瞬变电磁介绍（TEM-V8）

V8瞬变电磁勘探

应用领域
 矿产调查
 地热资源勘察
 构造探测
 水文和工程地质调查
 环境调查与监测
 市政工程和污染调查
 煤系地层的地质调查
 良导金属矿探测
 对MT/AMT静态校正
 油气资源时移检测

TEM基本理论
TEM是“Transient Electromagnetic Method”的缩写，是一种人工源时间域电磁法，是地球物理电磁法探测的一种，通过向接地导线或不接地回线中供入一定波形的电流，观测电磁场在断电后纯二次磁场或纯二次电场随着时间的衰减过程，根据断电后二次磁场或二次电场的变化曲线来反演测点下电阻率随着深度的变化关系。根据发射电磁场的场源不同，瞬变电磁法又分为两种：电偶源瞬变电磁法（以Lotem为代表）和磁偶源（常规线圈）瞬变电磁法。
1）磁偶场源
磁偶场源瞬变电磁法野外采集如图1所示，整个系统由发射和接收两部分组成，工作过程分为发射、电磁感应和接收三部分。当发射回线中通以阶跃电流，发射电流突然由恒定的数值下降到零，发射回线中电流突然变化必将使得发射回线周围的一次磁场瞬间产生剧烈变化，根据电磁感应理论，在发射回线周围会产生复杂变化的涡流场，涡流场以烟囱的形式向下向外以一定的角度传播，如图2所示。当涡流场遇到地下良导电的地质体时，将在其内部激发产生感应电流，感应电流又会产生新的感应磁场，也就是二次磁场，由于良导电地质体内感应电流的热损耗，二次磁场大致随着时间按指数规律衰减，接收线圈接收到的二次磁场随着时间的变化关系内包含着地下导电地质体的地球物理相关信息，通过反演求取每个测点下电阻率随着深度的变化关系。

图1：磁偶源瞬变电磁法野外布置方法

图2：涡流场的形成及传播过程示意图

1.1磁偶场源的电磁场分区及视电阻率计算
均匀大地表面垂直阶跃磁偶极子的瞬变电磁场特征主要受下面的参数控制：
1）

其中 r：测量点与发射场源中心之间的距离
t：发射电流关断之后的延迟时间
：背景电阻率
没有量纲，通常将其称为无量纲时间。当 ->0的时间称为早期；当 ->∞的时间称为晚期。显然，电磁场是属于早期还是属于晚期不仅仅取决于延迟时间t，还取决于观测点到场源的距离和介质的电导性，在导电性很好的介质中或者到场源的距离很远，可以在较大的延迟时间仍然处于早期；如果介质导电性很差，或者到场源的距离很近，可能在较小的延迟时间就已经处于晚期了。
1）早期视电阻率计算公式
2）

其中M：发射磁矩
早期瞬变磁场具有以下特征：
 早期磁场与大地电阻率成正比关系，即大地导电性越差，早期瞬变磁场越强，这是由于大地导电性越差，她产生反抗一次磁场变化的感应电流的能力越小，因而空间磁场衰减速度就越快，由此激发的涡旋电场就越强；
 早期磁场随距离的增加衰减很快，这表明早期感应的电流主要集中于发射场源附近；
 早期的磁场强度随时间的变化是线性的；
2）晚期视电阻率计算公式
3）

其中，真空磁导率
M：发射磁矩
:背景电导率
晚期瞬变磁场具有以下特征：
 晚期瞬变磁场与大地电阻率成反比关系，即大地导电性越差，磁场越弱，这是由于导电性差的大地上，磁场经早期衰减已经衰减殆尽的缘故；
 晚期垂直磁场（及其时间导数）强度与位置无关（均匀场），这说明大地中感应电流已扩散到无限深、无限远处了；
 晚期瞬变磁场随时间迅速衰减，与t5/2成反比；
2）电偶源
电偶场源如图3所示，是使用两个电极A和B接地，向地下供入阶跃电流，在近区或远区测量纯二次电场或纯二次磁场随着时间的衰减变化关系，从而获取测点以下电导率或电阻率随着深度的变化关系。这种测量模式称为LoTEM。

