GEONICS PROTEM 瞬变电磁系统

GEONICS PROTEM 瞬变电磁系统

1. 瞬变电磁系统简介

加拿大Geonics公司的PROTEM瞬变电磁系统是地球物理学的时间域电磁法测量系统。与世界上同类产品比较PROTEM系统是应用最为广泛的，其应用领域覆盖了矿体勘探、地下水和煤田勘探、工程勘探、污染检测以及咸水侵入范围等等。

1979年第一台时间域系统EM37问世以来，Geonics公司在9年的经验基础上于1988年研制并生产了基于前身EM37的PROTEM瞬变电磁系统。从那以来的19年中，系统中加入了许多新器件和新功能，做了多次改进和升级。目前PROTEM瞬变电磁系统成为最全面、最灵活的时域电磁法测量系统。 2. 系统描述

2.1 简介

最新版本的PROTEM瞬变电磁系统包括五个主要部分： 1) 发射机 2) 发射线圈 3) 数字接收机 4) 传感器探头 5) 系统软件

PROTEM瞬变电磁系统的核心是PROTEM数字接收机。根据应用类型和探测深度的不同，可选择不同配置的发射机、发射线圈、探头和软件。 图1所示为PROTEM系统主要功能模块框图。

图1 PROTEM功能模块图

通用的PROTEM系统包括发射机，发射线圈（单分量高频接收线圈或三分量低频接收线圈），发射机电源（电池或发动机）和接收机。

图2所示为PROTEM系统的几种观测装置的设置方法。在中心回线测量模式下，接收机置于发射线圈中心（如图2-a）；在剖面测量模式下，发射线圈不移动，接收机沿测线移动（如图2-b）。此外还有偶极测量模式，接收机和发射线圈间距固定，整个阵列沿测线移动（如图2-c）。如果勘探深度很深，可以用接地偶极子作为激发源，称为LOTEM。

图2 TDEM 观测装置

图3所示为PROTEM测量系统信号波形图。图3-a发射电流；图3-b目标体内的感应电压；图3-c目标体内部电流；图3-d接收机接收的目标体和一次场的感应电压；图3-e瞬变场和采样时间门。

图3 PROTEM系统的信号波形图

2.2 主要模块描述

以下是对主要模块的详细描述。 a. 发射机

PROTEM发射机主要包括：时间控制器、前级激励、输出级，连续可变供电电源。

时间控制器产生时间脉冲，其中包括接收机同步脉冲。它为前级激励电路提供信号，依次控制发射机的输出级。输出级为发射线圈提供电流。发射机有电磁、

电路过载保护。 b. 接收机

接收机包括接收线圈（分单匝和多匝）、前置放大器和一次场噪声抑制电路。 前置放大器将线圈感应到的相当小的信号放大，使其大于系统噪声。在正常操作下噪声抑制电路截断一次场持续期间内的其他信号，防止接收机过载。噪声抑制级之后是可变增益的模拟放大器，它有7个二进制增益级，用来扩展接收机的动态范围。在发射机开启或关断时间内，放大信号分为20或30 时间门选通控制。被选通的信号送入积分器做平均，然后通过多路调制器和模/数转换器，最后以数字信号形式存储在固态存储器中。

接收机微处理器和控制板控制接收机所有操作，包括系统同步的控制。存储器内的数据可以显示并下载到外接PC上，并以表格或框图形式表示为十进制电压或视电阻率，此外选通门的谱线形状也可显示出来。数据快速浏览功能用来控制数据质量。 c. 软件

软件GeonicsGSPx7是用于对PROTEM瞬变电磁系统的数据进行处理，如读数、编辑、归纳、电磁法响应模拟等等。

3. PROTEM系统设置

为了使TEDM方法能够适应更广泛的应用领域，Geonics的PROTEM 瞬变电磁系统具有高度的灵活性并提供多种观测装置方法。系统具有五种不同的发射机，多种发射线圈尺寸（单匝或多匝）从1m到1000米；可提供七种不同的地表感应线圈和二种井下感应线圈以及二种地表磁探头和一种井下磁探头。

