PROTEM瞬變電磁儀

一.引言

加拿大Geonics公司是專(zhuān)門(mén)研制和生產(chǎn)時(shí)間域電磁儀的專(zhuān)業(yè)公司，共有近20種時(shí)間域電磁測量?jì)x，應用于各種不同目的和場(chǎng)合，在世界上享有很高聲譽(yù)。該公司自1978年研制和生產(chǎn)瞬變電磁儀以來(lái)，已更新?lián)Q代多次，目前在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的PROTEM47、PROTEM47HP（井下探水系統），PROTEM57-MK2和PROTEM67瞬變電磁儀占據著(zhù)世界上該類(lèi)儀器的很大。2003年至2006年底，國內用戶(hù)通過(guò)我公司已訂購9套PROTEM47，13套PROTEM47HP,18套PROTEM57-MK2和16套PROTEM67以及兩套BH43-3鉆井瞬變電磁儀。Geonics公司的售后服務(wù)中心也設立在我公司。

瞬變電磁儀最關(guān)鍵的問(wèn)題有：

● 關(guān)斷時(shí)間問(wèn)題：關(guān)斷時(shí)間是瞬變電磁儀的重要技術(shù)指標之一，關(guān)斷時(shí)間長(cháng)，將失掉淺層信號，減弱二次場(chǎng)強度，直接影響探測效果。PROTEM47關(guān)斷時(shí)間可短至0.5μv.關(guān)斷時(shí)間取決于發(fā)射機性能、發(fā)射電流大小和發(fā)射線(xiàn)圈尺寸。

● 分辨率問(wèn)題：它直接決定對瞬變場(chǎng)信號的分辨精度和能力。PROTEM的瞬時(shí)分辨率為24位，系統分辨率為29位，是瞬變電磁儀中的。

● 信噪比問(wèn)題：PROTEM瞬變電磁儀采取多種措施提高信噪比，包括壓制工頻干擾，采用“聰明疊加"技術(shù)和提高重復率等等。重復率是指1秒之內能發(fā)射多少個(gè)雙極性脈沖。PROTEM的重復率為237.5HZ-0.25HZ，即4.2ms-25ms,可選。因此它在30秒觀(guān)測時(shí)間內可以發(fā)射14,250-2,400個(gè)脈沖信號和接收到同樣多的瞬變電磁信號。而有的瞬變電磁儀的重復率為25HZ－0.416HZ，即40ms-24,000ms,因此它在30秒觀(guān)測時(shí)間內僅能發(fā)射和接收到1,500個(gè)－0.083個(gè)信號。前者為后者的10倍，也即在相同的觀(guān)測時(shí)間內前者比后者的信噪比高10倍。

● 觀(guān)測裝置問(wèn)題：瞬變電磁法有五種野外觀(guān)測裝置，它適用于不同的勘探目標和深度。這五種裝置是：①重疊回線(xiàn)②中心回線(xiàn)③偶極④大定回線(xiàn)外觀(guān)測⑤大定回線(xiàn)內觀(guān)測。前三種裝置適合淺層勘探，后兩種適合深層勘探。由于PROTEM瞬變電磁儀采用發(fā)射和接收分離結構，所以除重疊回線(xiàn)裝置外，它適合其它四種裝置。但如果采用發(fā)射和接收一體化裝置，則僅適合重疊回線(xiàn)裝置，當采用其它四種觀(guān)測裝置時(shí)，就必須把接收線(xiàn)圈中的微弱瞬變場(chǎng)信號、用一條較長(cháng)的信號電纜傳輸給接收機，從而帶進(jìn)不可預測的干擾。

