小框瞬變電磁法在山西公路勘查中的應(yīng)用

冉 云

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

瞬變電磁法（Transient-electromagnetic method）又稱(chēng)時(shí)間域電磁法，簡(jiǎn)稱(chēng)TEM，屬于電磁感應(yīng)類(lèi)探測(cè)方法。它利用向地下發(fā)射脈沖電磁波作為激發(fā)場(chǎng)源，關(guān)斷一次場(chǎng)后，觀測(cè)二次場(chǎng)隨時(shí)間的衰減特性，并由此分析地下目標(biāo)體的空間特征和電性特征。傳統(tǒng)瞬變電磁法探測(cè)施工中，遵循極限探測(cè)理論，通常采用大回線裝置，鋪設(shè)的回線邊長(zhǎng)一般很大。但有時(shí)地形復(fù)雜，野外鋪線施工難度大，部分煤礦采空區(qū)緊鄰居民生活區(qū)，回線鋪設(shè)及數(shù)據(jù)采集無(wú)法進(jìn)行，實(shí)際應(yīng)用受到限制。

在山西公路的勘查中，為了節(jié)約用地，線路設(shè)計(jì)中，大部分通過(guò)區(qū)域是山區(qū)，地形復(fù)雜，大框同點(diǎn)裝置施工難度很大；大定源回線裝置施工難度相對(duì)較小，但由于構(gòu)造物（公路）呈線狀，在數(shù)據(jù)采集范圍局限于1/3中心區(qū)域前提下，施工效率相對(duì)低下。筆者在近幾年的勘察實(shí)踐中，應(yīng)用小框技術(shù)進(jìn)行施工解決此類(lèi)問(wèn)題，對(duì)近地表地層結(jié)構(gòu)的勘探有了一定的認(rèn)識(shí)。本文通過(guò)工程實(shí)例，討論小框瞬變電磁法在山西公路勘查中的應(yīng)用效果及存在的問(wèn)題。

1 小框瞬變電磁法的探測(cè)深度討論

傳統(tǒng)瞬變電磁法勘探，遵循極限探測(cè)理論，對(duì)探測(cè)深度的認(rèn)識(shí)大都采用國(guó)外學(xué)者的深度公式：

式中：I為發(fā)射電流；L為發(fā)射回線邊長(zhǎng)；ρ1為上覆電阻率；η=RmN為最小可分辨電平，Rm為最低限度的信噪比，N為噪聲電平。

由式（1）可知，加大場(chǎng)源的磁矩M=IL2就可加大探測(cè)深度。在場(chǎng)源功率一定的條件下，如加大回線邊長(zhǎng)可以有效地增大磁矩，從而達(dá)到加大探測(cè)深度目地。我國(guó)目前使用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——地面瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程，也用該深度公式來(lái)規(guī)范野外探測(cè)工作，并據(jù)此作為考核、評(píng)價(jià)探測(cè)工作的標(biāo)準(zhǔn)。按照這個(gè)理論，小框瞬變電磁法的探測(cè)深度對(duì)于一般的工程勘察要求也無(wú)法滿足。

但在瞬變電磁法勘探實(shí)踐中，回線邊長(zhǎng)與勘探深度的關(guān)系很多情況下并不符合式（1）。近年來(lái)，很多物探工作者對(duì)小框回線探測(cè)進(jìn)行了理論和實(shí)踐的探索。北京礦產(chǎn)地質(zhì)研究院王慶乙認(rèn)為深度公式是一個(gè)保證信噪比的公式，實(shí)際的瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)采用占空比為1∶1的雙向周期脈沖電流激勵(lì)，其頻譜特征是以基頻和一系列諧頻組合的離散頻譜，周期脈沖的基頻決定了探測(cè)的最大深度。通過(guò)加大雙向周期電源脈沖的脈寬，降低場(chǎng)源基頻，則可以加大探測(cè)深度[1]。廣東地勘局的陳易玖用直接展開(kāi)法求極限探深公式 ，從理論上論述了極限探深一般都可達(dá)發(fā)射邊長(zhǎng)的數(shù)倍。如果半空間介質(zhì)電阻率為已知時(shí)，要增大勘探深度，可以采用增加有效窗口時(shí)間t來(lái)達(dá)到目的[2]。煤炭科學(xué)研究總院西安分院陳明生利用小回線裝置進(jìn)行大深度探測(cè)實(shí)踐，認(rèn)為T(mén)EM的探測(cè)深度主要與觀測(cè)時(shí)間有關(guān)，大發(fā)射回線的主要作用是適應(yīng)接收機(jī)靈敏度和滿足一定的信噪比[3]。經(jīng)過(guò)物探工作者的不斷探討實(shí)踐，逐步奠定了小框瞬變電磁法探測(cè)深度目標(biāo)體的理論基礎(chǔ)。

