第六讲TerraTEM瞬变电磁仪讲解
瞬变电磁法原理
瞬变电磁法原理
瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，简称TEM）是一种地球物理勘探方法，利用地下电阻率差异来探测地下结构的一种有效手段。
瞬变电磁法原理是基于法拉第电磁感应定律和麦克斯韦方程组，通过在地面上设置发射线圈和接收线圈，利用电磁场的感应效应来获取地下介质的电阻率信息。
在瞬变电磁法中，发射线圈产生的瞬时电流会在地下引起瞬时变化的磁场，这个瞬时变化的磁场会感应出地下的涡电流。
这些涡电流会产生自己的磁场，而这个磁场又会感应出接收线圈中的感应电压。
通过测量这个感应电压随时间的变化，就可以得到地下介质的电阻率信息。
瞬变电磁法原理的关键在于瞬时变化的电磁场。
由于地下介质的电阻率不同，对瞬变电磁场的响应也不同，因此可以通过测量感应电压的变化来推断地下的电阻率分布。
一般来说，导电性较好的地层会对瞬变电磁场产生较大的响应，而绝缘性较好的地层则会对瞬变电磁场产生较小的响应。
瞬变电磁法原理的优势在于其对地下较深部分的探测能力。
由于瞬变电磁法所产生的磁场变化非常快，因此可以感应出地下较深部分的涡电流，从而获取较深部分的电阻率信息。
这使得瞬变电磁法在地下水资源、矿产资源、地质构造等方面有着广泛的应用前景。
总的来说，瞬变电磁法原理是基于电磁感应定律和麦克斯韦方程组，利用瞬时变化的电磁场来感应地下介质的电阻率信息。
通过测量感应电压随时间的变化，可以推断地下的电阻率分布，从而实现对地下结构的探测。
瞬变电磁法在地下深部探测方面具有独特的优势，对于地质勘探、矿产资源勘查等具有重要的应用价值。
瞬变电磁详细原理
I 0
AR b
3 2
2
20
5 / 2 5 / 2
t
2007 吉林大学
晚延时的衰减曲线
重叠回线与中心回线曲线对比
中心回线
非磁性均匀半空间电动势响应
0 t /( 0 a )
2
0
3
近区或晚期条件
0.01 τ 0 3 中区或晚期条件
重叠回线
0 0 . 01
2007 吉林大学
TEM探测流程
激发源 发射机 信号检测 （接收机）
探测对象
理论模型 正演计算
反演解释
数据处理
2007 吉林大学
TEM信号向地下扩散示意图
早 期 信 号 反 映 浅 部 结 构
晚 期 信 号 反 映 深 部 结 构
2005 吉林大学
瞬变电磁法 (TEM) 的实际过程示意图
2007 吉林大学
2 2 2 2 1/ 2
H 1 (t ,0 ,0 ) f ( z / a )
磁场随时间的变化率可写为：
H 1 (t , z ,0 ) t 2 (1 z / a )( 2 z / a )
2 2 2 2 1/ 2
H 1 (t ,0 ,0 ) t
H 1 (t ,0 ,0 ) t
a
一次磁场垂直分量随时间的变化率可写为：
H 1 (t ,0 ,0 ) t 2 i (t ) 0 . 45 i ( t ) a t
a
t
2.回线轴上的一次场垂直分量为：
H 1 (t , z ,0 ) H 1 (t ,0 ,0 ) 2 (1 z / a )( 2 z / a )
瞬变电磁
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瞬变电磁法的野外工作方法
装置类型的选择 目的物参数估计； 地质环境； 电磁噪声； 回线大小的选择 重叠回线装置是适用与轻便型仪器的工作装置，一 般情况下回线边L=H(H为探测目标的最大埋藏深度)； 中心回线装置发射回线边长按该区测深工作所需要 的探测深度、覆盖层平均电阻率、干扰电平及发送 电流合理选定； 在工程勘查中，一般使用回线边长为10~20m，点 距为5~10m的重叠回线工作；
动势 ;
I − − − 电流强度 ; N , S − − − 发射线圈匝数和面积 ;
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n , s − − − 接收线圈匝数和面积 ;
20
三、瞬变电磁法的野外工作方法
1、装置类型: 装置类型:
