一.引言

加拿大Geonics公司是專門研制和生產(chǎn)時間域電磁儀的專業(yè)公司，共有近20種時間域電磁測量儀，應(yīng)用于各種不同目的和場合，在世界上享有很高聲譽。該公司自1978年研制和生產(chǎn)瞬變電磁儀以來，已更新?lián)Q代多次，目前在市場上銷售的PROTEM47、PROTEM47HP（井下探水系統(tǒng)），PROTEM57-MK2和PROTEM67瞬變電磁儀占據(jù)著世界上該類儀器的很大。2003年至2006年底，國內(nèi)用戶通過我公司已訂購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(shè)立在我公司。

瞬變電磁儀最關(guān)鍵的問題有：

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

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

● 信噪比問題：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(fù)率等等。重復(fù)率是指1秒之內(nèi)能發(fā)射多少個雙極性脈沖。PROTEM的重復(fù)率為237.5HZ-0.25HZ，即4.2ms-25ms,可選。因此它在30秒觀測時間內(nèi)可以發(fā)射14,250-2,400個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(fù)率為25HZ－0.416HZ，即40ms-24,000ms,因此它在30秒觀測時間內(nèi)僅能發(fā)射和接收到1,500個－0.083個信號。前者為后者的10倍，也即在相同的觀測時間內(nèi)前者比后者的信噪比高10倍。

● 觀測裝置問題：瞬變電磁法有五種野外觀測裝置，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②中心回線③偶極④大定回線外觀測⑤大定回線內(nèi)觀測。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(jié)構(gòu)，所以除重疊回線裝置外，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，則僅適合重疊回線裝置，當采用其它四種觀測裝置時，就必須把接收線圈中的微弱瞬變場信號、用一條較長的信號電纜傳輸給接收機，從而帶進不可預(yù)測的干擾。

● 發(fā)射磁矩問題：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力的、最小可分辨信號值。可見在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，發(fā)射磁矩M對任何型號的瞬變電磁儀都不是問題；但在深層勘探時，由于要采用大面積（S）發(fā)射線圈，電阻增大，因此要獲得大的發(fā)射電流I，就必須應(yīng)用高輸出電壓的發(fā)射機。PROTEM應(yīng)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(wěn)定性和工作溫度問題：穩(wěn)定性包括觀測的重復(fù)性和儀器故障率。PROTEM的觀測重復(fù)性為99%，儀器故障極低。PROTEM工作溫度范圍為-40℃－+60℃，在任何季節(jié)，任何地區(qū)均可順利地進行觀測；如果工作溫度范圍很窄，那就只能在合適的季節(jié)或合適的地區(qū)進行野外觀測。

二．PROTEM瞬變電磁儀主要應(yīng)用領(lǐng)域

● 探測良導(dǎo)性礦體埋深和產(chǎn)狀，探測蘊礦構(gòu)造

● 確定煤礦井下和隧道前方儲水構(gòu)造

● 地下水勘探（確定含水層和弱滲水層深度和厚度，區(qū)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瞬變電磁儀類型

● TEM47，勘探深度150m，統(tǒng)稱PROTEM47

● TEM57-MK2，勘探深度500m，統(tǒng)稱PERTEM57

● TEM-67，勘探深度1000m-1200m，統(tǒng)稱PROTEM67

● 加強型TEM67,勘探深度2000m

● TEM47Hp，井下探水，探測距離100m-120m，統(tǒng)稱加強型PROTEM47HP

● BH43-3鉆井內(nèi)三維瞬變電磁儀，可在2,000m深鉆孔內(nèi)工作

四、PROTEM瞬變電磁儀性能和技術(shù)指標：

1．PROTEM數(shù)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位瞬時分辨率，29位系統(tǒng)分辨率，270KHz 帶寬，微秒級的30個采樣門和XYZ三分量同時觀測等特點，是時間域電磁系統(tǒng)的。

技術(shù)指標：

● 觀測值：三分量感應(yīng)磁場的衰減比，nv/m2

● 電磁傳感器：空心線圈

● 道數(shù)：用單道接收線圈順序測量或用三分量接收線圈同時測量

● 時間門：在兩個量級時間軸上20個門測量，或三個量級時間軸上30個門測量

● 信號分辨率：24位，包括1個符號位，系統(tǒng)分辨率29位

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

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

● 積分時間：0.5，2，4，8，15，30，60和120秒

● 顯示器：240×64點液晶顯示

● 數(shù)據(jù)管理：固態(tài)存儲3300套數(shù)據(jù)，RS232輸出

● 同頻：參考電纜同步或高穩(wěn)定性石英鐘同步

● 工作溫度：-40℃—+60℃

● 電源：12V可充電電源，可連續(xù)工作8小時

● 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(tǒng)，關(guān)斷時間極短，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)射線圈，關(guān)斷時間可短至0.5μs，從而獲得的淺表分辨率。也可采用多匝發(fā)射線圈。

