瞬变电磁法原理简介

（一）瞬变电磁法的概念与特点

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场,用线圈或接地电极观测该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布,从而解决有关地质问题的时间域电磁法。

从方法机理讲,频率域方法和时间域方法没有本质的不同,前者研究谐变场特点,后者研究不稳定场特点,两者可借傅里叶变换相联系。瞬变电磁法的观测是在脉冲间隙中进行的,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,不同延时观测的主要频率成分不同,相应时间的场在地层中的传播速度不同,调查深度也就不同,这称之为空间的可分性。瞬变电磁法基于这两个可分性必然导致以下具体特点：

1）把频率域的精确问题转换成灵敏度问题,加大功率灵敏度可以增大信噪比,从而可加大勘探深度。

2）有穿透低阻覆盖的能力,探测深度大。

3）在高阻围岩地区不会产生地形起伏影响的假异常,在低阻围岩区,由于是多道观测,早期道的地形影响也较易分辨。

4）可采用同点组合进行观测,使与探测目标的耦合最紧,取得的异常响应强,形态简单,分辨能力强。

5）线圈定位、方位或接发距要求相对不严格,测地工作简单,工效高。

6）与测深工作同时完成,提供了更多有用信息,减少多解性。

由于这些特点伴随仪器的数字化和智能化、功率的增大、数学模型计算正反演的应用、解释水平的提高,现在瞬变电磁法可以解决的地质问题相应增多,如在矿产勘探、构造探测、水文与工程地质调查、环境调查与监测以及考古等领域,近年来在找水、市政工程、土壤盐碱化和污染调查以及浅层石油构造填图中都有较广泛的应用。

（二）瞬变电磁法的回线组合（装置）类型

瞬变电磁法所采用的主要回线组合如图3-31所示。

图3-31 近区磁源瞬变电磁法的主要回线组合

1.发射—接收同一回线组合

这种方式是用一个回线既当发射回线又当接收回线,回线的边长可以由5m变到200m左右。先供电到回线中,当电流断开时,回线两端转接到接收机,开始测量不供电期间的瞬变响应。

2.发射—接收重叠回线组合

此回线组合的几何形状与同一回线组合一样,只是发射回线和接收回线是两个独立的回线,两者空间上重叠在一起。家用绞合胶质电线,用于这种回线组合最合适,因为发射和接收所用的两条电线可以在一起一次铺设好。有时,为了降低超顺磁效应,发射回线和接收回线要分开3m左右,这称为偏离回线组合。

3.内—回线组合

内-回线组合是重叠回线的一个变种,它由偶极接收线圈（如用多匝空心的、铁淦氧磁体的或导磁金属心的探头）放在大发射回线的中心而组成。发射回线和接收线圈在作剖面观测时同时移动,即接收线圈与发射回线的中心总是在同一点上。故上述三种回线组合统称为同点回线装置。

4.分离发射—接收回线组合

这种组合的发射回线和接收回线相隔一固定距离。比如两个50m边长的回线,中心相距100m,这就是Slingram组合。这种组合有一个变种,由一个大发射回线和在它外面保持一定间距的偶极接收线圈组成。

5.双回线组合（Spies回线组合）

这种组合由两个相邻并联的回线组成。此组合对直立导体耦合比较好,而对覆盖层的耦合减弱。两个回线这样连接,使两回线中由电性干扰感应的相位相同的噪声反相相加。这意味此种组合能使回线噪声大为减弱。比如,采用这种组合有助于在50Hz噪声源附近工作。

6.大定源发射回线、移动接收线圈组合

铺设边长达1km长的大发射回线,固定其位置不移动,用一小的接收线圈沿垂直回线一边的测线移动进行观测。这种组合与频率域中Turam法采用的组合一样。在详查工作时,发射回线要布置在对目的物激励最佳的位置,接收线圈沿测线以大约10m的点距移动。因为接收线圈是一个小的多匝探头,所以除通常观测垂直（Z）分量外,还可以测场的水平（X和Y）分量,用小接收线圈的其他组合也可以这样做（如内-回线组合）。大发射回线铺在地面,将接收探头放入井中,可以观测三个分量。

