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综合地球物理方法及应用之瞬变电磁法
一、物探的工作地位和作用
为了加速经济建设，特别是基础建设，国家对各种矿产资源、水资源的需要量是巨大的，而且每年都在增长，同时人类活动对于资源和环境的改造和破坏也是惊人的。查明地下资源，合理的开发资源和保护环境是当前紧迫而又繁重的任务。工业、国防、城市供水、矿区排水工程等对地质工作提出了更多的要求。国家的各种基本基础建设项目——铁路、公路、水坝、水电站、桥梁、港口、厂房及国防设施皆要求快速的、可靠地提供地质资料以及建设工程质量评价。因此，必须加速地质和环境的工作步伐，为促进国民经济的飞速发展当好侦察兵。实践证明，大胆地、合理地使用地球物理勘探方法，可以多、快、好、省地解决有关地质工程、环境工程、工程质量中的许多问题。
综合地球物理方法，就是指地球物理勘探方法，简称为“物探”，传统的表述是用物理方法来勘探地壳上层岩石的构造与寻找有用矿产的一门学科。它是根据地下岩层在物理性质上的差异，借助一定的装置和专门的探测仪器测量其物理场的分布状况，通过分析和研究物理场的变化规律，结合有关的地质资料推断出地下一定深度范围内地质体的分布规律，为钻探工作提供重要依据。物探正日益广泛的应用在各种工作中，并占有显著地地位。
根据所研究的天然和人工物理场的不同，地球物理勘探领域又分为几个大类：根据需要和可能，其物理场的探测空间又是十分广阔的，包括遥感、航空、地面、地下海洋物探等。常用的物探方法有：
研究岩土弹性力学性质的地震勘探、声波、超声波探测技术，可统称为震波勘探；
研究岩石电学性质及电场、电磁场变化规律的电法勘探；
研究岩（矿）石磁性及地球磁场，局部磁异常变化规律的磁法勘探；
研究地质体的引力场特征的重力勘探；
研究岩（矿）石的天然或人工放射性的放射性勘探；
研究物体热辐射场的特征的红外探测方法，等等。此外，随着科学技术的发展，许多新理论、新方法正在不断地被引进物探领域，如无线电探测技术、遥感技术、地质雷达、瞬变电磁、微重力、层析CT技术等等，为地球物理勘探的发展开辟了广阔的前景。
地球物理勘探方法的技术水平以及它在地质工作中应用的地质效果和经济效果是衡量地质工作现代化的水平的重要标志之一。
二、物探的任务、分类及在工程中的应用
为解决和普查石油天然气和煤田、金属矿床有关的地球物理勘探方法已发展到一个较高的水平，并积累了比较丰富的经验水文地质和工程地质物探工作是近几十年发展起来的新技术，因此水文地质及工程地质物探完全有可能很好的吸收和利用石油物探和煤田、金属矿床物探的技术成就和先进经验针对自身的特点，迅速的发展起来工程质量检测与评价和环境物探是现在社会发展所提出的，上世纪80年代提出，其发展趋势非常迅猛。
现按所研究的物理场和方法特点介绍物探的分类和应用：
一、 电法勘探的分类及应用
直流电法： 1、自然电场法 填绘石墨化，黄铁矿化，或渗透性地层界线；测地下水流向及水同地表水的补给关系；查河床、水库底渗漏点。
2、电剖面法 填图、追索断层破碎带，探基底起伏追索各种高低阻都倾斜地电体及接触面；查岩溶发育带。
3、电测深法 划分近水平层位，确定含水层厚度、埋深；划分咸淡水分界面；查构造，探测基岩埋深，风化壳厚度等。
4、激发极化法 填绘石墨化、金属矿化岩石界线，划分含泥质底层，查溶洞、断层带。
5、充电法 追索地下暗河、充水裂隙带；测地下水流速、流向。查坝基渗漏处；研究滑坡及测定下滑速度。
交流电法：1、大地电磁法 查区域构造。
2、低频电阻率法 应用同直流电阻率法。特点是抗干扰性强，可在工业用电干扰情况下测量。
3、基低频法（以长波电台为源） 进行导电率填图，查构造破碎带，划分石漠化、矿化地层。
4、电磁法（地面及航空测量） 填图、找水。
5、频率电磁测深法 存在高阻屏蔽情况下探测地下构造，划分地层在接地困难条件下进行测深。
6、变频法（交流激发极化法） 填图。