TEM47采用參考電纜同步，可滿足淺部探測對高精度同步的要求。無論在那種情況下，PROTEM47都使用高頻接收線圈。該接收線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，采用8匝5m×5m移動式發(fā)射線圈，2.5A發(fā)射電流時，發(fā)射磁矩為500Am。在基頻75Hz、20-30個測量門時，該模式便成為的淺部勘探的斯陵格蘭姆電磁系統(tǒng)。

技術(shù)指標：

●　電流波型：偶極方波，正、負方波之間可設(shè)置50%占空系數(shù)

● 基本頻率：30，75，285Hz，(60Hz工頻時)

25，62.5，237.5Hz，（50Hz工頻時)

● 關(guān)斷時間：40×40m發(fā)射線圈，3A發(fā)射電流時，2.5μs

● 發(fā)射線圈尺寸： 5m×5m（8匝）到100m×100m（單匝）

● 輸出電壓：0到9V連續(xù)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輸出時可連續(xù)工作5小時；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(shù)字接收機搭配使用，便構(gòu)成PROTEM57瞬變電磁系統(tǒng)。TEM57-MK2在內(nèi)部電源供電時發(fā)射功率達1500W，是一種非常輕便的中功率時間域電磁發(fā)射機。內(nèi)部電源電壓18—60V可變，可與發(fā)射線圈實現(xiàn)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。

可自動顯示關(guān)斷時間。配備短參考電纜、輕便發(fā)射機和三維接收線圈的TEM57-MK2，可圈定深至250m－300m的形態(tài)復(fù)雜的構(gòu)造和礦體。如果采用晶體同步和大發(fā)射線圈，它可圈定埋深至500m的礦體和目標體。通過反演解釋，可給出礦體的電導(dǎo)率、傾角和延伸等參數(shù)。

技術(shù)指標：

● 電流波型：偶極方波，占空系數(shù)50%

● 基本頻率：3，7.5，30Hz（功率傳輸線為60Hz時）

2.5，6.25，25Hz（功率傳輸線為50Hz時）

如果用電纜同步，可以達到1Hz以下的基頻

● 關(guān)斷時間：20到115μs，依賴發(fā)射線圈尺寸，匝數(shù)和發(fā)射電流大小

● 發(fā)射線圈尺寸：單匝可任意尺寸，但最小電阻不應(yīng)低于0.7歐姆，發(fā)射線圈可到300×600m

● 輸出電壓：18伏—60伏連續(xù)可調(diào)，當外接電源時可達180伏

● 同步：電纜或高穩(wěn)定性晶體同步

●　輸出電流：28A

● 工作溫度：-40℃—+60℃

●　關(guān)斷時間顯示：自動顯示關(guān)斷時間

●　電源：1800瓦，110/220V單項發(fā)電機供電或2－6個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(chǔ)上加一個功率模塊，構(gòu)成TEM67發(fā)射機。這就是說，增加一個功率模塊并配備一臺5,000W發(fā)電機，就可將TEM57-MK2升級為TEM67。反之，如果對某些勘查任務(wù)而言無需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(xù)可調(diào)用，可自動顯示關(guān)斷時間。

配備三維接收線圈的PROTEM67，是一種理想的探測深部高導(dǎo)礦體，蘊礦構(gòu)造，含水構(gòu)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(shù)50%

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

0.25，0.625，2.5，25Hz（功率傳輸線為50Hz時）

●　關(guān)斷時間：20到750μs，依賴于發(fā)射線圈尺寸，匝數(shù)和發(fā)射電流大小

●　輸出電流：28A

●　輸出電壓：18到150伏連續(xù)可調(diào)

●　同步：高穩(wěn)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，可見在發(fā)射線框尺寸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(tǒng)

圖5 井下探水瞬變電磁系統(tǒng)

TEM47HP是TEM47的加強型，是在TEM47的基礎(chǔ)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)射線圈是由絕緣材料做成帶凹槽的、可調(diào)節(jié)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)射線圈嵌入凹槽之內(nèi)。發(fā)射線圈匝數(shù)一般為80匝或64匝。發(fā)射線匝有效面積S為180㎡或 256㎡。

