瞬變電磁法中減小勘探盲區的一次嘗試

趙明宣

(山西華冶勘測工程技術有限公司，山西 太原 030002)

瞬變電磁法(TEM)是地球物理科學中廣泛使用的一種地質結構探測方法，具有地形影響小、穿透能力強、工作效率高等優點。這種優越性使瞬變電磁場勘探在方法理論、儀器制造、數據處理及解釋等方面已形成完整的體系并迅速發展。淺層瞬變電磁法在道路地下病害檢測、煤田地下火區定位、礦井探測及邊坡無損檢測等工程中已得到廣泛應用[1-4].

近年來，城市淺層工程物探需求越來越多，但由于瞬變電磁法勘探盲區的存在，仍然難以識別0～20 m深度內的地層信息，亟需研究新的方法滿足這一范圍勘探的需求。

1 基本原理

瞬變電磁法是一種時間域的人工源地球物理電磁感應探測方法，利用不接地回線或接地線源向地下發送脈沖式一次電磁場，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應的地下渦流產生的二次電磁場的空間和時間分布解決有關地質問題。即在發送回線上供一個電流方波, 產生一個向地下傳播的一次磁場，在一次場消失后,該渦流不會立即消失,它將有一個過渡(衰減)過程。該過渡過程又產生一個衰減的二次磁場向地表傳播,由地面的接收回線接收二次磁場。觀測和研究大地瞬變電磁場隨時間的變化規律，可以探測大地電性的垂向變化[5].

接收線圈所接收的信號，一種是來自地下的電磁感應信號，一種是線圈本身的自感。在瞬變電磁接收信號的早期時間道中，線圈自感信號比有用信號大得多，但它比有用信號衰減也快得多，所以總存在一個使瞬變電磁沒法分辨有用信號的時間范圍[6].由于該時間范圍未有效觀測到地下電磁信號，便會產生盲區。

根據煙圈擴散深度公式：

式中：

ρ—電阻率，Ω·m；

t—時間，s；

μ0—自由空間導磁率，H/m,取4π×10-7.

假定探測深度相當于煙圈深度一半，最小可分辨延遲時間tmin，則理論盲區深度為：

由于盲區的存在，常規瞬變電磁法適合20 m以下至數百米深度的探測。因此，要進行20 m以淺范圍的探測，必須采用新的技術方法減小盲區范圍。

2 新儀器及新技術的應用

為了滿足20 m以淺城市精細探測的需要，選取了一款拖拽式高分辨瞬變電磁系統(FCTEM60-1).該系統采用了“恒壓鉗位”高速線性關斷技術和“跨環消耦”消互感技術。“恒壓鉗位”技術是用TVS和SIDAC器件來實現無源恒壓鉗位電路，該方法可以使電流下降線性度好，下降沿兩端抖動小，且電路較為簡單[7].根據磁場疊加原理，弱磁耦合的跨環消耦結構(發射線圈居中，與其同軸的接收線圈由兩子圈組成，分別位于發射線圈內側和外側，兩接收線圈繞制方向相同，內接收線圈的輸出端與外接收線圈輸入端串聯)可以將接收線圈的軸向一次場磁通降為零，從而消除發送、接收線圈的互感[8].這兩種技術結合高密度高動態信號采集，具有極強的淺層和高分辨探測能力，即：“恒壓鉗位”首次實現高速線性關斷，“跨環消耦”不損失激發場和二次場，消除了一次場混疊，減小了信號動態范圍，提高了淺部信號的分辨能力。

跨環消耦結構可以避免削波失真，有效起始采樣時間可提前至t=2 μs，由此可估算盲區(淺層電阻率假定2 Ω·m):

3 現場試驗及成果分析

為了驗證儀器的有效性及淺層勘探效果，選取陽泉某建筑工地進行試驗，該區地處丘陵地區，設計建筑物依山而建，試驗區選在場地西北側，見圖1.

圖1 試驗場地勘探線布設圖

圖2 試驗線視電阻率斷面與現場地形對照圖

圖2基本反映了地層結構，由上至下，電阻率逐步增大，在可見窯洞處，均出現了高阻反映，最左側窯洞A，由于坍塌嚴重，高阻不明顯，B、C、D窯洞較為完整，C洞為B洞中部向右開挖的一個側洞，三窯洞均呈現高阻反映；試驗線里程18～20 m，深度2 m左右也出現了高阻，根據調查，此處也存在的窯洞(已被掩埋)。試驗結果表明，窯洞頂部最高處距勘探線布置的地面不足2 m，但都采集到了有效數據，由此可見該設備在應用中盲區極小。

3條勘探線視電阻率斷面圖見圖3，原鋁土礦開采小窯口位于2、3勘探線之間，里程28～30 m處。由圖3可見，1線在里程20～40 m、礦層埋深位置出現了斷續的低阻體，2線里程20～45 m及3線20～40 m的礦層位置均出現了不連續低阻體及上下延伸情況，且三線的位置對應也較好，說明探測成果還是可信的。分析認為，出現低阻的原因是采動破壞區具有一定規模，已被富水充填物充填且具有一定的體積效應。

圖3 勘探線(1、2、3線)視電阻率斷面圖

在該場地南側鉆探勘察過程中，發現有深約9 m的地下人防空洞且已塌陷，為了進一步測試儀器有效性，在鉆孔附近布置了兩條相交的勘探線進行探測，兩條勘探線出現低阻異常位置與鉆探結果較吻合，并且由此也確定出了該人防空洞的大體走向。

4 結 論

1)該次嘗試表明，運用新技術所做視電阻率斷面成果基本能反映地層視電阻率趨勢，且小框與目標體耦合較好，使地下目的物異常突出，證明通過高速線性關斷和消互感技術減小盲區是可以實現的。

2)小回線瞬變電磁系統具有良好的橫向分辨率，而一個剖面線的視電阻率要連續就必須應有相鄰測點有效體積相互疊加才能給出完整的電性斷面，否則曲線不能連續，假異常較多。因此，要做好瞬變電磁勘查，測網的布設應根據實際情況而定，線距點距不宜過大。