半空间瞬变电磁大定源探测发射回线的优化

康 健， 张添新， 林井祥， 张继忠

(1.黑龙江科技大学 科技处， 哈尔滨 150022； 2.黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨 150022)

0 引 言

在地形相对平缓的地区进行地面半空间瞬变电磁探测时，多选用大定源回线观测[1-4]。因受探测盲区和最大勘探深度要求，目前针对大定源回线的发射装置优化及勘探设计研究较多。文政武等[5]通过实验选取了合适发射电流及发射框大小，查明了煤矿采空区分布情况，为采空区治理工作奠定了基础。宋伟等[6]经实测得出了不同发射线框所对应的盲区深度及勘探最大深度，选取合适发射线框并取得良好应用效果。占文锋等[7]比较了不同关断时间对瞬变电磁探测的影响，即关断时间越小，探测深度越浅，且可能叠加一次场，导致信号失真。关断时间增大，则勘探盲区会增大。林井祥等[8]应用瞬变电磁法和大地电磁法对煤矿采空区积水体进行联合探测，比较了不同发射装置及方法的优缺点及应用效果。隆季原等[9]通过物理原理分析，结合具体算例确定最早观测时间及发射回线边长等8种造成盲区的原因。黄丹等[10]通过改变发射线框及电流等参数，对不同参数的信噪比进行比较，确定了数据采集的最优参数。吴信民等[11]以电位异常法对理论探测深度进行计算，计算发现理论探测深度与线框大小相关。何希位等[12]以新疆托云盆地油页岩勘查为例，经野外参数实验，获得了勘查区的地下电性特征。包乃利等[13]进行了大定源瞬变电磁响应规律的理论分析，结合工作实际对采集参数优化，取得了良好探测效果。 裴建国等[14]通过比较瞬变电磁法圆形和方形线框发射效果，发现圆形发射回线较方形有更大优势。在野外探测时，受野外探测工作环境、布圆尺规工具及布线工人个体差异等多因素影响，很难铺设出理想圆形，故现场工程中常铺设方形或矩形发射回线[15-18]。笔者旨在研究等周长情况下半空间瞬变电磁大定源回线探测发射回线的优化布置，以达到最理想的探测效果。

1 数值模拟优化

本次实验仅限于发射回线周长不变，发射回线长和宽变化情况下的数值模拟。

1.1 发射回线参数的设计

设定水平方向为X方向，竖直方向为Y方向。发射回线周长用L表示，X方向边长用x表示，Y方向边长用y表示，x：y=K。发射回线参数如表1所示。

表1 发射回线参数Table 1 Transmission loop parameters

1.2 BETEM数值模拟

利用BETEM软件确定大定源回线探测发射回线内最佳观测区域，依据探测区地层物性，模拟实验发射电流选取14 A，关断时间选取223 μs，偏差标准15%。依次对表1中的不同发射回线进行模拟实验。由于图形数量较多，此处以回线11、回线16、回线20和回线31的数值模拟结果进行展示(图1)。

图1 BETEM数值模拟结果Fig. 1 BETEM numerical simulation results

1.3 实验结果统计分析

经统计，实验线框X方向、Y方向观测点距离发射框边的最小距离d1、d2如表2所示，X、Y方向测点离框边最小距离随长宽比K的变化趋势如图2所示。

图2 测点离框边最小距离的变化Fig. 2 Change of minimum distance between measuring point and frame edge

表2 实验线框内测点距离X、Y方向的最小距离Table 2 Minimum distance from measuring points in X and Y directions in experimental wire frame

统计分析得出，随长宽比K发生变化，发射回线内测点距离X、Y方向最小距离亦发生变化。以K为自变量，分别以X、Y方向测点离框边最小距离d1、d2为因变量，对散点图进行回归分析，得到拟合曲线及回归方程。根据回归分析图(图3)，X、Y方向测点距离框边最小距离与K变化均呈非线性变化。回归方程表达式分别为

