航空電磁法

電磁探測特種電源瞬變電磁法基本原理

電磁探測技術(shù)是地球物理勘探技術(shù)的一大種類，從場源的形式，分為人工場源和天然場源；從場源的性質(zhì)，分為電耦源和磁耦源兩類；按響應(yīng)的性質(zhì)，分為頻域電磁法和時(shí)間域電磁法。

瞬變電磁法（TransientElectroMagnetic，簡稱TEM），或稱時(shí)間域電磁法（Timedomainelectromagnetic，簡稱TDEM），是一種利用電磁法原理進(jìn)行地質(zhì)勘探的先進(jìn)技術(shù)。以接地導(dǎo)線通以脈沖電流為激勵(lì)場源，稱電耦源瞬變電磁法；以不接地導(dǎo)線通以脈沖電流為激勵(lì)場源，稱磁耦源瞬變電磁法。TEM最早由Ward于1938年提出，50年代，原蘇聯(lián)提出了遠(yuǎn)區(qū)和近區(qū)建場法，1962年，加拿大Barringer公司的INPUT系統(tǒng)投入使用。此后，國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家,不斷推出智能化瞬變電磁儀。

磁耦源瞬變電磁法工作模式分同點(diǎn)裝置、偶極裝置和大定回線裝置三種。圖1為大定回線裝置系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。

系統(tǒng)各部分作用如下：

發(fā)射機(jī)系統(tǒng)：由電池組、瞬變電磁發(fā)射機(jī)、發(fā)射線圈、GPS同步控制器組成，用于產(chǎn)生激勵(lì)電流波形，負(fù)載為發(fā)射線圈。激勵(lì)電流有雙極性電流脈沖、三角波和半正弦波幾種。但最常用的是雙極性電流脈沖，發(fā)射波形頻率在0.0625~32Hz之間，發(fā)射功率為數(shù)百瓦~數(shù)十千瓦，發(fā)射電流為幾安培至上百安培，發(fā)射時(shí)序由GPS同步控制器產(chǎn)生。

接收機(jī)系統(tǒng)：由瞬變電磁信號(hào)接收機(jī)、接收線圈、GPS同步控制器組成。接收地質(zhì)體的感應(yīng)信號(hào)，傳感器為接收線圈、有源磁探頭或高溫超導(dǎo)量子干涉儀，接收由GPS同步控制器控制。

GPS同步控制器：用于協(xié)調(diào)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的時(shí)序（在同點(diǎn)裝置或小回線應(yīng)用時(shí)也可采用電纜同步）。

在大定回線裝置系統(tǒng)中，為了提高工作效率，多套接收系統(tǒng)可以同時(shí)同步工作。

電磁探測特種電源瞬變電磁法發(fā)射技術(shù)的關(guān)鍵問題

實(shí)際的發(fā)射機(jī)不可能做到理想的階躍電流激勵(lì)，存在關(guān)斷延時(shí)，在電流下降沿期間，存在一次場和二磁場的混疊。為了提高淺層探測能力，應(yīng)縮短發(fā)射機(jī)的關(guān)斷延時(shí)，將數(shù)據(jù)采集起始時(shí)刻盡量前移。另外，發(fā)射機(jī)還存在開關(guān)噪聲、下降沿波形無規(guī)律、受負(fù)載變化影響等問題。

①發(fā)射電流波形類型

瞬變電磁法的激勵(lì)場源分單極性和雙極性電流脈沖兩類。產(chǎn)生單極性電流脈沖的原理近似于照相機(jī)閃光燈原理，利用電容存儲(chǔ)高能量，在瞬間釋放，可產(chǎn)生高達(dá)100A的放電電流，這種技術(shù)也叫能量壓縮技術(shù)。

單極性場源產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)，儀器節(jié)能、低損耗，但存在明顯缺點(diǎn)：由于脈沖很窄，上升沿和下降沿產(chǎn)生的電磁響應(yīng)混迭在一起，上升沿的影響不能忽略；設(shè)計(jì)加速電流下降和改善下降沿波形的電感能量釋放回路很困難；對(duì)于雙極性激勵(lì)，可采用正向、負(fù)向響應(yīng)相減的辦法，消除運(yùn)算放大器零點(diǎn)，但單極性激勵(lì)無法采用這種技術(shù)。因此，目前的TEM系統(tǒng)一般采用雙極性場源。

②關(guān)斷延時(shí)對(duì)TEM響應(yīng)的影響

關(guān)斷延時(shí)越小，諧波分量越豐富，對(duì)探測淺部信息越有利，淺部地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的響應(yīng)衰減較快，反映在TEM接收信號(hào)早期，深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的響應(yīng)衰減較慢，反映在TEM接收信號(hào)晚期。

