小线框重叠回线TEM在地质勘察中的应用效果

摘 要：重叠回线是发射线圈和接收线圈重合敷设的装置，当利用偶极子合成回线源方式计算重叠回线TEM全区视电阻率处理实测数据时，可以有效消除晚期视电阻率存在的“边界效应”，使早期道视电阻率接近地表真实电阻率，这在地质勘察中具有重要意义。本文将小线框重叠回线瞬变电磁法（TEM）应用在甘肃省兰州市红古区某引水工程地质勘察中，分层效果良好。

关键词：瞬变电磁法；小线框；重叠回线；分层

中图分类号：P 631" " 文献标志码：A

目前，瞬变电磁法是一种实用效果和前景良好的电法勘探方法，在国内外发展迅速。科学家提出瞬变电磁法的一维正、反演理论研究。西方学者就瞬变电磁法正演模拟理论方面发表了大量的论文。我国学者朴化荣就瞬变电磁测深理论进行深入研究并形成了经典教材[1]。柳夏卫等[2]将瞬变电磁法应用在探测煤矿采空区及其积水区中。长安大学孟庆鑫，冯兵等在硕士论文中对瞬变电磁在煤田导水构造勘查上的应用效果进行了深入研究[3]。本文利用小线框重叠回线瞬变电磁法（TEM）对甘肃省兰州市红古区进行了基-覆界线探测试验工作，视电阻率成果图中分层效果明显，对后期的勘察工作具有指导意义。

1 TEM原理

瞬变电磁法又称为脉冲瞬变法，简称TEM，是一种时间域的电磁探测方法。它是利用不接地回线或接地电偶源向地下发送一次场，在一次场的间歇期观测二次漩涡场的方法。其基本工作方法是：在地面布设可以通过一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流，断电后感应电流因热损耗而随时间衰减。衰减过程分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度浅。而晚期成分相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋附深度大。通过测量断电后各时间段的二次场随时间变化规律，可以得到不同的地电特征[2]。由于该方法是在一次场断电的瞬间测纯二次场，具有体积效应小，横向分别率高，对低阻反映灵敏，与探测地质体具有最佳耦合，受旁侧地质体影响小的特点，因此可根据二次场衰减曲线特征判断地下地质体的电性、规模、产状等。由于是在没有一次场背景的情形下观测纯二次场异常，因此异常更直接、探测效果更明显、原始数据的保真度更高。重叠回线是发射线圈和接收线圈重合敷设的装置，在工作过程中，发射线圈和接收线圈同时移动，也叫共圈回线，受地形起伏影响小、分辨率高，因此被广泛应用。

由于瞬变电磁测深法是在一次场断电后测量纯二次场，因此不存在一次场源的干扰，此外，由傅里叶变换可知，一个阶跃脉冲实际上是由各种高频和低频谐波叠加而成的，产生的场是一种宽频带电磁波，因此与频域电磁法相比，瞬变电磁具有很多优点。

观测纯二次场，可以进行近区观测，对旁侧影响较小，从而提高分辨能力。可用加大功率的方法增强二次场信号，提高信噪比，从而增加勘探深度，穿透高阻层能力强。由于采用人工源方法，因此随机干扰影响小[3]，TEM受地形影响较小。发射线圈形状、方位要求相对宽松，测地工作简单、工效高。测磁场受静态位移的影响小，可以通过选择不同的时间序列进行观测，有效地压制各种噪声，可以获得不同勘探深度，使剖面与测深工作结合。通过多次脉冲激发，场的重复观测叠加和空间域多次覆盖技术的应用，可以提高信噪比与观测精度[3]。瞬变电磁原理如图1所示。

2 瞬变电磁测深理论基础公式

在发射线圈中的阶跃电流I所产生的场强如公式（1）所示。

（1）

在重叠回线线圈中产生的感应场如公式（2）所示。

（2）

视电阻率的转换公式如公式（3）所示。

（3）

等效探测深度如公式（4）所示。

（m） （4）

式中：M=S×N×I，M为发射回线磁矩；Bz为垂直磁场强度；N为匝数；I为供电电流强度，μ0为磁导率常数4π×10-7H/m；μ为磁导率；σ为电导率；q为感应电荷；t为时间；ρ为地层平均电阻率；ρτ视电阻率；ε（t）为感应场强度；π为圆周率；hτ为等效探测深度。

