傾斜地形對TEM影響分析及其校正方法

霍軍鵬

(陜西陜北礦業韓家灣煤炭有限公司，陜西 神木 719315)

0 引言

瞬變電磁法勘探在一定程度上會受到地形影響，一般在地表條件較為平坦的情況下，瞬變電磁法勘探數據質量較高；而當地表條件較差，地面瞬變電磁資料受地形因素影響時，采集的數據將受到影響，如果不進行有效的地形校正，而直接進行分析解釋，往往會影響解釋結果[1-3]。

國內學者在帶地形的瞬變電磁方面有所研究，但相關文獻在理論方面研究較少。2006年肖懷宇[4]在帶地形的瞬變電磁數值模擬，只考慮了地形起伏時介質的厚度變化對瞬變電磁相應特征的影響，未研究地形起伏造成發射激勵源(一次場)“畸變”的影響，再者研究的地電模型也較為簡單。2009年解海軍[5]也提到瞬變電磁地形影響，采用比值法得到校正系數，對地形復雜地區的瞬變電磁數據進行了相應校正，但未對地形影響下的場的相應特征進行理論性研究。近年來，地形影響下的瞬變電磁文獻也有，但多是根據地形影響下造成的畸變特征采用比值法進行校正，筆者也嘗試過，但效果并不理想。

瞬變電磁法勘探野外施工采用回線源裝置較多[6-8]，文中在回線源的基礎上，從瞬變電磁一次場入手，研究傾斜地形對回線源瞬變電磁響應的影響特征，并在此基礎上提出了傾斜地形影響校正算法——電阻率偏移歸位算法。通過存在傾斜地形影響的煤礦采空區探測實例，證明校正方法有效。

1 磁場疊加理論

以畢奧-薩伐爾定律為基礎，該定律是法國物理學家畢奧·薩伐爾(Biot-Savart)通過研究分析電流元激發磁場的規律而得[9-10]，主要描述電流元在空間任意點(假設為P點)處所激發的磁場，即假設有限長度的導線(邊長L)，并在其中供電流I，那么在其周圍任意點(P點)產生的磁場為

(1)

若給瞬變電磁回線源通電，在空間中任意點P產生的磁場，即是4條邊在該空間任意P點所產生磁場的疊加，如圖1所示。

圖1 回線源在P點處產生磁場示意Fig.1 Magnetic field generated by loop source at point P

2 傾斜地形影響特征分析

圖2所示為傾角10°的傾斜地形模型，地表放瞬變電磁回線源，4條邊的邊長均為100 m，內供1A的電流，分別分析地表下部地層中-20 m、-50 m、-70 m、-100 m處的一次場的分布特征。測線過回線中心點，沿地形傾斜布置，并以中心點為中心，左側為負向，右側為正向。

對圖2中模型模擬計算垂直分量分布曲線圖如圖3所示，為過中心點垂直Z方向Hz分量。由圖可見，淺部的曲線形態變化較大，每條曲線的極大值均位于中心點偏右側，且隨著深度的增加，曲線有對稱分布的趨勢，可見地形影響主要集中在淺部；另外，磁場的極大值向下半回線框區域偏移。綜上可知，隨著深度增加，Hz分量磁場整體表現為隨深度的增加呈依次衰減的趨勢，且畸變程度逐漸減弱，即早期信號受地形影響嚴重，隨著時間的增大，影響程度逐漸降低，具有明顯的時間相關性。

圖2 傾斜地形及瞬變電磁回線源模擬示意Fig.2 Simulation of inclined terrain and transient electromagnetic loop source

圖3 傾斜地形回線源過中心點不同深度垂直分量磁場分布曲線Fig.3 Distribution of vertical component magnetic field at different depths of inclined terrain loop source

傾斜地形影響下瞬變電磁回線源一次場垂直分量(Hz分量)在深度截面中的情況如圖4所示，圖中等值線為一次場強度分布曲線。由圖可見，極大值位于回線內偏右處，即偏向回線源邊線較低一側，此特征在-20 m深的截面圖中尤其明顯，隨深度增加，曲線分布逐漸向均勻變化，表明回線源內部磁場逐漸變得相對均勻，截面內的極大值也逐漸向中心靠近。與圖3中單支曲線表現的結果形式一致，即地形影響對早期數據影響較大。

3 地形影響分析與校正方法

對地面瞬變電磁勘探而言，發射回線源與接收設備都在地表，當地形不平時，不同位置的測點之間存有高程差異，使探測方法的激發場和所接收的二次場因地形影響存在路徑差異，如果直接按照經驗公式統一計算，那么電阻率和深度都會包含這種差異，從而在探測結果中表現出地形的影響，地形越復雜，影響越嚴重，根據前述研究，早期信號受影響程度大于晚期。由磁場強度與距離的關系可知，標高相對低的測點接收的磁場強，標高相對高的測點接收的磁場相對弱。在早期，地下渦流場深度較淺，兩測點之間的高度差占其與渦流場距離的比例高；在晚期，由于渦流場本身較遠，兩測點之間的高度差占比較小。因此，地形影響在早期較明顯，而晚期相對減弱，且該地形影響直接導致反演結果出現誤差，如圖5(a)所示，反演電阻率斷面橫向展布趨勢與地形有鏡像特征，可見地形影響的嚴重性。

