加拿大Geonics公司是專門研製和生產時間域電磁儀的專業公司,共有近20種時間域電磁測量儀,應用於各種不同目的和場合,在世界上享有很高聲譽。該公司自1978年研製和生產瞬變電磁儀以來,已更新換代多次,目前在市場上銷售的PROTEM47、PROTEM47HP(井下探水系統),PROTEM57-MK2和PROTEM67瞬變電磁儀佔據着世界上該類儀器的很大市場份額。2003年至2007年4月,國內用戶通過我公司已訂購9套PROTEM47,14套PROTEM47HP,20套PROTEM57-MK2和18套PROTEM67以及兩套BH43-3鑽井瞬變電磁儀。Geonics公司的售后服務中心也設立在我公司。
PROTEM瞬變電磁儀的主要特點:
● 三分量同時觀測,有30個觀測道。
● 關斷時間短信息量大:關斷時間是瞬變電磁儀的重要技術指標之一,關斷時間長,將失掉淺層信號,減弱二次場強度,直接影響探測效果。PROTEM47關斷時間可短至0.5μv.關斷時間取決于發射機性能、發射電流大小和發射線圈尺寸。
● 分辨率高,動態範圍大:由於瞬變電磁場從早期到晚期的變化幅度從n×105μv到0.nμv。達6個量級,所以要求信號分辨率和動態範圍都要高。PROTEM的信號分辨率為24位,系統分辨率為29位,動態範圍達175dB。
● 信噪比高:PROTEM瞬變電磁儀採取多種措施提高信噪比,包括壓制工頻干擾,採用“聰明疊加”技術和提高重複率等等。重複率是指1秒之內能發射多少個雙極性脈衝。PROTEM的重複率為237.5HZ-0.25HZ,即4.2ms-25ms,可選。因此它在30秒觀測時間內可以發射14,250-2,400個脈衝信號和接收到同樣多的瞬變電磁信號。如果重複率為25HZ-0.416HZ,即40ms-24,000ms,它在30秒觀測時間內僅能發射和接收到1,500個-0.083個信號,也即在相同的觀測時間內前者比後者的信噪比高10倍。
● 觀測裝置靈活 :瞬變電磁法有五種野外觀測裝置,它適用於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大定回線內觀測。前三種裝置適合淺層勘探,后兩種適合深層勘探。由於PROTEM瞬變電磁儀採用發射和接收分離結構,所以除重疊回線裝置外,它適合其它四種裝置。但如果採用發射和接收一體化裝置,則僅適合重疊回線裝置,當採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,從而帶進不可預測的干擾。
● 勘探深度大:瞬變電磁法勘探深度H,由下式近似表達,
H=0.55(Mρ/RmN)1/5
M=IS為發射磁矩(I為發射電流,S為發射線圈面積),ρ為大地平均電阻率值,RmN為取決于儀器信號比和抗干擾能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取決于發射機的最大輸出電流I,而I又取決于發射機的最高輸出電壓。在淺層勘探時,發射磁矩M對任何型號的瞬變電磁儀都不是問題;但在深層勘探時,由於要採用大麵積(S)發射線圈,電阻值大,因此要獲得大的發射電流I,就必須應用高輸出電壓的發射機。PROTEM應用的大功率發射機TEM67和加強型TEM67,其發射電壓高達150V和240V,因此在大麵積(S)發射線圈情況下,也能輸出很大的發射電流值。如果發射機的最高輸出電壓只有100V,那就很難用於深層勘探。
● 穩定性高,工作溫度寬:穩定性包括觀測的重複性和儀器故障率。PROTEM的觀測重複性為100%,儀器故障極低。PROTEM工作溫度範圍為-40℃-+60℃,在任何季節,任何地區均可順利地進行觀測;如果工作溫度範圍很窄,那就只能在合適的季節或合適的地區進行野外觀測。
二、PROTEM瞬變電磁儀主要應用領域
●在地面探測含水層,斷層含水性,煤層結構和陷落住;
●在井下探測采區內部和外圍以及掘進頭前方的儲水結構;
●探測良導性礦體埋深和產狀,探測蘊礦構造;
●探測老窯及其含水性;
●工程勘探和環境勘探。
三、PROTEM瞬變電磁儀的類型
● TEM47,最大勘探深度150m,統稱PROTEM47
● TEM57-MK2,最大勘探深度500m,統稱PERTEM57
● TEM-67,最大勘探深度1000m-1200m,統稱PROTEM67
● 加強型TEM67,最大勘探深度2000m
● TEM47Hp,井下探水,探測距離100m-120m,統稱加強型PROTEM47HP
● BH43-3鑽井內三維瞬變電磁儀,可在2,000m深鑽孔內工作,探測半徑120m
四、PROTEM瞬變電磁儀性能和技術指標
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位瞬時分辨率,29位系統分辨率,270KHz 帶寬,微秒級的30個采樣門和XYZ三分量同時觀測等特點,是時間域電磁系統的最佳選擇。
技術指標:
● 觀測值:三分量感應磁場的衰減比,nv/m2
● 電磁傳感器:空心線圈
● 道數: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
● 數據管理:固態存儲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
● 重量:15Kg
● 體積:34×38×27cm
2.PROTEM發射機
圖2 TEM47發射機
1)TEM47發射機