公式（1）～公式（4）为瞬变电磁测深理论的基础公式，可以看出电阻率越低感应二次场越强，而探测深度越浅。

3 重叠回线瞬变电磁前期试验

3.1 试验目的

本次野外数据采集仪器为瞬变电磁仪，重叠回线是发射线圈和接收线圈重合敷设的装置，在工作过程中，发射线圈和接收线圈同时移动，也叫共圈回线，野外工作示意图如图2所示。

本次参数试验工作主要是瞬变电磁法野外采集参数，目的是在试验点选择不同的装置参数组合采集瞬变电磁法数据，对数据进行分析、计算，绘制不同参数条件下的电位衰减曲线，结合测点的实际地质状况，选定适合本工区瞬变电磁法探测工作的参数。

3.2 试验内容

本次瞬变电磁法野外数据采集采用中心回线装置。由于点试验涉及3种参数组合，每个测点组合参数较多，因此瞬变电磁法点试验成果是在参考每个点衰减曲线的基础上得出的，由于数据及参数图件量较大，逐一罗列意义不大，因此以发射频率选择为例，对选择依据进行详细分析，其余参数均经过比较，最终选择使用野外采集参数。不同频率测点电位衰减曲线如图3所示。从图3可以看出，当发射频率为75Hz时，衰减曲线的32道后出现了噪声干扰，27道后V/I值＜1μV/A，35道后V/I值＜0.1μV/A。从图3中可以看出当发射频率为25Hz时，衰减曲线整体完整，首支、尾支均比75Hz时平稳，40道的V/I值均＞5μV/A，根据2m×2m发射框的TEM探测深度，本次选择25Hz。

3.3 试验结论

经过实地试验后，确定以下工作参数：回线框为2m×2m，发射线圈2匝，接收线圈5匝，发射频率为25Hz，叠加次数为512，采样窗口时间为0.036ms～27.915ms，延时为130μs，测道数为40道，发射电流约为7.3A，接收线圈等效面积为20㎡。

4 实测资料解译

数据处理阶段，对原始实测的数据来说，首先，进行整理和预处理，其次，计算视电阻率，经过时深转换、地形校正、滤波、白化和反演后，绘制视电阻率断面图，最后，综合解释分析。本次以典型的测线1、测线2为例。

4.1 测线1

测线1对应的瞬变电磁视电阻率拟断面图及地质推断如图4所示。测线1位于红古区花庄镇东北部，总长为14m，起点和终点均在山脚下，与沟道垂直布置在沟底，地形平缓。由视电阻率断面图可知在探测范围内主要分为3层（电阻率曲线为“K”形），第一层（地表浅层）主要以冲洪积粉质黏土为主，在视电阻率断面图上表现为低阻，厚度为2～3m；第二层主要以冲洪积砂卵砾石为主，在视电阻率断面图上表现为高阻；第三层主要以新近系泥岩为主，在视电阻率断面图上表现为相对低阻。基岩面呈“先下降后向上抬升”形态，起点处基岩面埋深约为6m，中间位置存在一个基岩凹槽，基岩面最大埋深约为8m，终点处基岩面埋深约为5m。

4.2 测线2

测线2对应的瞬变电磁视电阻率拟断面图及地质推断如图5所示。测线3位于红古区花庄镇东北部，总长为12m，与沟道斜交布置在沟底，地形平缓。由视电阻率断面图可知在探测范围内主要分为3层（电阻率曲线为“K”形），第一层（地表浅层）主要以冲洪积粉质黏土为主，在视电阻率断面图上表现为相对低阻，厚度约为2m；第二层主要以冲洪积砂卵砾石为主，在视电阻率断面图上表现为高阻；第三层主要以新近系泥岩为主，在视电阻率断面图上表现为低阻。基岩面呈“先向上抬升再下降低”形态，起点处基岩面埋深约为6m，中间位置基岩面向上抬升，岩面埋深约为5m，终点处基岩面最大埋深约为7m。

5 结论

研究表明当参数选择合适时，小线框重叠回线瞬变电磁法的探测深度可达边长的数倍，异常的分辨率高，分层效果良好，对地表薄层土层的厚度及基岩面的起伏形态反应明显。

在狭小沟道中进行地球物理勘探工作，根据目的任务选择物探方法和仪器尤为重要，小线框重叠回线瞬变电磁法通过敷设设小线框、发射大电流解决了大线框瞬变电磁在复杂地形条件下布框难度大、施工效率低、地形影响严重等问题，大大提高了工作效率。

参考文献

[1]朴化荣.电磁测深法原理[M].北京：北京地质出版社，1990.

[2]柳夏卫，荣富，韩玉雷，等.瞬变电磁法在探测煤矿采空区及其积水区的应用[J].工程地球物理学报，2014，11（2）：182-188.

[3]孟庆鑫，冯兵.瞬变电磁在煤田导水构造勘查上的应用[D].西安：长安大学，2009.