（三）瞬变电磁场的结构及响应过程

瞬变场与谐变场一样,场源也分接地式和感应式两种,统称为发射装置。当发射装置中的电流突然阶跃下降为零时,在其周围产生急剧变化的电磁场。它是形成地中涡流的激发源。该场以两种途径传播到地下介质中：第一种途径是以光速c的电磁波,从空气中直接传播到地表各点,并将部分能量传入地下,在离场源足够远的地表面上形成垂直向下传播的不均匀平面波；第二种途径是电磁能量直接从场源所在地传播到地下,它在地中激发的涡流,似“烟圈”那样随时间之推移逐步扩散到大地深处。图3-32是半空间中等效电流环的立体图形。图3-33为穿过Tx中心的横断面内在不同时刻的电流密度等值线分布图。由图可见,随着时间的延长,涡流场将向下及向外扩展。

图3-32 “烟圈”的立体图形

在场的传播初期,第一种途径的场是瞬间建立的,而第二种由于在传播中受到大地阻抗作用,建立的时间相对较迟,故这期间两种传播方式的场在时间上是分开的。随后,这两种场互相叠加在一起。再后来,第一种传播方式的场衰减至可忽略不计,这时地中的二次场主要由第二种传播方式的场激发感生。

（四）导电球体中涡流建立与消失的物理过程

设球体位于均匀的一次场中,当发射回线中的电流突然关断,一次场瞬间消失时,按法拉第电磁感应定律为了维持球内原来的均匀磁场,立即感应出涡流,并仅仅分布在球体的表面[图3-34（a）、（b）]。所以,此时（称之为早期）涡流的分布与球体的电导率无关,或者说它受到高频的限制,因为涡流的分布正像球体在非常高频的交变磁场中产生趋肤效应那样。之后,球体内部环形电流的分布因受由这些电流引起的磁场相互影响所支配,将向球内移动,这段时期称之为“中期”[图3-34（c）]。在中期电流不仅向内移动而且因热耗损而减弱。最后电流的分布不再随时间而改变,此为“晚期”[图3-34（d）]。此时电流这样分布：靠近球心电流密度沿半径的距离线性地增加,在二分之一半径内相对均匀地分布,并向球边缘微微地减弱。该“晚期”的电流和相应的外部磁场开始以某一时间常数呈指数衰减,直到消失。

图3-33 穿过Tx中心的横断面内电流密度的等值线

Tx＝800 m×400 m

（五）同一回线或重叠回线装置的瞬变响应及电阻率计算公式

若均匀大地表面回线的供电电流以阶跃规律变化,则

电法勘探技术

由上式求得均匀半空间的感应电动势为

电法勘探技术

图3-34 不同时期球体中涡流的分布（据李金铭,2005）

（a）早期涡流在球体表面的分布；（b）～（d）不同时期球赤道平面上的涡流分布

其中：

电法勘探技术

式中：τ0＝ ,量纲为一的综合参数；J1（x）为一阶一类贝赛尔函数。

函数fc（τ0）的渐进值在下列条件下具有足够的精度：当τ0≤0.01时,

fc（τ0）≈1/（4πτ0） （3-42）

当τ0≥3时,

电法勘探技术

将上两式代入下式

电法勘探技术

得到感应电动势如下：

电法勘探技术

电法勘探技术

τ0≤0.01即远区（早期）,τ0≥3即近区（晚期）,在两者之间暂没有简单表达式,并且远区与电阻率无关。

由此组合的晚期电动势渐近式（3-45）可得

电法勘探技术

以上是均匀半无限空间的情况,下面则讨论地下存在不均匀体的情况。

地球物理勘查方法简介【1】

地球物理勘查简称物探．是地球物理学的一个分支。它是以物理学理论为基础，以地球为主要调查研究对象；具有快速、遥测、信息量大等特点，较易吸收现代科学技术，是深部地质调查的基本方法，也是矿产资源勘查、评价不可缺少的手段。基于物理学的原理、方法和观测技术，物探方法一般划分为：磁法、重力法、电法（含电磁法）．弹性波法（含地震法和声波法）．核法（放射性法）、热法（地温法）与测井等7大类，和地面，航空、海洋，地下4个工作空域。

