物探实验成图与异常识别结果的分析与研究*

邢士发， 欧阳鑫， 杨 玺， 李英娜， 李 川

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500)

物探实验成图与异常识别结果的分析与研究*

邢士发， 欧阳鑫， 杨 玺， 李英娜， 李 川

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500)

基于瞬变电磁法的水体与云南省楚雄州腰站变电站物探实验。采用的设备为LTEM—1型瞬变电磁仪，其中，水体实验采用1条测线,12个测点的实验布局，变电站实验采用4条测线,平均32个测点的实验布局，利用改进的等值线图生成算法与异常区域识别算法对实验所得视电阻率数据进行了应用分析与研究。

物探； 瞬变电磁法； 变电站； 等值线图； 视电阻率

0 引 言

物探是利用物理方法进行勘探的一种方法，是以不同岩、矿、土、水等介质之间的物理差异为物质基础，利用物理学原理，通过观测和研究地球物理场的时空分布规律，来解决地质问题即地质体空间分布的方法[1,2]。同时物探可以结合等值线图来呈现出来，等值线图(contour map)是一种在气象、海洋、地球物理勘探等领域内应用极广的图形，其通过可视化的方式，将不易识别出特征的数据集合更直观地呈现出来[3,4]。

瞬变电磁法(transient electromagnetic method，TEM)也称之为时间域电磁法[5～7]，这种方法先是利用回线或者线源向地下发射脉冲式电磁场，在产生一次磁场的脉冲间隙，利用接收线圈或者接电电极观测二次电磁场的变化规律。通过接收线圈接收到的数据和信息，可以推断出地下介质通过电磁感应而产生的二次电磁场的变化情况，从而进一步得到地下介质的异常现象，进而分析出地质体不均匀的导电性以及电磁场中电流的衰减位置，利用这种方法来解决与地质勘探相关的问题。

1 实验装置

实验装置为LTEM—1型瞬变电磁仪，采用了双极性矩形波供电，供电时利用发射线圈向地下发送一次脉冲磁场，当地下存在探测目标时，一次场会激励地质体，根据电磁感应原理，地下目标体会产生磁场，在一次场的间歇期间利用接收线圈来接收二次场，仪器将得到的信息存储、提取和分析，如图1所示。

LTEM—1型瞬变电磁系统是由主机LTEM—1型瞬变电磁仪(收发一体式[8]，包含PC、测量电路及逻辑控制电路、保护电路)、外接发射线圈供电电源、LTEM—1型瞬变电磁仪主机电源、发射线圈、接收线圈组成。如图2所示。

图1 LTEM—1型瞬变电磁仪的野外工作方法原理

其中，PC负责控制发射与接收部分，PC控制发射部分通过发射线圈发送一次场，再控制接收部分由接收线圈接收二次场，如图2。探测的电压数据将传回PC中保存为excel表格文件。

图2 LTEM—1型瞬变电磁仪内部结构图

2 研究水体TEM物探实验

2.1 实验内容

为了能够取得地质视电阻率数据，以便进行等值线图生成与异常区域自动识别，需用LTEM—1型瞬变电磁仪进行相关物探实验。首先进行了一种具有低阻特征的地质区域—水体的模拟实验，其中对LTEM—1的配置：发射线圈(形状为矩形，边长为0.24 m，匝数为22，总电阻为0.613 Ω),接收线圈(形状为矩形，边长为0.24 m，匝数为10),供电电压为12.07 V,供电电流为20.76 A,叠加次数为13,测线数量为1,测点数量为12,测点距离为0.12 m,测道数量为40。现场如图3。

图3 等级为11的视电阻率等值线图与水体区域识别

由于实验数据为时间域的电压数据，还需要利用TEM均匀半空间视电阻率的计算方法，将电压数据结合LTEM—1配置参数反演成视电阻率数据。由于本文中的TEM物探实验均采用重叠(中心)回线装置，所以，这里主要讨论中心回线装置的一种视电阻率ρτ的计算方法。中心回线装置的感应电压表达式是美国地球物理学家于1983年推导出来的，其表达式为

(1)

(2)

为了从式(2)中求解ρ，采用编程的方法求解非线性方程(2)，对于每个i测到的Z满足

(3)

