瞬变电磁法资料的成果图示与解释

（一）瞬变电磁法的资料解释
TEM资料解释，就是根据工区的地质、地球物理特征分析TEM响应的时间特性和 空间分布特征，确定地质构造的空间分布特点，例如，覆盖层厚度变化，垂向岩性分层和 岩层的横向变化情况，断裂破碎带和其他感兴趣的局部地质构造目标的位置、形态、产 状、规模、埋深等。和其他物探方法一样，对资料的定性分析和解释是资料解释中最重要 和最基本的部分，定量解释一般都是在定性解释的基础上进行的。已有的一些简单实用的 定量计算方法都是根据简单地电条件导出的，因此，计算结果实际上只能认为是半定量 的，应用时应注意其局限性。
因TEM兼有剖面法和测深法两种性质，因此，大多数情况下，既要对整个工区或剖 面进行偏重于剖面法的资料解释，又要对一部分测点的TEM响应的时间特性作测深资料 解释。
TEM的测深解释与其他测深方法一样，在定性解释阶段，要分析曲线的畸变，制作 各种必要的定性图件，以求对测区（测线）的地电断面特征有一个定性的了解，并为定量 解释作好准备。其内容与其他测深法大同小异，这里不再重复。至于定量解释，也有量板 法、特征点法以及计算机自动拟合等方法。
TEM的剖面解释，重点就是要获得局部良导地质构造的产状和埋深等信息。首先要 进行异常的划分，得出局部异常后，再进行异常分类。然后结合测区地质和地形、地物情 况排除浅部干扰体（如金属管道等）异常和地质噪声，筛选出有意义的异常，根据异常的 空间和时间分布特点，确定异常体的形状、规模及埋深等。在可能的情况下，还应确定异 常体的电性参数。
（二）应用实例
目前，瞬变电磁法在矿产、工程、环境物探中的应用非常广泛，在桥址、路基、坝址、高层建筑地基勘查，地热和地下水资源探测，岩溶、滑坡、煤矿陷落柱、地下水污染 等灾害地质和环境地质调查中，TEM都发挥了重要作用。

图4-67 磨刀门大桥020N线瞬变电磁法综合剖面（据程志平，2007）（a）多道dBz/dt曲线；（b）推断地质剖面

1.磨刀门大桥桥址勘查
磨刀门大桥是广州珠海高速公路横跨珠江入海口磨刀门水道的大桥，水道宽约3km，初 选桥址的桥轴部位海水深几米到几十米。桥轴线东西两岸出露燕山期花岗岩，测区还零星出 露泥盆系地层。物探工作任务是查明待选桥址区的断层裂隙等地质构造的赋存状态。投入瞬 变电磁法，使用EM—37型瞬变电磁仪。浅水区采用中心回线装置，发射回线边长20m。发 射回线和接收回线固定在一个小木船上由机动船牵引。浅滩区采用框-回线装置。发射框布 置在岸上，尺寸为300m×700m，接收框在小船上。发射基频为25Hz和6.25Hz两组，每个 频率的采样道数均为20道，采样时间0.78～25.10ms，水上定位采用两台经纬仪作前方交 会定位。共布置平行于桥轴线的测线4条，平行河岸的测线6条。图4-67（a）所示为其中 初选桥轴线020N的dBz/dt多道剖面曲线（只绘出其中5～20道）。从图中可见，在1750～ 1917测点间有一个明显的晚期双峰异常，推断为断裂破碎带，根据峰值差异小可判断断裂 基本陡立，倾角约80°。根据对TEM剖面异常和部分测点ρτ曲线综合分析计算，绘出了推 断地质断面，如图4-67（b）所示。在1778号点设计验证钻孔，在深度49.5～57.0m之间为 断层破碎。该测线还布置了一些其他的验证孔，也与推断结果吻合较好。
根据该区TEM资料，查明初选桥址附近构造较发育，建议桥轴线向南或向北位移 200～400m。这一建议被公路设计部门采纳。

