物探實驗成圖與異常識別結果的分析與研究*

邢士發， 歐陽鑫， 楊 璽， 李英娜， 李 川

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

物探實驗成圖與異常識別結果的分析與研究*

邢士發， 歐陽鑫， 楊 璽， 李英娜， 李 川

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

基于瞬變電磁法的水體與云南省楚雄州腰站變電站物探實驗。采用的設備為LTEM—1型瞬變電磁儀，其中，水體實驗采用1條測線,12個測點的實驗布局，變電站實驗采用4條測線,平均32個測點的實驗布局，利用改進的等值線圖生成算法與異常區域識別算法對實驗所得視電阻率數據進行了應用分析與研究。

物探； 瞬變電磁法； 變電站； 等值線圖； 視電阻率

0 引 言

物探是利用物理方法進行勘探的一種方法，是以不同巖、礦、土、水等介質之間的物理差異為物質基礎，利用物理學原理，通過觀測和研究地球物理場的時空分布規律，來解決地質問題即地質體空間分布的方法[1,2]。同時物探可以結合等值線圖來呈現出來，等值線圖(contour map)是一種在氣象、海洋、地球物理勘探等領域內應用極廣的圖形，其通過可視化的方式，將不易識別出特征的數據集合更直觀地呈現出來[3,4]。

瞬變電磁法(transient electromagnetic method，TEM)也稱之為時間域電磁法[5～7]，這種方法先是利用回線或者線源向地下發射脈沖式電磁場，在產生一次磁場的脈沖間隙，利用接收線圈或者接電電極觀測二次電磁場的變化規律。通過接收線圈接收到的數據和信息，可以推斷出地下介質通過電磁感應而產生的二次電磁場的變化情況，從而進一步得到地下介質的異?，F象，進而分析出地質體不均勻的導電性以及電磁場中電流的衰減位置，利用這種方法來解決與地質勘探相關的問題。

1 實驗裝置

實驗裝置為LTEM—1型瞬變電磁儀，采用了雙極性矩形波供電，供電時利用發射線圈向地下發送一次脈沖磁場，當地下存在探測目標時，一次場會激勵地質體，根據電磁感應原理，地下目標體會產生磁場，在一次場的間歇期間利用接收線圈來接收二次場，儀器將得到的信息存儲、提取和分析，如圖1所示。

LTEM—1型瞬變電磁系統是由主機LTEM—1型瞬變電磁儀(收發一體式[8]，包含PC、測量電路及邏輯控制電路、保護電路)、外接發射線圈供電電源、LTEM—1型瞬變電磁儀主機電源、發射線圈、接收線圈組成。如圖2所示。

圖1 LTEM—1型瞬變電磁儀的野外工作方法原理

其中，PC負責控制發射與接收部分，PC控制發射部分通過發射線圈發送一次場，再控制接收部分由接收線圈接收二次場，如圖2。探測的電壓數據將傳回PC中保存為excel表格文件。

圖2 LTEM—1型瞬變電磁儀內部結構圖

2 研究水體TEM物探實驗

2.1 實驗內容

為了能夠取得地質視電阻率數據，以便進行等值線圖生成與異常區域自動識別，需用LTEM—1型瞬變電磁儀進行相關物探實驗。首先進行了一種具有低阻特征的地質區域—水體的模擬實驗，其中對LTEM—1的配置：發射線圈(形狀為矩形，邊長為0.24 m，匝數為22，總電阻為0.613 Ω),接收線圈(形狀為矩形，邊長為0.24 m，匝數為10),供電電壓為12.07 V,供電電流為20.76 A,疊加次數為13,測線數量為1,測點數量為12,測點距離為0.12 m,測道數量為40。現場如圖3。

圖3 等級為11的視電阻率等值線圖與水體區域識別

由于實驗數據為時間域的電壓數據，還需要利用TEM均勻半空間視電阻率的計算方法，將電壓數據結合LTEM—1配置參數反演成視電阻率數據。由于本文中的TEM物探實驗均采用重疊(中心)回線裝置，所以，這里主要討論中心回線裝置的一種視電阻率ρτ的計算方法。中心回線裝置的感應電壓表達式是美國地球物理學家于1983年推導出來的，其表達式為

(1)

(2)

為了從式(2)中求解ρ，采用編程的方法求解非線性方程(2)，對于每個i測到的Z滿足

(3)

(4)

解非線性方程(3)的方法如下：

1)通過二分法在區間Z(Z0,ZM)內找到有相反符號的FUN(ZL)及FUN(ZR)的橫坐標(ZL,ZR)。

2)用米勒法在(ZL,ZR)之間求出FUN(Z)=0的根。由于FUN(Z)為Z的雙值函數，每個[ti,V(ti)]對應兩個ρτ(ti)值，可以采用比較法選取與前一個時刻的ρτ(tj-1)值相近的值ρτ(ti)。

由式(4)可以看出，每個時間點ti都對應了一個視電阻率ρτ，要將ρτ從時間域轉變為空間域，還需要計算每個ρτ對應的深度hτ。有一種簡便的hτ公式為

(5)

式中 t以ms為單位，ρτ以Ω·m為單位。公式引自于美國Zonge公司的技術文檔，并根據野外的應用資料，當ρτ為全期視電阻時，系數取20，一般能夠取得較好的結果。

經過計算的單個視電阻率數據具有測點(或測寬)、測深、視電阻率值3個屬性。因此，可以定義視電阻率文件格式為一個表格，格式如表1。

表1 視電阻率文件格式

由表1可見，視電阻率數據文件格式表現為平面離散分布狀態，每個數據點具有平面坐標，且具有屬性值即視電阻率值，這種數據格式為平面離散型，符合等值線圖的生成要求。進一步地可以對平面離散視電阻率數據生成等值線圖來更直觀地表達地質體視電阻率分布形態。

