小線框重疊回線TEM在地質(zhì)勘察中的應(yīng)用效果

摘 要：重疊回線是發(fā)射線圈和接收線圈重合敷設(shè)的裝置，當(dāng)利用偶極子合成回線源方式計(jì)算重疊回線TEM全區(qū)視電阻率處理實(shí)測數(shù)據(jù)時(shí)，可以有效消除晚期視電阻率存在的“邊界效應(yīng)”，使早期道視電阻率接近地表真實(shí)電阻率，這在地質(zhì)勘察中具有重要意義。本文將小線框重疊回線瞬變電磁法（TEM）應(yīng)用在甘肅省蘭州市紅古區(qū)某引水工程地質(zhì)勘察中，分層效果良好。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁法；小線框；重疊回線；分層

中圖分類號：P 631" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

目前，瞬變電磁法是一種實(shí)用效果和前景良好的電法勘探方法，在國內(nèi)外發(fā)展迅速。科學(xué)家提出瞬變電磁法的一維正、反演理論研究。西方學(xué)者就瞬變電磁法正演模擬理論方面發(fā)表了大量的論文。我國學(xué)者樸化榮就瞬變電磁測深理論進(jìn)行深入研究并形成了經(jīng)典教材[1]。柳夏衛(wèi)等[2]將瞬變電磁法應(yīng)用在探測煤礦采空區(qū)及其積水區(qū)中。長安大學(xué)孟慶鑫，馮兵等在碩士論文中對瞬變電磁在煤田導(dǎo)水構(gòu)造勘查上的應(yīng)用效果進(jìn)行了深入研究[3]。本文利用小線框重疊回線瞬變電磁法（TEM）對甘肅省蘭州市紅古區(qū)進(jìn)行了基-覆界線探測試驗(yàn)工作，視電阻率成果圖中分層效果明顯，對后期的勘察工作具有指導(dǎo)意義。

1 TEM原理

瞬變電磁法又稱為脈沖瞬變法，簡稱TEM，是一種時(shí)間域的電磁探測方法。它是利用不接地回線或接地電偶源向地下發(fā)送一次場，在一次場的間歇期觀測二次漩渦場的方法。其基本工作方法是：在地面布設(shè)可以通過一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，斷電后感應(yīng)電流因熱損耗而隨時(shí)間衰減。衰減過程分為早、中和晚期。早期的電磁場相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度淺。而晚期成分相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨附深度大。通過測量斷電后各時(shí)間段的二次場隨時(shí)間變化規(guī)律，可以得到不同的地電特征[2]。由于該方法是在一次場斷電的瞬間測純二次場，具有體積效應(yīng)小，橫向分別率高，對低阻反映靈敏，與探測地質(zhì)體具有最佳耦合，受旁側(cè)地質(zhì)體影響小的特點(diǎn)，因此可根據(jù)二次場衰減曲線特征判斷地下地質(zhì)體的電性、規(guī)模、產(chǎn)狀等。由于是在沒有一次場背景的情形下觀測純二次場異常，因此異常更直接、探測效果更明顯、原始數(shù)據(jù)的保真度更高。重疊回線是發(fā)射線圈和接收線圈重合敷設(shè)的裝置，在工作過程中，發(fā)射線圈和接收線圈同時(shí)移動(dòng)，也叫共圈回線，受地形起伏影響小、分辨率高，因此被廣泛應(yīng)用。

由于瞬變電磁測深法是在一次場斷電后測量純二次場，因此不存在一次場源的干擾，此外，由傅里葉變換可知，一個(gè)階躍脈沖實(shí)際上是由各種高頻和低頻諧波疊加而成的，產(chǎn)生的場是一種寬頻帶電磁波，因此與頻域電磁法相比，瞬變電磁具有很多優(yōu)點(diǎn)。