● 發(fā)射磁矩問(wèn)題：瞬變電磁法勘探深度H，由下式近似表達，　　

M=IS為發(fā)射磁矩（I為發(fā)射電流，S為發(fā)射線(xiàn)圈面積），ρ為大地平均電阻率值，RmN為取決于儀器信號比和抗干擾能力的、最小可分辨信號值?？梢?jiàn)在S和ρ一定的情況下，勘探深度H取決于發(fā)射機的輸出電流I，而I又取決于發(fā)射機的輸出電壓。在淺層勘探時(shí)，發(fā)射磁矩M對任何型號的瞬變電磁儀都不是問(wèn)題；但在深層勘探時(shí)，由于要采用大面積（S）發(fā)射線(xiàn)圈，電阻增大，因此要獲得大的發(fā)射電流I，就必須應用高輸出電壓的發(fā)射機。PROTEM應用的大功率發(fā)射機TEM67和加強型TEM67，其發(fā)射電壓高達150V和240V，因此在大面積（S）發(fā)射線(xiàn)圈情況下，也能輸出很大的發(fā)射電流值。如果發(fā)射機的輸出電壓只有100V，那就很難用于深層勘探。

● 穩定性和工作溫度問(wèn)題：穩定性包括觀(guān)測的重復性和儀器故障率。PROTEM的觀(guān)測重復性為99%，儀器故障極低。PROTEM工作溫度范圍為-40℃－+60℃，在任何季節，任何地區均可順利地進(jìn)行觀(guān)測；如果工作溫度范圍很窄，那就只能在合適的季節或合適的地區進(jìn)行野外觀(guān)測。

二．PROTEM瞬變電磁儀主要應用領(lǐng)域

● 探測良導性礦體埋深和產(chǎn)狀，探測蘊礦構造

● 確定煤礦井下和隧道前方儲水構造

● 地下水勘探（確定含水層和弱滲水層深度和厚度，區分水質(zhì)，圈定咸水侵入和地下水污染范圍）

● 圈定煤礦陷落柱和含水帶

● 活斷層探測和地下電性詳細分層

● 工程勘探和環(huán)境勘探

● 油、氣田勘探

● 圈定地下溶洞

三、PROTEM瞬變電磁儀類(lèi)型

● TEM47，勘探深度150m，統稱(chēng)PROTEM47

● TEM57-MK2，勘探深度500m，統稱(chēng)PERTEM57

● TEM-67，勘探深度1000m-1200m，統稱(chēng)PROTEM67

● 加強型TEM67,勘探深度2000m

● TEM47Hp，井下探水，探測距離100m-120m，統稱(chēng)加強型PROTEM47HP

● BH43-3鉆井內三維瞬變電磁儀，可在2,000m深鉆孔內工作

四、PROTEM瞬變電磁儀性能和技術(shù)指標：

1．PROTEM數字接收機

它是上述六種瞬變電磁儀共用的接收機

圖1　PROTEM接收機

PROTEM接收機具有24位瞬時(shí)分辨率，29位系統分辨率，270KHz 帶寬，微秒級的30個(gè)采樣門(mén)和XYZ三分量同時(shí)觀(guān)測等特點(diǎn)，是時(shí)間域電磁系統的。

技術(shù)指標：

● 觀(guān)測值：三分量感應磁場(chǎng)的衰減比，nv/m2

● 電磁傳感器：空心線(xiàn)圈

● 道數：用單道接收線(xiàn)圈順序測量或用三分量接收線(xiàn)圈同時(shí)測量

● 時(shí)間門(mén)：在兩個(gè)量級時(shí)間軸上20個(gè)門(mén)測量，或三個(gè)量級時(shí)間軸上30個(gè)門(mén)測量

● 信號分辨率：24位，包括1個(gè)符號位，系統分辨率29位

● 基本頻率：0.3，0.75，3，7.0，30，75，285Hz（60Hz工頻時(shí)）

0.25，0.625，2.5，6.25，25，62.5，237.5Hz（50Hz工頻時(shí)）

● 積分時(shí)間：0.5，2，4，8，15，30，60和120秒

● 顯示器：240×64點(diǎn)液晶顯示

● 數據管理：固態(tài)存儲3300套數據，RS232輸出

● 同頻：參考電纜同步或高穩定性石英鐘同步

● 工作溫度：-40℃—+60℃

● 電源：12V可充電電源，可連續工作8小時(shí)