图4-68 云南会泽铅锌矿6号矿体上的TEM异常

2. 云南会泽铅锌矿深部找矿
1998年，云南会泽铅锌矿的第二轮找矿中，TEM法在深部找矿中取得了较好的效果。
该铅锌矿属层控改造型，含矿层位于下石炭系顶部的白云岩夹灰岩。围岩为泥盆系、 石炭系和二叠系，岩性以灰岩、白云质灰岩及白云岩为主，只在二叠系底部有一薄层细砂 岩与碳质页岩互层。已知矿体中的6号矿体金属储量为大型，顶部埋深约600m。深部找 矿的目的是在地质预测剖面上查证含矿层中是否存在相同类型的铅锌矿体。
矿体不具磁性，磁法无效。矿体密度虽然很大，但在地面上只能引起几十微伽（1μGal＝0.01g.u.）的重力异常，在复杂地形条件下，重力测量难以达到目的。矿体的 电阻率很低，只有几十欧姆·米，围岩电阻率在1000Ω·m以上，是唯一可以利用的物性 参数。但是，要求的探测深度大，常规电法难以奏效，TEM法成为首选的探测手段。TEM法采用重叠回线装置，边长200m，发射电流100A。地形倾角为30°左右，已知矿6 号矿体顶部埋深约600m，顶板垂直地面深度大于500m。图4-68所示为TEM法在6号 矿体上的测量成果。由图可见，在已知矿体（层状低阻体）上获得明显的水平板状体异 常，在对方没有提供地质资料的情况下，根据TEM资料推断的矿体深度及空间位置与6 号矿体基本吻合。
在已知剖面上取得成效的基础上，进行了地质预测剖面的测量，并发现了含矿层中的 层状低阻体异常，推断深度约400m。后经验证，该异常为矿体异常，这一实例说明TEM 法重叠回线装置可以探测埋深约为3倍回线边长的低阻体异常，其探测深度可以达到 600m以上。这一实例也表明了TEM法探测微弱异常的卓越能力。

（一）视纵向电导解释法
根据均匀大地表面的理论研究，瞬变电磁测深的等效深度为

地电场与电法勘探

在不均匀介质中该式为

地电场与电法勘探

比例系数ατ依赖于地电断面参数和收⁃发距，用实验方法确定。
与频率测深方法相同，引入等效二层断面的概念。这时等效厚度和等效电阻率确定为

地电场与电法勘探

因此

地电场与电法勘探

对于远区场，356≤ατ≤503，而对于近区场ατ≤189。用与频率测深相同的方法可得视电阻率断面图或视纵向电导断面图。这时纵坐标可用 表示。
视纵向电导曲线直观地给出断面中赋存良导地层情况。由于随着时间推移瞬变电磁场向地层深处传播，所以当出现新的导电层时，在纵向电导曲线上便出现数值增加。我们在下面所述的“视纵向电导”指的是，在断电后的某一时刻，电磁场的有效分布范围内地电断面能被具有一定深度的均匀导电平面等效代替时，后者的纵向电导。由此可见，这样的等效导电平面和其纵向电导以及等效深度均随时间而改变。
下面讨论由野外实测值如何确定视纵向电导和等效深度的方法。以S—MN装置（根据互换原理也可用于AB—s装置中）为例说明这一方法的实质。由（2⁃4⁃66）式可确定到深度h对应的瞬变时间t的纵向电导S。在实测的Eφ（t）曲线上取微分：

