全程瞬变电磁法浅层勘探数据的处理方法

杨 伐， 刘 稳

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南232001)

瞬变电磁探测技术具有探测深度大、体积效应小、横向分辨率高等优点，在深部勘探领域应用较为广泛，但该勘探方法因受接收天线与发射天线之间的自感、互感及仪器关断时间影响而引起一定的探测盲区，限制其在浅层勘探领域的应用［1－2］。从探测盲区存在原因角度考虑改进方法:一方面，可以通过数值计算理论改进分析软件、仪器硬件以提高数据采集精度;另一方面，可以通过剔除法进行背景改造以降低探测盲区［3－4］。目前，国外瞬变电磁勘探技术研究主要集中在超深探测方面，而小回线浅层探测技术尚未涉及;国内胡雄武［5］在矿井全空间全程瞬变电磁探测领域开展了理论研究，但未涉及半空间浅层信息提取。为此，笔者利用多匝重叠小回线装置，模拟全程瞬变电磁勘探技术方法，并采用剔除背景值法进行浅层信息提取，为解决工程建设中遇到的浅层地质问题提供了借鉴。

1 理论依据

1.1 麦克斯韦方程

由安培定律、法拉第定律、高斯电通定律和高斯磁通定律四大定律组成的麦克斯韦方程组是电磁场中有限元推导的理论依据。麦克斯韦方程有积分和微分两种形式［6－7］:

(1)积分形式

式中，H 为磁场强度，dl 为长度微分，ρ 为电荷密度，j 为电流密度矢量，E 为电场强度，B 为磁感强度，D为电位移矢量，S 为包围电流源的闭合曲面(高斯面)，dV 为闭合曲面包围的体积微分。

(2)微分形式

电流位移的散度公式

磁感强度的散度公式

磁场强度的旋度公式

电场强度的旋度公式

1.2 半空间垂直磁偶极子的瞬变电磁场

当场源为阶跃函数电流激发的垂直磁偶极子时，在均匀半空间表面上观测的准稳瞬变电磁场各个分量的表达式为［8－9］:

式中，r 为垂直磁偶极子的偶极距;M 为发射回线磁力距，M=S×N×I;S 为发射回线叠加面积(s ×n);N 为线圈匝数;I 为跃阶电流强度;μ0为空气磁导率近似值，取4π ×10－7H/m;ρ0为背景均匀大地电阻率。u 是eφ和bz的函数，e 为全空间电场强度分量，eφ为空间某一点与原点连线与x 轴夹角φ 的方向上的电场强度分量，即

式(1)、(2)为t=0 时电场与磁场分量，φ(u)为概率积分。由以上两式可得回线断电前和断电后的半空间瞬变电磁场强度:

推导可得

由式(3)、(4)可得:

由上面推导的电场强度(B)和磁场强度(H)可推得晚期无穷条件下视电阻率ρs，

2 剔除法实验

2. 1 数据采集与处理方法

2. 1. 1 背景值采集

为了更好地排除外界干扰，此次实验选在空旷的内蒙古草原进行，重叠回线放置在距地面5 m 的空中，定点静止采集数据。线框为2 m ×2 m，接收回线10 匝，发射回线8 匝。基于控制变量法，将各参数设定为常量，实验共采集60 组数据。

2.1．2 数据处理

采用剔除法对背景实测数据与现场采集数据进行处理。具体处理方法是，用实际测量值减去背景测量值(自感与互感值)，得出新一组数据体(前17测道数据)，再将其拼接到18～40 测道数据体之中，得到一组新的40 测道数据体，代入软件进行处理。

2.2 结果分析

2.2.1 背景数据处理

此次采集数据无外界影响干扰，数据体主要由仪器自身产生，包括接收回线与发射回线之间的互感和接收回线自感产生的感应电动势两部分。对数据体成图，得到实测背景感应电动势(Eb)曲线，如图1 所示。由图1 可知，数据体在测道14 出现突变。根据仪器开发原理，在0～1 测道出现缺省值是由于仪器关断时间导致，客观存在，可通过降低关断时间和提高灵敏度加以降低，此现象只能降低而无法克服。排除关断时间影响，从图1 可知，1～14 测道所测值为起主导作用的接收回线与发射回线之间互感作用产生的感应电动势;14 测道以后为起主导作用的接收回线自感影响产生的感应电动势。