图3 回归分析Fig. 3 Regression analysis

d1= -37.35K2+ 114.83K+ 50.78，

K∈[0.50,2.00]，R2= 0.982 5。

(1)

d2= -9.84K2- 6.52K+ 144.81，

K∈[0.50,2.00]，R2= 0.985 1。

(2)

由回归分析图可以得出，当0.60

2 探测设计方法优化

2.1 测区设定及发射回线优化选择

本次实验测区由1号、2号、3号和4号拐点设定，测区东西长为700 m，南北宽600 m，面积420 000 m2。测区内测线垂直煤层走向，呈南北向布置，线距40 m，点距20 m。依据地层特点和探测深度需要，结合大定源回线探测发射回线数值模拟计算及现场工程需要，发射回线大小设计为460 m×460 m。

2.2 测线与测点优化设计

测区范围内，从左至右设计测线18条，每条测线布置测点n为31个。测线和测点统计如表3所示。

表3 测线与测点统计Table 3 Statistical of measuring lines and points

2.3 发射回线优化布置

结合测区范围，经大定源回线探测发射回线优化选择、框内最佳观测范围、测线与测点优化设计，该测区发射回线优化布置如图4所示。

图4 K=1.00时发射回线布置Fig. 4 Layout of transmitting loop of K=1.00

3 现场工程应用

3.1 测区工程概况

测区地层从上至下依次为第四纪冲积层、白垩系下统穆棱组、白垩系下统城子河组。浅部第四纪全新统现代河流冲积层地层电阻率较低，为10～40 Ω·m，白垩系下统穆棱组地层电阻率呈逐渐增高趋势，为40～115 Ω·m，白垩系下统城子河组地层电阻率在30～165 Ω·m。地层电阻率随含水程度增加将发生显著变化，甚至降低到正常值的1/10～1/20，测区主要地层地电特征见表4。

表4 测区主要地层地电特征 Table 4 Geoelectric characteristics of main strata in survey area

3.2 数据采集与处理

(1)数据接收采用XYZ三分量接收线圈和PROETEM57瞬变电磁仪同时测量，30个门测量，基本频率6.25 Hz，积分时间8 s，同频选用石英钟同步。

(2)对采集数据进行归一化处理、极性校正、测线和测点编辑、由磁场率化率∂Bz/∂T求取Bz(磁场的垂直分量)。

(3)对数据噪音剔除、畸变校正,一次场消除,关断时间校正,大定源发射框采用分段积分处理，主要是计算全程视电阻率。

(4)视电阻率的一维正反演，电阻率成像变换、拟二维电性剖面。

3.3 结果分析与成果验证

经数据处理，反演成像得到各测线视电阻率二维剖面图，从剖面图清晰可见电阻率梯度变化方向，其所呈现电阻率变化趋势与该地区地层电性特征相吻合。现选取380E、420E及460E测线视电阻率二维剖面图(图5)，沿水平方向，随电阻率等值线变形、扭曲、倒转和间断等变化，其所对应的地层连续状态、断层和地质构造赋存状态清晰可见；沿竖直方向，不同深度地层的视电阻率高低异常变化，断层、地质构造赋存深度直观可见。

图5 不同测线视电阻率二维剖面 Fig. 5 Two-dimensional sections of apparent resistivity of different survey lines

查阅现场地质资料、工程技术图件和钻孔柱状图对比分析验证，通过大定源回线瞬变电磁探测所得成果与现场工程实际取得了较好一致性。

4 结束语

利用BETEM软件进行大定源回线探测发射回线数值模拟，对模拟结果进行统计及回归分析，建立了回归方程，回归方程求解表明，当K∈[0.60,1.45]时，可保证等周长发射回线内有较大探测区域，其中，K=1.00时，X、Y方向测点离框边距离均满足最小，探测区域最大。

将此结论应用于工程实践，所得视电阻率剖面图中的电阻率变化趋势与地层电性特征吻合，与现场地质资料、工程技术图件和钻孔柱状图对比分析验证，实践所得成果与现场工程实际具有一致性，达到了理想的探测效果。该研究为瞬变电磁大定源回线探测发射回线的选取提供了一定参考价值。