瞬变电磁法检测技术综述

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瞬变电磁法检测技术

摘 要：本文是对瞬变电磁法（TEM）检测的一个综述，该方法具有许多独特的检测优势。

文中首先介绍了瞬变电磁法的相关理论知识，包括基本原理、一次场传播途径

等，然后简单叙述了瞬变电磁法的优点与局限性，最后就其应用做了简单介绍，如在地质勘探、埋地管道等检测中的应用。

关键字：瞬变电磁 检测 应用

引言

瞬变电磁法（TEM）是地球物理探测中最有效的电磁方法之一，与其他检测方法相比具有简单易行、探测深度大、受地形干扰小、不受一次场干扰等优点，近年来在国内外发展迅速，其应用范围已经涉及地矿、石油、水利、电力、铁道、交通、有色、国防工程等各个领域,并且已经取得了显著效果。国外对瞬变电磁法的研究开展较早，已取得一些成绩，而在我国，对瞬变电磁检测方法的研究始于上世纪70年代，由最初的金属矿勘探到地热、水资源、水文地质、环境与工程地质的探测，近年来应用日益广泛。大功率、大动态范围、高密度时序序列数据采样、三分量同步观测、低噪声仪器性能将是先进TEM仪器发展的主要趋势。

1 瞬变电磁法检测理论

瞬变电磁法利用不接地回线（磁源）或接地线源（电流源）向地下发送一次脉冲，通常称为一次场。该稳定磁场由闭合稳定电流产生，然后在某一时刻将电流中断，一次场随之消失。根据电磁学原理，地下的导电介质将产生一个大小相等、方向相反的涡流场以阻止一次场的消失，这个涡流场叫二次场。由于二次场包含有地下地质体丰富的地电信息，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或者接地电极观测二次场（或称场效应），通过对这些信息的提取与分析，从而达到探测地下地质体的目的。所研究的是场效应与时间的关系，故称之为时间域电磁法。由于一次场和二次场均为瞬态场，也称之为瞬变电磁法。

一次场以两种途径传播，第一种是：电磁波首先以光速在空气中传播到地表

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的每个点，然后一部分电磁能量由地表传入地下，根据惠更斯原理，波前每个点都视为一个新的球面波振源，地表的每一个点都相继成为波源，将部分电磁波传入地中；第二种是：电磁能量直接从场源传播到地中，类似于“烟圈”一样在导电介质中感应电流随时间的推移而逐渐向地底深处扩散，也称“烟圈效应”。第一种传播方式是瞬时建立的，第二种传播方式的建立则相对较缓慢。研究瞬变电磁场随时间变化的规律，可以通过探测电位的垂直变化，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流（浅部涡流）产生的，反映的是浅层电性分布，晚期瞬变电磁场主要由深层的感应电流（深部涡流）产生，反映的是深层的电性分布。

与其他电磁法一样，瞬变电磁法探测的是地下电阻率的分布，即在背景电阻率分布中存在的异常分布。瞬变电磁检测装置由发射回线和接收回线两部分组成，工作过程分为发射、电磁感应和接收三部分。具体主要过程大致为：在发射线圈上加脉冲电流，产生瞬变电磁场，该磁场沿着地表向深处传播，遇到不同介质，产生涡流场。当发射圈电流中断，外加瞬变电磁场撤销，涡流场以磁场的形式释放能量，利用接收线圈接收相应磁场信息。

在瞬变电磁解释技术方面，一维反演和二维电阻率成像相对其他技术更成熟、实用，一维反演是目前瞬变电磁资料的主要常用定量解释手段。反演工作是由已观察到的现象计算或模拟产生响应的地电断面的过程。 2 瞬变电磁法检测优缺点

瞬变电磁法探测深度大，分辨率高，简便易行，探测速度快，抗干扰能力强，探测效果好，是在高阻围岩中寻找低阻地质体的最灵敏的方法，已成为目前浅层电磁方法的首选，特别适合地下水、金属矿以及浅层结构的勘探。由于可根据信号到达时间了解信号源的深度，根据信号的时间特性了解信号源的导电性，因而区分导电覆盖层和导电围岩的能力相对其他感应类频率域电磁法较强。因其可采用不接地观测，对探测环境要求低，几乎可以在任何人力可以活动的地方实施，尤其是在沙漠、冻土带等环境更显其独特优势，且剖面测量与测深工作同时完成，能提供更多有用的信息。

任何方法都具有其局限性，瞬变电磁检测关键在于接收地底传回的电磁信号，易受周围空间不稳定电磁干扰影响。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。同时在地层表面遇到大量的低阻层矿化带时，瞬变电磁法也不能可靠的测量,因此在选择测量时

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要考虑地质结构。瞬变电磁法对浅层的垂向分层能力不强，虽然采用小边长同点装置可以达到很高的横向分辨率，但由于采样时间不能提前太早，因此对浅层的垂向分层能力受到限制。还有一个问题就是如果同点装置变长越小，所测得的视电阻率就越小，这就与大地电阻率不符，引起后续的计算错误。