我們對(duì)小框瞬變電磁法進(jìn)行了大量的勘察實(shí)踐認(rèn)為在一定深度范圍內(nèi)，影響小框瞬變勘察深度主要是觀測(cè)時(shí)間，加大發(fā)射電流使得接收信號(hào)滿足一定的信噪比，勘察深度能夠達(dá)到邊長(zhǎng)的數(shù)倍，甚至十幾倍。

2 小框瞬變電磁法與大發(fā)射回線的探測(cè)比較

大發(fā)射回線裝置的施工中，假設(shè)場(chǎng)在發(fā)射線框中心的1/3區(qū)域中是均勻的，數(shù)據(jù)采集就限定在此區(qū)域范圍內(nèi)。對(duì)于面積性勘察，鋪設(shè)大回線，在中心區(qū)域采集數(shù)據(jù)，施工還是比較便利的；對(duì)于公路類(lèi)線狀構(gòu)造物勘察，大回線鋪設(shè)一次，采集的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)較少，施工效率無(wú)法保證；而小框瞬變電，由于線框小，輕便，施工效率相對(duì)較高，且對(duì)于一些大回線無(wú)法鋪設(shè)的地方，凸顯其優(yōu)勢(shì)。

目前的瞬變電磁法回線裝置的視電阻率公式是建立在零偏移距的基礎(chǔ)之上，而大發(fā)射回線裝置的勘察中，假設(shè)中心1/3區(qū)域?yàn)榻凭鶆驁?chǎng)，對(duì)測(cè)點(diǎn)與發(fā)射中心的偏移進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)解釋。轉(zhuǎn)換過(guò)程中必然存在誤差，這種誤差在大的地質(zhì)體或大構(gòu)造勘察中可能影響不大，但在規(guī)模較小的目標(biāo)體勘察中，比如小窯采空區(qū)勘察，巖溶勘察中，會(huì)造成解釋偏離；而小框瞬變電由于發(fā)射與接收回線中心始終重合，避免了接收數(shù)據(jù)的偏差；另外，由于線框小，減弱了體積效應(yīng)，相應(yīng)提高了對(duì)異常的橫向分辨率。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 山西朔州二級(jí)公路勘察

規(guī)劃二級(jí)路經(jīng)過(guò)某村辦煤礦，開(kāi)采時(shí)間為20世紀(jì)六七十年代。由于煤礦幾經(jīng)易手，具體開(kāi)采情況無(wú)從查詢(xún)?？辈閰^(qū)地層為二疊系、石炭系砂泥巖，上覆第四系黃土，區(qū)內(nèi)地層富水性較差，煤層埋深約70～80 m。野外勘察施工采用瞬變電磁法5 m多匝線框施工，等效接收回線面積400 m2，發(fā)射電流200 A，時(shí)間窗口采用1～8 ms。測(cè)線的主線位剖面擬視電阻率斷面圖如圖1，結(jié)合測(cè)區(qū)的水文地層水文資料推測(cè)認(rèn)為K4+550—K4+750段屬煤層開(kāi)采引起的高阻異常區(qū)，埋深約70 m。為驗(yàn)證勘察效果，在K4+670處布設(shè)鉆孔，埋深65 m處掉鉆見(jiàn)采空。這說(shuō)明小框瞬變電的勘察深度遠(yuǎn)大于回線邊長(zhǎng)，加大發(fā)射電流壓制干擾，保證晚期信號(hào)的信噪比，能夠加大勘察深度。