地电场与电法勘探

式中K=3PM/πr3，F（ ）= /（1+4 ）5/2。然后再取一个新的辅助函数：

地电场与电法勘探

事先计算函数值：

地电场与电法勘探

形成数表或列线图。借助于列线图或数表（见前页表2⁃4⁃4），根据实测曲线的φ实（ ）值确定 值，再由（2⁃4⁃66）式确定：

地电场与电法勘探

确定薄板参数的上述方法可适用于任一收⁃发距和时间。但须知，我们引入随时间增大而匀速“下沉”的等效导电平面，并用它代替均匀大地，从而求得均匀大地表面的瞬变场。如前所述，对于任意水平层状地电断面，仍然可以用此法求得瞬变场的近似解，但此时的等效平面随时间t增大而“下沉”的速度不再是常数，而是分别与各层介质的电导率有关。这样我们便可以在层状介质中引入视值，即
Sτ=S（t），hτ=h（t）（2⁃4⁃77）
图2⁃4⁃65给出了ρτ（τ1/h1）和Sτ（τ1/h1）曲线的对比图。由图可看出，Sτ曲线达到渐近线的时间远早于ρτ曲线。这给野外工作带来很大方便。尤其在电源功率不够大的条件下开展工作时，这一优点更为突出。利用（2⁃4⁃76）式的关系可将（2⁃4⁃77）式变换为Sτ（hτ）关系曲线，且由一系列测点上的Sτ（hτ）曲线绘出其断面图。

图2⁃4⁃65 ρτ与Sτ曲线对比图

1—ρτ曲线；2—Sτ曲线。

地电场与电法勘探

根据理论分析和实际经验可对 Sτ（hτ）曲线和断面图作如下认识。Sτ（hτ）图接近由电测井资料建立起来的真S（h）曲线。如果围岩介质在电性上是均匀的，则 Sτ（hτ）曲线为相对于 h轴以固定角度 α 倾斜的直线，故ctgα=h/S。可见，真纵向电导值随α角的增加而减少（见图2⁃4⁃66）。在层状介质中，Sτ（hτ）曲线具有由不同电阻率分界面引起的一系列转折曲线。拐点纵坐标对应于这些层的上盘位置。利用倾角α或渐近线可确定每一层的纵向电导值。良导层的α值大，不太良导者α值小。对比相邻点相同α角或曲线形态，最后可追索同一地质界线。该断面实质上是时间断面，然而，若至少有一个钻井控制时，则可类似于地震勘探法，对比S（h）和Sτ（hτ）曲线，将时间断面转换为深度断面或地电断面。

图2⁃4⁃66 Sτ（hτ）断面图

（二）改进的阻尼最小二乘可行方向解释法
1.原理
改进的阻尼最小二乘法（简称LMF法）是我们所熟知的，为了尽量减少多解性影响，可引入可行方向算法。
瞬变电磁测深曲线拟合的最优化问题可以归结如下。
给定初值x（0），修正量为Δx，修正后的参量为x（1），则x（1）=x（0）+Δx。参量修正后，应使目标函数φ（x）为最小值，并设定优化应满足的约束条件，即
φ（x）=min（2⁃4⁃78）

地电场与电法勘探

其中，φ（x）为目标函数，x=（x1……xm）T， 为xi的下界， 为xi的上界，i=1，……，m。根据阻尼最小二乘法的原理，可得法方程：
（ATA+αI）Δx=ATB（2⁃4⁃80）
式中，A为雅可比矩阵，I为单位阵，α为阻尼因子。由方程组（2⁃4⁃80）解出的xi的值未必满足（2⁃4⁃79）式，为使优化参数满足约束条件，现引入可行方向法如下：
①对于可行域内的 ，利用LMF法求出Δxi。
②令

地电场与电法勘探

其中ε为给定小正数。
③令

地电场与电法勘探

这样求得的xi必在可行域内，即满足（2⁃4⁃79）式。
将利用可行方向法求得的 值作为下次迭代新的初值，如此迭代运算，直到求出xi，……，xm的最佳值。
2.反演方法
（1）目标函数和法方程的建立。为了在不同的采样时间上，使瞬变电磁测深曲线有相近似的拟合程度，取晚期视电阻率的相对误差为目标函数。

地电场与电法勘探

其中，ρτ（i）为第i个采样道的ρτ实测值；ρτ（i，P）为用模型参数P计算的第i个采样道上的ρτ理论值；n 为总的采样道数；P 为理论模型参数 P=（ρ1……ρm，h1，……hm-1）T；m为地层层数；ρi和hi分别为第i层的电阻率和厚度。经台劳展开，取 =0，得
（ATA）·ΔP=ATB（2⁃4⁃84）
其中A为雅可比矩阵

