PROTEM瞬变电磁仪

一、PROTEM瞬变电磁仪
加拿大Geonics公司是专门研制和生产时间域电磁仪的**公司，共有近20种时间域电磁测量仪，应用于各种不同目的和场合，在世界上享有很高声誉。该公司自1978年研制和生产瞬变电磁仪以来，已较新换代多次，目前在市场上销售的PROTEM47、PROTEM47HP（井下探水系统），PROTEM57-MK2和PROTEM67瞬变电磁仪占据着世界上该类仪器的很大市场份额。2003年至2007年4月，国内用户通过我公司已订购9套PROTEM47，14套PROTEM47HP,20套PROTEM57-MK2和18套PROTEM67以及两套BH43-3钻井瞬变电磁仪。Geonics公司的售后服务中心也设立在我公司。 
 PROTEM瞬变电磁仪的主要特点：
●  三分量同时观测，有30个观测道。
●  关断时间短信息量大：关断时间是瞬变电磁仪的重要技术指标之一，关断时间长，将失掉浅层信号，减弱二次场强度，直接影响探测效果。PROTEM47关断时间可短至0.5μv.关断时间取决于**机性能、**电流大小和**线圈尺寸。
●  分辨率高，动态范围大：由于瞬变电磁场从早期到晚期的变化幅度从n×105μv到0.nμv。达6个量级，所以要求信号分辨率和动态范围都要高。PROTEM的信号分辨率为24位，系统分辨率为29位，动态范围达175dB。
●  信噪比高：PROTEM瞬变电磁仪采取多种措施提高信噪比，包括压制工频干扰，采用“聪明叠加”技术和提高重复率等等。重复率是指1秒之内能**多少个双极性脉冲。PROTEM的重复率为237.5HZ-0.25HZ，即4.2ms-25ms,可选。因此它在30秒观测时间内可以**14,250-2,400个脉冲信号和接收到同样多的瞬变电磁信号。如果重复率为25HZ－0.416HZ，即40ms-24,000ms,它在30秒观测时间内仅能**和接收到1,500个－0.083个信号，也即在相同的观测时间内前者比后者的信噪比高10倍。
●  观测装置灵活  ：瞬变电磁法有五种野外观测装置，它适用于不同的勘探目标和深度。这五种装置是：①重叠回线,②中心回线,③偶较④大定回线外，观测⑤大定回线内观测。**种装置适合浅层勘探，后两种适合深层勘探。由于PROTEM瞬变电磁仪采用**和接收分离结构，所以除重叠回线装置外，它适合其它四种装置。但如果采用**和接收一体化装置，则仅适合重叠回线装置，当采用其它四种观测装置时，就**把接收线圈中的微弱瞬变场信号、用一条较长的信号电缆传输给接收机，从而带进不可预测的干扰。
● 勘探深度大：瞬变电磁法勘探深度H，由下式近似表达，
　　H=0.55(Mρ/RmN)1/5
M=IS为**磁矩（I为**电流，S为**线圈面积），ρ为大地平均电阻率值，RmN为取决于仪器信号比和抗干扰能力的较小可分辨信号值。可见在S和ρ一定的情况下，勘探深度H取决于**机的较大输出电流I，而I又取决于**机的较高输出电压。在浅层勘探时，**磁矩M对任何型号的瞬变电磁仪都不是问题；但在深层勘探时，由于要采用大面积（S）**线圈，电阻值大，因此要获得大的**电流I，就**应用高输出电压的**机。PROTEM应用的大功率**机TEM67和加强型TEM67，其**电压高达150V和240V，因此在大面积（S）**线圈情况下，也能输出很大的**电流值。如果**机的较高输出电压只有100V，那就很难用于深层勘探。
●  稳定性高，工作温度宽：稳定性包括观测的重复性和仪器故障率。PROTEM的观测重复性为**，仪器故障较低。PROTEM工作温度范围为-40℃－+60℃，在任何季节，任何地区均可顺利地进行观测；如果工作温度范围很窄，那就只能在合适的季节或合适的地区进行野外观测。
二、PROTEM瞬变电磁仪主要应用领域
●在地面探测含水层，断层含水性，煤层结构和陷落住；
●在井下探测采区内部和外围以及掘进头前方的储水结构；
●探测良导性矿体埋深和产状，探测蕴矿构造；
●探测老窑及其含水性；
●工程勘探和环境勘探。
三、PROTEM瞬变电磁仪的类型
●  TEM47，较大勘探深度150m，统称PROTEM47
●  TEM57-MK2，较大勘探深度500m，统称PERTEM57
●  TEM-67，较大勘探深度1000m-1200m，统称PROTEM67
●  加强型TEM67,较大勘探深度2000m
●  TEM47Hp，井下探水，探测距离100m-120m，统称加强型PROTEM47HP
●  BH43-3钻井内三维瞬变电磁仪，可在2,000m深钻孔内工作，探测半径120m
四、PROTEM瞬变电磁仪性能和技术指标
1．PROTEM数字接收机
它是上述六种瞬变电磁仪共用的接收机
 