③電流下降沿波形形狀影響

由于負(fù)載呈感性，電流一般呈指數(shù)上升，需要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)；在電流下降沿，由于不同發(fā)射機(jī)的電感能量泄放回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，下降沿形狀變化較多，較普遍的是呈指數(shù)規(guī)律下降，也可能是線性或其他函數(shù)。電流下降沿波形與電感能量釋放網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、負(fù)載電感量、負(fù)載電阻、發(fā)射電流、器件參數(shù)有關(guān)。電子開關(guān)的極間電容產(chǎn)生振蕩、二極管的恢復(fù)時(shí)間會(huì)造成電流過沖、IGBT拖尾電流使波形畸變、非理想的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都會(huì)造成電流波形失真。

④發(fā)射電流大小

大的發(fā)射電流有利于增強(qiáng)信噪比，并增強(qiáng)深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)，因此，總是希望發(fā)射電流越大越好。目前，雙極性脈沖電流一般在50A以內(nèi)。

本項(xiàng)目通過調(diào)查研究工作，掌握國外現(xiàn)有固定翼航空瞬變電磁系統(tǒng)（簡稱FATEM系統(tǒng)）的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，掌握國內(nèi)以往時(shí)間域航電系統(tǒng)的研制經(jīng)驗(yàn)，及國內(nèi)現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)水平的情況，結(jié)合我國具體國情，初步確定包括飛機(jī)選型改裝設(shè)計(jì)、大功率發(fā)射系統(tǒng)研制、高精度接收系統(tǒng)研制、實(shí)時(shí)收錄監(jiān)控系統(tǒng)研制等固定翼航空瞬變電磁系統(tǒng)研制的關(guān)鍵技術(shù)、主要技術(shù)障礙及可行的解決辦法，制定可實(shí)施的固定翼航空瞬變電磁系統(tǒng)研制的計(jì)劃建議。研究報(bào)告對(duì)我國今后開展固定翼時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)研制的方案，包括飛機(jī)選型和改裝方案、總體研制方案、儀器（含發(fā)射、接收、收錄）研制方案、以及系統(tǒng)調(diào)試和試驗(yàn)方案，提出了具體建議，特別是對(duì)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)，總體技術(shù)指標(biāo)，以及上述各方案的關(guān)鍵技術(shù)及其指標(biāo)、主要技術(shù)難點(diǎn)、解決途徑等方面都進(jìn)行了較詳盡的分析、討論和必要的計(jì)算，還對(duì)數(shù)據(jù)處理與解釋技術(shù)研究方案提出了建議，為我國即將開展的固定翼時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)研制工作設(shè)計(jì)提供了重要參照。 2100433B

瞬變電磁法概述

根據(jù)瞬變電磁法對(duì)低阻體反應(yīng)敏感的特點(diǎn)，將其用于煤礦井下水文勘查還是近幾年的事情。瞬變電磁法是一種極具發(fā)展前景的方法，可查明含水地質(zhì)如巖溶洞穴與通道、煤礦采空區(qū)、深部不規(guī)則水體等。瞬變電磁法在提高探測深度和在高阻地區(qū)尋找低阻地質(zhì)體是最靈敏的方法，具有自動(dòng)消除主要噪聲源，且無地形影響，同點(diǎn)組合觀測，與探測目標(biāo)有最佳耦合，異常響應(yīng)強(qiáng)，形態(tài)簡單，分辨能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

瞬變電磁法裝置及原理

瞬變電磁法的勘探原理是利用人工在發(fā)射線圈加以脈沖電流，產(chǎn)生一個(gè)瞬變的電磁場，該磁場垂直發(fā)射線圈向兩個(gè)方向傳播，通常是在地面布設(shè)發(fā)射線圈，依據(jù)半空間的傳播原理，把地面以上的忽略。當(dāng)磁場沿地表向深部傳播，當(dāng)遇到不同介質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生渦流場或著遵照量子力學(xué)原理使活潑的堿金屬產(chǎn)生能級(jí)躍遷或使含有大量氫原子的液體的氫原子核沿磁場方向產(chǎn)生定向排列。

