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2009年6月，国内用户通过我公司已订购13套PROTEM47，23套PROTEM47HP,27 套PROTEM57 -MK2和24套PROTEM67，2套PROTEM67 HP以及3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
• 油、气田勘探

三、PROTEM瞬变电磁仪类型

• 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TEM67HP,最大勘探深度1500m
• EM47Hp，井下探水，探测距离100m-150m
• 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150-250m

四、PROTEM瞬变电磁仪性能和技术指标：

1．PROTEM数字接收

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一倍。

TEM发射机性能对比

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。

五、应用实例

实例1：地质结构和活断层探测

         图7 野外施工现场

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
仪器：PROTEM57-MK2。
野外测量：发射装置为100×100m的 回线，回线内垂直构造走 
                向布置探测剖面，测量点  距10m。

探测结果如下图

                图8　福州市郊八一水库地下电性结构

可见，在上述观测装置下探测深度可达300m，探测的地下构造、电性分层及其变化都十分清晰。

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和图10是在梧桐庄井下探测储水构造的瞬变场响应曲线和反演结果：

             图9 　 偶极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最重要依据。上图给出的是偶极观测装置的瞬变场响应曲线，剖面中部的强异常是最可能含水的地方。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。

                图10  梧桐庄煤矿某采区储水构造分布
                     （已被钻探证实）
实例3： 煤层地质构造探测

下图是河南某煤矿的瞬变电磁法探测结果：

仪器类型：PROTEM 67
野外装置：大定源，发射线圈尺寸1000m*1000m
发射基频：0.625Hz
接收点距：10m

                         图11

从上图可见，探测深度达1500m，电性分层清晰，煤层反映明确，顶、底板结构清晰，高阻基底起伏显然，未发现储水结构。

实例4：小煤窑探测

为了探测内蒙霍尔全旗地区小煤窑分布，北京欧华联科技有限责任公司物探部采用瞬变电磁法，高密度法和GMS-07进行了广泛的探测，图12是瞬变电磁法的探测结果。

仪器类型：PROTEM 47
装置结构：大定源，发射线圈200m*200m
基本频率：25Hz
点距：5m
霍尔全旗气候干燥，年降水量不足150mm，浅部没有较好的含水层，煤层为高阻，埋深40-50m，采空区不充水，为图内最高阻地段。

                                                  图12

从图12可见，埋深40-50m之间的高阻层是煤系地层（黄道区），在桩号1160-1280之间，1440-1520之间，1640-1720之间的特高阻异常（红道区）为采空区，此结果已被甲方认可。

实例5： 金矿探测

       图13    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14　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）。（根据中国地震局地质研究所　赵国泽等资料）

 图15　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）

                 根据中国地震局地质研究所赵国泽资料

实例6： 有色金属矿探测实例

   图16  云南某锡矿瞬变电磁响应曲线　　            图17 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）

      图18  是根据图17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

实例7 硫化物矿体

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，采用PROTEM并布设大发射线圈进行地表勘探，在发射线圈内外布设几条测线。图17所示为PROTEM测定的异常体横截面投影，此异常体已经钻孔验证了。

                   图19   横截面及测量布置

PROTEM测量可以探测几种低阻层，如块状硫化物、断层、断层带。

实例8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的时间域仪器进行了大规模测量。

?  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（图20）。

图20a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20b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， PROTEM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20  Stillwater探测