楊 伐， 劉 穩(wěn)

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南232001)

瞬變電磁探測(cè)技術(shù)具有探測(cè)深度大、體積效應(yīng)小、橫向分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在深部勘探領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，但該勘探方法因受接收天線與發(fā)射天線之間的自感、互感及儀器關(guān)斷時(shí)間影響而引起一定的探測(cè)盲區(qū)，限制其在淺層勘探領(lǐng)域的應(yīng)用［1－2］。從探測(cè)盲區(qū)存在原因角度考慮改進(jìn)方法:一方面，可以通過(guò)數(shù)值計(jì)算理論改進(jìn)分析軟件、儀器硬件以提高數(shù)據(jù)采集精度;另一方面，可以通過(guò)剔除法進(jìn)行背景改造以降低探測(cè)盲區(qū)［3－4］。目前，國(guó)外瞬變電磁勘探技術(shù)研究主要集中在超深探測(cè)方面，而小回線淺層探測(cè)技術(shù)尚未涉及;國(guó)內(nèi)胡雄武［5］在礦井全空間全程瞬變電磁探測(cè)領(lǐng)域開(kāi)展了理論研究，但未涉及半空間淺層信息提取。為此，筆者利用多匝重疊小回線裝置，模擬全程瞬變電磁勘探技術(shù)方法，并采用剔除背景值法進(jìn)行淺層信息提取，為解決工程建設(shè)中遇到的淺層地質(zhì)問(wèn)題提供了借鑒。

1 理論依據(jù)

1.1 麥克斯韋方程

由安培定律、法拉第定律、高斯電通定律和高斯磁通定律四大定律組成的麥克斯韋方程組是電磁場(chǎng)中有限元推導(dǎo)的理論依據(jù)。麥克斯韋方程有積分和微分兩種形式［6－7］:

(1)積分形式

式中，H 為磁場(chǎng)強(qiáng)度，dl 為長(zhǎng)度微分，ρ 為電荷密度，j 為電流密度矢量，E 為電場(chǎng)強(qiáng)度，B 為磁感強(qiáng)度，D為電位移矢量，S 為包圍電流源的閉合曲面(高斯面)，dV 為閉合曲面包圍的體積微分。

(2)微分形式

電流位移的散度公式

磁感強(qiáng)度的散度公式

磁場(chǎng)強(qiáng)度的旋度公式

電場(chǎng)強(qiáng)度的旋度公式

1.2 半空間垂直磁偶極子的瞬變電磁場(chǎng)

當(dāng)場(chǎng)源為階躍函數(shù)電流激發(fā)的垂直磁偶極子時(shí)，在均勻半空間表面上觀測(cè)的準(zhǔn)穩(wěn)瞬變電磁場(chǎng)各個(gè)分量的表達(dá)式為［8－9］:

式中，r 為垂直磁偶極子的偶極距;M 為發(fā)射回線磁力距，M=S×N×I;S 為發(fā)射回線疊加面積(s ×n);N 為線圈匝數(shù);I 為躍階電流強(qiáng)度;μ0為空氣磁導(dǎo)率近似值，取4π ×10－7H/m;ρ0為背景均勻大地電阻率。u 是eφ和bz的函數(shù)，e 為全空間電場(chǎng)強(qiáng)度分量，eφ為空間某一點(diǎn)與原點(diǎn)連線與x 軸夾角φ 的方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度分量，即

式(1)、(2)為t=0 時(shí)電場(chǎng)與磁場(chǎng)分量，φ(u)為概率積分。由以上兩式可得回線斷電前和斷電后的半空間瞬變電磁場(chǎng)強(qiáng)度:

推導(dǎo)可得

由式(3)、(4)可得:

由上面推導(dǎo)的電場(chǎng)強(qiáng)度(B)和磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)可推得晚期無(wú)窮條件下視電阻率ρs，

2 剔除法實(shí)驗(yàn)

2. 1 數(shù)據(jù)采集與處理方法

2. 1. 1 背景值采集

為了更好地排除外界干擾，此次實(shí)驗(yàn)選在空曠的內(nèi)蒙古草原進(jìn)行，重疊回線放置在距地面5 m 的空中，定點(diǎn)靜止采集數(shù)據(jù)。線框?yàn)? m ×2 m，接收回線10 匝，發(fā)射回線8 匝?；诳刂谱兞糠ǎ瑢⒏鲄?shù)設(shè)定為常量，實(shí)驗(yàn)共采集60 組數(shù)據(jù)。

