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专业公司，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，已更新换代多次，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.关断时间取决于发射机性能、发射电流大小和发射线圈尺寸。
● 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秒之内能发射多少个双极性脉冲。PROTEM的重复率为237.5HZ-0.25HZ，即4.2ms-25ms,可选。因此它在30秒观测时间内可以发射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秒观测时间内仅能发射和接收到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偶极④大定回线外，观测⑤大定回线内观测。前三种装置适合浅层勘探，后两种适合深层勘探。由于PROTEM瞬变电磁仪采用发射和接收分离结构，所以除重叠回线装置外，它适合其它四种装置。但如果采用发射和接收一体化装置，则仅适合重叠回线装置，当采用其它四种观测装置时，就必须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为发射磁矩（I为发射电流，S为发射线圈面积），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最小可分辨信号值。可见在S和ρ一定的情况下，勘探深度H取决于发射机的最大输出电流I，而I又取决于发射机的最高输出电压。在浅层勘探时，发射磁矩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）发射线圈，电阻值大，因此要获得大的发射电流I，就必须应用高输出电压的发射机。PROTEM应用的大功率发射机TEM67和加强型TEM67，其发射电压高达150V和240V，因此在大面积（S）发射线圈情况下，也能输出很大的发射电流值。如果发射机的最高输出电压只有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100%，仪器故障极低。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，最大勘探深度150m，统称PROTEM47
● TEM57-MK2，最大勘探深度500m，统称PERTEM57
● TEM-67，最大勘探深度1000m-1200m，统称PROTEM67
● 加强型TEM67,最大勘探深度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最佳选择。
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发射机

图2 TEM47发射机
1）TEM47发射机
是最小、最轻便的发射系统，关断时间极短，可探测近地表异常。PROTEM47（PROTEM接收机配以TEM47发射机）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发射线圈，关断时间可短至0.5μs，从而获得最高的浅表分辨率。也可采用多匝发射线圈。
TEM47采用参考电缆同步，可满足浅部探测对高精度同步的要求。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最早期的瞬态衰减信号。当PROTEM47用于剖面测量时，采用8匝5m×5m移动式发射线圈，2.5A发射电流时，发射磁矩为500Am。在基频75Hz、20-30个测量门时，该模式便成为最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，3A发射电流时，2.5μs
● 发射线圈尺寸： 5m×5m（8匝）到100m×100m（单匝）
● 输出电压：0到9V连续变化，最大发射电流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，最大发射电流10A
●　 重量：5.3Kg
●　 尺寸：10.5×24×32cm
2）TEM57-MK2发射机

图3 TEM57-MK2 发射机
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在内部电源供电时发射功率达1500W，是一种非常轻便的中功率时间域电磁发射机。内部电源电压18—60V可变，可与发射线圈实现最佳匹配。如使用外部电源，发射功率可达3800W，电压可达160V。
TEM57-MK2是一种完美的中功率发射机，勘探深度达500m。
可自动显示关断时间。配备短参考电缆、轻便发射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发射线圈，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）
如果用电缆同步，可以达到1Hz以下的基频
● 关断时间：20到115μs，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
● 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：最大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发射机

图4 TEM67发射机
这是大功率发射机，它是在TEM57-MK2发射机基础上加一个功率模块，构成TEM67发射机。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无需TEM67发射机，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最佳瞬变电磁法仪器，其勘探深度可达1,000m－1,2000m。
技术指标：
●　电流波型：偶极方波，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，依赖于发射线圈尺寸，匝数和发射电流大小
●　输出电流：最大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发射机
加强型TEM67发射机是在TEM57-Mk2发射机上连接两个TEM67功率模块，发射电压可高达240v，最大发射电流28A，所以可利用大尺寸或大有效面积发射线圈，以达到更大的勘探深度。下表是TEM67和加强TEM67发射功率的对比表，可见在发射线框尺寸2000m×2000m情况下（相当2000m勘探深度）加强型TEM67的发射磁矩M（I×S）可高达36363636A m2，。如果选择发射圈电阻值为1,65欧姆/公里，则加强型TEM67发射机的发射电流可达到18.2A,发射磁矩M=72727272Am2 ， 此时的信噪比可以高倍。
TEM发射机性能对比表

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的基础上加大发射功率，使发射电压高达36V，最大发射电流达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，所以发射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）,发射线圈嵌入凹槽之内。发射线圈匝数一般为80匝或64匝。发射线匝有效面积S为180㎡或 256㎡。
技术指标：
● 电流波型：偶极方波，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：取决发射线圈有效面积S及发射电流A
● 发射线圈尺寸：1.5m×1.5m(80匝)或2m×2m（64匝）
● 输出电压：0－12V 24V或36V
● 最大输出电流：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与位于地面的发射系统和PROTEM接收机共同组成钻井中瞬变电磁仪。在地面布设500m×500m的发射线圈便可获得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配有专用软件包，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）；带有超低频滤波器。
● 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。