當(dāng)外加的瞬變磁場撤銷后，這些渦流場的釋放或者活潑的堿金屬要恢復(fù)原有的能級(jí)，釋放躍遷產(chǎn)生能量。以及含有大量氫原子的液體的氫原子核恢復(fù)原有的排列時(shí)，均以磁場的形式釋放所獲的能量。利用接收線圈測量接收到的感應(yīng)電動(dòng)勢v2。該電動(dòng)勢包含了地下介質(zhì)電性特征，通過種種解釋手段（一維反演，視電阻率等）得出地下巖層的結(jié)構(gòu)。由于采用線圈接收V2，故對(duì)空間的電磁場或其它人文電磁場敏感，也就是通常所說的干擾。為了減少此類干擾，采用盡量的發(fā)射大的電流，以獲取最大的激勵(lì)磁場，增加信噪比，壓制干擾。

接收裝置通常分為分離回線，中心回線和重疊回線3類，以重疊回線得到的信息最為完整，其它次之。

瞬變電磁法局限性及解決辦法

瞬變電磁法的工作效率高，但也不能取代其它電法勘探手段，當(dāng)遇到周邊有大的金屬結(jié)構(gòu)時(shí)地面或空間的金屬結(jié)構(gòu)時(shí)，所測到的數(shù)據(jù)不可使用，此時(shí)應(yīng)補(bǔ)充直流電法或其它物探方法（見金屬結(jié)構(gòu)物對(duì)測量的影響一文）。同時(shí)在地層表面遇到大量的低阻層礦化帶時(shí)（例如在陜西南部某地鉛鋅礦區(qū)，地層表面充滿石墨層）瞬變電磁法也不能可靠的測量，因此在選擇測量時(shí)要考慮地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

在測量過程中，要隨時(shí)記錄地表可見的巖石特征，裝置的傾角以及高程，以便在后續(xù)的解釋中，準(zhǔn)確的劃分地層構(gòu)造.同時(shí)在一個(gè)工區(qū)工作之前，要做實(shí)驗(yàn)，選擇合理的裝置以及供電電流，一經(jīng)確定，不能在測量中變更裝置和供電電流，否則對(duì)解釋造成影響。在進(jìn)入工區(qū)前盡量尋找已知地層的基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)（類似于重力或磁法測量的基點(diǎn)校正和儀器一致性試驗(yàn)）。以確保測量的準(zhǔn)確性（以后將有專題論述）。

瞬變電磁法測量結(jié)果表達(dá)

瞬變電磁法的解釋，通常分為2種：定性解釋和定量解釋。定性解釋一般是觀察測線多道剖面，通過多道剖面可以定性的看出地層的分布情況（參見供5000A電流 EMPS-1電磁勘探儀一文中給出的地層多道剖面對(duì)比圖），同時(shí)應(yīng)排除晚期道的干擾假象.對(duì)雙峰異常要多加關(guān)注（參見瞬變電磁法尋找地下熱水實(shí)例和瞬變電磁法金屬礦探測實(shí)例）。

定量解釋：一維反演是解釋中最為準(zhǔn)確的手段之一，但是要求輸入初始模型。對(duì)初始模型的求取，通常有以下幾種手段。1在礦區(qū)已有的地質(zhì)資料（電測井）或者區(qū)域地質(zhì)資料。2用直流電法在工區(qū)作一個(gè)電測深,以該測點(diǎn)的電測深電阻率作為初始模型。3也可用視電阻率和其它全域電阻率計(jì)算方法得出初始模型，但要保證其計(jì)算的結(jié)果的正確性。當(dāng)計(jì)算出地層電阻率后，要進(jìn)行地形改正和傾角校正，用測量時(shí)記錄的高程和傾角改正（參見瞬變電磁法金屬礦探測實(shí)例）。最后做出地質(zhì)擬斷面圖。

當(dāng)進(jìn)行井下或坑道測量時(shí)，要考慮全空間的響應(yīng)（和地面半空間有很大的區(qū)別），解釋方法需要用全空間的解釋算法，而不能簡單的利用地面半空間解釋方法。

其它方面：在工程勘探時(shí)，尋找地下空洞時(shí)，會(huì)有兩種情況，一是充水空洞呈現(xiàn)低阻特征，二是未充水，呈高阻特征。如有鋼筋水泥結(jié)構(gòu)支撐或回填塌陷后空洞的則情況比較復(fù)雜需要仔細(xì)判斷。同時(shí)要排除地下供水管暖氣管的影響。

中國地域遼闊，地質(zhì)結(jié)構(gòu)不盡相同，地質(zhì)結(jié)構(gòu)的區(qū)域性使得不同地區(qū)的成礦，成水條件的不一致。在解釋資料時(shí)，一定要參考所在區(qū)域的地質(zhì)資料和前人成果，以及其它方法的配合，特別是地質(zhì)方面的配合。切不可隨意套用其它地區(qū)的解釋經(jīng)驗(yàn)，做出錯(cuò)誤的判斷。2100433B