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1、23(2):264～270地 震 地 质Vol.23No.22001年6月SEISMOLOGYANDGEOLOGYJune,20013PROTEM-37瞬变电磁测深系统及应用实例詹 艳 赵国泽 梁竞阁 汤 吉 邓前辉 李文军 赵俊猛(中国地震局地质研究所,北京 100029)范宏瑞 赵永贵 李 群(中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029)摘 要 PROTEM-37仪器具有分辨率高、动态范围大、抗干扰能力强、探测深度较大等优良性能。简要介绍了该仪器的测深原理、工作装置、野外施工步骤以
2、及资料的处理解释。对TEM和MT资料的联合反演作了有益的尝试。介绍了该仪器在探测地下洞穴、勘察金属矿以及煤田水文地质调查等方面的3个实例。关键词 瞬变电磁 PROTEM-37仪器 电性结构1 引言瞬变电磁法(TEM)是一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法。其基本原理是测量强大的脉冲源(如方波的下降沿或上升沿)所感生的随时间变化的二次场。由于这些变化的二次场是脉冲源所感生的涡流场在地下扩散过程中的电磁散射场,因此包含了丰富的地电信息,通过对这些信息的提取和解释,从而达到探测地下电性介质的目
3、的。加拿大Geonics公司的新型瞬变电磁法仪器PROTEM-37,具有分辨率高、动态范围大、抗干扰能力强、探测深度范围大(可探测到地下1km以下)等优良性能。本文将对该仪器的使用方法及其应用效果作简要介绍和讨论。2 测量原理2.1 方法原理简介TEM使用的人工场源通常有两种:一种是电源,它是向具有一定间距的一对电极发射电流,产生一次电场信号;另一种是磁源,它是通过向地面铺设的大回线发射大电流,产生一次磁场信号。PROTEM-37属于磁源的观测系统,通常使用矩形线圈来发射电流。对应于磁场源观测系
4、统的工作装置有多种,PROTEM-37仪器中主要采用中心回线装置,其观测原理由图1所示。由发射机向铺设在地面的水平矩形线圈Tx中发送周期性双极性方波大电流,当电流突然中断时(对应于方波正极性的下降沿和负极性的上升沿),即形成阶跃脉冲源。脉冲源在地下半空间中激励起感应涡流场以阻止一次场的衰减,在脉冲电流关断瞬间,涡流主要集中在Tx附近的地表,随后,此涡流开始扩散到地下半空间中。在切断电流后的任3 中国地震局地质研究所论著2001B0016。2期詹艳等:PROTEM-37瞬变电磁测深系统及应用实例2
5、65意晚期时间内,感应电流呈多个层壳状的环带形,这些环带构成二次发射源在地表感应出磁场,这就是我们所测量到的二次磁场。通过反演、成像和解释即可得到地下介质电性结构的丰富信息①(Anfmanetal.,1987;牛之琏,1992;李金铭等,1996)。接收器直接观测的是感应电压V(t)与磁场B(t)的关系为:dΦdB(t)V(t)=-=-S(1)dtdt其中Φ为接收线圈的总磁通,S为接收线圈的有效面积。感应电压与磁场的变化率成正比,因此它是地球介质电阻率(或电导率)、时间等的函数。晚时的响应函数表
6、示式较简单,可表示图1 瞬变电磁测深原理图为:Fig.1Diagramshowingtheprincipleoftransient3/2k1Mσelectromagneticsounding.V(t)=5/2(2)t其中k1为常数,M为发射电流和面积的乘积,即发射磁矩,σ为大地的电导率(单位:S/m),t为时间(s)。由(2)式可见,测量电压与电导率的关系为3/2幂,因此其灵敏度高于其它的电法,即瞬变电磁法对地下介质电性具有更高的分辨率。在实际观测时,接收器只测量电流关断后时间间隔内的感应电压。
7、这样做的优点是一次场不存在,测量信号不受一次场的影响,从而提高了信噪比。212 工作装置中心回线测深装置如图2所示,在中心点及其附近测点进行瞬变电磁测量。将所有测量的数据沿剖面构成各种剖面曲线,进而确定地下异常体的导电性和深度范围。一般地说,早时信号主要为浅部的电性结构的响应,晚时信号主要为较深部的电性结构的响应。若地下介质为高阻时,随时间增加,电压衰减较快,反之衰减较慢。使用中心回线测深装置的优点是分辨率高,对地下电性界面和异常体的位置确定性较好,一般探测深度可达0～1km左右。2.3 野外测
8、量使用PROTEM-37仪器进行野外测量的过程大致经过以下4步:(1)选区和设计。针对探测目标,尽量选择地势平坦、各种人为及动力电的干扰较小、且远离金属物的测区。根据探测目标的大致深度和分布范围、地下目标区和周围介质的电性特征,确定发射-测量方式,设计发射框的尺寸,确定测线和测点的位置。(2)测量系统放置。在设计确定之后,测量发射框的位置、各条测线及测点位置,并建立测桩号。铺设发射框,摆放发电机、发射机。(3)同步和测定测量参数。在测量系统设置完以后,启动发电机和发射机,系统预热,按所设计的使用
