瞬变电磁法的实际应用

瞬变电磁法的勘探原理是利用人工在发射线圈加以脉冲电流，产生一个瞬变的电磁场，该磁场垂直发射线圈向两个方向传播，通常是在地面布设发射线圈，依据半空间的传播原理，把地面以上的忽略。当磁场沿地表向深部传播，当遇到不同介质时，产生涡流场或着遵照量子力学原理使活泼的碱金属产生能级跃迁或使含有大量氢原子的液体的氢原子核沿磁场方向产生定向排列。当外加的瞬变磁场撤销后，这些涡流场的释放或者活泼的碱金属要恢复原有的能级，释放跃迁产生能量。以及含有大量氢原子的液体的氢原子核恢复原有的排列时，均以磁场的形式释放能量所获的能量。利用接收线圈测量接收到的感应电动势v2。该电动势包含了地下介质电性特征，通过种种解释手段（一维反演，视电阻率等）得出地下岩层的结构。由于采用线圈接收V2，故对空间的电磁场或其它人文电磁场敏感，也就是通常所说的干扰。为了减少此类干扰，采用尽量的发射大的电流，以获取最大的激励磁场，增加信噪比，压制干扰。接收装置通常分为分离回线，中心回线和重叠回线3类，以重叠回线得到的信息最为完整，其它次之。 瞬变电磁法的工作效率高，但也不能取代其它电法勘探手段，当遇到周边有大的金属结构时地面或空间的金属结构时，所测到的数据不可使用，此时应补充直流电法或其它物探方法（见金属结构物对测量的影响一文）。同时在地层表面遇到大量的低阻层矿化带时（例如在陕西南部某地铅锌矿区，地层表面充满石墨层）瞬变电磁法也不能可靠的测量，因此在选择测量时要考虑地质结构。在测量过程中，要随时记录地表可见的岩石特征，装置的倾角以及高程，以便在后续的解释中，准确的划分地层构造.同时在一个工区工作之前，要做实验，选择合理的装置以及供电电流，一经确定，不能在测量中变更装置和供电电流，否则对解释造成影响。在进入工区前尽量寻找已知地层的基准点对仪器进行校准（类似于重力或磁法测量的基点校正和仪器一致性试验）。以确保测量的准确性（以后将有专题论述）。 瞬变电磁法的解释，通常分为2种：定性解释和定量解释。定性解释一般是观察测线多道剖面，通过多道剖面可以定性的看出地层的分布情况（参见供5000A电流 EMPS-1电磁勘探仪一文中给出的地层多道剖面对比图），同时应排除晚期道的干扰假象.对双峰异常要多加关注（参见瞬变电磁法寻找地下热水实例和瞬变电磁法金属矿探测实例）。定量解释：一维反演是目前解释中最为准确的手段之一，但是要求输入初始模型。对初始模型的求取，通常有以下几种手段。1在矿区已有的地质资料（电测井）或者区域地质资料。2用直流电法在工区作一个电测深,以该测点的电测深电阻率作为初始模型。3也可用视电阻率和其它全域电阻率计算方法得出初始模型，但要保证其计算的结果的正确性。当计算出地层电阻率后，要进行地形改正和倾角校正，用测量时记录的高程和倾角改正（参见瞬变电磁法金属矿探测实例）。最后做出地质拟断面图。当进行井下或坑道测量时，要考虑全空间的响应（和地面半空间有很大的区别），解释方法需要用全空间的解释算法，而不能简单的利用地面半空间解释方法。其它方面：在工程勘探时，寻找地下空洞时，会有两种情况，一是充水空洞呈现低阻特征，二是未充水，呈高阻特征。如有钢筋水泥结构支撑或回填塌陷后空洞的则情况比较复杂需要仔细判断。同时要排除地下供水管暖气管的影响。中国地域辽阔，地质结构不尽相同，地质结构的区域性使得不同地区的成矿，成水条件的不一致。在解释资料时，一定要参考所在区域的地质资料和前人成果，以及其它方法的配合，特别是地质方面的配合。切不可随意套用其它地区的解释经验，做出错误的判断。

（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。

目前，瞬变电磁法在矿产资源勘查、地热和地下水资源探测以及在桥址、路基、坝址、高层建筑地基、岩溶、滑坡、煤矿陷落柱、地下水污染等工程和环境地质调查中，TEM都发挥了重要作用。

4.4.9.1 河北武安县中关铁矿应用效果

中关铁矿为接触交代型磁铁矿床，矿体成礼帽状，中央部分厚达200 m，顶部埋深约300 m。矿石以致密块状为主，含铁品位40%以上，其电阻率＜10Ω·m，相对磁导率μ_r≈3。矿体顶板为厚约200 m的灰岩层；其上为赋含水的砂岩、黏土页岩以及第四系覆盖层，它们构成电阻率为30Ω·m的低阻层。

