瞬变电磁法中减小勘探盲区的一次尝试

2020-12-31赵明宣

山西焦煤科技 2020年11期

赵明宣

(山西华冶勘测工程技术有限公司，山西太原 030002)

瞬变电磁法(TEM)是地球物理科学中广泛使用的一种地质结构探测方法，具有地形影响小、穿透能力强、工作效率高等优点。这种优越性使瞬变电磁场勘探在方法理论、仪器制造、数据处理及解释等方面已形成完整的体系并迅速发展。浅层瞬变电磁法在道路地下病害检测、煤田地下火区定位、矿井探测及边坡无损检测等工程中已得到广泛应用[1-4].

近年来，城市浅层工程物探需求越来越多，但由于瞬变电磁法勘探盲区的存在，仍然难以识别0～20 m深度内的地层信息，亟需研究新的方法满足这一范围勘探的需求。

1 基本原理

瞬变电磁法是一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法，利用不接地回线或接地线源向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布解决有关地质问题。即在发送回线上供一个电流方波, 产生一个向地下传播的一次磁场，在一次场消失后,该涡流不会立即消失,它将有一个过渡(衰减)过程。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向地表传播,由地面的接收回线接收二次磁场。观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电性的垂向变化[5].

接收线圈所接收的信号，一种是来自地下的电磁感应信号，一种是线圈本身的自感。在瞬变电磁接收信号的早期时间道中，线圈自感信号比有用信号大得多，但它比有用信号衰减也快得多，所以总存在一个使瞬变电磁没法分辨有用信号的时间范围[6].由于该时间范围未有效观测到地下电磁信号，便会产生盲区。

根据烟圈扩散深度公式：

式中：

ρ—电阻率，Ω·m；

t—时间，s；

μ0—自由空间导磁率，H/m,取4π×10-7.

假定探测深度相当于烟圈深度一半，最小可分辨延迟时间tmin，则理论盲区深度为：

由于盲区的存在，常规瞬变电磁法适合20 m以下至数百米深度的探测。因此，要进行20 m以浅范围的探测，必须采用新的技术方法减小盲区范围。

2 新仪器及新技术的应用

为了满足20 m以浅城市精细探测的需要，选取了一款拖拽式高分辨瞬变电磁系统(FCTEM60-1).该系统采用了“恒压钳位”高速线性关断技术和“跨环消耦”消互感技术。“恒压钳位”技术是用TVS和SIDAC器件来实现无源恒压钳位电路，该方法可以使电流下降线性度好，下降沿两端抖动小，且电路较为简单[7].根据磁场叠加原理，弱磁耦合的跨环消耦结构(发射线圈居中，与其同轴的接收线圈由两子圈组成，分别位于发射线圈内侧和外侧，两接收线圈绕制方向相同，内接收线圈的输出端与外接收线圈输入端串联)可以将接收线圈的轴向一次场磁通降为零，从而消除发送、接收线圈的互感[8].这两种技术结合高密度高动态信号采集，具有极强的浅层和高分辨探测能力，即：“恒压钳位”首次实现高速线性关断，“跨环消耦”不损失激发场和二次场，消除了一次场混叠，减小了信号动态范围，提高了浅部信号的分辨能力。

跨环消耦结构可以避免削波失真，有效起始采样时间可提前至t=2 μs，由此可估算盲区(浅层电阻率假定2 Ω·m):

3 现场试验及成果分析

为了验证仪器的有效性及浅层勘探效果，选取阳泉某建筑工地进行试验，该区地处丘陵地区，设计建筑物依山而建，试验区选在场地西北侧，见图1.

图1 试验场地勘探线布设图

图2 试验线视电阻率断面与现场地形对照图

图2基本反映了地层结构，由上至下，电阻率逐步增大，在可见窑洞处，均出现了高阻反映，最左侧窑洞A，由于坍塌严重，高阻不明显，B、C、D窑洞较为完整，C洞为B洞中部向右开挖的一个侧洞，三窑洞均呈现高阻反映；试验线里程18～20 m，深度2 m左右也出现了高阻，根据调查，此处也存在的窑洞(已被掩埋)。试验结果表明，窑洞顶部最高处距勘探线布置的地面不足2 m，但都采集到了有效数据，由此可见该设备在应用中盲区极小。

3条勘探线视电阻率断面图见图3，原铝土矿开采小窑口位于2、3勘探线之间，里程28～30 m处。由图3可见，1线在里程20～40 m、矿层埋深位置出现了断续的低阻体，2线里程20～45 m及3线20～40 m的矿层位置均出现了不连续低阻体及上下延伸情况，且三线的位置对应也较好，说明探测成果还是可信的。分析认为，出现低阻的原因是采动破坏区具有一定规模，已被富水充填物充填且具有一定的体积效应。