图4为不同的观测装置配置。 发射机 TEM47(HP) (25w) 自备电池组 TEM57－MK2 (1600w) GPU或电池组 TEM67& TEM67-PLUS (4200&6700w) GPU 发射线圈选择 浅部勘探 几米——150米 多匝:1×1m 多匝:5×5m 单匝:5×5m至200×200m 中等深度勘探 至400米 多匝:5×5m 单匝:20×20m至400×400m 深部勘探 至1000米 单匝:40×40m至2000×2000m 接收线圈和探头 高频单分量线圈 高频三分量线圈 接收机 PROTEM数字接收机 软件 GeonicsGSPX7 中低频单分量 三分量 10000×25000m2可便线圈 BH43-1D和BH43-3D井下探头 三分量磁探头 三分量井下磁探头 PetRos EiKon’s EMIGMA Interpex IX1D 4. 系统组成

4.1 发射机

a. TEM47和TEM47-HP

TEM47和TEM47-HP 是轻型电池组供电的发射机，用于2～150m深的浅部探测，通常应用于环境监测，如浅层电阻率测深、地下水污染监测、咸水侵入及地质填图以及煤矿井下探测储水构造。TEM47发射机最重要的一个特点就是关断时间非常短，小于1μs。发射机重量轻，包括内置电池在内共5公斤，有效提高了测量速度。TEM47

发射机可以与多种发射线圈匹配。对于浅层勘探要求测量速度高，可以使用尺寸1m×1m的多匝发射线圈；对中等深度勘探，如地下水勘探，可以使用尺寸5m×5m至200m×200m的单匝线圈。TEM47发射机也可用于Slingram（水平线圈法）模式， 如定位断面，此时可使用5m×5m的多匝线圈。TEM47-HP是TEM47的加强型，是在TEM47基础上加大了发射功率。TEM47的最大发射电流为4A，TEM47-HP最大发射电流达10A。两种发射机均使用同步电缆以达到浅层勘探需要的最高同步精度。 b. TEM57-MK2

TEM57-MK2发射机勘探深度范围10m～500m，发射功率达1600W，电源电压在17—60V范围内可变。在测深模式下，如地下水勘探中，选用250m×250m的 10号线线圈，18A发射电流，勘探深度可达400－500m。对稍浅层勘探，可以使用小一些的线圈，如使用40m×40m、阻抗2Ω的线圈，发射电流28A与发射机匹配。

TEM57-MK2发射机可用于中心回线观测装置以及其他几种观测装置。如进行矿藏资源勘探，可用200m×300m发射线圈，发射电流18A，采用发射机固定/接收机移动的方法，勘探深度可达几百米。还可以用250m×250m发射线圈，BH43-3D TDEM井中探头，勘探深度同样可达几百米。用5m×5m多匝发射线圈，采用接收机发射机一起移动的Slingram法，TEM57-MK2发射机可以进行中等深度勘探。TEM57-MK2发射机有两种供电方式，标准120/240VAC、50/60HZ发动机供电，或电池组供电，Slingram操作模式须采用电池组供电。 c. TEM67和TEM67-PLUS

这两种发射机勘探深度可达1千米。TEM67发射机可输出4200W，TEM67-Plus发射机发射功率可达6700W，输出电压17伏到240伏连续可调，最大发射电流28A。发射机固定、接收机移动的测量方式下，可以应用大至2km×2km发射线圈，做深部勘探，探测深度可达1千米以上；中心回线或井下测量时，可匹配500×500m发射线圈。两种发射机均由标准120/240VAC－50/60Hz汽油发电机供电。 d. 发射机特点