● 重量：15Kg

● 體積：34×38×27cm

2．PROTEM發(fā)射機

圖2 TEM47發(fā)射機

1）TEM47發(fā)射機

是最小、最輕便的發(fā)射系統，關(guān)斷時(shí)間極短，可探測近地表異常。PROTEM47（PROTEM接收機配以TEM47發(fā)射機）經(jīng)常用于淺部幾米到150m深的探測。在這種模式下，可用單匝5m×5m到100m×100m發(fā)射線(xiàn)圈，關(guān)斷時(shí)間可短至0.5μs，從而獲得的淺表分辨率。也可采用多匝發(fā)射線(xiàn)圈。

TEM47采用參考電纜同步，可滿(mǎn)足淺部探測對高精度同步的要求。無(wú)論在那種情況下，PROTEM47都使用高頻接收線(xiàn)圈。該接收線(xiàn)圈的帶寬足以捕捉期的瞬態(tài)衰減信號。當PROTEM47用于剖面測量時(shí)，采用8匝5m×5m移動(dòng)式發(fā)射線(xiàn)圈，2.5A發(fā)射電流時(shí)，發(fā)射磁矩為500Am。在基頻75Hz、20-30個(gè)測量門(mén)時(shí)，該模式便成為的淺部勘探的斯陵格蘭姆電磁系統。

技術(shù)指標：

●　電流波型：偶極方波，正、負方波之間可設置50%占空系數

● 基本頻率：30，75，285Hz，(60Hz工頻時(shí))

25，62.5，237.5Hz，（50Hz工頻時(shí))

● 關(guān)斷時(shí)間：40×40m發(fā)射線(xiàn)圈，3A發(fā)射電流時(shí)，2.5μs

● 發(fā)射線(xiàn)圈尺寸： 5m×5m（8匝）到100m×100m（單匝）

● 輸出電壓：0到9V連續變化，發(fā)射電流3A

●　同步：電纜同步

●　工作溫度：-40℃—+60℃

● 電源：12伏可充電電瓶，在2A輸出時(shí)可連續工作5小時(shí)；加強型TEM47HP供電電源為24伏或36伏，發(fā)射電流10A

●　 重量：5.3Kg

●　 尺寸：10.5×24×32cm

2）TEM57-MK2發(fā)射機

圖3 TEM57-MK2 發(fā)射機

TEM57-MK2是TEM57的升級型，與PROTEM數字接收機搭配使用，便構成PROTEM57瞬變電磁系統。TEM57-MK2在內部電源供電時(shí)發(fā)射功率達1500W，是一種非常輕便的中功率時(shí)間域電磁發(fā)射機。內部電源電壓18—60V可變，可與發(fā)射線(xiàn)圈實(shí)現匹配。如使用外部電源，發(fā)射功率可達3800W，電壓可達160V。

TEM57-MK2是一種的中功率發(fā)射機，勘探深度達500m。

可自動(dòng)顯示關(guān)斷時(shí)間。配備短參考電纜、輕便發(fā)射機和三維接收線(xiàn)圈的TEM57-MK2，可圈定深至250m－300m的形態(tài)復雜的構造和礦體。如果采用晶體同步和大發(fā)射線(xiàn)圈，它可圈定埋深至500m的礦體和目標體。通過(guò)反演解釋?zhuān)山o出礦體的電導率、傾角和延伸等參數。