地震勘探技术

地震勘探是地球物理勘探中重要的方法之一，它具有高精确度、高分辨率，探测深度一般为数十米到数千米。目前的石油、天燃气和煤探井孔位的确定均以地震勘探资料为重要依据，在水文工程地质调查、沉积成层矿产的勘查、城市活断层探测以及地壳测深等工作中，地震勘探也发挥着越来越重要的作用。最新的研究成果表明：对于不规则块状硫化物金属矿体，采用散射波地震方法能够开展非沉积型金属矿勘查。

地震勘探的物理基础是岩石的弹性差异。地震勘探就是通过人工方法激发地震波，研究地震波在地层中的传播情况，查明地下地层和构造的分布，为寻找矿产资源、探测城市活断层及其它勘探目的服务的一种地球物理勘探方法。

地震勘探方法比较复杂，其基本原理可用回声测距来说明。当我们前面不远处有一座直立的高山时，为了解我们到高山的距离，简单的办法是大喊一声，测定我们从发声开始到耳朵听到回声的时间，根据声音在空气中传播的已知速度，就可以计算出高山离我们的距离。用地震勘探方法探测埋藏在地下的目标，其原理大体也是这样，只不过是地下岩层和土壤要比空气不均匀的多，因而地震勘探也远比回声测距困难复杂的多。

根据地震方法的特点，地震勘探需要在背景比较平静的环境下开展，为使该方法技术能够在城市强干扰条件下开展工作，物化探所研究开发出了抗干扰高分辨率地震勘探技术，解决了常规地震勘探方法无法解决的地质问题。

物化探所长期从事弹性波场探测和复杂条件下地震方法技术的研究和勘查工作，拥有先进的地震仪器配套设备和专用地震数据处理软件。主要研究和服务领域包括：城市活断层探测、重大基础建设工程选址勘查、水文工程地质调查、地质灾害防治工程勘查、金属矿勘查、煤田和浅层油气地震勘探等。

电法勘探技术

电磁法勘探技术，是以天然电磁场/人工建立电磁场为源场，采用相应的观测仪器和工作手段，实现对地下介质电性特征的探测，并结合地质背景，经综合分析，最终达到对探测目标（如断裂构造、多金属矿资源、地下水及地热资源、油气资源等）信息资料的获取。

由太阳、磁层、电离层、大气层与地球间相互耦合作用等自然条件所形成的电磁场为天然电磁场，而通过发射装置所建立的电磁场为人工电磁场。在地球物理勘探中，通过观测天然及人工电磁场进行资源勘查和解决地质问题的方法有：音频大地电磁测深法（AMT）、大地电磁测深法（MT）、可控源音频大地电磁测深法（CSAMT）、瞬变电磁法（TEM）、激发极化法（IP、SIP、CR）、甚低频法（VLF）、自然电位法（SP）、大地电场岩性测深技术等。不同的电磁法技术从不同侧面来获取

地下地质体的电性信息（电阻率信息、激电信息等），在复杂地形、地质条件下的资源勘查，应采用多方法技术相结合，以获取由浅至深的电磁法多参量数据信息，为资源勘查提供详实的地球物理资料。

电磁法勘查技术，在仪器研制、数据处理、反演解释上不断取得新的进展。如国外开发了GDP32、V8、TEM67等多功能电磁法系统，物化探所研制了天然与人工电磁场结合互补的阵列电磁法综合探测系统（DEM-Ⅲ）、瞬变电磁系统（IGGETEM-20）等，并开发了实用的一、二维正反演解释技术。电磁法勘查技术已广泛应用于多金属矿资源、地下水地热资源、油气资源的勘查工作中，并取得显著的应用效果。