2.1．2 數(shù)據(jù)處理

采用剔除法對(duì)背景實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。具體處理方法是，用實(shí)際測(cè)量值減去背景測(cè)量值(自感與互感值)，得出新一組數(shù)據(jù)體(前17測(cè)道數(shù)據(jù))，再將其拼接到18～40 測(cè)道數(shù)據(jù)體之中，得到一組新的40 測(cè)道數(shù)據(jù)體，代入軟件進(jìn)行處理。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 背景數(shù)據(jù)處理

此次采集數(shù)據(jù)無(wú)外界影響干擾，數(shù)據(jù)體主要由儀器自身產(chǎn)生，包括接收回線與發(fā)射回線之間的互感和接收回線自感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)兩部分。對(duì)數(shù)據(jù)體成圖，得到實(shí)測(cè)背景感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(Eb)曲線，如圖1 所示。由圖1 可知，數(shù)據(jù)體在測(cè)道14 出現(xiàn)突變。根據(jù)儀器開(kāi)發(fā)原理，在0～1 測(cè)道出現(xiàn)缺省值是由于儀器關(guān)斷時(shí)間導(dǎo)致，客觀存在，可通過(guò)降低關(guān)斷時(shí)間和提高靈敏度加以降低，此現(xiàn)象只能降低而無(wú)法克服。排除關(guān)斷時(shí)間影響，從圖1 可知，1～14 測(cè)道所測(cè)值為起主導(dǎo)作用的接收回線與發(fā)射回線之間互感作用產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);14 測(cè)道以后為起主導(dǎo)作用的接收回線自感影響產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

圖1 實(shí)測(cè)背景感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線Fig．1 Curve measured background induced electromotive force

2.2．2 干擾因素分析

提取采集17 測(cè)道60 組數(shù)據(jù)中的前14 個(gè)測(cè)道互感電動(dòng)勢(shì)(Eh)數(shù)據(jù)求平均值，取其中一組成圖，如圖2 所示。圖2 顯示，數(shù)據(jù)在24 次采集時(shí)出現(xiàn)明顯變化，24 次采集之前互感電動(dòng)勢(shì)變化較大;之后，隨著采集電壓降低，互感電動(dòng)勢(shì)變化幅度逐漸降低。僅分析互感因素，高電壓采集并不能取得理想的采集效果，因此，選取合適的采集電壓對(duì)降低互感影響起到一定效果。分析可知，數(shù)據(jù)總體波動(dòng)幅度較小，后期的變化幅度有所降低。出現(xiàn)這種結(jié)果主要是由于儀器電壓降低所致。

圖2 互感電動(dòng)勢(shì)曲線Fig．2 Curve of transformer electromotive force

提取采集60 組數(shù)據(jù)中15～17 測(cè)道數(shù)據(jù)，求自感電動(dòng)勢(shì)(Ez)平均值并取其中一組成圖，如圖3 所示。分析可知，數(shù)據(jù)總體變化趨勢(shì)平穩(wěn)，且有所增大，是儀器電壓降低所致。可見(jiàn)，隨著儀器采集電壓降低，自感影響有所增加。

圖3 自感電動(dòng)勢(shì)曲線Fig．3 Curve of self induced electromotive force

2.2.3 剔除法數(shù)據(jù)處理

實(shí)測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(Es)曲線如圖4a 所示。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，只對(duì)17～40測(cè)道數(shù)據(jù)體成圖，導(dǎo)致淺層地質(zhì)信息丟失，造成一定淺層探測(cè)盲區(qū)。文中從自感和互感影響因素出發(fā)，在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)體中剔除自感與互感數(shù)據(jù)，對(duì)得到的新數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理，可以很好地提高淺層探測(cè)精度和信息量。經(jīng)剔除處理的新數(shù)據(jù)體成圖，如圖4b 所示。由圖4b 可見(jiàn)，1～17 測(cè)道數(shù)據(jù)較好地?cái)M合到18～40 測(cè)道數(shù)據(jù)體，說(shuō)明處理后的數(shù)據(jù)體能較好地反映淺層地質(zhì)信息。

圖4 校正前后實(shí)測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線Fig．4 Curve of before and after correcting measured induced electromotive force

3 模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)線布置

實(shí)驗(yàn)在長(zhǎng)×寬×高為150 cm×60 cm×40 cm 的有機(jī)玻璃槽內(nèi)進(jìn)行。水槽內(nèi)注水，在距水面10 cm 深處對(duì)角水平布置探測(cè)目標(biāo)體。低阻體為直徑1 cm、長(zhǎng)160 cm 的銅棒，高阻體為直徑3 cm、長(zhǎng)160 cm、兩端密封的PVC 管，高低阻異常體均沿水槽對(duì)角線水平放置。水槽模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)線布置如圖5 所示。