技術(shù)指標：

● 電流波型：偶極方波，占空系數50%

● 基本頻率：3，7.5，30Hz（功率傳輸線(xiàn)為60Hz時(shí)）

2.5，6.25，25Hz（功率傳輸線(xiàn)為50Hz時(shí)）

如果用電纜同步，可以達到1Hz以下的基頻

● 關(guān)斷時(shí)間：20到115μs，依賴(lài)發(fā)射線(xiàn)圈尺寸，匝數和發(fā)射電流大小

● 發(fā)射線(xiàn)圈尺寸：?jiǎn)卧芽扇我獬叽?，但最小電阻不應低?.7歐姆，發(fā)射線(xiàn)圈可到300×600m

● 輸出電壓：18伏—60伏連續可調，當外接電源時(shí)可達180伏

● 同步：電纜或高穩定性晶體同步

●　輸出電流：28A

● 工作溫度：-40℃—+60℃

●　關(guān)斷時(shí)間顯示：自動(dòng)顯示關(guān)斷時(shí)間

●　電源：1800瓦，110/220V單項發(fā)電機供電或2－6個(gè)12伏電瓶直流供電

●　防護：電和電磁防護

●　重量：15公斤

● 尺寸：43 x 25 x 25 厘米

3）TEM67發(fā)射機

圖4 TEM67發(fā)射機

這是大功率發(fā)射機，它是在TEM57-MK2發(fā)射機基礎上加一個(gè)功率模塊，構成TEM67發(fā)射機。這就是說(shuō)，增加一個(gè)功率模塊并配備一臺5,000W發(fā)電機，就可將TEM57-MK2升級為T(mén)EM67。反之，如果對某些勘查任務(wù)而言無(wú)需TEM67發(fā)射機，只用TEM57-MK2，便可大大減輕重量。TEM67的輸出電壓18-150V連續可調用，可自動(dòng)顯示關(guān)斷時(shí)間。

配備三維接收線(xiàn)圈的PROTEM67，是一種理想的探測深部高導礦體，蘊礦構造，含水構造以及其它地質(zhì)目標體的瞬變電磁法儀器，其勘探深度可達1,000m－1,2000m。

技術(shù)指標：

●　電流波型：偶極方波，占空系數50%

●　基本頻率：0.3，0.75，3，7.5，30Hz（功率傳輸線(xiàn)為60Hz時(shí)）

0.25，0.625，2.5，25Hz（功率傳輸線(xiàn)為50Hz時(shí)）

●　關(guān)斷時(shí)間：20到750μs，依賴(lài)于發(fā)射線(xiàn)圈尺寸，匝數和發(fā)射電流大小

●　輸出電流：28A

●　輸出電壓：18到150伏連續可調

●　同步：高穩定性晶體同步

●　工作溫度：-40℃—+60℃

●　電源： 5000W， 220伏，50Hz，單項發(fā)電機

●　重量：15公斤

●　尺寸：43 x 25 x 25 厘米。

4）加強型TEM67發(fā)射機

加強型TEM67發(fā)射機是在TEM57-Mk2發(fā)射機上連接兩個(gè)TEM67功率模塊，發(fā)射電壓可高達240v，發(fā)射電流28A，所以可利用大尺寸或大有效面積發(fā)射線(xiàn)圈，以達到更大的勘探深度。下表是TEM67和加強TEM67發(fā)射功率的對比表，可見(jiàn)在發(fā)射線(xiàn)框尺寸2000m×2000m情況下（相當2000m勘探深度）加強型TEM67的發(fā)射磁矩M（I×S）可高達A m2，。如果選擇發(fā)射圈電阻值為1,65歐姆/公里，則加強型TEM67發(fā)射機的發(fā)射電流可達到18.2A,發(fā)射磁矩M=Am2 ， 此時(shí)的信噪比可以高一倍。

TEM發(fā)射機性能對比表

5) TEM47HP井下探水系統

圖5 井下探水瞬變電磁系統

TEM47HP是TEM47的加強型，是在TEM47的基礎上加大發(fā)射功率，使發(fā)射電壓高達36V，發(fā)射電流達10A。TEM47HP主要用于煤礦井下或隧道開(kāi)掘中的水情探測和斷層探測。

由于井下空間窄小，所以發(fā)射線(xiàn)圈是由絕緣材料做成帶凹槽的、可調節角度的方形骨架（尺寸視巷道空間大小而定，一般為1.5m×1.5m或2m×2m）,發(fā)射線(xiàn)圈嵌入凹槽之內。發(fā)射線(xiàn)圈匝數一般為80匝或64匝。發(fā)射線(xiàn)匝有效面積S為180㎡或 256㎡。

