地-井瞬变电磁法

井中TEM指接收线圈在钻井中观测瞬变响应的方法。在国外，尤其是在加拿大、澳大利亚、苏联等国家得到了较深入的研究和广泛应用。该方法在进行井旁或井底的导电矿层或矿体勘探中有其独特的优势。如图5－24所示为地井TEM的原理及用途示意图。

图5－24 地－井TEM的原理及用途示意图

地－井TEM是井中TEM应用最广的方法。其应用之原理与意义从图6－26中一目了然。上图中ZK－1为地质普查钻孔。假设只见到少量浸染硫化矿物及矿化层，自然会认为无经济价值，不会在附近再布置价格昂贵的钻探工作。设在此剖面上做了地面TEM观测，只发现浅部矿响应，而深部矿埋深大无法分辨其响应，故ZK－2穿过浅矿后即终孔，深部矿并非未感应出瞬变场，只是场较弱，再传播到地面已弱不可辨。如果是在孔中观测，因CD，且场强是按距离的2～3次方反比衰减，所以井旁（对ZK－1）和井底（对ZK－2）的深矿响应就得以发现。围绕一个钻孔一般要布置5个回线，每一观测数据是一体积的反映，5个观测则是集体之反映。所以形象地说，地－井TEM观测相当变深矿为浅矿，变一孔之见为集体之见，这就是本方法的意义和原理。
现我们将传统意义上钻井中的接收线圈引入煤矿巷道中，组成煤矿井中TEM如图5－25所示，这样就为探测煤矿采空区积水寻找了一个新的思路，为更好的解决煤矿水害提供了更为准确、可靠地方法。

图5－25 井－地电磁法勘探应用于煤矿示意图

（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。

一、内容概述

1.基本原理

瞬变电磁法（TEM）又叫时间域电磁法。其测量原理是：介质在一次电流脉冲场的激发下会产生涡流，在脉冲间断期间涡流不会立即消失，在其周围空间形成随时间衰减的二次磁场。二次磁场随时间衰减的规律主要取决于异常体的导电性、体积规模和埋深，以及发射电流的形态和频率。通过测量二次场的空间分布形态，来了解异常体的空间分布。

2.技术特点

在地-井TEM测量中，由于接收探头沿钻孔测量，更接近地下导电地质体，从而可以获得比地面方法更强的异常响应信号，加之探头在井中受导电覆盖层和外部电磁的干扰较小，因而能获得钻孔周围数百米范围内有用的地质信息，取得较好的找矿效果。地-井TEM在深部找矿和利用钻孔寻找井旁、井底盲矿方面，具有独特的不可替代的优势。

3.技术要点

三分量地-井TEM井下探头下井深度为1200m，探头在井中可观测轴向分量（使用Z分量探头）和水平分量（使用X、Y分量探头）的TEM响应。井中探头的定位精度为：倾角定位精度±0.5°，转角定位精度±0.5°，方位角定位精度±1.0°。关键技术：三分量定向探测技术，异常空间定位技术。目前国内外地-井TEM使用的仪器设备主要有加拿大Crone公司Digital PEM瞬变电磁系统和加拿大Geonics公司生产的PROTEM瞬变电磁系统，仪器型号为3D PULSE EM。

国外的地-井TEM 三维数值模拟技术比较成熟，已有商业软件。地-井TEM 法，由于其装置的特殊性和电磁法的复杂性，利用测井响应曲线的形态和特征进行定性推断解释仍是目前重要的技术手段。

二、应用范围及应用实例

地-井瞬变电磁法是近年来国内外发展较快、地质找矿效果较好的一种电法勘探方法，主要应用于金属矿勘查、构造填图、油气田、煤田、地下水、地热、冻土带、海洋地质等方面的研究。在金属矿勘查方面，主要应用于勘查井旁、井底盲矿体，尤其是当地面电磁法工作因矿体深度太大，或者是在受电性干扰因素（如导电覆盖、浅部硫化物、地表矿化地层等）影响大的地区，更能体现其优越性。

在加拿大、澳大利亚等国家，地—井TEM法已成为常规勘查方法，并且已有很多非常成规的深部找矿实例。如：加拿大1995年在Falconbridge Lindsley铜镍矿区发现深1280m，距钻孔约200m、厚28m的富矿。

三、资料来源

Bailey J，Lafrance B，McDonald A M et al.2004.Mazatzal Labradorian⁃age（1.7～1.6Ga）ductile deformation of the South Range Sudbury impact structure at the Thayer Lindsley mine，Ontario.Canadian Journal of Earth Sciences，41（12）：1491～1505，10.1139/e04⁃098

Molnar F，Watkinson D H，Jones P C et al.1997.Fluid inclusion evidence for hydrothermal enrichment of magmatic ore at the contact zone of the Ni⁃Cu⁃platinum⁃group element 4b Deposit，Lindsley Mine，Sudbury，Canada.Economic Geology，92（6）：674～685

Watts A.1997.Exploring for nickel in the 90s，or“Til depth us do part”，Proceedings of Exploration 97：Fourth Decennial International Conference on Mineral Exploration，edited by A.G.Gubins，1003～1014