圖1 朔州二級(jí)公路主線位擬視電阻率斷面圖

3.2 山西忻州采空區(qū)勘察

圖2 忻州采空區(qū)勘察公路主線位擬視電阻率斷面圖

規(guī)劃線路經(jīng)過(guò)某鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦開(kāi)采區(qū)，開(kāi)采時(shí)間為20世紀(jì)七十年代，屬巷道式開(kāi)采，開(kāi)采資料缺失?？辈閰^(qū)域地層為山西組及石炭系太原組砂巖、泥巖，上覆第四系黃土。煤層埋深約80～90 m，地層富水性一般。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，勘察選用瞬變電磁法5 m線框施工，等效接收回線面積400 m2，發(fā)射電流200 A，時(shí)間窗口采用1～8 ms。圖2為主線位勘察剖面擬視電阻率斷面圖。在埋深約80 m處，存在不連續(xù)的高阻異常區(qū)域，結(jié)合地層水文資料分析，推測(cè)認(rèn)為屬煤礦開(kāi)采引起。而后在K38+380處布鉆，埋深約77 m見(jiàn)冒落帶?？辈鞂?shí)踐說(shuō)明，在保證信號(hào)信噪比的前提下，小框瞬變電探測(cè)深度可達(dá)回線邊長(zhǎng)的十?dāng)?shù)倍。目前國(guó)內(nèi)的小框裝置儀器，發(fā)射電流都比較大，能夠達(dá)到壓制干擾提高信噪比的效果。

4 應(yīng)用中的一些問(wèn)題

小框瞬變電勘察在施工及分辨率方面有其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但在使用中存在數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等問(wèn)題。

a）我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)小線框裝置野外施工中，由于發(fā)射電流一般較大，近地表磁場(chǎng)較強(qiáng)，淺表低阻體感應(yīng)場(chǎng)也相應(yīng)較強(qiáng)，深部數(shù)據(jù)易受干擾，淺部低阻屏蔽嚴(yán)重，有時(shí)幾根鐵絲就會(huì)使數(shù)據(jù)出現(xiàn)低阻異常。這給野外數(shù)據(jù)采集帶來(lái)更高的要求，采集者需要了解測(cè)區(qū)的地層巖性及水文資料，查看施工周?chē)h(huán)境的影響因素，以便及時(shí)判斷測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的正常與否。

b）數(shù)據(jù)解釋中，由于線框小，體積效應(yīng)弱，受局部目標(biāo)體影響明顯，因此感應(yīng)電壓數(shù)據(jù)跳躍較大，相鄰測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)過(guò)渡不均滑。相應(yīng)地，電壓曲線不圓滑，反演擬視電阻率斷面圖顯得有點(diǎn)凌亂。這與一般的瞬變電磁法勘察解釋圖件不大一樣，需要一定的小框瞬變電勘察解釋經(jīng)驗(yàn)，因此給物探解釋也帶來(lái)一定難度。

c）由于發(fā)射線圈存在暫態(tài)過(guò)程，電流關(guān)斷不是理想階躍函數(shù)，而是斜坡階躍函數(shù)或呈指數(shù)規(guī)律下降，因此，關(guān)斷時(shí)間一般為 50～300 μs，早期信號(hào)被淹沒(méi)于一次場(chǎng)尾期。尤其是大電流發(fā)射，影響更明顯，造成淺層信息畸變，盲區(qū)加大，如本文實(shí)例中時(shí)間窗口起始點(diǎn)采用1 ms。

另外，對(duì)于小線框有效探測(cè)深度與邊長(zhǎng)及發(fā)射電流的關(guān)系，能否達(dá)到幾百米甚至上千米，我們未能進(jìn)行有效試驗(yàn)，尚需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探討。

5 結(jié)論

通過(guò)小框瞬變電勘察實(shí)際效果分析，我們認(rèn)為：

a）小線框瞬變電探測(cè)深度遠(yuǎn)不止回線邊長(zhǎng)長(zhǎng)度，在保證中晚期信號(hào)信噪比的前提下，能夠達(dá)到邊長(zhǎng)的十多倍，對(duì)于低阻目標(biāo)體，探測(cè)深度可能會(huì)更大一些。

b）小線框瞬變電探測(cè)受體積效應(yīng)影響較小，對(duì)異常的分辨率較高。

c）小線框瞬變電探測(cè)受地層淺表低阻體干擾較大，尤其是地表低阻體，數(shù)據(jù)采集和處理解釋中需要仔細(xì)對(duì)待。

d）小框瞬變電為了壓制干擾，增大勘察深度，一般采用大電流發(fā)射，客觀上加大發(fā)射關(guān)斷時(shí)間，使得淺層信息畸變，盲區(qū)加大。