地电场与电法勘探

将（2⁃4⁃84）式的对角线项加上阻尼因子α，即形成LMF的法方程
（ATA+αI）·ΔP=ATB（2⁃4⁃85）
约束条件为

地电场与电法勘探

按前述方法，对（2⁃4⁃85）、（2⁃4⁃86）式求解，所得的极小可行解必在可行域内。
（2）雅可比矩阵元素的计算。对于瞬变电磁测深问题，晚期视电阻率的理论函数ρτ（i，P）的一阶偏导数虽然存在，但难以用公式直接给出，但可采用简单差商公式代替一阶偏导数

地电场与电法勘探

其中ρτ（i，P）是给定一组P1，…，P2m-1求出的晚期视电阻率理论值，ρτ（i，P′）为给定一组Pj，…Pj+δPj，…，P2m-1求出的晚期视电阻率理论值，δPj为适当选取的差分步长。根据数值计算的实验结果，取δPj=（0.01～0.001）Pj比较合适。
（3）反演算例。设计模型为水平地层KH型四层断面。表2⁃4⁃5给出了该模型的真实参数、约束条件和反演结果，其中第二层和第三层具有S等值性，第二层和第三层的总的纵向电导为
S2+S3=80/200+10/200=0.45，而反演结果 S2+S3=73.9/183.6+12.3/266.5=0.45。反演结果说明了方法的有效性。

表2-4-5 KH型四层断面的反演数据表

除上述反演解释方法外，还有一种根据“烟圈”理论提出的解释方法见文献（方文藻等，1993）。
关于二维、三维地电体的瞬变电磁测深反演方法，虽已取得一些初步成果，但目前仍处于试验研究阶段。

4.4.8.1 成果的图示

瞬变电磁法成果图一般有以下几种：

1)多道V/I或

/I 剖面图。

2)

拟断面图。

3)

曲线类型图。

4)

-

(视纵向电导-视深度)曲线类型图。

5)某些测道的

或V/I平面等值线图。

当工作目的主要是探测局部导体时，可不作第4)、5)种图件。而工作目的偏重于对大地分层时，则第4)、5)种图件是重要的基本图件。

4.4.8.2 资料解释

TEM资料解释是根据工区的地质、地球物理特征分析TEM响应的时间特性和空间分布特征，确定地质构造的空间分布特点。例如，覆盖层厚度变化、垂向岩性分层和岩层的横向变化情况、断裂破碎带和其他感兴趣的局部地质构造目标的位置、形态、产状、规模、埋深等。和其他物探方法一样，对资料的定性分析和定量解释是资料解释中最重要和最基本的部分。定量解释一般都是在定性解释的基础上进行的。已有的一些简单实用的定量计算方法都是根据简单地电条件导出的，因此，计算结果实际上是半定量的，应用时应注意其局限性。