是最小、最輕便的發射系統,關斷時間極短,可探測近地表異常。PROTEM47(PROTEM接收機配以TEM47發射機)經常用於淺部几米到150m深的探測。在這種模式下,可用單匝5m×5m到100m×100m發射線圈,關斷時間可短至0.5μs,從而獲得最高的淺表分辨率。也可採用多匝發射線圈。
TEM47採用參考電纜同步,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最早期的瞬態衰減信號。當PROTEM47用於剖面測量時,採用8匝5m×5m移動式發射線圈,2.5A發射電流時,發射磁矩為500Am。在基頻75Hz、20-30個測量門時,該模式便成為最佳的淺部勘探的斯陵格蘭姆電磁系統。
技術指標:
● 電流波型:偶極方波,正、負方波之間可設置50%占空係數
● 基本頻率:30,75,285Hz,(60Hz工頻時)
25,62.5,237.5Hz,(50Hz工頻時)
● 關斷時間:40×40m發射線圈,3A發射電流時,2.5μs
● 發射線圈尺寸: 5m×5m(8匝)到100m×100m(單匝)
● 輸出電壓:0到9V連續變化,最大發射電流3A
● 同步:電纜同步
● 工作溫度:-40℃—+60℃
● 電源:12伏可充電電瓶,在2A輸出時可連續工作5小時;加強型TEM47HP供電電源為24伏或36伏,最大發射電流10A
● 重量:5.3Kg
● 尺寸:10.5×24×32cm
2)TEM57-MK2發射機
圖3 TEM57-MK2 發射機
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在內部電源供電時發射功率達1500W,是一種非常輕便的中功率時間域電磁發射機。內部電源電壓18—60V可變,可與發射線圈實現最佳匹配。如使用外部電源,發射功率可達3800W,電壓可達160V。
TEM57-MK2是一種完美的中功率發射機,勘探深度達500m。
可自動顯示關斷時間。配備短參考電纜、輕便發射機和三維接收線圈的TEM57-MK2,可圈定深至250m-300m的形態複雜的構造和礦體。如果採用晶體同步和大發射線圈,它可圈定埋深至500m的礦體和目標體。通過反演解釋,可給出礦體的電導率、傾角和延伸等參數。
技術指標:
● 電流波型:偶極方波,占空係數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
● 關斷時間:20到115μs,依賴發射線圈尺寸,匝數和發射電流大小
● 發射線圈尺寸:單匝可任意尺寸,但最小電阻不應低於0.7歐姆,最大發射線 圈可到300×600m
● 輸出電壓:18伏—60伏連續可調,當外接電源時可達180伏
● 同步:電纜或高穩定性晶體同步
● 輸出電流:最大28A
● 工作溫度:-40℃—+60℃
● 關斷時間顯示:自動顯示關斷時間
● 電源:1800瓦,110/220V單項發電機供電或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 釐米
3)TEM67發射機
圖4 TEM67發射機
這是大功率發射機,它是在TEM57-MK2發射機基礎上加一個功率模塊,構成TEM67發射機。這就是說,增加一個功率模塊並配備一台5,000W發電機,就可將TEM57-MK2升級為TEM67。反之,如果對某些勘查任務而言無需TEM67發射機,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,可自動顯示關斷時間。
配備三維接收線圈的PROTEM67,是一種理想的探測深部高導礦體,蘊礦構造,含水構造以及其它地質目標體的最佳瞬變電磁法儀器,其勘探深度可達1,000m-1,2000m。
技術指標:
● 電流波型:偶極方波,占空係數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)
● 關斷時間:20到750μs,依賴於發射線圈尺寸,匝數和發射電流大小
● 輸出電流:最大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,單項發電機
● 重量:15公斤
● 尺寸:43 x 25 x 25 釐米
4)加強型TEM67發射機
加強型TEM67發射機是在TEM57-Mk2發射機上連接兩個TEM67功率模塊,發射電壓可高達240v,最大發射電流28A,所以可利用大尺寸或大有效面積發射線圈,以達到更大的勘探深度。下表是TEM67和加強TEM67發射功率的對比表,可見在發射線框尺寸2000m×2000m情況下(相當2000m勘探深度)加強型TEM67的發射磁矩M(I×S)可高達36363636A m2,。如果選擇發射圈電阻值為1,65歐姆/公里,則加強型TEM67發射機的發射電流可達到18.2A,發射磁矩M=72727272Am2 ,此時的信噪比可以高倍。
TEM發射機性能對比表
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的基礎上加大發射功率,使發射電壓高達36V,最大發射電流達10A。TEM47HP主要用於煤礦井下或隧道開掘中的水情探測和斷層探測。
由於井下空間窄小,所以發射線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),發射線圈嵌入凹槽之內。發射線圈匝數一般為80匝或64匝。發射線匝有效面積S為180㎡或 256㎡。