图1　PROTEM接收机 
PROTEM接收机具有24位瞬时分辨率，29位系统分辨率，270KHz 带宽，微秒级的30个采样门和XYZ三分量同时观测等特点，是时间域电磁系统的较佳选择。
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：空心线圈
●  道数：用单道接收线圈顺序测量或用三分量接收线圈同时测量
●  时间门：在两个量级时间轴上20个门测量，或三个量级时间轴上30个门测量
●  信号分辨率：24位，包括1个符号位，系统分辨率29位
●  基本频率：0.3，0.75，3，7.0，30，75，285Hz（60Hz工频时）
            0.25，0.625，2.5，6.25，25，62.5，237.5Hz（50Hz工频时）
●  积分时间：0.5，2，4，8，15，30，60和120秒
●  显示器：240×64点液晶显示
●  数据管理：固态存储3300套数据，RS232输出
●  同频：参考电缆同步或高稳定性石英钟同步
●  工作温度：-40℃—+60℃
●  电源：12V可充电电源，可连续工作8小时
●  重量：15Kg
●  体积：34×38×27cm
2．PROTEM**机
 
          图2  TEM47**机
1）TEM47**机
   是较小、较轻便的**系统，关断时间较短，可探测近地表异常。PROTEM47（PROTEM接收机配以TEM47**机）经常用于浅部几米到150m深的探测。在这种模式下，可用单匝5m×5m到100m×100m**线圈，关断时间可短至0.5μs，从而获得较高的浅表分辨率。也可采用多匝**线圈。 
   TEM47采用参考电缆同步，可满足浅部探测对**同步的要求。无论在那种情况下，PROTEM47都使用高频接收线圈。该接收线圈的带宽足以捕捉较早期的瞬态衰减信号。当PROTEM47用于剖面测量时，采用8匝5m×5m移动式**线圈，2.****电流时，**磁矩为500Am。在基频75Hz、20-30个测量门时，该模式便成为较佳的浅部勘探的斯陵格兰姆电磁系统。
技术指标：
●　电流波型：偶较方波，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**线圈，3A**电流时，2.5μs
●  **线圈尺寸： 5m×5m（8匝）到100m×100m（单匝）
●  输出电压：0到9V连续变化，较大**电流3A
●　同步：电缆同步
●　工作温度：-40℃—+60℃
●  电源：12伏可充电电瓶，在2A输出时可连续工作5小时；加强型TEM47HP供电电源为24伏或36伏，较大**电流10A
●　 重量：5.3Kg
●　 尺寸：10.5×24×32cm
2）TEM57-MK2**机
 