觀測純二次場，可以進(jìn)行近區(qū)觀測，對旁側(cè)影響較小，從而提高分辨能力?？捎眉哟蠊β实姆椒ㄔ鰪?qiáng)二次場信號，提高信噪比，從而增加勘探深度，穿透高阻層能力強(qiáng)。由于采用人工源方法，因此隨機(jī)干擾影響小[3]，TEM受地形影響較小。發(fā)射線圈形狀、方位要求相對寬松，測地工作簡單、工效高。測磁場受靜態(tài)位移的影響小，可以通過選擇不同的時(shí)間序列進(jìn)行觀測，有效地壓制各種噪聲，可以獲得不同勘探深度，使剖面與測深工作結(jié)合。通過多次脈沖激發(fā)，場的重復(fù)觀測疊加和空間域多次覆蓋技術(shù)的應(yīng)用，可以提高信噪比與觀測精度[3]。瞬變電磁原理如圖1所示。

2 瞬變電磁測深理論基礎(chǔ)公式

在發(fā)射線圈中的階躍電流I所產(chǎn)生的場強(qiáng)如公式（1）所示。

（1）

在重疊回線線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)場如公式（2）所示。

（2）

視電阻率的轉(zhuǎn)換公式如公式（3）所示。

（3）

等效探測深度如公式（4）所示。

（m） （4）

式中：M=S×N×I，M為發(fā)射回線磁矩；Bz為垂直磁場強(qiáng)度；N為匝數(shù)；I為供電電流強(qiáng)度，μ0為磁導(dǎo)率常數(shù)4π×10-7H/m；μ為磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率；q為感應(yīng)電荷；t為時(shí)間；ρ為地層平均電阻率；ρτ視電阻率；ε（t）為感應(yīng)場強(qiáng)度；π為圓周率；hτ為等效探測深度。

公式（1）～公式（4）為瞬變電磁測深理論的基礎(chǔ)公式，可以看出電阻率越低感應(yīng)二次場越強(qiáng)，而探測深度越淺。

3 重疊回線瞬變電磁前期試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

本次野外數(shù)據(jù)采集儀器為瞬變電磁儀，重疊回線是發(fā)射線圈和接收線圈重合敷設(shè)的裝置，在工作過程中，發(fā)射線圈和接收線圈同時(shí)移動(dòng)，也叫共圈回線，野外工作示意圖如圖2所示。

本次參數(shù)試驗(yàn)工作主要是瞬變電磁法野外采集參數(shù)，目的是在試驗(yàn)點(diǎn)選擇不同的裝置參數(shù)組合采集瞬變電磁法數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，繪制不同參數(shù)條件下的電位衰減曲線，結(jié)合測點(diǎn)的實(shí)際地質(zhì)狀況，選定適合本工區(qū)瞬變電磁法探測工作的參數(shù)。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

本次瞬變電磁法野外數(shù)據(jù)采集采用中心回線裝置。由于點(diǎn)試驗(yàn)涉及3種參數(shù)組合，每個(gè)測點(diǎn)組合參數(shù)較多，因此瞬變電磁法點(diǎn)試驗(yàn)成果是在參考每個(gè)點(diǎn)衰減曲線的基礎(chǔ)上得出的，由于數(shù)據(jù)及參數(shù)圖件量較大，逐一羅列意義不大，因此以發(fā)射頻率選擇為例，對選擇依據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，其余參數(shù)均經(jīng)過比較，最終選擇使用野外采集參數(shù)。不同頻率測點(diǎn)電位衰減曲線如圖3所示。從圖3可以看出，當(dāng)發(fā)射頻率為75Hz時(shí)，衰減曲線的32道后出現(xiàn)了噪聲干擾，27道后V/I值＜1μV/A，35道后V/I值＜0.1μV/A。從圖3中可以看出當(dāng)發(fā)射頻率為25Hz時(shí)，衰減曲線整體完整，首支、尾支均比75Hz時(shí)平穩(wěn)，40道的V/I值均＞5μV/A，根據(jù)2m×2m發(fā)射框的TEM探測深度，本次選擇25Hz。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)過實(shí)地試驗(yàn)后，確定以下工作參數(shù)：回線框?yàn)?m×2m，發(fā)射線圈2匝，接收線圈5匝，發(fā)射頻率為25Hz，疊加次數(shù)為512，采樣窗口時(shí)間為0.036ms～27.915ms，延時(shí)為130μs，測道數(shù)為40道，發(fā)射電流約為7.3A，接收線圈等效面積為20㎡。