图3：电偶源场源下电场测量与磁场测量示意图

2.1电偶场源的电磁场分区及视电阻率计算
与发射场源为磁场源定义早晚期视电阻率相类似，早期和晚期视电阻率与公式1）有关，请参考磁偶场源的电磁场分区。我们以目前LoTem普遍测量电场E为例，给出早晚期视电阻率计算公式：
1) 早期视电阻率计算公式
4）

早期视电阻率具有如下特征：
 早期电场与大地电阻率成正比关系，及大地导电性越差，早期瞬变电场就越强，这是由于大地导电性越差，它产生反抗一次磁场变化的感应电流的能力就越小，因而空间磁场衰减速度越快，由此激发的涡旋电场便越强；
 早期电场随距离衰减很快，这表明早期感应电流集中于发射场源附近；
 早期电场随时间的变化是线性的，电场强度与时间无关；
2) 晚期视电阻率计算公式
5）

晚期视电阻率具有如下特征：
 晚期瞬变电场与大地电阻率成反比关系，即大地导电性越差，电场越弱；
 晚期瞬变电场随时间迅速衰减，与t5/2成反比；
小结：观测晚期瞬变电场或晚期瞬变磁场时，导电性好的地质环境中将有较强的信号水平，有利于观测，当用水平线圈或回线观测时，收发装置的相互位置误差不会给观测结果带来重大影响，由于晚期电场与磁场随时间衰减很快，因此要观测足够的时间范围信号，测量仪器必须有相当大的动态范围。
总结：时间域早期电场与磁场与大地电阻率成正比关系，这一点与频率域的远区电磁场的变化规律相同；时间域晚期电磁场与电导率的3/2次方成正比，这一点与频率域近区电磁场二次磁场实分量的变化规律相同。时间域晚期电磁场对大地电导率的变化是非常敏感的，由于时间域电磁法可以在断开一次场以后测量对大地电导率非常敏感的二次场，它对良导体的探测能力优于频率域电磁法。
V8 TEM野外施工布置

图4：V8常规TEM野外观测示意图

图5：V8 LoTEM野外观测系统示意图

V8 TEM典型系统配置
根据野外施工使用的发射场源和接受电磁分量的不同，把V8 TEM功能配置分为两大类：
1) 第一类（磁偶源）：常规TEM（中心回线/大定源）典型主要配置

2) 第二类（电偶源）：LoTEM典型主要配置（我们以一次发射，6组MN同时测量为例）

V8 TEM最新推出的接收线圈

图六：TEM最新接收线圈TEM-AL

与传统的MTEM-AL中频瞬变电磁接收线圈相比，最新型的TEM-AL瞬变电磁接收线圈具有重量轻、尺寸小、噪音水平更低等优势。
新旧接收线圈野外实验对比
实验地点：河北固安
实验目的：传统MTEM-AL瞬变电磁接收线圈与新型TEM-AL瞬变电磁接收线圈野外对比
发射线圈面积：400m*400m

图七：野外施工图

图八：发射线圈外240米点处dB/dT衰减曲线对比图

图九：发射回线中心点处dB/dT衰减曲线对比图

图十：发射线圈外80米点处dB/dT衰减曲线对比图

注释：蓝色十字框代表老接收线框，倒红色三角形代表新型接收线框。
通过对同一个400m*400m的发射线圈，在不同的测量点（线圈外和线圈内）测量新旧感应线圈的dB/dT感应信号对比可以得出以下结论：
 新旧线圈在关断早期衰减曲线近乎一致，相对都很平滑；
 新线圈在关断晚期的信噪比明显优于旧线圈的信噪比：新线圈在关断时间的晚期衰减曲线相对比较平滑，而老线圈在晚期明显跳动要大于新线圈；
结论
TEM与观测谐变电磁场的频率域电磁法（FEM）同属于研究二次谐变电磁场的组合，二者探测的物性基础都是介质的电阻率差异，依据的物理原理都是电磁感应定律，但是TEM是在没有一次场背景的情况下观测纯二次场异常，所以可以利用同点装置，从而使得体积效应、旁侧效应影响大大减少，而分辨率大大增强。加拿大凤凰公司能够提供TEM测量从浅层到几千米深度（LoTEM）范围内探测所需的配置装置，在以往的矿产资源勘察、水文地质勘查、油气资源勘察、环境工程地球物理勘察、煤田空洞探测、岩溶探测等方面取得了很好的应用效果。