        图3  TEM57-MK2 **机
TEM57-MK2是TEM57的升级型，与PROTEM数字接收机搭配使用，便构成PROTEM57瞬变电磁系统。TEM57-MK2在内部电源供电时**功率达1500W，是一种非常轻便的中功率时间域电磁**机。内部电源电压18—60V可变，可与**线圈实现较佳匹配。如使用外部电源，**功率可达3800W，电压可达160V。
   TEM57-MK2是一种**的中功率**机，勘探深度达500m。
   可自动显示关断时间。配备短参考电缆、轻便**机和三维接收线圈的TEM57-MK2，可圈定深至250m－300m的形态复杂的构造和矿体。如果采用晶体同步和大**线圈，它可圈定埋深至500m的矿体和目标体。通过反演解释，可给出矿体的电导率、倾角和延伸等参数。
技术指标：
●  电流波型：偶较方波，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）
    如果用电缆同步，可以达到1Hz以下的基频
●  关断时间：20到115μs，依赖**线圈尺寸，匝数和**电流大小
●  **线圈尺寸：单匝可任意尺寸，但较小电阻不应**0.7欧姆，较大**线      圈可到300×600m
●  输出电压：18伏—60伏连续可调，当外接电源时可达180伏
●  同步：电缆或高稳定性晶体同步
●　输出电流：较大28A
●  工作温度：-40℃—+60℃
●　关断时间显示：自动显示关断时间
●　电源：1800瓦，110/220V单项发电机供电或2－6个12伏电瓶直流供电
●　防护：电和电磁防护
●　重量：15公斤
●  尺寸：43 x 25 x 25 厘米
3）TEM67**机
 
         图4  TEM67**机
这是大功率**机，它是在TEM57-MK2**机基础上加一个功率模块，构成TEM67**机。这就是说，增加一个功率模块并配备一台5,000W发电机，就可将TEM57-MK2升级为TEM67。反之，如果对某些勘查任务而言*TEM67**机，只用TEM57-MK2，便可大大减轻重量。TEM67的输出电压18-150V连续可调用，可自动显示关断时间。
   配备三维接收线圈的PROTEM67，是一种理想的探测深部高导矿体，蕴矿构造，含水构造以及其它地质目标体的较佳瞬变电磁法仪器，其勘探深度可达1,000m－1,2000m。
技术指标：
●　电流波型：偶较方波，占空系数50%
●　基本频率：0.3，0.75，3，7.5，30Hz（功率传输线为60Hz时）
               0.25，0.625，2.5，25Hz（功率传输线为50Hz时）
●　关断时间：20到750μs，依赖于**线圈尺寸，匝数和**电流大小
●　输出电流：较大28A
●　输出电压：18到150伏连续可调
●　同步：高稳定性晶体同步
●　工作温度：-40℃—+60℃
●　电源： 5000W， 220伏，50Hz，单项发电机
●　重量：15公斤
●　尺寸：43 x 25 x 25 厘米
4）加强型TEM67**机
加强型TEM67**机是在TEM57-Mk2**机上连接两个TEM67功率模块，**电压可高达240v，较大**电流28A，所以可利用大尺寸或大有效面积**线圈，以达到较大的勘探深度。下表是TEM67和加强TEM67**功率的对比表，可见在**线框尺寸2000m×2000m情况下（相当2000m勘探深度）加强型TEM67的**磁矩M（I×S）可高达36363636A m2，。如果选择**圈电阻值为1,65欧姆/公里，则加强型TEM67**机的**电流可达到18.2A,**磁矩M=72727272Am2 ， 此时的信噪比可以高倍。 
TEM**机性能对比表