圖4 傾斜地形回線源不同深度橫截面一次場Hz分量分布Fig.4 Distribution of Hz component of primary field in different depth of inclined terrain loop source

針對二次磁場傳播距離的影響，提出電阻率偏移歸位算法。對不同高度的2個測點，在同一時刻，渦流場是固定的，反映相同深度地層的電阻率信息，由于地層橫向上具有緩變特性，因此其時間-電阻率曲線規律應一致。選定不同高度2個測點作為基準點，計算其深度-視電阻率曲線，比較煤層標高處的電阻率值，其理論值應大致相同，如不同則為地形影響。將其中一個測點選定為基準點，對其余測點在煤層深度的電阻率進行校正歸一，即實現了地形校正，校正效果如圖5(b)(經校正后的電阻率斷面圖)所示，其電阻率橫向近水平成層性特征明顯，基本上恢復了地層橫向電性近水平的分布特征，校正效果較好。

4 探測實例

4.1 探測區概況

探測區位于陜北黃土高原北緣某煤礦整合區西南部，地貌單元屬典型的黃土梁峁區，地表多被第四系松散沉積物所覆蓋，較大溝谷中出露基巖。區內因沖溝影響，地形起伏較大，多條測線沿溝谷一側的梁峁傾斜方向布置，形成了與本文前述傾斜地形相關的勘探條件。

該煤礦整合前以長壁式采煤方式為主，主采3-3號煤層，也形成了大量的采空區，但絕大部分無詳細資料可循，影響整合后礦井工作面設計與工作安全，需要探測。

圖5 地形校正前后電阻率斷面對比Fig.5 Comparison of resistivity before and after topographic correction

4.2 地球物理特征

區內鉆孔揭露沉積地層由老至新為：第四系；新近系；侏羅系中、下統；三疊系上統。據本地區相關測井曲線，第四系及新近系電阻率曲線近平直，其中第四系地層電阻率值一般在50～80 Ω·m左右；侏羅系中統一般為安定組、直羅組和延安組，上部安定組、直羅組主要成分多以泥巖、砂質泥巖為主，與長石石英砂巖，細中粒砂巖與粉砂巖互層，主要呈偏低阻反映，電阻率值一般在70～120 Ω·m左右；向下延安組主要成分為中細粒長石砂巖、鈣質砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖等，一般含多層煤層，致密的砂巖層及煤層屬導電性較差的高阻層，電阻率值一般大于150 Ω·m，煤層電阻率更高。侏羅系下統富縣組巖性多以泥巖為主，夾含礫中粒、粗粒砂巖及薄層粉砂巖，其下部的三疊系多為較厚的層狀細中粒長石石英砂巖，含大量綠泥石，局部含石英礫、灰綠色泥質包體及黃鐵礦結核等，與上部侏羅系含煤地層相比，其電性呈低阻反映。地層沉積層序清晰，電性較均勻，縱向上由淺至深呈現“低阻→高阻→低阻”的趨勢，當存在不積水采空區時，采空區的空腔將呈高阻反映，其電性值應高于圍巖。

4.3 探測效果分析

對探測數據進行反演計算和電阻率偏移校正，校正后電阻率繪制斷面如圖6所示，圖6(a)為6線電阻率斷面圖，圖6(b)為11線電阻率斷面圖。圖中橫坐標下部為橫向距離，上部為地表點號，可見地形為傾斜地形；斷面圖縱向為高程；圖中黑色虛線為主采煤層；藍色、青色填充低阻區域，紅色、白色填充高阻區域，其余為電阻率由低到高的過渡顏色，具體見右側顏色比例標尺。

圖6 傾斜地形影響下瞬變電磁探測校正后成果Fig.6 The corrected result of TEM detection under the influence of inclined terrain

由圖6所示，縱向上電阻率由淺至深整體呈“低阻→高阻→低阻”的變化趨勢，與前述本測區的地球物理特征吻合，表明探測結果反映了地層電性的分布規律。經采用本文傾斜地形影響校正方法，對電阻率斷面圖進行校正后，回歸了煤系沉積地層應有的橫向均一性，消除了傾斜地層的影響，根據斷面圖中高阻特征區域推斷的采空區，經后期鉆探驗證確為不積水采空區，而且所揭露的采空區恰位于圖中煤層所示高程處，可見傾斜地形影響校正后使探測結果定位更準確。

5 結論

復雜地形在一定程度上對瞬變電磁勘探數據造成影響，通過模擬研究地形影響的特征，可以認識其影響規律，并據此尋找校正方法以達到校正效果。本文通過對傾斜地形影響回線源瞬變電磁信號特征的研究，發現地形對早期信號的影響比較嚴重，隨著時間的推移，探測深度逐漸增大，地形影響也逐漸降低。這種傾斜地形的影響在反演電阻率結果中也表現明顯，在此基礎上提出的電阻率偏移歸位法可以實現受地形影響的反演電阻率的歸位，使其正確反映地層電性規律，將此用于煤礦采空區的勘探工程中，校正了采空區的賦存深度，且獲得了鉆探驗證，因此該方法值得同類工程借鑒。