技術(shù)指標：

● 電流波型：偶極方波，占空系數(shù)50%

● 基本頻率：30，75，285Hz（功率傳輸線為60Hz時）

25，62.5，285Hz（功率傳輸線為50Hz時）

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

● 發(fā)射線圈尺寸：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(nèi)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

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(tǒng)和PROTEM接收機共同組成鉆井中瞬變電磁儀。在地面布設(shè)500m×500m的發(fā)射線圈便可獲得2000m深鉆孔，120m半徑內(nèi)的礦產(chǎn)資源、水文地質(zhì)和地質(zhì)結(jié)構(gòu)等諸多方面信息。

沿鉆井探測的空間分辨率為1m。井中觀測點間距根據(jù)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和其它干擾源的干擾。

BH43-3配有專用軟件包，可編輯、顯示和解釋測量數(shù)據(jù)。井中電纜和絞車可在國內(nèi)配置。

技術(shù)指標：

● 傳感器：三個互相垂直的線圈（一個軸向，兩個徑向）

● 傳感器有效面積：軸向線圈：10000m2；徑向線圈： 2500m2

● 傳感器前置放大器諧振頻率：10KHz

● 傳感器旋轉(zhuǎn)角校正：用兩個互相垂直的傾角儀，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(xù)工作40小時。

● 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234cm

控制箱，22×13.5×8cm。

五、應(yīng)用實例

實例1：地質(zhì)結(jié)構(gòu)和活斷層探測

利用PROTEM57-MK2在福州郊區(qū)一強干擾環(huán)境下，獲得了清晰的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和活動斷層圖象（圖8）。

時間：2002年1月

環(huán)境：高壓線正好在側(cè)線上方

（如右場景圖）

儀器：PROTEM57-MK2。

野外測量：發(fā)射裝置為100×100m的回線，回線內(nèi)垂直構(gòu)造走 向布置了三條剖面，測量點距10m。

圖7　野外施工現(xiàn)場

探測結(jié)果如下圖：

圖8　福州市郊八一水庫地下電性結(jié)構(gòu)

（根據(jù)地質(zhì)和地球物理研究所 白登海資料）

實例2：峰峰煤礦梧桐莊礦井下探測儲水構(gòu)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(gòu)造的瞬變電場場響應(yīng)曲線和井下觀測裝置布置圖：

圖10 　 偶極觀測裝置的瞬變電磁場響應(yīng)曲線

瞬變場響應(yīng)曲線是是判斷異常的最重要依據(jù)。上圖給出的是偶極觀測裝置的瞬變場響應(yīng)曲線，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(yīng)（共30道），反映了沿剖面從淺到深的異常分布情況。

偶極方式觀測裝置如下圖所示：

圖11　井下偶極觀測裝置的布置　

圖12　中心觀測裝置的瞬變電磁場響應(yīng)曲線

上圖給出的是中心觀測裝置的瞬變場響應(yīng)曲線，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。

中心方式觀測裝置如下圖所示：

圖13　　井下中心方式觀測裝置和布置

圖14是根據(jù)圖10的瞬變場響應(yīng)反演的梧桐莊煤礦某采區(qū)的地下儲水構(gòu)造：

圖14　梧桐莊煤礦某采區(qū)儲水構(gòu)造分布

（已被鉆探證實）

實例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640m×560m.

資料來源：石昆法(2002)

反演結(jié)果

圖16 梧桐莊礦陷落柱的探測結(jié)果（陷落柱含水為低阻區(qū)）

實例4： 煤層地質(zhì)構(gòu)造探測

山西晉城某煤礦煤層地質(zhì)構(gòu)造的探測剖面

圖17　PERTEM瞬變電磁儀對煤層地質(zhì)構(gòu)造探測

上圖、中圖、下圖是位于測區(qū)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）是砂頁巖層。三條剖面中160m測點處的構(gòu)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：白登海）

實例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(jù)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(jié)果（Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ號異常體是預(yù)測的含金礦體）根據(jù)地質(zhì)研究所　趙國澤資料

實例6：地下空洞的探測

澳大利亞西部庫爾嘎底地區(qū)地下空洞PROTEM測量結(jié)果

圖21 瞬變場響應(yīng)曲線

圖14　蘭色為地下采空區(qū)位置

圖22 反演的電阻率剖面（圖中蘭色為地下采空區(qū)）

實例7： 有色金屬礦探測實例

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

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

根據(jù)云南省有色地質(zhì)調(diào)查院資料