采用100 m×100 m 及 200 m×200 m 重叠回线装置在4 剖面上的观测结果如图4.4.20所示。早期剖面图曲线强而平稳，反映了浅部地层导电性好且均匀。随着延时增大，在50～70号点间2.6 ms以后逐步显示出一局部异常，尽管异常低缓，但相对于背景仍表现出清晰的响应。对照勘探剖面可知，该异常对应着矿体中心部位。另外，该异常也与物理模拟的结果也基本相拟合，证实瞬变电磁异常确系矿体引起。从100 m×100 m到200 m×200 m两种回线的异常相对比的结果说明，在电导覆盖层的地区，采用小回线工作更有利于突出矿异常。

在剖面右侧，中、晚期道出现幅度较大的异常，是该区煤系地层中无烟煤层(电阻率约20Ω·m)的反映。

图4.4.20 河北中关铁矿4线TEM综合剖面图

1—第四系；2—砂岩；3—黏土页岩；4—二叠系；5—石炭系；6—结晶灰岩；7—大理岩；8—花岗斑岩；9—角砾状灰岩；10—透辉石矽卡岩；11—块状磁铁矿；12—蚀变闪长岩；13—角砾岩；14—钻孔

4.4.9.2 湖南水口山矿田康家湾铅锌金矿床上的应用效果

湖南水口山铅锌金矿田是著名的老矿山。扩大矿田深部和外围的找矿工作，已成当务之急。为探索在厚达数百米的低电阻红层覆盖下探测矿层行之有效的技术手段，开展了野外试验、物理模拟及反演解释的研究。这里主要介绍在康家湾矿床上的应用效果。

(1)地质、电性条件

水口山矿田康家湾铅锌金矿为大型层控矿床。矿体赋存在侏罗系底砾岩(J₁g)与栖霞灰岩(P₁q)、壶天灰岩(C₂₊₃)、当冲硅质岩(P₁d)的接触破碎带中(Q-Bf)，呈层状缓倾斜近于水平产出，埋深200～500 m不等的多层矿，总厚1～25 m。白垩系东井组(K₁d)红层覆盖于侏罗系、二叠系地层之上，呈不整合接触。岩、矿石的电性参数测定结果表明：铅锌金矿石的平均电阻率为0.1～1Ω·m，比围岩(电阻率大于1000Ω·m)低3个级次以上。上覆红层(K₁d³)的电阻率为50～100Ω·m，为典型的低电阻覆盖层。

(2)剖面异常响应

剖面测量使用200 m×200 m的重叠回线装置工作。选取延时0.4～22.2 ms之内(即1～18取样道)，观测参数为V(t)/I。为了增大信噪比，要求发送电流大于5 A，使用双匝接收回线观测。叠加次数的选取视各观测点的干扰电平而定，在远离电网的山区选用512次，而在近工业设施的地段选用2048或4096次。

图4.4.21 Ⅰ、Ⅱ测线瞬变电磁法综合剖面图

a—多测道V(t)/I剖面曲线；b—

拟断面图；c—地质剖面示意图。

K₁d³—白垩系东井组上段(红层)；J₁g—侏罗系高家田组；P₂d₁—二叠系斗岭组；P₁d—二叠系当冲组；P₁q—二叠系栖霞组；C₂₊₃—石炭系壶天群；Q-Bf—硅化破碎带

如图4.4.21a所示，多测道V(t)/I剖面曲线的前8道主要反映了浅部地质体的横向变化，曲线呈阶梯状。东边的高值区反映了厚层白至系东井组上段(K₁d³)低电阻率红层的分布；随着测道的增加，阶梯转折点向东移，反映了红层往东厚度变大的特征。曲线中段的低值响应反映了侏罗系及二叠系相对为高阻地层。矿层的响应主要反映在10测道以后，从I线24～32号测点及II线57～63号测点的曲线可见，尽管异常低缓，但相对于背景仍然清晰可辨，并随测道的增大异常变得更明显。由于 I 线矿体埋深(300 m)比 II 线矿体埋深(180 m)要大，故开始显示异常的时间相对较晚；异常的综合参数(衰减指数)a值分别为13 s^-1、14 s^-1，表明为具有一定规模的良导体引起。

图4.4.21 b为视电阻率ρ拟断面图，更明显地说明了地电断面的横向和纵向变化。ρ 等值线直观地说明了低阻红层(K₁d³)的起伏形态及深部高阻层(P₁q、P₁d)的隆起。但是，对于矿层的反映并不明显，仅仅60Ω·m、40Ω·m等值线封闭圈上有所显示。