(1)单线框装置： (1)单线框装置：单线框装置是瞬变电磁测量系统中最简单的一 单线框装置 其主要特点是发射器和接收器为同一线框，既做为发射框， 种，其主要特点是发射器和接收器为同一线框，既做为发射框，同时 又作为接收框。线框形状可以是正方形，亦可为矩形， 又作为接收框。线框形状可以是正方形，亦可为矩形，线框边长一般 200m之内 视具体情况而定( 之内， 在200m之内，视具体情况而定(图a). (2)共线框装置： (2)共线框装置：共线框装置是指发射框和接收框具有完全相同的 共线框装置 几何形状和尺寸，但两线框相互独立布置在同一位置上( b)． 几何形状和尺寸，但两线框相互独立布置在同一位置上(图b)．
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一、概述
(1) 瞬变电磁法 瞬变电磁法(TEM）: 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， 下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该 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，从而来解决有关地质问题的时间域电磁法。 时间分布，从而来解决有关地质问题的时间域电磁法。 (2) 按其工作空间可分为：航空瞬变电磁法、海洋瞬变电磁 按其工作空间可分为：航空瞬变电磁法、 法、地面瞬变电磁法、井地瞬变电磁法、矿井瞬变电磁 地面瞬变电磁法、井地瞬变电磁法、 法。 (3) 瞬变电磁法主要用来探测地下 瞬变电磁法主要用来探测地下1Km范围内的异常情况。 范围内的异常情况。 范围内的异常情况
瞬变电磁法
三、瞬变电磁法的野外工作方法
（4）分离式线框装置：发射线框与接收线框保持一定距离分别布置 的测量系统称分离式线框装置。该装置有两种形式，一种是发射和接 收线框尺寸大小完全相同，另一种是接收线框为偶极接收器（图 d）
三、瞬变电磁法的野外工作方法
(5)双线框装置：发射和接收线框分别由两个大小相同而
5）、法的资料处理和解释
从瞬变电磁场的传播过程来看，存在早期、晚期场
2、全区视电阻率计算 之分，早期瞬变电磁场是内近地表的感应电流产生的，反映 浅部电性分布；晚期瞬变电磁场主要是由深部的感应电流产
生的，反映深部的电性分布。由于地磁场性质的不同，早期
或者晚期定义之公式也不相同。常用的重叠回线装置若采用 晚期场计算公式，会造成中早延时段视电阻率增大，产生很
五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用
1） 划分地层结构与隐伏构造 2002年3月，某地质队为调查某市新建垃圾场的地层结构与隐伏构
造，在拟建区开展了瞬变电磁法的探测工作。
五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用
1） 划分地层结构与隐伏构造
经野外探测、计算机的分析处理、钻探验证后，准确地探测出拟建 垃圾场区的地层结构与隐伏构造。右图为其中的3#测线剖面图。在测点4 处进行了钻探。钻探结果为：0～1.7米为耕植土，1.7～3.0米为含碎石 粘土，3.0～12.9米为强风化白云岩，12.9～15.8米为断层破碎带（角砾
状和尺寸，但两线框相互独立布置在同一位置上(图b)．
三、瞬变电磁法的野外工作方法
(3)环式线框装置接：接收线框位于发射线框内中心位置 的形式 称环状线框装置，其尺寸比发射框小的多，通常接收线框由多芯 导线组成多扎线框，由于每个单扎线圈可看作是一个磁偶极子，
矿井瞬变电磁方法培训
二.矿井瞬变电磁仪器
4. 仪器操作
二.矿井瞬变电磁仪器
4. 仪器操作
首先按下“开”键，打开仪器电源，仪器将自动进入瞬变 电磁采集主界面
二.矿井瞬变电磁仪器
4. 仪器操作
“文件”下拉菜单中选择“新建”或者点击工具栏中的“ 新建”快捷按钮，软件会自动弹出新建工区命名窗口
二.矿井瞬变电磁仪器
4. 仪器操作
2）小回线装置形式数据采集结果的好坏取决于其与地质体的耦合情况 ，对于巷道中的大型掘进机械而言，类似于较大的低阻体，直接影响着超前 探测结果的可靠性，当掘进机械离开线圈一定距离时，由于中间不存在涡旋 电流扩散的导电介质，线圈接收到的响应非常弱，因而其干扰是可避免的， 实际中掘进机械与线圈的距离应大于6m。
二.矿井瞬变电磁仪器
1.现有仪器
EMRS瞬变仪器
二.矿井瞬变电磁仪器
1.现有仪器
IGGETEM-30A瞬变仪器
二.矿井瞬变电磁仪器
1.现有仪器
MSD-1瞬变仪器
二.矿井瞬变电磁仪器
2.YCS2000型仪器
序号 1 2 3 4 5 6 7 8
9