7、无线电波透视法（阴影法） 查溶洞、暗河、断层。
8、地质雷达 浅层、超浅层高分辨探测如路面、冻土等。
二、地球物理测井方法分类及应用
电法测井：1、普通视电阻率测井 划分钻井剖面，确定岩石电阻率参数。
2、微电极系测井 详细划分钻井剖面，确定渗透性地层。
3、井液电阻率测井 确定含水层位置（或井内出水位置），估计水文地质参数。
4、自然电位测井 确定渗透层，划分咸淡水分界面，估计地层水电阻率。
5、井中电磁波法 探查溶洞、破碎带。
放射性测井（核测井）：1、自然伽玛（γ）法测井 划分岩性剖面，确定含泥质地层，求地层含泥量。
2、伽玛—伽玛法（γ—γ）测井 按密度差异划分剖面，确定岩层的密度，孔隙度
3、放射性同位素测井 确定井内出水（进水）位置，估计水文地质参数。
4、中子法测井 按含氢量的不同划分剖面，确定含水层的位置以及地层的孔隙度。
声波测井： 1、声波测井 划分岩层，确定地层的孔隙度，划分裂隙含水带。
2、声幅测井 划分岩层，确定地层的孔隙度，划分裂隙含水带。
3、声波电视 区分岩性，查明裂隙，溶洞及套管壁状况角定石层产状及裂隙发育方向。
热测井：温度测井 探查热水层、测定地温梯度；确定井内出水（漏水）位置。
钻井技术情况检查：井径测量 为其他测井方法提供井径参数；了解岩性变化。
三、震波法分类及应用
地震勘探： 1、折射波法 划分近水平界面，确定覆盖层厚度，测定潜水面深度，追索断层破碎带（低速带），测定岩土弹性力学参数。
2、反射波法 划分近水平界面，确定覆盖层厚度，测定潜水面深度，追索断层破碎带（低速带），测定岩土弹性力学参数。
3、微震探测法 地热勘探
声波探测： 1、主动工作方式（波速测定法、振幅测定法、频谱测定法） 进行岩体工程地质分类，进行岩体弹性模量测定，进行应力松弛范围测定，进行混凝土强度检测。
2、被动工作方式 声发射技术，即岩石破裂及矿柱安全监视，天然地震预报。
四、磁法分类及应用
重力勘探和磁法勘探是分别研究地球的天然重力场和磁场的探测方法，也是最成熟、历史悠久的探测方法，是进行区域物探测量的主要手段，如进行地质填图，研究深部构造等，还可用于寻找具有密度或磁性差异的地质体。工作分类中包括地面磁测、航空磁测和地面重力测量，海洋重力测量等。
五、辐射场测量的分类及应用
天然伽玛法测量，包括地面、车载和航空放射性测量，用于填图、寻找基岩裂隙水。
红外探测，包括遥感、航空、地面红外测量，用于区域水文地质调查、地热勘探和监视地表水表污染等。
六、遥感技术的分类
被动遥感方式：航空摄影；电视测量；多光谱扫描；红外扫描；卫星重力测量；卫星磁力测量
被动遥感方式：微波探测；侧视雷达；激光测量等。
遥感技术是根据电磁辐射理论，应用现代技术，收集远离目标的电磁辐射信息的方法。
所谓被动遥感，是指被动的接收远距离目标物的辐射信息。所谓主动遥感，又叫遥测，是指主动对远距离目标物发射脉冲，然后再接受目标物的反射（回射）信息的方法。
三、瞬变电磁法
瞬变电磁法——又称为时间域电磁法(TEM)，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其基本工作方法是：于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流；断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。
瞬变电磁法的激励场源主要有两种，一种是回线形式（或载流线圈）的磁场源，另一种是接地电极形式的电流源。目前，应用较多的是回线场源。发射的电流脉冲波形主要有矩形波、三角波和半正弦波等，不同波形有不同的频谱，激发的二次场频谱也不同。这里仅以均匀大地的瞬变电磁响应为例，来讨论回线形式磁场源激发的瞬变电磁场，阐述瞬变电磁法测深的基本理论。
均匀半空间的瞬变电磁响应
在电导率为σ和磁导率为μ0的均匀各向同性大地上，敷设面积为S的矩形发射回线，在回线中供以阶跃脉冲电流，有：