图1 实测背景感应电动势曲线Fig．1 Curve measured background induced electromotive force

2.2．2 干扰因素分析

提取采集17 测道60 组数据中的前14 个测道互感电动势(Eh)数据求平均值，取其中一组成图，如图2 所示。图2 显示，数据在24 次采集时出现明显变化，24 次采集之前互感电动势变化较大;之后，随着采集电压降低，互感电动势变化幅度逐渐降低。仅分析互感因素，高电压采集并不能取得理想的采集效果，因此，选取合适的采集电压对降低互感影响起到一定效果。分析可知，数据总体波动幅度较小，后期的变化幅度有所降低。出现这种结果主要是由于仪器电压降低所致。

图2 互感电动势曲线Fig．2 Curve of transformer electromotive force

提取采集60 组数据中15～17 测道数据，求自感电动势(Ez)平均值并取其中一组成图，如图3 所示。分析可知，数据总体变化趋势平稳，且有所增大，是仪器电压降低所致。可见，随着仪器采集电压降低，自感影响有所增加。

图3 自感电动势曲线Fig．3 Curve of self induced electromotive force

2.2.3 剔除法数据处理

实测感应电动势(Es)曲线如图4a 所示。实测数据处理时，只对17～40测道数据体成图，导致浅层地质信息丢失，造成一定浅层探测盲区。文中从自感和互感影响因素出发，在实测数据体中剔除自感与互感数据，对得到的新数据进行反演处理，可以很好地提高浅层探测精度和信息量。经剔除处理的新数据体成图，如图4b 所示。由图4b 可见，1～17 测道数据较好地拟合到18～40 测道数据体，说明处理后的数据体能较好地反映浅层地质信息。

图4 校正前后实测感应电动势曲线Fig．4 Curve of before and after correcting measured induced electromotive force

3 模拟实验

3.1 实验装置与测线布置

实验在长×宽×高为150 cm×60 cm×40 cm 的有机玻璃槽内进行。水槽内注水，在距水面10 cm 深处对角水平布置探测目标体。低阻体为直径1 cm、长160 cm 的铜棒，高阻体为直径3 cm、长160 cm、两端密封的PVC 管，高低阻异常体均沿水槽对角线水平放置。水槽模拟实验测线布置如图5 所示。

图5 水槽模拟实验测线布置Fig．5 Line layout about simulation of flume experiment

3.2 结果分析

采用与实测同比例缩小的重叠回线进行模拟实验，探测结果等值线与插值如图6～8 所示，其中，b、h 分别为实际探测宽度和深度。

图6 低阻体时探测结果等值趋势线Fig．6 Isoline trendline of low resistivity body detection result

图7 高阻体探测结果等值趋势线Fig．7 Isoline trendine of high resistivity body detection result

图6～8 均是垂直方向上纵向切片。因此次实验主要研究浅层地质体探测效果，探测宽度与深度与本次实验无关联，故成图时人为地将切片左右宽度与深度作以限制，切片左右各限制在10 cm 范围内，深度限制在35 cm 范围内。因此，结果图略微小于实际水槽宽度与深度。从图6、7 可以看出，瞬变电磁对浅层高低阻异常体响应明显，等值线响应变化规律性较强，探测效果明显。图8 能更清晰地显示异常体(点圈为低、高阻体)空间位置。但从两者来看，无论高低阻响应范围均明显高于实际异常体大小。纵向异常体实际埋深能较为准确锁定，其上层界面位置清晰，易于辨别，但其下部界面模糊，反演结果中异常体空间明显大于实际。高阻探测精度低于低阻，能把握住这一现象，对以后实测结果解释具有一定的指导作用。从模拟结果来看，剔除法对提高瞬变电磁勘探浅层地质效果较为理想。

图8 模拟实验探测结果插值效果Fig．8 Results of simulation test with interpolation effect

4 结束语

多匝重叠小回线全程瞬变电磁法实测数据，采用剔除法剔除纯背景值，处理后的数据能较准确地反映被测地质体浅层信息，效果理想，具有一定的可行性。目前，剔除法应用较为繁琐，与现在快速勘探有一定差距，但可通过编程等计算机嵌入技术达到集成化、程序化。

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