? 最大输出电流28A（56A pp） ? 连续可变的输出电压 ? 线性发射电流关断

? 可以忽略剩余电流和关断后的瞬时扰动电流 ? 电和电磁过载保护

? 工作温度范围-40°C～+50°C ? 标准发电机或电池组供电

4.2 接收机

PROTEM数字接收机是专为TDEM测量研制的。它可以灵活地匹配五种PROTEM发射机和一系列地表及井下的传感器，如感应线圈、磁探头等。PROTEM接收机的重要特性如下：

a) 大动态范围29bits（单增益时23bits），可允许大动态范围的瞬变衰减以及抑制

外部噪声。

b) 30个时间门保证了高灵敏度的衰减记录

c) 接收机带宽270kHz，对浅层勘探和弱信号失真尤其重要 d) 30门三分量同时测量

e) 自动测量发射机开启/关断期间

f) 野外绘制dB/dt衰减曲线及电阻率、实时噪音检测 g) 内部自校准——重要的质量控制工具

h) 电缆和石英晶体同步 i) 工作温度范围-40°C～+50°C 4.3 传感器

PROTEM瞬变电磁系统包括多种传感器：高频浅层勘探；低频线圈深层勘探，有效面积25000m2（未含前置放大增益）。有单分量和正交三分量接收线圈以及磁探头传感器供选择，用于地表和井下，其中磁探头是专门用于测量高导大型异常体的。

除了井下传感器和磁探头外，所有PROTEM接收机线圈均为空心线圈，以消除铁质岩和镍铁高导磁合金引起的传感器响应。此外，所有PROTEM线圈均为几何水平状，使颤噪问题最小化。

PROTEM传感器的带宽范围是3kHz（传感器）到800kHz（高频接收机线圈），在浅层勘测中与TEM47发射机匹配使用。同PROTEM瞬变电磁系统的所有器件一样，所有传感器的工作温度范围均为-40°C～+50°C。 4.4 软件

Geonics设计的多种软件包都可以处理PROTEM系统采集的EM数据。Geonics设计的GSPx7是一套集读数、编辑、处理及模拟功能于一体的处理EM响应的软件。它提供多时间门谱线成图，衰减曲线绘图，打印数据，输出选定数据的文件。仪器读数时，数据可以直接显示，还可以还原为响应脉冲，或转变为阶跃响应、晚期视电阻率/电阻率。既支持数值文件编辑，也支持图形屏幕编辑。

模拟模块提供全波形水平地层（1D）正演模拟，其中包括水平半空间、水平切片、松散结构（地壳和板块）的自由空间延时近似、以及电线细丝。软件支持发射固定法、水平线圈法和井下的正演模拟。

用Interpex 的1×1D可以直接读取PROTEM数据文件，作层状反演；还有PetRos EiKon的EMIGMA，也可以作矿体的层状或三维正反演。 PROTEM的数据还可以用GEOSOFT处理及显示。

5. 实例历史

5.1 用PROTEM47确定深度

BLACKHAWK GEOSCIENCES，使用全范围的GEONICS 仪器开展大范围的地球物理勘查以圈定地下水污染的范围。

在得克萨斯的卤水塘附近，BLACKHAWK首先使用GEONICS EM34大地电导率仪来测定地下蓄水层中咸水侵入范围。EM34成图显示咸水池附近大地电导率明显增大，咸水污染了池子半径200米内的地面。增大的电导率向西南延伸了800米，显示了蓄水层咸水侵的轮廓。

然后BLACKHAWK使用GEONICS的PROTEM 47 EM测深系统来测定厚度和深度。他们在水池南部100米处、垂直污染扩散的方向，沿一条测线布置了五个测点。PROTEM47电导率切片很清楚的定义出了污染范围。污染的高电阻率（大于500ms/s）与周围对比非常明显。

目标体位于测点2和3下面，深度40到50米。非渗透性的、低导层使得目标体下沉较深。基于EM34和PROTEM47结果的监测井确定了目标体的位置以及下面隔水层的位置。

图5 PROTEM47电阻率剖面

5.2 块状硫化物目标体探测

块状硫化物是富含多种贵金属的高品位矿，如阿拉斯加 Red Dog（铜锌矿），内华达Copper Canyon（含黄金的铜矽卡岩），蒙大拿Stillwater（铂类金属）。块状硫化物的特点是硫化物颗粒（如天然硫化铁、磁黄铁矿、硫化铅等），所以其电阻率值低。用多种空中及地面电磁法均可对其成图。