技術(shù)指標：

● 電流波型：偶極方波，占空系數50%

● 基本頻率：30，75，285Hz（功率傳輸線(xiàn)為60Hz時(shí)）

25，62.5，285Hz（功率傳輸線(xiàn)為50Hz時(shí)）

● 關(guān)斷時(shí)間：取決發(fā)射線(xiàn)圈有效面積S及發(fā)射電流A

● 發(fā)射線(xiàn)圈尺寸：1.5m×1.5m(80匝)或2m×2m（64匝）

● 輸出電壓：0－12V 24V或36V

● 輸出電流：10A

● 同步：電纜同步

● 工作溫度：-40℃—+60℃

● 電源： 內置12V，外接12V或24V

● 　重量：6公斤

●　尺寸：43 x 25 x 25 厘米

6) BH43-3鉆井中瞬變電磁儀

圖6 鉆井中瞬變電磁儀三分量探頭和絞車(chē)

井中三分量瞬變電磁儀探頭BH43-3與位于地面的發(fā)射系統和PROTEM接收機共同組成鉆井中瞬變電磁儀。在地面布設500m×500m的發(fā)射線(xiàn)圈便可獲得2000m深鉆孔，120m半徑內的礦產(chǎn)資源、水文地質(zhì)和地質(zhì)結構等諸多方面信息。

沿鉆井探測的空間分辨率為1m。井中觀(guān)測點(diǎn)間距根據要求分辨出的目標體大小而定。

BH43-3是三分量、寬頻帶的井中探頭，能有利地壓制高壓線(xiàn)和其它干擾源的干擾。

BH43-3配有專(zhuān)用軟件包，可編輯、顯示和解釋測量數據。井中電纜和絞車(chē)可在國內配置。

技術(shù)指標：

● 傳感器：三個(gè)互相垂直的線(xiàn)圈（一個(gè)軸向，兩個(gè)徑向）

● 傳感器有效面積：軸向線(xiàn)圈：10000m2；徑向線(xiàn)圈： 2500m2

● 傳感器前置放大器諧振頻率：10KHz

● 傳感器旋轉角校正：用兩個(gè)互相垂直的傾角儀，改正范圍：±1℃—±80℃（自垂直軸算起）

● 工作溫度：-30℃—±80℃。

● 電源：密封可充電鎳鎘電池，可連續工作40小時(shí)。

● 控制箱：用于通道選擇，探頭和PROTEM接收機之間的阻抗和增益匹配（將三個(gè)傳感器的有效面積按100m2歸一化）；帶有超低頻濾波器。

● 電纜：雙芯屏蔽電纜，聚氨脂外皮，keular高強度外護膜，直徑5.6m，重40Kg/km，抗拉強度500kg。

● 重量：傳感器，9.5kg 控制箱：1.5kg。

● 尺寸：傳感器，直徑3.8cm，長(cháng)234cm

控制箱，22×13.5×8cm。

五、應用實(shí)例

實(shí)例1：地質(zhì)結構和活斷層探測

利用PROTEM57-MK2在福州郊區一強干擾環(huán)境下，獲得了清晰的地質(zhì)結構和活動(dòng)斷層圖象（圖8）。

時(shí)間：2002年1月

環(huán)境：高壓線(xiàn)正好在側線(xiàn)上方

（如右場(chǎng)景圖）

儀器：PROTEM57-MK2。

野外測量：發(fā)射裝置為100×100m的回線(xiàn)，回線(xiàn)內垂直構造走 向布置了三條剖面，測量點(diǎn)距10m。

圖7　野外施工現場(chǎng)