磁法勘探技术

地球表面和周围存在的磁场，称为地磁场。地球物理勘查中的磁力勘查或磁法，是涎生最早、应用范围最广的一类物探方法。它是以地下岩（矿）石的磁性（磁化率和剩余磁化强度）为基础，通过观测研究其恒稳磁场（静磁场）的空间分布，变异特征，获取有用信息；进行地质调查、找矿勘查，预报地震等。根据其数据采集的空域，又分为地面磁法和航空、海洋．井中磁测。在我国金属矿物探中，大都把磁法作为直接找矿或间接找矿综合物探方法中的一种，特别是在磁测精度提高之后。磁法的应用和发展主要以数据采集和处理、反演技术的进步为基础。在数据处理、反演技术方面，我国基本和国外同步发展。我所成立初期，研究创立的适合我国中低纬度地区的斜磁化条件下磁测资料解释理论，当时具有国际领先水平；其中斜磁化条件下旋转和三轴椭球体磁异常理论曲线图册，是我国物探使用计算机的开端。此外，对于复杂磁异常的处理解释，和空间域、波数域位场资料处理方法，以及一些特殊的反演方法，人机交互任意形体可视化正、反演技术等研究，有许多创新和发展。

物化探所现拥有自行研制的Y12航空物探（电／磁）综合站系统、CZJ-1井中质子磁力仪，和多台GSM19T质子磁力仪、G-858铯光泵磁力仪，并成功的开发了磁法资料三维解释技术。可承担地面、航空磁法勘查和调查的各类科研、生产等技术服务工作。

重力勘探技术

地球的引力和自转产生的离心力，其合力称为重力。地球物理勘查中的重力勘查或重力法，主要是研究反映地下岩（矿）石密度横向差异的重力变化，用以提供构造和矿产等地质信息，进而作出定性、定量的解释推断。这种在地表上引起的重力变化，称之为重力异常；其规模、形状和强度，取决于具有密度差的物体大小，形状及深度。

重力法可应用于油气、煤炭、金属非金属矿及地下水勘查和区域、海洋、深部及环境调查等领域。需采用灵敏度高、精度高、适合复杂工作环境的专门仪器进行采集数据。

我所重力法的应用研究已有近五十年的历史，承担过多项矿产勘查和地质调查任务，参与了“区域重力资料整理、处理和成图自动化系统”研究，编制出版了1:250万和l:400万全国重力图；研制成功浅海重力测量系统；开展过航空定点重力测量系统试验。在重力异常分离、增强及处理方面，提出了：小波变换多尺度分析、三度体重力归一化总梯度算法、优化滤波等方法，并基本完成了自动迭代三维反演与体视化成像技术。现拥有Lacoste-G型、CG-5、CG-3型高精度重力仪，和海底高精度重力测量系统；可承担地面、浅海重力勘查和调查的`各类科研、生产等技术服务工作。

EH4电磁系统和高密度电法联合找矿效果好

最新统计数据表明，某单位运用EH4和高密度电法仪，短短三年间在覆盖区和危机矿山深部，成功探获黄金资源量100余吨。

EH4全称StratagemEH4电磁系统，是基于电磁原理的一种地球物理探矿手段，垂直探测深度超过1000米，用于确定矿化系统深部宏观的构造格架和产状。可直接对野外测量数据进行二维处理及EMAP修正。EH4测量的低阻异常带反映的是导矿、容矿通道。

StingSwift高密度电法仪，是目前国际上最先进的高密度电法仪之一，可同时进行充电率参数、激发极化法测量，其分辨率更为细致，主要用于探明170米深度以上地质体的三维空间形态，能直观、形象地反映出地下电性分布断面，为工程验证提供可靠的设计依据。

不同地质体之间的电性差异，提供了EH4、高密度电法仪测量的物性前提。通过典型剖面实验与实际地质剖面对比，提取岩石、矿石的电阻率和充电率，参照该地区物性数据库有关参数，建立矿区物探数据／图像地质解释的地质—地球物理模型。 2006年，针对哈西金矿区8号脉仅限于地表浅部工程控制，对其深部延伸情况不甚了解的情况，他们通过EH48条剖面、高密度电法5条剖面的测量工作，证明在两条规模较大的高阻带F1、F2中间夹有一条连续性较好的相对低阻带F3，沿走向贯穿测区东西，深度在500米以上，推测为低阻破碎蚀变带。F1规模大，产状较陡，延深400米～1000米以上，地质上对应为硅化较强、夹石英脉的奎依汗断裂位置，与EH4测量吻合较好。另外，与F3对应有连续性较好的充电率高值异常J1，推测为破碎蚀变带和成矿的有利部位。

