吉林大学 建设工程学院 工程地质系 长春 130026
1.瞬变电磁法的基本原理
1.1 TEM基本原理
瞬变电磁法或称时间域电磁法（Transient Electromagnetic Method，简称TEM），是以地壳中岩（矿）石的导电性与导磁性差异为主要物质基础，根据电磁感应原理，以不接地回线（磁偶源）向被测地质体发射脉冲式电场作为场源（一次场）。以此来激励地下介质的二次涡流场，并对二次场进行观测。在发射脉冲的间隙利用接收回线（线圈）接收二次场，通过分析二次场随时间的变化特征，来获取地下介质的电性特征（电阻率），推断目标体的空间赋存位置、产状、埋深等信息。
图1瞬变电磁法原理图
如图1所示，在地面布设发送回线，并给发送回线上供一个电流脉冲方波，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡(衰减)过程。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向地表传播，在回线一定范围内接收回线接收二次磁场。
1.2 TEM如何实现测深
在瞬变过程早期阶段，高频谐波占主导地位。由于高频的趋肤效应，涡旋电流主要集中在导电介质的表层附近且阻碍电磁场向地质体深处传播。所以早期阶段主要反映地质体断面上部地质信息。
随着时间的推移，高频成分被导电介质吸收，从而低频成分占主导地位。它在导电地质体中激发出很强的涡旋电流。然而由于热损耗，这些涡旋电流场很快就消失了。
在瞬变过程的晚期，局部地质体中的涡流实际上全部消失，而在各个地层中的涡流磁场之间连续的相互作用使场均匀化和使电流均匀分布，晚期场将依赖于断面的总纵向电导。
1.3 TEM如何探测地质体信息
在发送一次脉冲磁场的间歇期间，观测由地质体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场的强度。
地质体介质被激励所感应的二次涡流场的强弱决定于地质体介质所耦合的一次脉冲磁场磁力线的多少，即二次场的大小与地下介质的电性有关：
（1）低阻地质体感应二次场衰减速度缓慢，二次场电压较大；
（2）高阻地质体感应二次场衰减速度较快，二次场电压较小。
根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断被测地质体的电性、性质、规模和产状等，由于瞬变电磁仪接收的信号是二次涡流场的电动势（即二次电位），因此，瞬变电磁作为一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法，是根据地质构造本身存在的物性差异来间接判断相关地质现象的一种有效的地质勘探手段。
2．瞬变电磁法的装置形式
2.1中心回线与重叠回线
优点：两者属同点装置，是频率域方法无法实现的装置，与地质探测对象有最佳耦合，具有较高的接收电平，较好的穿透深度，响应曲线形态简单，异常便于解释。
缺点：每移动一次装置只能测量一个点，工作效率较低。
2.2 偶极装置
优点：装置轻便灵活，可以采用不同位置和方向激发导体及观测多个分量，对矿体有较好的分辨能力。
缺点：分离回线为动源装置，发送磁距不可能做得很大，因此探测深度受到限制，观测到信号的时间特性曲线复杂，发生变号现象，给解释带来一定困难。
2.3 大定源回线
优点：装置与目标体具有最佳耦合、异常幅值大；发送磁矩大，场均匀，衰减慢，适合深部找矿；对铺设回线的要求不那么严格，一旦铺好回线后，可采用多台接收机同时工作，因此工作效率高，成本低。
缺点：在线框三分之一内观测，套用中心回线装置的计算公式，计算结果不精确。（图2）
图2 瞬变电磁法装置形式
3.瞬变电磁法的特点
（1）由于施工效率高，纯二次场观测以及对低阻体敏感，使得它在当前的煤田水文地质勘探中成为首选方法；
（2）瞬变电磁法在高阻围岩中寻找低阻地质体是最灵敏的方法，且无地形影响；
（3）以人工激发的脉冲电流作为场源，具有较大的勘探深度和较高的信噪比；
（4）不受高阻层屏蔽，能克服低阻覆盖层的影响，穿透能力强，探测深度大，一般几百米，最深可达1公里以上；
（5）工作装置形式灵活多样，剖面测量和测深工作同时完成，工作效率高，信息量大，可以减少多解性；
（6）仪器轻便、功率大，供电困难的地区能正常工作；
4.瞬变电磁法的应用范围
（1）金属矿产及某些非金属矿产勘查，寻找低阻矿体：铅锌矿、硫化矿;
（2）地质构造研究，寻找溶洞;
（3）高阻覆盖地区(如碳酸盐岩、火成岩和冻土覆盖地区)的煤田、油气田的普查以及地热勘查;
（4）水文地质及工程地质勘查，地下水;
（5）寻找地下管线及地下人文遗迹。
5.瞬变电磁法的工作方式
5.1明确勘探目标
这一信息非常重要，与采用方法、回线边长，供电脉宽，供电电流等许多参数设置都有关。根据勘探目标，一定要有电性差异应该具备选用TEM方法的地球物理条件，最好是高阻围岩低阻异常体。
5.2装置形式的选择
重叠回线：对表层电性局部不均匀体不敏感、受地形影响小，横向分辨率小，其边长L大约等于探测目标的最大埋深。
中心回线：对表层电性局部不均匀体敏感、受地形影响大，横向分辨率高；与重叠回线一样边长L大约等于探测目标的最大埋深。
大定源回线：大定源回线装置是探测深度较大，对探测目标的分辨能力较强的装置，主要应用于详查或矿产勘查工作。发送线框依据探测深度，一般在100mX200m至300mX600m范围内选用。通常长边平行地质体走向敷设。
5.3发送回线边长的选取原则
接收线圈面积越大，感应的响应也越强，但噪声也随之加强，为提高信噪比，需在发送回线上做文章。发送回线边长越大，相同电流激发的磁矩越强，接收线圈感应的勘探目标的响应越强,但同时地质噪声的响应也越大。
6.结束语
综上所述，瞬变电磁法是一种成熟有效的无损探测技术，其多种装置形式及丰富的应用领域为不同的物探需求提供便利，在科技快速发展的当下，将更多的应用于工程地质行业，造福于社会。
参考文献
［1］周平，施俊法. 瞬变电磁法（TEM）新进展及其在寻找深部隐伏矿中的应用［J］. 地质与勘探，2007,43（6）:63—69.
［2］伍卓鹤，李新宁，陈泉芳，等. 瞬变电磁法在矿产勘查中的应用研究［J］. 华南地震，2007，27（3）:26—43.
［3］薛国强，李貅，底青云. 瞬变电磁法理论与应用研究进展［J］. 地球物理学进展，2007，22（4）:1195—1200.
［4］牛之琏. 时间域电磁法原理［M］. 长沙：中南工业大学出版社，1993.
论文作者:王艳龙
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年14期
论文发表时间:2019/10/16
标签：质体论文; 电磁论文; 涡流论文; 装置论文; 电流论文; 边长论文; 介质论文; 《建筑学研究前沿》2019年14期论文;