2.2 視電阻率等值線圖生成與水體區域識別結果

為了進一步將成圖與識別算法應用到實際數據中，這里對水體物探實驗測得并計算出的視電阻率數據，進行等值線圖生成與異常區域(這里為水體)的識別[9，10]。需要闡述的是，當等值線圖的精度較小時，等值線之間視電阻率差值較大，算法的識別精度越小。圖4(由于等值線圖中的橫坐標代表測點號，這里還需要乘以實驗時的測點距離0.12 m)中等值線圖等級為11，設置水體視電阻率范圍為0～139 Ω·m時，識別出了一個面積為0.000 68 m2的小區域，具體見表2。由于水體實驗放置了2個水盆，則可知該區域為錯誤識別區域，當設置等值線圖等級為23時，如圖5所示，小區域沒有被當做水體區域識別出來，且識別水體區域數據大致可靠。具體見表3。

圖4 等級為11的視電阻率等值線圖與水體區域識別

L/mT/m中心X/m中心Y/m面積/m2類型0.91-0.171.07-0.410.092819水體0.23-0.690.25-0.720.00068水體0.49-0.430.62-0.670.02289水體

圖5 等級為23的視電阻率等值線圖與水體區域識別

L/mT/m中心X/m中心Y/m面積/m2類型0.94-0.21.05-0.370.072182水體0.61-0.440.67-0.660.008924水體

3 腰站變電站TEM物探實驗

3.1 實驗內容

為了進行實地物探實驗，經過前期研究，選定楚雄供電局220 kV腰站變電站作為應用試點站。楚雄供電局220 kV腰站變電站位于楚雄祿豐縣勤豐鎮羊街村北面約2 km的山丘上，海拔高度1 923 m，占地面積22 876 m2，于2009年12月25日建成投產,是楚雄祿豐地區的重要變電站之一。主供電源由500 kV和平變220 kV和腰I回線、220 kV和腰II回線供電。自建成后，由于邊坡滑動的作用，北側上下游擋土墻均出現了裂縫，地質結構存在較明顯安全隱患。而由于地處云南省北部，氣候環境多變，冬夏降雨量分布差異大，冬季氣溫較低，使得塔架及輸變電線路風舞、覆冰現象明顯。選擇腰站變電站作為項目的實施地能更加具有針對性，而實驗的順利進展也證明了TEM地質勘探的普適性和可推廣性。為了降低電磁干擾對設備的影響，實驗選定在變電站維護階段進行，從而使設備能夠在可接受的電磁場范圍內正常工作。

腰站山地變電站邊坡，分別對上平面、上斜坡、下平面和下斜面進行了檢測，其中對LTEM—1的配置為：發射線圈(矩形，邊長為0.73 m，匝數為8，總電阻為1.99 Ω)、接收線圈(矩形，邊長為0.73 m，匝數為7)、供電電壓為12.07 V供電電流為6.06 A、疊加次數為13、測線數量為4、測點平均數量為32、測點距離為1.46 m和測道數量為40。

如同水體實驗，利用如下TEM均勻半空間視電阻率的計算方法，對實驗取得的各個測點各個測道的電壓數據結合LTEM—1的配置參數進行視電阻率反演計算。

3.2 視電阻率等值線圖生成與異常區域識別結果

為了對腰站變電站物探項目實驗視電阻率數據進行分析，利用本文所給算法對下馬道瞬變電磁物探實驗所得視電阻率數據進行等級為23的等值線圖生成，如圖6(a)所示(圖中橫坐標與縱坐標單位均為m)，并進行低阻異常區域特征識別，如圖6(b)所示，具體數據見表4。根據實地勘探，得出該地有呈低阻特征的接地網，且實際位置與識別出的低阻區域位置大致相同。

表4 腰站變電站下馬道低阻區域數據

4 結 論

利用本文裝置進行了低阻地質特征的水體模擬實驗，

圖6 等腰站變電站下馬道電阻率等值線圖與低阻區域識別

為了進一步取得實地勘探數據，又進行了楚雄腰站變電站的TEM物探實驗，將取得的測點測道電壓數據計算為平面離散視電阻率數據，利用本文改進的算法對兩個實驗視電阻率數據生成了等值線圖。利用本文給出的識別算法對兩個實驗的等值線圖進行了異常區域的識別分析，且給出了識別結果。

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Analysis and research based on geophysical experiments mapping and abnormal recognition results*

XING Shi-fa, OUYANG Xin, YANG Xi, LI Ying-na, LI Chuan

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

Based on the waters of the transient electromagnetic method and current conditions of Yunnan waist station substation geophysical experiments,the experiment adopts equipment of LTEM—1 type of transient electromagnetic instrument,including water experiment which used 1 line,experiment of 12 points layout,substation experiment using 4 lines, an average of 32 experiment measuring points layout,which is the improved contour mapping generation algorithm with abnormal regional recognition algorithm.Application analysis and research on apparent resistivity data obtained from experiment are carried out.

geophysical prospecting； transient electromagnetic method(TEM)； transformer substation； contour map； apparent resistivity

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0044—03

2016—05—09

國家自然科學基金資助項目(51567013);昆明理工大學人才培養基金資助項目(KKSY201303004);云南省應用基礎研究計劃資助項目(2013FZ021)；中國博士后科學基金面上資助項目(一等資助)(2014M552552XB)

TP 212

A

1000—9787(2017)05—0044—03

邢士發(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向為光纖光柵傳感技術及應用及信息檢測處理等,E—mail:1182643156@qq.com。

李 川(1971-),男,通訊作者，博士，教授,博士生導師，從事傳感器的研制與檢測應用方向研究工作,E—mail:1625677252@qq.com。