探測結果如下圖：

圖8　福州市郊八一水庫地下電性結構

（根據地質(zhì)和地球物理研究所 白登海資料）

實(shí)例2：峰峰煤礦梧桐莊礦井下探測儲水構造的剖面布置

圖9　PROTEM探測剖面位置

圖10, 圖11, 圖12和圖13是在梧桐莊井下探測儲水構造的瞬變電場(chǎng)場(chǎng)響應曲線(xiàn)和井下觀(guān)測裝置布置圖：

圖10 　 偶極觀(guān)測裝置的瞬變電磁場(chǎng)響應曲線(xiàn)

瞬變場(chǎng)響應曲線(xiàn)是是判斷異常的最重要依據。上圖給出的是偶極觀(guān)測裝置的瞬變場(chǎng)響應曲線(xiàn)，剖面中部的強異常是最可能含水的地方。圖中由上向下表示從早期道到晚期道的響應（共30道），反映了沿剖面從淺到深的異常分布情況。

偶極方式觀(guān)測裝置如下圖所示：

圖11　井下偶極觀(guān)測裝置的布置　

圖12　中心觀(guān)測裝置的瞬變電磁場(chǎng)響應曲線(xiàn)

上圖給出的是中心觀(guān)測裝置的瞬變場(chǎng)響應曲線(xiàn)，剖面中部也有強異常，是最可能含水的地方。晚期道異常明顯。

中心方式觀(guān)測裝置如下圖所示：

圖13　　井下中心方式觀(guān)測裝置和布置

圖14是根據圖10的瞬變場(chǎng)響應反演的梧桐莊煤礦某采區的地下儲水構造：

圖14　梧桐莊煤礦某采區儲水構造分布

（已被鉆探證實(shí)）

實(shí)例3： 煤礦陷落柱探測?—（梧桐莊煤礦）探測礦陷落柱的剖面布置圖

圖15　剖面布置圖

儀器：PROTEM 67；發(fā)射電流13A； 發(fā)射框邊長(cháng)640m×560m.

資料來(lái)源：石昆法(2002)

反演結果

圖16 梧桐莊礦陷落柱的探測結果（陷落柱含水為低阻區）

實(shí)例4： 煤層地質(zhì)構造探測

山西晉城某煤礦煤層地質(zhì)構造的探測剖面

圖17　PERTEM瞬變電磁儀對煤層地質(zhì)構造探測

上圖、中圖、下圖是位于測區西部、中部和東部的三條剖面。地表至100m左右的高阻層（紅色）是砂巖層，125m左右的低阻層（蘭色）是煤層，往下至300m的中阻層（綠色）是砂頁(yè)巖層。三條剖面中160m測點(diǎn)處的構造是逆掩斷層。

（地質(zhì)地球研究所、晉城礦業(yè)集團、北京歐華聯(lián)公司；資料處理、解釋?zhuān)喊椎呛＃?

實(shí)例5： 金礦探測

圖18 利用PROTEM瞬變電磁儀對澳大利亞西部某金礦的探測剖面位置

圖19　電阻率剖面圖（金礦賦存于高阻流紋斑巖（蘭色）之中，圍巖為較低阻的綠巖帶，中間以斷層相隔）。（根據地質(zhì)研究所　趙國澤等資料）

圖20 　黑龍江某金礦PROTEM瞬變電磁探測結果（Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ號異常體是預測的含金礦體）根據地質(zhì)研究所　趙國澤資料

實(shí)例6：地下空洞的探測

澳大利亞西部庫爾嘎底地區地下空洞PROTEM測量結果

圖21 瞬變場(chǎng)響應曲線(xiàn)

圖14　蘭色為地下采空區位置

圖22 反演的電阻率剖面（圖中蘭色為地下采空區）

實(shí)例7： 有色金屬礦探測實(shí)例

圖23 云南某錫礦瞬變電磁響應曲線(xiàn)　（PROTEM57－MK2）	圖24 是據圖22反演的電阻率剖面。（電阻率值小于350歐姆.米的區域礦帶）

圖25 是根據圖24 推斷的地質(zhì)斷面（粗蘭線(xiàn)表示錫礦帶，它已被鉆探證實(shí)）

根據云南省有色地質(zhì)調查院資料