由于浅层异常大部分已经确定，所以寻找异常体必须向更深部发展。地球物理勘查可以在深度上对块状硫化区域定位，并确定其地质走向和地层倾角。然后根据测量结果进行钻孔。空中和地面的瞬变电磁法已经成为时域地球物理勘查探测异常体的主要工具。BLACKHAWK Geosciences公司使用三种Geonics TEDM系统进行了大规模的测量。

? Geonics EM-42 勘探深度大于1500英尺 ? Geonics EM-37 勘探深度小于1500英尺 ? Geonics EM-47 勘探深度小于200英尺

下面是两个应用实例。一是蒙大拿的Stillwater Complex，地形起伏较大，且主岩覆盖了一层厚厚的冰积土。

Stillwater Complex是镁铁质、火成岩类的硫化物高集中区。在这个陡峭地貌的地形中，布置了一个与预测的目标体平行的大型长方形发射线圈，在同一个发射回线下，用便携式接收机在几条测线上进行观测（如图6）。

图6a所示为发射线圈设置、测线位置以及由TDEM测定的块状硫化物带的地表投影区域。对观测结果进行反演后，给出了目标埋深、下延范围、地质走向、地层倾角、目标电导率和厚度等参数。图6b所示为反演的目标体位置和两个钻孔，其中一口钻孔测得的高硫化物丰度（70～80%）与反演结果相符。目标体上方的一口钻井测得硫化物丰度稍低（30%）。

应用实例说明， TDEM测量系统可以在起伏较大的和条件较苛刻的地形下很方便的进行测量。

图6 Stillwater勘探

美国中北部部分地区属于元古代、典型火山地貌。总的来说，形成的块状硫化物明显成层状分布，在海底或接近海底处沉积形成，接近热流体的测流段。几百英尺的冰积层覆盖在基岩上，迫使我们必须使用地球物理学的方法进行勘查。

在这种环境下探测异常体，也是用TEDM布设大发射线圈进行地表勘探，在发射线圈中内外布设几条测线。图7所示为TDEM测定的异常体横截面投影，此异常体已经钻孔验证了。

图7 横截面及测量布置

TDEM测量可以探测几种低阻层，如块状硫化物、断层、断层带。TDEM现在也可以使用EM-47在HLEM模式下工作。EM-47重量轻、便于携带。它可以代替频率域大地电磁测深进行深度范围200英尺内的测量。

6. GEONICS PROTEM 电磁测量系统技术指标

a. TEM47和TEM47-HP发射机技术指标

? 电流波型：偶极方波，正、负方波之间可设置50%占空系数 ? 基本频率：30，75，285Hz，(60Hz工频时)

25，62.5，237.5Hz，（50Hz工频时)

? 关断时间：40×40m发射线圈，2A发射电流时，2.5μs ? 发射线圈尺寸： 5m×5m到200m×200m（多匝） ? 输出电流：最大3.5A，峰峰值7A ——TEM47 最大10A，峰峰值20A——TEM47-HP ? 输出电压：0到9V连续变化——TEM47

12 V到36V——TEM47-HP，外部电源 ? 同步：电缆同步

? 工作温度：-40℃—+60℃。

? 电源：内部12伏可充电电瓶；加强型供电外接电源为12伏到36伏 ? 尺寸：10.5×24×32cm——TEM47

20×24×32cm——TEM47－HP

? 重量：5.3Kg——TEM47 6Kg——TEM47－HP b. TEM57 –MK2发射机技术指标

? 电流波型：偶极方波，占空系数50%

? 基本频率：3，7.5，30Hz（功率传输线为60Hz时）

2.5，6.25，25Hz（功率传输线为50Hz时） 如果用同步电缆，可以达到1Hz以下的基频

? 关断时间：20到150μs，依赖发射线圈尺寸，匝数和发射电流大小

? 发射线圈尺寸：单匝可任意尺寸，但最小电阻不应低于0.7欧姆，最大发射线圈可

到300×600m，8匝；5m×5m或10m×10m ? 输出电流：最大28A，56A峰峰值

? 输出电压：18伏—60伏连续可调，当外接电源时可达3800W

? 电源：1800瓦，110/220V单项发电机供电或最多8个12伏电瓶直流供电 ? 同步：电缆同步或晶体同步 ? 防护：电和电磁防护 ? 工作温度：-35℃—+50℃ ? 尺寸：43 x 25 x 25 厘米 ? 重量：15公斤