部件 主机 接收探头 装置
配件
软件及说明书 等
名称 YCS2000-Z矿用瞬变电磁探测仪主机
这是由于任意时刻采样的信号都含有所有频率成分的信
息，只是不同时刻的信号含频率成份的百分比不同而已。
一.矿井瞬变电磁方法理论
1.基本原理
发射基频或时基下降沿 零时 采样时间起点
一.矿井瞬变电磁方法理论
1.基本理
-Z
Tx
t>0
t=t1
X
t=t2
t=t3
Z
瞬变电磁场的烟圈效应
瞬变电磁法探测原理 (1)
瞬变电磁法探测原理瞬变电磁法，即Transient Electromagnetic Method(简称TEM)，是利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲场，以激励地层介质感生电磁场，在一次脉冲场间歇期间利用同一回线或电偶极接收感应电磁场。
其物理基础是电磁感应原理，据此理论在电导率和磁导率均匀的大地上，铺设输入阶跃电流的回线，当发送回线中电流突然断开时，在下半空间就要被激励起感应涡流场以维持在断开电流前存在的磁场，此瞬间的电流集中在回线附近的地表，并按指数规律衰减。
在发送一次脉冲磁场的间歇期间，观测由地下地质体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应电磁场(或称响应场)。
地层介质被激励所感应的二次涡流场强弱决定于地层介质所耦合的一次脉冲磁场磁力线的多少，二次场的大小与地下介质的电性有关：低阻地质体感应二次场衰减较慢，二次场电压较大；高阻地质体感应二次场衰减较快，二次场电压较小。
根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断地下地质体的电性、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(纯异常响应)，对二次电位进行归一化处理后。
根据归一化二次电位值的变化特征，可间接地探测各种地质构造问题。
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有关地质现象的一种有效的地质勘探手段。
瞬变电磁场在大地中主要以“烟圈“扩散形式传播，在这一过程中，电磁能量直接在导电介质中传播而消耗，由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。
从烟圈效应的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反应浅部电性分布，晚期瞬变电磁场是由深部的感应电磁场产生的，反应深部的电性分布。
因此，观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电位的垂向变化。
矿井瞬变电磁法原理与地面电磁法原理基本相同，所不同的是矿井瞬变电磁法是在井下巷道内进行瞬变电磁场呈全空间分布,接收线圈接收的信号是来自发射线圈上下两个方向全空间岩石电性的综合反映。
瞬变电磁法原理
瞬变电磁法原理瞬变电磁法（Transient Electromagnetic method，简称TEM）是一种地球物理勘探方法，利用瞬变电磁场在地下介质中传播的特性，来获取地下介质的电性信息。
瞬变电磁法原理的核心在于利用瞬变电磁场的感应效应，通过对地下介质中的电导率进行探测，从而揭示地下构造和岩矿成矿体的信息。
瞬变电磁法的原理可以简单概括为，在地面上设置一个发射线圈，通过传输电流产生瞬变电磁场，这个瞬变电磁场会穿透地下介质并感应出地下介质中的电磁响应。
接收线圈则用来接收地下介质中的电磁响应，通过分析接收信号的变化，可以推断地下介质的电导率分布情况，从而得到地下介质的电性信息。
瞬变电磁法原理的核心在于瞬变电磁场的感应效应。
当发射线圈传输电流时，会在地下产生一个瞬变电磁场，这个瞬变电磁场会穿透地下介质，并感应出地下介质中的电磁响应。
地下介质中的电磁响应受到地下介质电导率的影响，不同的地下介质具有不同的电导率，因此它们会对瞬变电磁场产生不同的响应。
通过接收线圈接收地下介质中的电磁响应，并分析接收信号的变化，就可以推断地下介质的电导率分布情况。
瞬变电磁法原理的关键在于对接收信号的分析。
接收线圈接收地下介质中的电磁响应，这个响应信号包含了地下介质电导率的信息。
通过对接收信号的分析，可以得到地下介质的电导率分布情况，从而揭示地下介质的电性信息。