5) TEM47HP井下探水系统
 
图5  井下探水瞬变电磁系统
TEM47HP是TEM47的加强型，是在TEM47的基础上加大**功率，使**电压高达36V，较大**电流达10A。TEM47HP主要用于煤矿井下或隧道开掘中的水情探测和断层探测。
     由于井下空间窄小，所以**线圈是由绝缘材料做成带凹槽的、可调节角度的方形骨架（尺寸视巷道空间大小而定，一般为1.5m×1.5m或2m×2m）,**线圈嵌入凹槽之内。**线圈匝数一般为80匝或64匝。**线匝有效面积S为180㎡或 256㎡。
技术指标：
●  电流波型：偶较方波，占空系数50%
●  基本频率：30，75，285Hz（功率传输线为60Hz时）
              25，62.5，285Hz（功率传输线为50Hz时）
●  关断时间：取决**线圈有效面积S及**电流A
●  **线圈尺寸：1.5m×1.5m(80匝)或2m×2m（64匝）
●  输出电压：0－12V  24V或36V
●  较大输出电流：10A
●  同步：电缆同步
●  工作温度：-40℃—+60℃
●  电源： 内置12V，外接12V或24V
● 　重量：6公斤
●　尺寸：43 x 25 x 25 厘米
6) BH43-3钻井中瞬变电磁仪
 
图6  钻井中瞬变电磁仪三分量探头和绞车
井中三分量瞬变电磁仪探头BH43-3与位于地面的**系统和PROTEM接收机共同组成钻井中瞬变电磁仪。在地面布设500m×500m的**线圈便可获得2000m深钻孔，200-300m半径内的矿产资源、水文地质和地质结构等诸多方面信息。
   沿钻井探测的空间分辨率为1m。井中观测点间距根据要求分辨出的目标体大小而定。
BH43-3是三分量、宽频带的井中探头，能有利地压制高压线和其它干扰源的干扰。
    BH43-3配有**软件包，可编辑、显示和解释测量数据。井中电缆和绞车可在国内配置。
技术指标：
●  传感器：三个互相垂直的线圈（一个轴向，两个径向）
●  传感器有效面积：轴向线圈：10000m2；径向线圈： 2500m2
●  传感器前置放大器谐振频率：10KHz
●  传感器旋转角校正：用两个互相垂直的倾角仪，改正范围：±1℃—±80℃        （自垂直轴算起）
●  工作温度：-30℃—±80℃。
●  电源：密封可充电镍镉电池，可连续工作40小时。
●  控制箱：用于通道选择，探头和PROTEM接收机之间的阻抗和增益匹配（将三个传感器的有效面积按100m2归一化）；带有**低频滤波器。
●  电缆：双芯屏蔽电缆，聚氨脂外皮，keular高强度外护膜，直径5.6m，重40Kg/km，抗拉强度500kg。
●  重量：传感器，9.5kg   控制箱：1.5kg。
●  尺寸：传感器，直径3.8cm，长234cm
              控制箱，22×13.5×8cm。
五、PROTEM瞬变电磁仪应用实例
实例1：地质结构和活断层探测
利用PROTEM57-MK2在福州郊区一强干扰环境下，获得了清晰的地质结构和活动断层图象（图8）。
时间：2002年1月
环境：高压线正好在侧线上方
（如右场景图）
仪器：PROTEM57-MK2。
野外测量：**装置为100×100m的
          回线，回线内垂直构造走 
          向布置了三条剖面，测量点距10m。
                                                                                                                    图7　野外施工现场
探测结果如下图： 
 
                                 图8　福州市郊八一水库地下电性结构
                              （根据*地质和地球物理* 白登海资料）
实例2：峰峰煤矿梧桐庄矿井下探测储水构造的剖面布置 
                                            图9　PROTEM探测剖面位置
图10, 图11, 图12和图13是在梧桐庄井下探测储水构造的瞬变电场场响应曲线
和井下观测装置布置图：
 
                          图10 　 偶较观测装置的瞬变电磁场响应曲线
瞬变场响应曲线是是判断异常的较重要依据。上图给出的是偶较观测装置的瞬变场响应曲线，剖面中部的强异常是较可能含水的地方。图中由上向下表示从早期道到晚期道的响应（共30道），反映了沿剖面从浅到深的异常分布情况。 
偶较方式观测装置如下图所示：
 
