暫態電磁方法(TEM)探測原理

TEM探測的主要原理是以方波電流通入在地表面不接地的封閉線圈內，如果將線圈內的電流突然切斷，會使原先在封閉線圈周遭已經建立的磁場突然產生變化，此變化將造成地下導體被感應產生二次磁場(依循法拉第感應定律)，該二次磁場，可被地表之接收線圈所測獲(圖1)。TEM即是量取該二次磁場(實際上接收線圈記錄的是二次磁場之感應電動勢變化引起的磁場強度)隨時間之變化值，藉以獲取地下岩層導電的相關訊息。
一般而言，量測之二次感應磁場電動勢越強，反應目標體導電率越高(電阻率越低)，而時間越晚期之訊號，由於感應電動勢來自較深的目標物，因此反應越深部之目標物反應。因此藉由分析輸出的電動勢電壓值高低與其隨時間衰減的現象，可據以研判地下岩層的電阻率及其深度位置(McNeill, 1980, Nabighian, et al., 1991, Smith, et al., 1991):一般情況下，TEM測深可深達100m~500m，因此在地質工程及環境污染偵測等方面應用相當廣泛。

 

現場施測方式

TEM探測主要係接收來自地下導體所產生的二次磁場，因此發射線圈與接收線圈的配置對於探測結果影響相當顯著，圖2 為常用的二種線圈配置模式，一為共圈模式（coincident-loop），發射線圈與接收線圈的形態與面積相似，可以測得大面積範圍內的平均效應，常用以探測深部目標，惟僅可解析大範圍地層構造，另一為圈內模式（in-loop），以小面積接收線圈在發射線圈內接收訊號，由於接收線圈範圍小，佈設上較為快速有效率，另外，接收點亦可於發射線圈內移動連續密集收取同一發射線圈之發射訊號，可以解析細部地層構造。

 

資料解釋

共圈脈衝TEM資料，通常以視導電率-時間圖展示，但本研究採用以視導電率-深度展示。雖然此演算法是近似結果，但是其原理簡單、計算快速，尤其是不需要設定初始模型，為其最大優點。此演算法之原理是基於層狀構造，所以非常適用於水平地質構造，然而亦適用於確認非無限延伸之異常構造。視導電率-深度求法中，視導電率可從馬克士威方程式的一維近似解析解求得(Spies, 1989)，深度則取決於最大靈敏度(亦即最大電流)位置(Smith, et al., 1991)。

視電阻率可依以下公式計算求得(Sun, et al., 2016):
   (1)

利用上述視電阻率，可進一步推算最大電流位置縱向電導率(​​):
   (2)

另外，亦可根據前述參數推估最大敏度位置的視深度(h):
   (3)


上式(1)-(3)中，為視電阻率(Ohm-m)，=4π×107(H/m)， M 是發射線圈磁矩(Amp-m2)， t為時間窗(sec)， a為接收線圈的有效面積(m2)， 為接收線圈感應電壓(V)。

圖4為Sigma-Geo公司生產之FastSnap暫態電磁儀，測深範圍可達5~500公尺。主要功能可對發射線圈通入0.5、2、7、20、30、45安培，並可改變收訊時間窗之方波函數的交流電，以產生數千Hz 以下的脈衝訊號，以產生一次磁場，並於接收線圈量測由二次磁場感應產生的暫態電壓。

可協助探查地下水、礦脈及地層描繪、污染追蹤、工程基址調查等。本次TEM探測使用圈內模式（in loop），並將接收線圈中心置於發射線圈之中心點(central-loop mode)進行量測，每一測點的座標均使用GPS定位。

探測每一量測點主要記錄地點的暫態電壓或視電阻率變化，再以一維逆推其電阻率，經整理後可繪製調查範圍內地層電阻率分佈圖，據以分析地層地質狀況。本研究團隊TEM量測資料採用ZONDTEMTM軟體進行反演算分析，以估計最佳的一維地下模型。地下電阻率模型通過反演算過程迭代交替，並使用牛頓法求取觀測視電阻率數據和合成模型預測數據之最小二階偏差，計算出當觀測值與預測值以達到最佳的一致性時，最佳之一維地下電阻率模型。


圖4、 a) FastSnap暫態電磁儀主機與電池組，(b) 暫態電磁儀發射器

 

暫態電磁法在科學上的應用

• 管線及建築物基樁態測
• 淺部地殼構造研究
• 金屬礦藏探勘
• 海水入侵調查