航空电磁法

电磁探测特种电源瞬变电磁法基本原理

电磁探测技术是地球物理勘探技术的一大种类，从场源的形式，分为人工场源和天然场源；从场源的性质，分为电耦源和磁耦源两类；按响应的性质，分为频域电磁法和时间域电磁法。

瞬变电磁法（TransientElectroMagnetic，简称TEM），或称时间域电磁法（Timedomainelectromagnetic，简称TDEM），是一种利用电磁法原理进行地质勘探的先进技术。以接地导线通以脉冲电流为激励场源，称电耦源瞬变电磁法；以不接地导线通以脉冲电流为激励场源，称磁耦源瞬变电磁法。TEM最早由Ward于1938年提出，50年代，原苏联提出了远区和近区建场法，1962年，加拿大Barringer公司的INPUT系统投入使用。此后，国内外各研究机构和生产厂家,不断推出智能化瞬变电磁仪。

磁耦源瞬变电磁法工作模式分同点装置、偶极装置和大定回线装置三种。图1为大定回线装置系统框图，系统由发射系统和接收系统两部分构成。

系统各部分作用如下：

发射机系统：由电池组、瞬变电磁发射机、发射线圈、GPS同步控制器组成，用于产生激励电流波形，负载为发射线圈。激励电流有双极性电流脉冲、三角波和半正弦波几种。但最常用的是双极性电流脉冲，发射波形频率在0.0625~32Hz之间，发射功率为数百瓦~数十千瓦，发射电流为几安培至上百安培，发射时序由GPS同步控制器产生。

接收机系统：由瞬变电磁信号接收机、接收线圈、GPS同步控制器组成。接收地质体的感应信号，传感器为接收线圈、有源磁探头或高温超导量子干涉仪，接收由GPS同步控制器控制。

GPS同步控制器：用于协调发射机、接收机的时序（在同点装置或小回线应用时也可采用电缆同步）。

在大定回线装置系统中，为了提高工作效率，多套接收系统可以同时同步工作。

电磁探测特种电源瞬变电磁法发射技术的关键问题

实际的发射机不可能做到理想的阶跃电流激励，存在关断延时，在电流下降沿期间，存在一次场和二磁场的混叠。为了提高浅层探测能力，应缩短发射机的关断延时，将数据采集起始时刻尽量前移。另外，发射机还存在开关噪声、下降沿波形无规律、受负载变化影响等问题。

①发射电流波形类型

瞬变电磁法的激励场源分单极性和双极性电流脉冲两类。产生单极性电流脉冲的原理近似于照相机闪光灯原理，利用电容存储高能量，在瞬间释放，可产生高达100A的放电电流，这种技术也叫能量压缩技术。

单极性场源产生的响应信号强，仪器节能、低损耗，但存在明显缺点：由于脉冲很窄，上升沿和下降沿产生的电磁响应混迭在一起，上升沿的影响不能忽略；设计加速电流下降和改善下降沿波形的电感能量释放回路很困难；对于双极性激励，可采用正向、负向响应相减的办法，消除运算放大器零点，但单极性激励无法采用这种技术。因此，目前的TEM系统一般采用双极性场源。

②关断延时对TEM响应的影响

关断延时越小，谐波分量越丰富，对探测浅部信息越有利，浅部地质结构产生的响应衰减较快，反映在TEM接收信号早期，深部地质结构产生的响应衰减较慢，反映在TEM接收信号晚期。

③电流下降沿波形形状影响

由于负载呈感性，电流一般呈指数上升，需要经过一段时间才能达到稳态；在电流下降沿，由于不同发射机的电感能量泄放回路拓扑结构的不同，下降沿形状变化较多，较普遍的是呈指数规律下降，也可能是线性或其他函数。电流下降沿波形与电感能量释放网络结构、负载电感量、负载电阻、发射电流、器件参数有关。电子开关的极间电容产生振荡、二极管的恢复时间会造成电流过冲、IGBT拖尾电流使波形畸变、非理想的驱动信号都会造成电流波形失真。

④发射电流大小

大的发射电流有利于增强信噪比，并增强深部地质结构的电磁响应，因此，总是希望发射电流越大越好。目前，双极性脉冲电流一般在50A以内。

本项目通过调查研究工作，掌握国外现有固定翼航空瞬变电磁系统（简称FATEM系统）的技术现状和发展趋势，掌握国内以往时间域航电系统的研制经验，及国内现有相关技术水平的情况，结合我国具体国情，初步确定包括飞机选型改装设计、大功率发射系统研制、高精度接收系统研制、实时收录监控系统研制等固定翼航空瞬变电磁系统研制的关键技术、主要技术障碍及可行的解决办法，制定可实施的固定翼航空瞬变电磁系统研制的计划建议。研究报告对我国今后开展固定翼时间域航空电磁系统研制的方案，包括飞机选型和改装方案、总体研制方案、仪器（含发射、接收、收录）研制方案、以及系统调试和试验方案，提出了具体建议，特别是对总体设计目标，总体技术指标，以及上述各方案的关键技术及其指标、主要技术难点、解决途径等方面都进行了较详尽的分析、讨论和必要的计算，还对数据处理与解释技术研究方案提出了建议，为我国即将开展的固定翼时间域航空电磁系统研制工作设计提供了重要参照。 2100433B

瞬变电磁法概述

根据瞬变电磁法对低阻体反应敏感的特点，将其用于煤矿井下水文勘查还是近几年的事情。瞬变电磁法是一种极具发展前景的方法，可查明含水地质如岩溶洞穴与通道、煤矿采空区、深部不规则水体等。瞬变电磁法在提高探测深度和在高阻地区寻找低阻地质体是最灵敏的方法，具有自动消除主要噪声源，且无地形影响，同点组合观测，与探测目标有最佳耦合，异常响应强，形态简单，分辨能力强等优点。

瞬变电磁法装置及原理

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。

瞬变电磁法局限性及解决办法

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）。

瞬变电磁法测量结果表达

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。2100433B