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。

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：发射装置为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
                              （根据中国科学院地质和地球物理研究所 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。 

偶极方式观测装置如下图所示：

                                        图11　井下偶极观测装置的布置　  

                           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，是最可能含水的地方。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；发射电流13a； 发射框边长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）。（根据中国地震局地质研究所　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）根据中国地震局地质研究所　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

 

• 品牌 protem瞬变电磁仪
• 型号 protem瞬变电磁仪