圖5 水槽模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)線布置Fig．5 Line layout about simulation of flume experiment

3.2 結(jié)果分析

采用與實(shí)測(cè)同比例縮小的重疊回線進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，探測(cè)結(jié)果等值線與插值如圖6～8 所示，其中，b、h 分別為實(shí)際探測(cè)寬度和深度。

圖6 低阻體時(shí)探測(cè)結(jié)果等值趨勢(shì)線Fig．6 Isoline trendline of low resistivity body detection result

圖7 高阻體探測(cè)結(jié)果等值趨勢(shì)線Fig．7 Isoline trendine of high resistivity body detection result

圖6～8 均是垂直方向上縱向切片。因此次實(shí)驗(yàn)主要研究淺層地質(zhì)體探測(cè)效果，探測(cè)寬度與深度與本次實(shí)驗(yàn)無(wú)關(guān)聯(lián)，故成圖時(shí)人為地將切片左右寬度與深度作以限制，切片左右各限制在10 cm 范圍內(nèi)，深度限制在35 cm 范圍內(nèi)。因此，結(jié)果圖略微小于實(shí)際水槽寬度與深度。從圖6、7 可以看出，瞬變電磁對(duì)淺層高低阻異常體響應(yīng)明顯，等值線響應(yīng)變化規(guī)律性較強(qiáng)，探測(cè)效果明顯。圖8 能更清晰地顯示異常體(點(diǎn)圈為低、高阻體)空間位置。但從兩者來(lái)看，無(wú)論高低阻響應(yīng)范圍均明顯高于實(shí)際異常體大小?？v向異常體實(shí)際埋深能較為準(zhǔn)確鎖定，其上層界面位置清晰，易于辨別，但其下部界面模糊，反演結(jié)果中異常體空間明顯大于實(shí)際。高阻探測(cè)精度低于低阻，能把握住這一現(xiàn)象，對(duì)以后實(shí)測(cè)結(jié)果解釋具有一定的指導(dǎo)作用。從模擬結(jié)果來(lái)看，剔除法對(duì)提高瞬變電磁勘探淺層地質(zhì)效果較為理想。

圖8 模擬實(shí)驗(yàn)探測(cè)結(jié)果插值效果Fig．8 Results of simulation test with interpolation effect

4 結(jié)束語(yǔ)

多匝重疊小回線全程瞬變電磁法實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用剔除法剔除純背景值，處理后的數(shù)據(jù)能較準(zhǔn)確地反映被測(cè)地質(zhì)體淺層信息，效果理想，具有一定的可行性。目前，剔除法應(yīng)用較為繁瑣，與現(xiàn)在快速勘探有一定差距，但可通過(guò)編程等計(jì)算機(jī)嵌入技術(shù)達(dá)到集成化、程序化。

［1］劉自南，何 為，籍勇亮．小尺度淺層瞬變電磁探測(cè)裝置基礎(chǔ)研究［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2010，26(8):162 －164．

［2］蔣邦遠(yuǎn)．實(shí)用近區(qū)磁源瞬變電磁法勘探［M］．北京:地質(zhì)出版社，1998．

［3］梁慶華．礦井全空間小線圈瞬變電磁探測(cè)技術(shù)及應(yīng)用研究［D］．長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2012:20 －25．

［4］張躍彬．瞬變電磁法勘探在住宅小區(qū)采空區(qū)勘查中的應(yīng)用［J］．煤炭技術(shù)，2011，30(9):164 －165．

［5］胡雄武．巷道前方含水體的瞬變電磁響應(yīng)及探測(cè)技術(shù)研究［D］．淮南:安徽理工大學(xué)，2014:3 －7．

［6］蘇朱劉，胡文寶．中心回線方式瞬變電磁測(cè)深虛擬全區(qū)視電阻率和一維反演方法［J］．石油物探，2002，41 (2):216 －221．

［7］胡鴻奎，張占新．麥克斯韋方程微分形式的推導(dǎo)［J］．物理與工程，2005，5(6):59 －60．

［8］代 剛．全空間瞬變電磁法及其在地下工程探水中的運(yùn)用［D］．成都:西南交通大學(xué)，2006:24 －32．

［9］張平松，李永盛，胡雄武．坑道掘進(jìn)瞬變電磁超前探水技術(shù)應(yīng)用分析［J］．巖土力學(xué)，2012，33(9):2749 －2753．

［10］陳明生，田小波．電偶源瞬變電磁測(cè)深研究(四)——瞬變電磁測(cè)深視電阻率［J］．煤田地質(zhì)與勘探，1999，27 (4):52 －54．