瞬变电磁法通过对地下介质的电性信息进行探测，可以帮助地质勘探人员了解地下构造和岩矿成矿体的情况，为资源勘探和地质灾害预测提供重要的科学依据。
总之，瞬变电磁法原理是利用瞬变电磁场的感应效应，通过对地下介质的电性信息进行探测，来揭示地下构造和岩矿成矿体的信息。
通过对发射线圈传输的瞬变电磁场和接收线圈接收的电磁响应进行分析，可以得到地下介质的电导率分布情况，从而揭示地下介质的电性信息。
瞬变电磁法在资源勘探和地质灾害预测中具有重要的应用价值，是一种非常有效的地球物理勘探方法。
瞬变电磁测深法
图10.4.2 矩形框磁力线
图10.4.4 穿过Tx中心的横断面内电流密度等值线 Tx=800×400m
图10.4.3中示出了不同时刻穿过发射回线中心的横断面上地下感应电流密 度等值线。
从图中可以看到．等效 电流环很象从发射回线“吹” 出来的一系列“烟圈”因此， 人们将地下涡旋电流向下、 向外扩散的过程形象地称为 “烟圈效应”。
4. 测区、测网的选择
测区范围应根据工作任务和测区的地质及地球物理工作程度合理确定， 应主要考虑以下因素： 1）探测目标的大小、埋深及与围岩的电性差，为了保证所得异常的完整 性，周围要有一定范围的正常背景场，以便分析对比。 2）测区范围应尽可能包括已知区。 3）大定源回线装置不同发送回线的测区范围相衔接时，必须有一定的重 叠面积。
2）中心回线装置发送回线边长按该区测深工作所需要的探测深度、覆盖层平均 电阻率、干扰电平及发送电流合理选定，也可以参照
H
0.55
L2 I1
1
5
3）大定回线源装置发送线框依据探测深度，在100m×200m至300m×600m范围内 选用，长边应平行地质体走向铺设，供电电流一般为10~30A。在发送框内、外用轻
• TEM
• 优点：
• 观测纯二次场，消除了频率域中装置耦合噪声；
其噪声源主要来自外界。
•
对导电围岩覆盖层分辨率高。对大地：
3 2
• 对薄导电层： S 3
• 在高阻围岩条件下，地形引起的假异常小；
• 重叠回线提高了对地质体的横向分辨率。
• 缺点：
• 不能完整地记录曲线；
• 曲线首支畸变 1
• 1）曲线特点： • 电测深曲线：曲线首支水平，曲线尾支45°直线上升。 • 大地电磁测深：曲线首支震荡趋向于，曲线尾支63°直线上升。 • CSAMT：曲线首支震荡趋向于，曲线尾支45°直线上升。 • 瞬变电磁测深法：曲线首支于，曲线尾支63°直线上升。
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Rx
Tx
图C.4 分离回线
2.5井中接收装置：井中接收装置（图C.5）对深度上传导率的细微变化有 着极高的灵敏度。为得到深部的有效信息，必须要配备大定源发射装置。 井中接收装置在内置传感器中安装有三分量探头，能对三个方位进行探测， 这样能帮助用户绘制三维目标体图像。
Tx
图C.5：井中接收装置 Rx
第六讲
瞬变电磁法及其应用
主讲人：杨双安 河南理工大学资源环境学院
一、概念
瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，简称TEM）是利用不接地回线或电极 向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电 极观测由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，从而来解决有关地 质问题的时间域电磁法。
叠回线工作。
五、瞬变电磁应用领域
1、金属矿产勘查、断裂构造勘查 2、隧道超前探测、岩溶探测、陷落柱探测、煤田矿井涌水、
突水通道勘察
3、探测积水、非积水采空区 4、岩体渗漏通道、地下水勘查 5、地表探测公路、铁路隧道工程中的不良地质构造、堤渗漏
隐患探测。
六、TerraTEM瞬变电磁仪产品组成
50A大功率发射机
H
0.55
L2 I1
1
5
3）大定回线源装置发送线框依据探测深度，在100m×200m至
300m×600m范围内选用，长边应平行地质体走向铺设，供电电流一
般为10~30A。在发送框内、外用轻便线圈观测 两个正交分量
dBx / dt
dBz / dt
4）在工程勘查中，一般使用回线边长为10~20m，点距为5~10m的重
Rx Tx
图C.2 单一回线
2.4分离回线(偶极回线)：分离回线装置（图C.4）由两回线组成，回线分