在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次磁场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间的磁场不会即刻消失。
由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将迅速衰减，由它产生的磁场也随之迅速衰减，这种迅速衰减的磁场又在其周围的地下介质中感应出新的强度更弱的涡流。这一过程继续下去，直至大地的欧姆损耗将磁场能量消耗完毕为止。这便是大地中的瞬变电磁过程，伴随这一过程存在的电磁场便是大地的瞬变电磁场。
任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场。在发射电流刚关断时，该环状线电流紧接发射回线，与发射回线具有相同的形状。随着时间的推移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。
下图表示了发送电流切断以后三个时刻的地下等效电流环分布略图。从图中可以看到，等效电流环很像从发射回线中“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”。
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，反映浅部的电性分布；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。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，这便是瞬变电磁测深的原理。

瞬变电磁场的探测深度主要由测量时间和地下介质的电阻率来确定。当地下为均匀介质时，地面发射线圈中的电流被切断后，感应电流随时间向地下扩散，电流被关断后某一时刻地下最大涡流所在深度由下式计算：

视电阻率的计算
瞬变电磁测深法的视电阻率是通过将均匀半空间表面的瞬变电磁场在小感应数或大感应数条件下近似，得到半空间电阻率与电磁场的反函数关系。
由于直接从均匀半空间的瞬变电磁场的解析表达式中无法求得计算视电阻率的简单数学公式，只有对公式中的

取值加以限制，才能求得晚期的视电阻率表达式。
由于晚期的条件更适合于探测中深部地质体的电性分布情况，在工程项目与科研中研究的较多。我们将重点研究均匀半空间导电介质中多匝重叠回线的晚期视电阻率的计算与处理。

多匝重叠回线的晚期视电阻率的计算公式为：

全区视电阻率的研究：

瞬变电磁法工作装置有多种，工程勘查中通常采用的有重叠回线
和中心回线、分离回线、框-回线等装置
瞬变电磁法野外工作装置：

直立薄脉上TEM回线组合的剖面特征：

所示曲线特征总结
重叠回线和同一回线：两个峰值异常中夹个低谷异常，低谷异常对应导体顶部
分离回线：Slingran型异常，矿体上为负异常，两边为正异常峰
双回线:三个异常峰，最大的峰正在导体顶部，所有峰值为正
大回线：（1）垂直分量：正异常峰在矿体靠发射回线一边，过零点后矿体另一边为负，零点正在矿体顶部。（2）水平分量：单个正异常峰在矿床上方。

不同位置的重叠回线和直立薄板之间的磁力线耦合图：

四、矿井瞬变电磁探测技术
矿井瞬变电磁法的主要特点：
1）由于井下测量环境与地表不同，无法采用地表测量时的大线圈(边长大于50 m)装置，只能采用边长小于3 m的多匝小线框，因此与地面瞬变电磁法相比具有数据采集工作量小，测量设备轻便，工作效率高，成本低等优点；对于其他矿井物探方法无法施工的巷道(巷道长度有限或巷道掘进迎头超前探测等)，可采用测量装置小、轻便的矿井瞬变电磁法探测。
2）由于采用小线圈测量，点距更密(一般为2-20 m)，可降低体积效应，提高勘探的横向分辨率。
3）井下测量装置靠目标体更近，将会大大提高异常体的感应信号强度。
4）利用矿井瞬变电磁法小线框发射电磁波的方向性，可分别用于探测巷道底板下一定深度内含水异常体垂向和横向发育规律、顶板一定范围内含水低阻异常体的发育规律及巷道掘进迎头超前探测等。
5）由于瞬变电磁法关断时间的影响，与其他物探方法相比，无法探测到更浅部的异常体，往往在浅部形成20m左右的盲区。
6）矿井瞬变电磁法勘探受井下金属仪器设备的影响较大，需要在资料处理解释中进行校正或剔除。
目前，矿井瞬变电磁法主要用于解决煤层顶板(或底板)岩层内部的富水异常区探测、巷道掘进迎头前方的突水构造预测、含水陷落柱勘查等水文地质问题。
矿井瞬变电磁法的基本原理
矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法基本原理一样，井下测井量的各种装置形式和时间序列也相同。由于矿井瞬变电磁法勘探是在煤矿井下巷道内进行的，与地面比较，矿井瞬变电磁法应为全空间。

矿井瞬变电磁法工作装置
1、矿井瞬变电磁方法技术及特点
矿井瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其基本工作方法是：在巷道空间内设置通以一定波形电流的发射线圈，在其周围空间产生一次磁场，并在周围煤层及导电岩矿体中产生感应电流。断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减，衰减过程一般分为早、中、晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通
过测量，找出断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。
矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法一样，采用的仪器和测量数据的各种装置形式及时间窗口也相同。由于矿井瞬变电磁法勘探环境的限制，测量线圈大小有限，其勘探深度不如地面深，一般深度在120m左右。地面瞬变电磁法为半空间瞬变响应，这种瞬变响应来自于地表以下半空间地层；而矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应，这种瞬变响应是来自于回线平面上下（或两侧）地层，这对确定异常体的位置带来困难。实际资料解释中，必须结合具体地质和水文地质情况综合分析。