技術指標:
● 電流波型:偶極方波,占空係數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)
● 關斷時間:取決發射線圈有效面積S及發射電流A
● 發射線圈尺寸:1.5m×1.5m(80匝)或2m×2m(64匝)
● 輸出電壓:0-12V 24V或36V
● 最大輸出電流: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 釐米
6) BH43-3鑽井中瞬變電磁儀
圖6 鑽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與位於地面的發射系統和PROTEM接收機共同組成鑽井中瞬變電磁儀。在地面布設500m×500m的發射線圈便可獲得2000m深鑽孔,200-300m半徑內的礦產資源、水文地質和地質結構等諸多方面信息。
沿鑽井探測的空間分辨率為1m。井中觀測點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、顯示和解釋測量數據。井中電纜和絞車可在國內配置。
技術指標:
● 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
● 傳感器旋轉角校正:用兩個互相垂直的傾角儀,改正範圍:±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。
● 控制箱:用於通道選擇,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、PROTEM瞬變電磁儀應用實例
實例1:地質結構和活斷層探測
利用PROTEM57-MK2在福州郊區一強干擾環境下,獲得了清晰的地質結構和活動斷層圖象(圖8)。
時間:2002年1月
環境:高壓線正好在側線上方![](file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image012.jpg)
(如右場景圖)
儀器:PROTEM57-MK2。
野外測量:發射裝置為100×100m的
回線,回線內垂直構造走
向佈置了三條剖面,測量點距10m。
圖7 野外施工現場
探測結果如下圖:
圖8 福州市郊八一水庫地下電性結構
(根據中國科學院地質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造的剖面佈置![](file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image016.jpg)
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場響應曲線
和井下觀測裝置佈置圖:
圖10 偶極觀測裝置的瞬變電磁場響應曲線
瞬變場響應曲線是是判斷異常的最重要依據。上圖給出的是偶極觀測裝置的瞬變場響應曲線,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(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佈置
圖12 中心觀測裝置的瞬變電磁場響應曲線
上圖給出的是中心觀測裝置的瞬變場響應曲線,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佈置
圖14是根據圖10的瞬變場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
(已被鑽探証實)
實例3: 煤礦陷落柱探測¬—(梧桐莊煤礦)探測礦陷落柱的剖面佈置圖
圖15 剖面佈置圖
儀器:PROTEM 67;發射電流13A;發射框邊長640m×560m.
資料來源: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)
實例4: 煤層地質構造探測
山西晉城某煤礦煤層地質構造的探測剖面
圖17 PERTEM瞬變電磁儀對煤層地質構造探測
上圖、中圖、下圖是位於測區西部、中部和東部的三條剖面。地表至100m左右的高阻層(紅色)是砂岩層,125m左右的低阻層(蘭色)是煤層,往下至300m的中阻層(綠色)是砂頁岩層。三條剖面中160m測點處的構造是逆掩斷層。
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(金礦賦存於高阻流紋斑岩(蘭色)之中,圍岩為較低阻的綠岩帶,中間以斷層相隔)。(根據中國地震局地質研究所 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)根據中國地震局地質研究所 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地下空洞PROTEM測量結果
圖21 瞬變場響應曲線
圖22 反演的電阻率剖面(圖中蘭色為地下采空區)
實例7: 有色金屬礦探測實例
圖23 雲南某錫礦瞬變電磁響應曲線 圖24 是據圖22反演的電阻率剖面。
(PROTEM57-MK2) (電阻率值小於350歐姆.米的區域礦帶)
已知硫化礦體
圖25 是根據圖24 推斷的地質斷面(粗蘭線表示錫礦帶,它已被鑽探証實)
根據雲南省有色地質調查院資料