(4)

解非线性方程(3)的方法如下：

1)通过二分法在区间Z(Z0,ZM)内找到有相反符号的FUN(ZL)及FUN(ZR)的横坐标(ZL,ZR)。

2)用米勒法在(ZL,ZR)之间求出FUN(Z)=0的根。由于FUN(Z)为Z的双值函数，每个[ti,V(ti)]对应两个ρτ(ti)值，可以采用比较法选取与前一个时刻的ρτ(tj-1)值相近的值ρτ(ti)。

由式(4)可以看出，每个时间点ti都对应了一个视电阻率ρτ，要将ρτ从时间域转变为空间域，还需要计算每个ρτ对应的深度hτ。有一种简便的hτ公式为

(5)

式中 t以ms为单位，ρτ以Ω·m为单位。公式引自于美国Zonge公司的技术文档，并根据野外的应用资料，当ρτ为全期视电阻时，系数取20，一般能够取得较好的结果。

经过计算的单个视电阻率数据具有测点(或测宽)、测深、视电阻率值3个属性。因此，可以定义视电阻率文件格式为一个表格，格式如表1。

表1 视电阻率文件格式

由表1可见，视电阻率数据文件格式表现为平面离散分布状态，每个数据点具有平面坐标，且具有属性值即视电阻率值，这种数据格式为平面离散型，符合等值线图的生成要求。进一步地可以对平面离散视电阻率数据生成等值线图来更直观地表达地质体视电阻率分布形态。

2.2 视电阻率等值线图生成与水体区域识别结果

为了进一步将成图与识别算法应用到实际数据中，这里对水体物探实验测得并计算出的视电阻率数据，进行等值线图生成与异常区域(这里为水体)的识别[9，10]。需要阐述的是，当等值线图的精度较小时，等值线之间视电阻率差值较大，算法的识别精度越小。图4(由于等值线图中的横坐标代表测点号，这里还需要乘以实验时的测点距离0.12 m)中等值线图等级为11，设置水体视电阻率范围为0～139 Ω·m时，识别出了一个面积为0.000 68 m2的小区域，具体见表2。由于水体实验放置了2个水盆，则可知该区域为错误识别区域，当设置等值线图等级为23时，如图5所示，小区域没有被当做水体区域识别出来，且识别水体区域数据大致可靠。具体见表3。

图4 等级为11的视电阻率等值线图与水体区域识别

L/mT/m中心X/m中心Y/m面积/m2类型0.91-0.171.07-0.410.092819水体0.23-0.690.25-0.720.00068水体0.49-0.430.62-0.670.02289水体

图5 等级为23的视电阻率等值线图与水体区域识别

L/mT/m中心X/m中心Y/m面积/m2类型0.94-0.21.05-0.370.072182水体0.61-0.440.67-0.660.008924水体

3 腰站变电站TEM物探实验

3.1 实验内容

为了进行实地物探实验，经过前期研究，选定楚雄供电局220 kV腰站变电站作为应用试点站。楚雄供电局220 kV腰站变电站位于楚雄禄丰县勤丰镇羊街村北面约2 km的山丘上，海拔高度1 923 m，占地面积22 876 m2，于2009年12月25日建成投产,是楚雄禄丰地区的重要变电站之一。主供电源由500 kV和平变220 kV和腰I回线、220 kV和腰II回线供电。自建成后，由于边坡滑动的作用，北侧上下游挡土墙均出现了裂缝，地质结构存在较明显安全隐患。而由于地处云南省北部，气候环境多变，冬夏降雨量分布差异大，冬季气温较低，使得塔架及输变电线路风舞、覆冰现象明显。选择腰站变电站作为项目的实施地能更加具有针对性，而实验的顺利进展也证明了TEM地质勘探的普适性和可推广性。为了降低电磁干扰对设备的影响，实验选定在变电站维护阶段进行，从而使设备能够在可接受的电磁场范围内正常工作。

腰站山地变电站边坡，分别对上平面、上斜坡、下平面和下斜面进行了检测，其中对LTEM—1的配置为：发射线圈(矩形，边长为0.73 m，匝数为8，总电阻为1.99 Ω)、接收线圈(矩形，边长为0.73 m，匝数为7)、供电电压为12.07 V供电电流为6.06 A、叠加次数为13、测线数量为4、测点平均数量为32、测点距离为1.46 m和测道数量为40。