3 瞬变电磁法检测技术应用

瞬变电磁法在工程地球物理勘探方面不失为一种快捷、精细、先进并行之有效的方法。其作为勘探地下溶洞、空洞、断层、地裂隙、地下水、有色金属矿、地层软弱带以及浅层至中深层的地电结构，比其它物探方法能取得更为理想的地质效果。在其他领域的应用也在不断扩展与深入。 3.1 瞬变电磁法在地质勘测中的应用

瞬变电磁法能用于岩层、断裂带、采空区及地下水层等的检测。例如在荒漠

地区寻找地下水源十分重要，利用瞬变电磁仪能高效寻找到最佳水源，为荒漠地区的钻井位置选取和施工提供重要依据。再如，在煤矿等矿井开采过程中，采空区、地下水层等问题给安全生产带来严重威胁，利用瞬变电磁法能对异常地质快速、经济、准确地进行分析。瞬变电磁法野外勘测原理如图1所示。

图1 瞬变电磁野外勘测示意图

为完整反映所研究的地质对象，选取稍大于勘测对象的测区，然后根据具体任务、勘测详细程度和地电断面的复杂程度、地面设施等因素合理布置测网。测线垂直勘探对象的走向，然后根据勘测实际情况选择测点。设置电偶源、磁偶源、线源及中心回线等工作装置，选取合适的观测方式如偶极发射，使用瞬变电磁仪进行勘测。

工作中瞬变电磁法在工作方法与地质效果上显示一些独特的优点：（1）断电后观测纯二次场,免除了复杂的一次场补偿问题,同时受地形影响较小,测地工作

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简单,工作效率较高。（2）可采用同点装置,使与欲测的地质体达到最佳耦合, 所得电磁异常受旁侧影响小而有较高的横向分辨率。

3.2 瞬变电磁法在埋地管道腐蚀检测中的应用

我国输油气管道四通八达，埋地钢制管道的破损往往会引发各种问题，轻则浪费资源，重则造成环境污染、引发安全事故、导致国家巨大经济损失。管道长期深埋地下，受到土壤环境的侵蚀会出现不同程度的金属腐蚀，腐蚀严重就会造成局部破损，引发不良后果。因此对在役地下管道定期进行腐蚀检测，及时发现问题管道并进行更换，变得至关重要。

对管体腐蚀程度检测包括内检测和外检测两种途径，常用管道内检测有超声波法与漏磁检测法，其检测精度高，但设备非常昂贵，检测费用高，适用于大口径长输干线的管体腐蚀检测，管道外检测国外多采用瞬变电磁法等技术，国内目前处于探索和开发阶段。瞬变电磁法可在非开挖、不断流的状态下进行检测，不受管径限制，可得到较准确的管道壁厚数据，为判断管道腐蚀程度提供依据。

图2 一次场与二次场

二次场包含有与管道特性相关的信号，在一次脉冲电磁场的间歇时间里，通过接收线圈接收到的二次磁场，对信号进行提取分离可以得到与管道腐蚀情况有直接关系的信息，从而可以判别管壁腐蚀程度，如图2所示。瞬变电磁法剖面装置常用来探测有限导电体，分为同点装置、偶极装置和大定回线装置，其中同点装置包含重叠回线装置和中心回线装置。线圈匝数相同时，采用中心回线装置效果更好；增加线圈匝数或增加线圈面积，即增加了线圈的有效面积，能更准确的得到测量结果，但不能太大，会造成有用信号的丢失；测量结果与发射频率无直接关系，不论在何种频率下都能准确的测量出管道壁厚。

3.3 瞬变电磁法在其他领域中的应用

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各向异性是指材料在各方向的力学与物理性能呈现差异的特性，亦指“非均匀性”，性质表现在不同方向测得的性能数值不同。电气与电磁研究解释表明结构和岩石学各向异性会导致显著的并发症，使用烟圈类比在地底感应到的电流，通过测量发射机循环中心距离内接收线圈的符号变化来判断其径向传播，瞬变电磁法能通过测量近地表电各向异性确定横向各向异性的方向和强度的扩散速率。

航空瞬变电磁法作为瞬变电磁法的分支，因其能探测大范围、不可到达地区等优越性，在国外被用于勘测火山结构。其精度不高，且只能做有限深度的调查，国外学者研究出接地电源航空瞬变电磁测量系统，以增加探测深度。该接地电源航空瞬变电磁测量系统使用一个接地的2–3 km长度的电偶极子源做发射器，以吊舱内的一个三分量磁力仪作为接受检测装置。通过实地验证表明瞬变电磁法能检测电阻率结构相关的火山活动，并能对火山喷发而引起的地质变化进行勘测。

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