综合地球物理勘查结果认为，哈西金矿区8号脉产出于－400线～1100线之间破碎带夹石英脉及硅化较强F1相对高阻带中，经地质工程验证，证实了F3破碎蚀变带的存在，采样化验Au品位16×10－6。

高密度电法和EH4测量技术具有互补性和相互验证性，对深部地质体的物理属性具有强大的探测能力，通过与地质研究的有机结合，能够有效开展隐伏矿定位预测。

综合地球物理方法及应用【2】

一、物探的工作地位和作用

为了加速经济建设，特别是基础建设，国家对各种矿产资源、水资源的需要量是巨大的，而且每年都在增长，同时人类活动对于资源和环境的改造和破坏也是惊人的。查明地下资源，合理的开发资源和保护环境是当前紧迫而又繁重的任务。工业、国防、城市供水、矿区排水工程等对地质工作提出了更多的要求。国家的各种基本基础建设项目——铁路、公路、水坝、水电站、桥梁、港口、厂房及国防设施皆要求快速的、可靠地提供地质资料以及建设工程质量评价。因此，必须加速地质和环境的工作步伐，为促进国民经济的飞速发展当好侦察兵。实践证明，大胆地、合理地使用地球物理勘探方法，可以多、快、好、省地解决有关地质工程、环境工程、工程质量中的许多问题。

综合地球物理方法，就是指地球物理勘探方法，简称为“物探”，传统的表述是用物理方法来勘探地壳上层岩石的构造与寻找有用矿产的一门学科。它是根据地下岩层在物理性质上的差异，借助一定的装置和专门的探测仪器测量其物理场的分布状况，通过分析和研究物理场的变化规律，结合有关的地质资料推断出地下一定深度范围内地质体的分布规律，为钻探工作提供重要依据。物探正日益广泛的应用在各种工作中，并占有显著地地位。

根据所研究的天然和人工物理场的不同，地球物理勘探领域又分为几个大类：根据需要和可能，其物理场的探测空间又是十分广阔的，包括遥感、航空、地面、地下海洋物探等。常用的物探方法有：

研究岩土弹性力学性质的地震勘探、声波、超声波探测技术，可统称为震波勘探；

研究岩石电学性质及电场、电磁场变化规律的电法勘探；

研究岩（矿）石磁性及地球磁场，局部磁异常变化规律的磁法勘探； 研究地质体的引力场特征的重力勘探；

研究岩（矿）石的天然或人工放射性的放射性勘探；

研究物体热辐射场的特征的红外探测方法，等等。此外，随着科学技术的发展，许多新理论、新方法正在不断地被引进物探领域，如无线电探测技术、遥感技术、地质雷达、瞬变电磁、微重力、层析CT技术等等，为地球物理勘探的发展开辟了广阔的前景。

地球物理勘探方法的技术水平以及它在地质工作中应用的地质效果和经济效果是衡量地质工作现代化的水平的重要标志之一。

二、物探的任务、分类及在工程中的应用

为解决和普查石油天然气和煤田、金属矿床有关的地球物理勘探方法已发展到一个较高的水平，并积累了比较丰富的经验水文地质和工程地质物探工作是近几十年发展起来的新技术，因此水文地质及工程地质物探完全有可能很好的吸收和利用石油物探和煤田、金属矿床物探的技术成就和先进经验针对自身的特点，迅速的发展起来工程质量检测与评价和环境物探是现在社会发展所提出的，上世纪80年代提出，其发展趋势非常迅猛。

专业介绍

本专业培养具备坚实的数理基础和较系统的地球物理学基本理论、基本知识和基本技能，受到基础研究和应用基础研究的基本训练，具有较好的科学素养及初步的教学、研究能力，能在科研机构、高等学校或相关的技术和行政部门从事科研、教学、技术开发和管理工作的高级专门人才。业务培养要求：本专业学生主要学习地球物理学方面的基本理论和基本知识，受到基础研究和应用基础研究方面的科学思维和科学实验训练，掌握地球深部构造、地球物理工程、能源及矿产资源勘察等研究与开发的基本技能。