顺便电磁探测方向示意图
（a）探测煤层顶板 （b）探测煤层底板 （c）探测煤层方向
矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法相比具有以下特点 ：
（1）由于井下施工环境的限制，不可能采用大线圈（边长大于3m）装置形式，只能采用边长小于3m的多匝小线框，工作效率高。但是，用小边长重叠回线装置形式观测到的U/I值偏大，使计算出的视电阻率值偏小。
（2）测量点距较密（一般为2—10m）降低体积效应的影响，提高了勘探分辨率，特别是横向分辨率。
（3）测量装置距离探测目标体较近，大大提高测量信号的信噪比。实际测量结果说明，井下测量信号的强度比地面同样有效面积的相同装置测量的信号强10—100倍。井下的干扰信号相对有用信号的影响近似等于零（大于大于30ms时间段），而地面测量信号在衰减到一定时间段（一般小于15ms）就被干扰信号覆盖，无法识别有用地质信号。
（4）井下瞬变电磁法在施工过程中具有一定的方向特性。在探测过程中，根据地质任务的不同，可调整发射线框与煤层底板之间的角度。可以将线圈直立于巷道内，当线圈面平行巷道掘进前方，可进行超前探测，或探测煤层内的含水构造异常体；也可以将线圈置于巷道底板，并设置一定的夹角，通过探测了解煤层底板下一定深度范围内含水异常体垂向和横向的发育规律。
五、物探发展的前景
一、 常规物探方法的的发展方向
现有常规物探方法进一步发展，是物探发展的基点。主要应从探测深度、广度、分辨能力、解释水平等方面提高，因为在这几方面仍然存在很大的发展潜力。
电法勘探在整个水工物探中占有重要的地位。目前勘探的水平仍不高，比如勘探深度、地电断面横向和垂向的分辨能力及定量解释的精度都有待提高。至于电性参数的运用也存在着局限性。因此电法勘探的发展方向是：研究电法勘探的新理论、新参数、新仪器及方法。
地球物理测井方法是水工物探的重要组成部分。应向综合测井方向发展，提高测井的技术水平，为实现水文地质钻探少取芯或不取芯的目标创造条件；应加强水文地质参数的测定的实验工作，研究含水层的孔隙度、渗透系数；研究各含水层的补给关系、补给量、测定地下水的流向、流速。测定涌水量及地下水的水质。
地震探测目前在水文地质调查中应用还不是很普遍。地震勘探精度比电法勘探高，解比较单一，这是它的优点，但它的装置比较笨重，成本较高是它的缺点。地震探测方法应与声波探测互相配合，测定岩体弹性力学参数，，从宏观到微观，从静态到动态研究测定参数间的关系，对工程地质设计具有重要的意义。
其他物探方法如磁法勘探、重力勘探、放射性勘探等在研究区域构造，解决有关填图问题等方面的作用尚未充分发挥。对属于被动式探测天然物理场的方法，重要的是提高仪器探测精度，这样，对埋藏较深，物性差异不太大的地质体的分辨能力可望提高。在解释方法上，采用数字技术，将排除干扰，突出有用异常，提高探测的地质效果。
二、新物理参数的应用
岩石的含水性同介电常数有密切的关系，因此发展高频电探、微波技术、介电常数测井方法对找水有重要的意义；
激发极化法离子导体的激发极化机制问题需进一步弄清楚，研究反应时间特性的新参数；
交流电法勘探的参数很多，但在水工物探中应用的比较少，应加强研究，广为利用；
在地热勘探中加强对岩石热力学参数的研究和测量；
在放射性勘探中进行伽玛能谱测量、射气测量，各种参数的运用对寻找基岩裂隙水有一定的作用；
为发展遥感技术，必须大力研究岩石光谱辐射特性参数；
总而言之，有必要加强基础理论研究和物性研究，发展新理论，新技术。
三、提高物探探测的速度和效率
大力发展航空物探、遥感技术，在地面物探中实现车载化、数字化，可大大提高物探探测的速度和效率。

六、总结
通过对《综合地球物理方法及应用》的学习，使我的专业知识有了更进一步的了解和加深，比在本科期间的学习到的专业知识更加的系统化了。让我对现在地质探测问题的研究以及其解决的方法有个更多的了解，对这方面的问题有了更多的认识，对于地质探测问题处理的原则和相关的系统知识有了个系统的概念。谢谢学习过程中张老师的谆谆教导，同学们的帮助，相信通过这门课程的学习对于我今后的专业知识系统化以及应用将会有很大的帮助。

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