t曲线进行反演推断。(3)井中装置：井中TEM方法的地质目的在于探测分布于钻孔附近的深部导电矿体，并获得矿体形态、产状及位置等信息，其工作装置如图8.2.3所示。发送回线通常以两种基本方式布置于地面，接收线圈(探头)沿钻孔逐点移动观测磁场井轴分量的dB/dt值。当勘查区有彼此相靠近的多个钻孔的条件下一般只敷设一个大发送回线，从不同钻孔中观测到的异常变化规律可获得地下隐伏导体的位置等方面的信息。在仅有单个钻孔的情况下，需要在地面敷设五次发送回线，根据Tx位于不同方位上所观测到的异常变化规律再去反演有关参数。图8.2.2 TEM测深工作装置a电偶源b磁偶源c线源d中心回线图8.2.3井中TEM的工作装置a多个Tx b单个Tx图8.2.4 航空TEM系统示意(4)航空装置：如图8.2.5所示，航空TEM系统的发送线圈安装于机身，接收线圈及前置放大器安装在吊舱之中，吊舱用电缆拖拽在飞机的后下部，飞行高度一般为150m。航空TEM方法主要应用于大面积范围内快速普查良导电矿体及地质填图。8.3观测参数 瞬变电磁仪器系统的一次场波形、测道数及其时窗范围、观测参数及其计算单位等，各个厂家的仪器之间有所差别。尽管各种仪器绝大多数都是使用接收线圈观测发送电流脉冲间歇期间的感应电压V(t)值，就观测读数的物理量及计量单位而言，大概可以分为二类： 1.用发送脉冲电流归一化的参数：仪器读数为V(t)I值，以及VA作计量单位。 2.以一次场感应电压归一的参数：例如加拿大Crone公司的PEM系统，观测值是用一次场刚刚将要切断时刻的感应电压值来加以归一，并令1000，计量单位无量纲，称之为Crone单位。 3.归一到某个放大倍数的参数：例如加拿大的EM-37系统，野外观测值为：式中为接收线圈中的感应电压值；G为前置放大器的放大倍数；为仪器公用通道的放大倍数，N=1、2、9。m值以mV计量。 为了便于对比，在整理数据中，无论用那种仪器，一般都要求换算成为下列几种导出参数，并以这几种参数作图。 (1)瞬变值，以nv计量，这里表示接收线圈的面积，N为接收线圈的匝数。有时采用B(t)I，以nvA计量。 由V(t)I观测值换算成B(t)的公式为：由m观测值换算成B(t)的公式为：由Crone单位观测值R。换算成B(t)的公式为： 式中G为放大倍数，n为测道数。 (2)磁场B(t)值：由对B(t)取积分得到B(t)值，以pw计量。 (3)视电阻率值，以m计量。 (4)视纵向电导值，以S(西门子)计量。8.4与频率域电磁法(FEM)的比较 由于TEM是在无一次场背景情况下观测二次场，主要的噪声源不同于FEM，显示出更多的优点，主要有以下几个方面。 (1)由于观测的是二次场，自动消除了FEM中的主要噪声源装置耦合噪声，它的主要噪声源来自外介的天电及人文电磁场干扰。因此，TEM具有较低的检测二次场极限值，可以采用提高功率灵敏度的方法增大信噪比，以提高探测深度。此外，TEM的测量方法比FEM既快又简单，更适合于勘查工作的需要。 (2)可使用同点装置工作，与欲探测的地质对象有最佳的耦合，具有较高的探测能力，并且受旁侧地质体的影响也是最小。 (3)对于受到导电围岩及导电覆盖层等地质噪声干扰的“矿异常”的区分能力优于FEM。在高阻围岩条件下，不存在地形起伏引起的假异常；低阻围岩起伏地形所引起的异常也比较容易识别。 (4)对于线框敷设的点位、方位及形状等的要求相对于FEM可以放宽，测地工作简单，工效高。 近代科技的发展，促进了TEM的快速发展。尤其是由于电子计算技术的引用，对于仪器系统抑制噪声、减小观测误差、资料处理及正反演计算均有了较大的进展。当前，TEM向着寻找深部盲矿、解决深部构造及工程勘查的方向发展，但是，仍然有许多问题还有待探索及研究。8.5时域电磁测深方法的探测能力时城电磁测深方法探测能力的讨论与其他电测深方法一样，都是以观测到异常值的信噪比的大小及分辩地层参数的能力来确定。也就是说，探测能力不仅与探测目标引起的异常值有关，同时受地质噪声、人文电磁噪声及天电干扰等大小的限制。