如同水体实验，利用如下TEM均匀半空间视电阻率的计算方法，对实验取得的各个测点各个测道的电压数据结合LTEM—1的配置参数进行视电阻率反演计算。

3.2 视电阻率等值线图生成与异常区域识别结果

为了对腰站变电站物探项目实验视电阻率数据进行分析，利用本文所给算法对下马道瞬变电磁物探实验所得视电阻率数据进行等级为23的等值线图生成，如图6(a)所示(图中横坐标与纵坐标单位均为m)，并进行低阻异常区域特征识别，如图6(b)所示，具体数据见表4。根据实地勘探，得出该地有呈低阻特征的接地网，且实际位置与识别出的低阻区域位置大致相同。

表4 腰站变电站下马道低阻区域数据

4 结 论

利用本文装置进行了低阻地质特征的水体模拟实验，

图6 等腰站变电站下马道电阻率等值线图与低阻区域识别

为了进一步取得实地勘探数据，又进行了楚雄腰站变电站的TEM物探实验，将取得的测点测道电压数据计算为平面离散视电阻率数据，利用本文改进的算法对两个实验视电阻率数据生成了等值线图。利用本文给出的识别算法对两个实验的等值线图进行了异常区域的识别分析，且给出了识别结果。

[1] 王忠生,李 昆,张学军.大孔径空间探测系统的缺陷分布分析[J].传感器与微系统,2012,31(1):42-44.

[2] 彭建盛,李 兴,秦志强.三维立体空间定位算法的研究与实现[J].传感器与微系统,2012,31(7):33-35.

[3] 孙桂茹,马 亮,路登平.等值线生成与图形填充算法[J].天津大学学报:自然科学版,2000,33(6):516-515.

[4] 黄晶晶.数字高程模型T取和等高线建模[D].长沙:中南大学,2007:1-50.

[5] 任豫涛.瞬变电磁法在采空区积水探测中的应用及效果[J].河南科技,2014(9):27-28.

[6] 黄力军,刘瑞德,陆桂福.瞬变电磁法在煤田水文地质调查中的应用[J].工程地球物理学报,2004,1(3):247-250.

[7] 覃庆炎.瞬变电磁法在积水采空区探测中的应用[J].煤炭科学技术,2014,42(8):109-112.

[8] 王言章,李京杰,刘 维,等.RTD型磁通门传感器检测系统设计[J].传感器与微系统,2015,34(9):104-107.

[9] 邬 伦,刘 瑜,张 晶.地理信息系统—原理、方法和应用[M].北京:科学出版社,2005:l-460.

[10] Greenberg J D,Logsdon M G,Franklin J F.Introduction to geographic information systems(GIS)[M].New York:Springer,2006:17-31.

Analysis and research based on geophysical experiments mapping and abnormal recognition results*

XING Shi-fa, OUYANG Xin, YANG Xi, LI Ying-na, LI Chuan

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

Based on the waters of the transient electromagnetic method and current conditions of Yunnan waist station substation geophysical experiments,the experiment adopts equipment of LTEM—1 type of transient electromagnetic instrument,including water experiment which used 1 line,experiment of 12 points layout,substation experiment using 4 lines, an average of 32 experiment measuring points layout,which is the improved contour mapping generation algorithm with abnormal regional recognition algorithm.Application analysis and research on apparent resistivity data obtained from experiment are carried out.

geophysical prospecting； transient electromagnetic method(TEM)； transformer substation； contour map； apparent resistivity

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0044—03

2016—05—09

国家自然科学基金资助项目(51567013);昆明理工大学人才培养基金资助项目(KKSY201303004);云南省应用基础研究计划资助项目(2013FZ021)；中国博士后科学基金面上资助项目(一等资助)(2014M552552XB)

TP 212

A

1000—9787(2017)05—0044—03

邢士发(1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向为光纤光栅传感技术及应用及信息检测处理等,E—mail:1182643156@qq.com。

李 川(1971-),男,通讯作者，博士，教授,博士生导师，从事传感器的研制与检测应用方向研究工作,E—mail:1625677252@qq.com。