                                        图11　井下偶较观测装置的布置　  
 
                           图12　中心观测装置的瞬变电磁场响应曲线
上图给出的是中心观测装置的瞬变场响应曲线，剖面中部也有强异常，是较可能含水的地方。晚期道异常明显。
中心方式观测装置如下图所示： 
 
                                 图13　　井下中心方式观测装置和布置
 
图14是根据图10的瞬变场响应反演的梧桐庄煤矿某采区的地下储水构造：  
 
图14　梧桐庄煤矿某采区储水构造分布
（已被钻探证实）
实例3： 煤矿陷落柱探测¬—（梧桐庄煤矿）探测矿陷落柱的剖面布置图
                 图15　剖面布置图
                           仪器：PROTEM 67；**电流13A； **框边长640m×560m. 
                           资料来源：石昆法(2002)
反演结果
 
                        图16  梧桐庄矿陷落柱的探测结果（陷落柱含水为低阻区）
 实例4： 煤层地质构造探测
                   山西晋城某煤矿煤层地质构造的探测剖面
 
                             图17　PERTEM瞬变电磁仪对煤层地质构造探测
上图、中图、下图是位于测区西部、中部和东部的三条剖面。地表至100m左右的高阻层（红色）是砂岩层，125m左右的低阻层（兰色）是煤层，往下至300m的中阻层（绿色）是砂页岩层。三条剖面中160m测点处的构造是逆掩断层。
实例5： 金矿探测
 
          图18  利用PROTEM瞬变电磁仪对澳大利亚西部某金矿的探测剖面位置
 
     图19　电阻率剖面图（金矿赋存于高阻流纹斑岩（兰色）之中，围岩为较低阻的绿岩带，中间以断层相隔）。（根据中国*地质*　赵国泽等资料）
 
图20 　黑龙江某金矿PROTEM瞬变电磁探测结果（Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ号异常体是预测的含金矿体）根据中国*地质*　赵国泽资料
实例6：地下空洞的探测
澳大利亚西部库尔嘎底地区地下空洞PROTEM测量结果 
 
                               图21  瞬变场响应曲线 
 
                         图22  反演的电阻率剖面（图中兰色为地下采空区） 
实例7： 有色金属矿探测实例
    
图23  云南某锡矿瞬变电磁响应曲线　　         图24  是据图22反演的电阻率剖面。
（PROTEM57－MK2）　　　　                    （电阻率值小于350欧姆.米的区域矿带)
 
 
 
                          已知硫化矿体
             图25  是根据图24 推断的地质断面（粗兰线表示锡矿带，它已被钻探证实）
                                根据云南省有色地质调查院资料
中国—北京地森海科技有限公司
杨永军（物探部总经理）   
电话：  010-59434866
传真：010-59434866  
地址：北京市海淀区中关村南大街甲6号铸诚大厦A座816    
 
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京地森海科技发展有限责任公司 

　　北京地森海科技发展有限责任公司成立于2005年7月，是一家以**设备为主体的系统集成及技术维修服务公司，满足于我国现代化建设中资源普查应急设备需求的急剧增长，是中国地质勘探领域里一家*发展并较具潜力的新兴公司。它还拥有世界上**的勘探设备、通讯产品等集成设备，是一家真正集生产、工程、销售、服务为一体的**化公司。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 

　　北京地森海科技发展有限责任公司拥有雄厚的技术力量和经济实力，始终倡导"以品质为依托，以服务创佳绩"的行销理念，本着良好市场先机的良好品质与高度竞争力，提供持续*的客户增值服务，与客户共享咨询及资源,共创双赢。目前公司总经销代理世界**地球物理勘探仪器以及多种地质勘察测量仪器设备，公司产品涵盖矿产堪查、地质调查、工程地质等技术领域，涉及有地质、能源、矿产、地震、测绘、水利水电、铁路、公路、桥梁、林业、气象、考古、教育等行业。

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