主要课程

地球物理学(地震学、重力学、地磁学、地电学)、高等数学、概率论,数学物理方程,线性代数,地球物理观测、地质学、连续介质力学、计算机及信息处理等。主要实践性教学环节：包括主要课程的实验和实习,如测量学实习等。野外地质实习、毕业实习等，一般安排6-12周。学习时间为期四年。

1.杉木岭测区2线

结合地质资料，在杉木岭测区2线电阻率断面图(图6－23)中可以看出，电阻率剖面在小号点方向电阻率较高，约为4000～8000Ω·m，推测为灰岩的反应剖面23号点附近电阻率也较高，约为4000～8000Ω·m，推测为灰岩等高电阻率岩层的反应。

在地表13号点附近，有一个明显的低阻异常，该异常由地表向深部延展，推测为花岗岩体的反应，也不排除是岩性界限的反应，该岩性界限产状较陡，近乎直立，层位之间呈断层状接触，电阻率较低在地表25号点附近，有一个明显的低阻异常，该异常向深部延伸较深，推测为花岗岩上升的通道，在该异常上部，中心标高为0m的位置，有一个局部低阻区间，推测该异常为矿致异常，该异常与钻孔揭露的矿体位置较吻合。

图6－23 杉木岭测区2线电阻率断面图

2.杉木岭测区29线

从杉木岭测区29线电阻率断面图(图6－24)中可以看出，剖面电性呈现左边高，右边低的趋势。结合地质资料，在1～13号点之间，电阻率较高，大约为4000～8000Ω·m，推测为石英砂岩的反应，该层位产状较陡在14～25号点之间，电阻率约为200～3000Ω·m，推测为花岗闪长岩的反应，该层位产状也较陡在23～36号点之间，电阻率相对较低，大约为50～200Ω·m，推测为闪长岩的反应，该层位产状也较陡，向大号点倾斜在32～52号点之间，电阻率约为50～600Ω·m，推测为硅质页岩的反应，该层位产状也较陡，向大号点倾斜在52～59号点之间，电阻率很低，约为30～50Ω·m，推测为花岗闪长岩的反应，因为受到矿化作用的影响，电阻率较14～25号点之间的岩体电阻率低，该层位产状也较陡，向大号点倾斜。

图6－24 杉木岭测区29线电阻率断面图

3.相思树测区106线

相思树测区106线电阻率断面图如图6－25所示。结合地质资料，从图中可以看出，高阻部分推测为灰岩的反应，电阻率约为4000～8000Ω·m，高阻的灰岩被几条断层切割，在花岗岩与灰岩的接触带附近，容易形成有利的含矿空间，电阻率在1000～4000Ω·m之间或更低。

在标高－520m左右，有一个明显的高低阻界限，推测为断层的反应，记为F1，该断层产状较平缓，向大号点倾斜，视倾角约为15°在标高－550m左右，有一个明显的高低阻界限，推测为断层的反应，记为F2，该断层产状较缓，向大号点倾斜，视倾角约为30°在地表36号点附近，有一个明显的高低阻界限，推测为断层的反应，记为F3，该断层产状较陡，向大号点倾斜，视倾角约为45°在在地表64号点附近，有一个明显的高低阻界限，推测为断层的反应，记为F4，该断层产状较陡，向大号点倾斜，视倾角约为55°。

在F1和F2所夹区域内，灰岩较厚，F2和F3所夹区域内，受断层的错动作用，灰岩变薄，在F3和F4所夹区域内，推测灰岩出露在－200m～－250m之间，厚度约为50m，与钻孔ZK01揭露的灰岩标高略有出入。

在中心标高－600m，46号点附近，有一个明显的低阻异常，该异常位于灰岩附近，推测为矿致异常在中心标高－300m，72号点附近，有一个较为明显的低阻异常，推测为矿致异常，该异常与钻孔ZK01揭露矿体中心标高接近。

图6－25 凤凰山南区106线电阻率断面图