离的距离取决于所要探测的深度。此装置的信号较弱，但对垂直异常体特
别敏感，并能很好地镜像不规则目标体。 优点： 1、主要响应为一单峰，异常形状较简单。 2、可观测多个分量，能较精确地提供目的物倾角和深度信息。 3、设备较轻便，适用于航电异常检查等深度浅、工作地区分散的工作。 缺点：1、一般发射磁矩小，信号电平低。2、勘探深度小。
2.6大定源回线
又称为大固定发射一移动接收组合，简称为大回线。在野 外，地面大定源观测装置常用矩形大回线作为发射源，在 回线外或者回线内测量垂直磁场产生的感应电动势。为由 观测的感应电动势获得地下电阻率的变化规律。
R
R
R
RR
T
常用组合大致应用范围：
1、重叠回线和中心回线常用于普查，勘探深度中等。 2、大定源回线常用于详查，或者要求勘探深的任务。 3、分离回线常用于踏勘和浅部探测任务。
四、野外工作技术
1. 装置类型的选择 1）一般准则 2）目的物参数的估计 3）地质环境 4）电磁噪声
2. 回线大小的选择
1）重叠回线装置是适用与轻便型仪器的工作装置，一般情况下回线边 L=H，H为探测目标的最大埋藏深度。
2）中心回线装置发送回线边长按该区测深工作所需要的探测深度、覆盖 层平均电阻率、干扰电场及发送电流合理选定，也可以参照
8
（二）TerraTEM的特点优势介绍
1、便携式接收机和发射机为一体的独特设计，设计紧凑，携 带方便，封闭性很好；发射电流10A,外置可达50A。
2、可做当前瞬变电磁方法所有的工作装置，包括同一回线、 重叠回线、中心回线、分离回线、用户自定义装置等等。
2.1重叠回线：重叠回线（图C1）可用于大多数地质条件下的测量。此 装置探测效率高、噪音低、对深部目标体灵敏度高（在测线上的点距 取决于线圈半径）。回线一旦选定，对于半径50m或更小的回线，决 定其工作效率的主要是在测量点间的移动。两回线间最少要偏移1m以 消除可能的超顺磁作用，装置的探测深度一般是线圈直径的2-3倍。
接收线圈（探头）
（一）TerraTEM的特点优势介绍
1、便携式接收机和发射机为一体的独特设计，设计紧凑，携带方便，封闭性 很好；发射电流10A,外置可达50A。 2、可做当前瞬变电磁方法所有的工作装置，包括同一回线、重叠回线、中心 回线、大定源回线、分离回线、用户自定义装置等等。 3、500KHz的高速采样率以最小2微秒速度进行采样，大大提高了近地表分辨 率，丰富的时间门窗口，最大可达144个。 4、大动态范围，可达156dB。分辨率：28位。 5、极低的关断时间，在发射线圈40m×40m，电流2A情况下，≤2微秒 。 6、15英寸触摸屏液晶显示器配合完整的数据处理和初步解释软件，可实时 显示采集数据、采集发射波形、分析信号噪音、监控数据采集的质量、数据处 理。 7、具有仪器自检功能。 8、可单道或者三道接收。
Synchronisation connectors and status LEDS
LCD display
Battery pack
GPS antenna
中功率，主机
Display controls
On/Off switch
IO connector Power connector Tx connector Rx connector
二、瞬变电磁方法原理
TEM方法是以接地导线或不接地回线通以脉冲电流做为场 源，以激励探测目的物感生二次电流，在脉冲间隙测量二 次场随时间变化的响应。瞬变电磁场在大地中主要以“烟 圈“扩散形式传播。
发射回线
T
均匀半空间
烟圈"
电导率σ =0.1S/m
三、瞬变电磁方法特点
1、TEM对电性差异反应灵敏。其响应与介质电阻率呈3/2次方 关系，较其它电法对介质电阻率更为灵敏（其它电法小于等 于一次方）；尤其当电性差异不大时，较其它电法更显优势。 2、TEM为磁穿透，穿透能力强,能穿透高阻屏蔽层。 3、剖面工作与测深工作同时完成，提供了更多有用信息，减 少了多解性。 4、TEM为磁耦合方式时，几乎不受接地条件的限制。
优点：
1、为瞬变电磁法特有组合，它与目的物耦合最紧。 2、发射线圈逐点移动不会有激发盲区。 3、发射磁矩和接收磁矩较大。 缺点：
1、分辨率相对较低，因为只能观测垂直分量。 2、设备较重，铺线麻烦。 3、人文导体较多处很难铺开。Rx源自Tx图C.1：重叠回线
2.2单一回线（同一回线）：单一回线（图C.2）很容易安装，并能快速布 置及移动。但与重叠回线比较，更容易受到噪声影响。