? 发动机尺寸：51 x43 x 41 厘米 ? 发动机重量：31kg c. TEM67发射机技术指标

I．TEM57 –MK2发射机

? 电流波型：偶极方波，占空系数50%

? 基本频率：3，7.5，30Hz（功率传输线为60Hz时）

2.5，6.25，25Hz（功率传输线为50Hz时）

如果用同步电缆，可以达到1Hz以下基频 ? ? 关断时间：20到150μs，依赖发射线圈尺寸，匝数和发射电流大小 ? ? 发射线圈尺寸：单匝可任意尺寸，但最小电阻不应低于0.7欧姆，最大发

射线圈可到300×600m，8匝；5m×5m或10m×10m ? ? 输出电流：最大28A，56A峰峰值 ? ? 输出电压：18伏—60伏连续可调，当外接电源时可达3800W ? ? 电源：1800瓦，110/220V单项发电机供电或最多8个12伏电瓶直流供电 ? ? 同步：电缆同步或晶体同步

? ? 防护：电和电磁防护 ? ? 工作温度：-35℃—+50℃ ? ? 尺寸：43 x 25 x 25 厘米 ? ? 重量：15公斤 ? ? 发动机尺寸：51 x43 x 41 厘米 ? ? 发动机重量：31kg II．TEM67功率模块

? 输出电压：18VDC到90VDC连续可控 ? 最大电流：28A（56A峰峰值）

? 输入功率：110/220VAC，50/60Hz单相3000W ? 防护：电和电磁防护 ? 工作温度：-35℃—+50℃ ? 尺寸：42 x 20 x 31 厘米 ? 重量：12kg III. 发动机EV4500

? 尺寸：60 x 44 x 55 厘米 ? 重量：70公斤

? 输出：120/220VAC/60Hz/4500W ? 燃油箱容量：18L ? 工作能力：8小时

d. PROTEM数字接收机技术指标

? 观测值：三分量感应磁场的衰减比，nv/m2

? 电磁传感器：LF低频线圈——带宽60kHz的空心线圈，直径100cm

HF高频线圈——带宽700kHz的空心线圈，直径61cm 3D-3——正交三分量传感器，实时操作 3D-1——正交三分量传感器，连续操作 H.F.3D——高频正交三分量传感器

? 时间门： 20或30个时间门，60μs～800ms

? 基本频率：0.3，0.75，3，7.5，30，75，285Hz（60Hz工频时）

0.25，0.625，2.5，6.25，25，62.5，237.5Hz（50Hz工频时）

? 同频：参考电缆同步或高稳定性石英晶体同步 ? 积分时间：0.25，2，4，8，15，30，60和120秒 ? 标定：内部自标定或外部Q线圈标定 ? 键盘：二个3×4阵列，防水 ? 增益：人工选择

? 动态范围：29bits (175dB)

? 显示：磁通量时间衰减比表(dB/dt)

磁通量时间衰减曲线(dB/dt) 视电阻率表ρa 视电阻率曲线ρa 剖面

实时噪声监测 标定曲线

数据采集统计（实时）

? 数据存储器：固态存储器，3300套/25000套可选 ? 显示器：240×64点液晶显示 ? 数据传输：RS232输出

? 处理器：CMOS 68HC000 8MHz CPU

? 电源：12V可充电电源，可连续工作8小时，XTAL模式下6小时 ? 体积：34×38×27cm ? 重量：15Kg

? 工作温度：-40℃—+50℃

? 信号分辨率：24位，包括1个符号位，系统分辨率29位

PS: PROTEM数字接收机可以与五种TEM47,TEM57,TEM37,TEM57-MK2,TEM67

Geonics发射机匹配——

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nei2.html