4 實(shí)測資料解譯

數(shù)據(jù)處理階段，對原始實(shí)測的數(shù)據(jù)來說，首先，進(jìn)行整理和預(yù)處理，其次，計(jì)算視電阻率，經(jīng)過時(shí)深轉(zhuǎn)換、地形校正、濾波、白化和反演后，繪制視電阻率斷面圖，最后，綜合解釋分析。本次以典型的測線1、測線2為例。

4.1 測線1

測線1對應(yīng)的瞬變電磁視電阻率擬斷面圖及地質(zhì)推斷如圖4所示。測線1位于紅古區(qū)花莊鎮(zhèn)東北部，總長為14m，起點(diǎn)和終點(diǎn)均在山腳下，與溝道垂直布置在溝底，地形平緩。由視電阻率斷面圖可知在探測范圍內(nèi)主要分為3層（電阻率曲線為“K”形），第一層（地表淺層）主要以沖洪積粉質(zhì)黏土為主，在視電阻率斷面圖上表現(xiàn)為低阻，厚度為2～3m；第二層主要以沖洪積砂卵礫石為主，在視電阻率斷面圖上表現(xiàn)為高阻；第三層主要以新近系泥巖為主，在視電阻率斷面圖上表現(xiàn)為相對低阻?；鶐r面呈“先下降后向上抬升”形態(tài)，起點(diǎn)處基巖面埋深約為6m，中間位置存在一個(gè)基巖凹槽，基巖面最大埋深約為8m，終點(diǎn)處基巖面埋深約為5m。

4.2 測線2

測線2對應(yīng)的瞬變電磁視電阻率擬斷面圖及地質(zhì)推斷如圖5所示。測線3位于紅古區(qū)花莊鎮(zhèn)東北部，總長為12m，與溝道斜交布置在溝底，地形平緩。由視電阻率斷面圖可知在探測范圍內(nèi)主要分為3層（電阻率曲線為“K”形），第一層（地表淺層）主要以沖洪積粉質(zhì)黏土為主，在視電阻率斷面圖上表現(xiàn)為相對低阻，厚度約為2m；第二層主要以沖洪積砂卵礫石為主，在視電阻率斷面圖上表現(xiàn)為高阻；第三層主要以新近系泥巖為主，在視電阻率斷面圖上表現(xiàn)為低阻?；鶐r面呈“先向上抬升再下降低”形態(tài)，起點(diǎn)處基巖面埋深約為6m，中間位置基巖面向上抬升，巖面埋深約為5m，終點(diǎn)處基巖面最大埋深約為7m。

5 結(jié)論

研究表明當(dāng)參數(shù)選擇合適時(shí)，小線框重疊回線瞬變電磁法的探測深度可達(dá)邊長的數(shù)倍，異常的分辨率高，分層效果良好，對地表薄層土層的厚度及基巖面的起伏形態(tài)反應(yīng)明顯。

在狹小溝道中進(jìn)行地球物理勘探工作，根據(jù)目的任務(wù)選擇物探方法和儀器尤為重要，小線框重疊回線瞬變電磁法通過敷設(shè)設(shè)小線框、發(fā)射大電流解決了大線框瞬變電磁在復(fù)雜地形條件下布框難度大、施工效率低、地形影響嚴(yán)重等問題，大大提高了工作效率。

參考文獻(xiàn)

[1]樸化榮.電磁測深法原理[M].北京：北京地質(zhì)出版社，1990.

[2]柳夏衛(wèi)，榮富，韓玉雷，等.瞬變電磁法在探測煤礦采空區(qū)及其積水區(qū)的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2014，11（2）：182-188.

[3]孟慶鑫，馮兵.瞬變電磁在煤田導(dǎo)水構(gòu)造勘查上的應(yīng)用[D].西安：長安大學(xué)，2009.