通常的观测仪器一班都采用高次叠加平均取数的方法来提高信噪比，并且仪器装有“天电噪声抑制”装置；这样，电磁噪声电平可减少到0.5毫微伏每平方米(此值为接收线圈上观测到的噪声电平被接收框面积和匝数乘积归一的值)，平静时期可减少到0.2毫微伏每平方米。对于天电干扰，由于它是随机信号，采用高叠加次数不一定能增加信噪比。噪声电平随时间的推移而下降，到超过2毫秒后，噪声电平已趋于恒定值(约2毫微伏每平方米)。天电噪声随季节变化，一般在夏季较大；若在1千英里之内有雷电活动，可使干扰电平增大一至两个数量级。一天之内，天电噪声电子可变化达10倍左右，在中午13点左右最强。 理论计算及实验结果表明，对于水平导电层的异常响应(或探测深度)，并不是随导电层的纵向电导的增大而增大，例如图8.5.1所示，对于具有中等纵向电导的地层的探测更为有利，其探测深度可达1公里以上，在考虑地质噪声影响的条件下，早期道已不能利用，有可能下降到500米以下。在苏联文献中，提供了金属矿区探测5001200米深导电层的实例。图8.5.1 对水平导电层的探测深度于纵向电导的关系SIROTEM-II观测的模拟实验结果重叠回线边长=200m，异常下限值取3V/A，导电层用不同厚度铝板，介质为空气对于二层断面，时域电磁测深方法最大的探测深度与顶层电阻率、发送磁矩M及噪声电平有关，可粗略的用下式估计：式中为所要求的最低限度信噪比，N为平均噪声电平，乘积得到最小可分辩信号电平，SIROTEM系统毫微伏每方米。由上式可见，对于二层断面的最大探测深度随发送磁矩M增加及噪声电平的阵低而增大；但是由于存在五次方根的关系，M或N数值较大的变化对的影响并不大。图8.5.2给出了在二层断面上，采用400 x 400平方米的重叠回线，I20A时的与的关系。图8.5.2 二层断面最大探测深度与1关系对于断面的分辨能力，瞬变电磁法优于其他电测深法。为了简单起见，仍以水平导电层为例加以说明，对于直流电阻率法而言，视电阻率值是K值的函数，其中及分别为导体及围岩的电阻率，频率电磁测深法中，电磁异常响应在低频段与导电层的纵向电导的关系，其实分量正比于；但是，瞬变电磁响应是正比于。显然瞬变电磁异常响应的分辩能力最佳。图8.5.3给出了对于H型三层断面的物理模拟曲线，由图可见，当值低达0.22西门子时曲线仍能清楚地分辩出中间电导层的存在；据对直流电测深量板曲线的对比结果，当西门子时已完全不能分辨出中间层的存在。图8.5.3 不同S2值H型s曲线的对比8.6时域电磁测深资料解释方法概述苏联已经对水平成层介质的时域电磁测深曲线进行了大量计算，并且汇编成量板册，上面我们引用了些典型曲线。使用量板册求断面参数的方法，完全类似于直流测深方法。首先在双对数坐标纸上绘出的关系曲线，然后与理论曲线对比，直至两者相拟合，便可以求得断面参数但是，在目前仪器装备条件下，实践中要获得一条完整的曲线比较困难，加上时域电磁测深曲线的等值作用范围比较小，在使用量板过程中很难找到与实测曲线拟合的理论曲线，使用起来十分不便；因此，求断面参数主要用曲线的左、右两友渐近线、极值点的坐标及S带等途径，这方面苏联已总结出成套方法，这里不去赘述。至于计算机反演的方法，他具有解释速度快及自动拟合等特点，但至今在国内尚未得到很好发展。下面仅介绍两种较简单而适用的解释方法。对于导电基底层，提出利用曲线后支渐近线求深度的公式： (8.6.1)式中h导电层埋深(公里)回线后支上对应时间t的电阻率；导电层电阻率；b发送回线边长之半(公里)。利用该公式的优点在于所求的h与上覆地层情况无关，并且由于h与正比，确定的误差对求h的精度影响微弱。当时，应用公式(8.6.1)的误差不超过10%。下面介绍一种在仪器观测道时间范围有限的情况下，在发送框外观测值变号时间来确定岩层埋深的方法。我们已熟悉，在半空间中，当切断场源后“烟圈”(等效涡流环)移动的规律，更精确地讲，每个“烟圈”可以看成一个二次垂直磁偶极子源，据磁偶极场分布规律，沿磁偶极