因TEM兼有剖面法和测深法两种性质，因此大多数情况下，既要对整个工区或剖面进行偏重于剖面法的资料解释，又要对一部分测点的TEM响应的时间特性作测深资料解释。

(1)测深资料的解释

当需要划分岩层垂向分布或需要计算局部构造的深度时，一般要对TEM资料进行测深资料解释。

A.定性解释

首先要确定各测点

曲线类型(即地电断面类型)，并结合地质及钻孔资料确定地电断面各电性层与地质层位的对应关系。然后再大致确定岩层厚度的横向变化，找出

曲线类型在测区变化的规律，划分曲线类型发生变化的界线。要详细研究已知地段上的典型曲线，再联系整个测区的曲线变化规律分析单个测点的曲线。

B.半定量解释

半定量解释就是大致定量地计算地电断面各岩层的厚度和电阻率。常用的方法有两种：即利用

曲线特征点及渐近线推断目标层参数；利用

、

参数推断层参数。前者是利用对理论

曲线的研究成果，后者则是引用水平导电薄层理论，将层状大地各地层的影响等效为导电薄层的影响进行计算。下面简要介绍这一方法。

计算视纵向电导

和视深度

的公式为

电法勘探

电法勘探

式中：M_s为发送磁矩；q为接收线圈的有效面积，等于接收线圈面积与匝数的乘积；V(t)为t时刻观测到的感应电压值。

图4.4.17和图4.4.18分别绘出了K型和H型地电断面上

-t和

-t的理论曲线。从图中可见，

曲线为上升曲线，对于高阻层，其上升斜率小；对于低阻层，其上升斜率大。整条

曲线近乎由几段与各层对应的折线组成。

曲线的转折点对应于

曲线开始受下层影响的时刻。不难看出，

曲线能较直观地反映电性层的垂向变化。

电法勘探

ρ₁=30Ω·m，ρ₂=200Ω·m，ρ₃=30Ω·m；h₁=200 m，h₂=300 m

电法勘探

ρ₁=200Ω·m，ρ₂=30Ω·m，ρ₃=500Ω·m；h₁=390 m，h₂=550 m

-t曲线还没有将

与深度联系起来，为此，绘成

-

曲线，如图4.4.19所示。从图中可见，

曲线的转折点对应的

和

值可以划分各岩层的视深度和视纵向电导。但这样得到的视纵向电导和视深度与真纵向电导和真深度有一定的偏差。对于H型断面，反演得到的视纵向电导偏大，深度偏小。因此，还需要根据断面类型对求得的视纵向电导和视深度进行校正。方法是：对测区部分测点的

曲线进行数字反演拟合，利用反演得到的层参数正演计算及

-

理论曲线，确定各岩层的视纵向电导和视深度，再与真实值比较求得校正系数。

图4.4.19 H 型地电断面上S_τ-h_τ曲线

ρ₁=200Ω·m，ρ₂=30Ω·m，ρ₃=500Ω·m；h₁=390 m，h₂=550 m

应该指出：①

的计算中要用到∂V(t)/∂t，当V(t)存在一定的观测误差时，会使

曲线发生严重畸变，使用这种方法应保证观测数据的质量；②对于电性差异较小的地电断面、尤其是A、Q型断面，

-

曲线的转折点不太清晰，应用效果较差。

通过半定量解释对各测点下方的岩层作了垂向分层后，将相邻测点对应岩层连接起来，便可大体了解岩层的横向变化情况。应该注意的是，在岩层横向变化剧烈时，因地电条件偏离水平层状模型甚远，其计算结果将受到严重影响。在岩层横向变化平缓处，计算结果就比较可靠。

C.定量解释

目前对TEM资料的定量解释，一般是用定性和半定量解释给出的层参数为初值，用一维层状大地模型计算出理论曲线，再与野外实测曲线进行对比，不断修改层参数，使理论曲线与野外实测曲线拟合。最后将理论模型的层参数作为实测曲线的解释层参数。将不同测点一维定量解释得到的相应岩层连接起来，得到二维地电断面。方便有效的TEM二维和三维解释还是正在研究的课题。

(2)剖面资料解释

进行剖面资料解释时，重点是要获得局部良导地质构造的性质、位置、形态、产状、规模和埋深等信息。

剖面资料解释的第一步就是要划分异常。异常是相对背景而言的。要划分异常，首先就要确定背景场，应在覆盖层厚度均匀、基岩完整区进行。背景区的瞬变电磁响应一般具有衰减迅速、在相当大的范围内比较稳定的特点。对背景划分出异常，异常的数据必须可靠，应在连续几个测点的多道有不低于3倍噪声电平的显示。一般利用多道V/I曲线或

拟断面图划分异常。

划分出局部异常后，接着应划分异常类别。应结合测区地质和地形地物情况排除浅部干扰体(如金属管道等)异常和地质噪声，筛选出有意义的异常，并确定异常的性质。

对有意义的异常，可根据测区地质情况以及异常的空间和时间分布特点确定异常体的形状、规模、埋深等。在可能的情况下，还应确定异常体的电性参数。