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)

瞬變電磁探測技術(shù)具有探測深度大、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)斷時間影響而引起一定的探測盲區(qū)，限制其在淺層勘探領(lǐng)域的應(yīng)用［1－2］。從探測盲區(qū)存在原因角度考慮改進(jìn)方法:一方面，可以通過數(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，可以通過剔除法進(jìn)行背景改造以降低探測盲區(qū)［3－4］。目前，國外瞬變電磁勘探技術(shù)研究主要集中在超深探測方面，而小回線淺層探測技術(shù)尚未涉及;國內(nèi)胡雄武［5］在礦井全空間全程瞬變電磁探測領(lǐng)域開展了理論研究，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 為磁場強(qiáng)度，dl 為長度微分，ρ 為電荷密度，j 為電流密度矢量，E 為電場強(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

磁場強(qiáng)度的旋度公式

電場強(qiáng)度的旋度公式

1.2 半空間垂直磁偶極子的瞬變電磁場

當(dāng)場源為階躍函數(shù)電流激發(fā)的垂直磁偶極子時，在均勻半空間表面上觀測的準(zhǔn)穩(wěn)瞬變電磁場各個分量的表達(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 的方向上的電場強(qiáng)度分量，即

式(1)、(2)為t=0 時電場與磁場分量，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強(qiáng)度:

推導(dǎo)可得

由式(3)、(4)可得:

由上面推導(dǎo)的電場強(qiáng)度(B)和磁場強(qiáng)度(H)可推得晚期無窮條件下視電阻率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

采用剔除法對背景實(shí)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。具體處理方法是，用實(shí)際測量值減去背景測量值(自感與互感值)，得出新一組數(shù)據(jù)體(前17測道數(shù)據(jù))，再將其拼接到18～40 測道數(shù)據(jù)體之中，得到一組新的40 測道數(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)電動勢兩部分。對數(shù)據(jù)體成圖，得到實(shí)測背景感應(yīng)電動勢(Eb)曲線，如圖1 所示。由圖1 可知，數(shù)據(jù)體在測道14 出現(xiàn)突變。根據(jù)儀器開發(fā)原理，在0～1 測道出現(xiàn)缺省值是由于儀器關(guān)斷時間導(dǎo)致，客觀存在，可通過降低關(guān)斷時間和提高靈敏度加以降低，此現(xiàn)象只能降低而無法克服。排除關(guān)斷時間影響，從圖1 可知，1～14 測道所測值為起主導(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)電動勢;14 測道以后為起主導(dǎo)作用的接收回線自感影響產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢。

圖1 實(shí)測背景感應(yīng)電動勢曲線Fig．1 Curve measured background induced electromotive force

2.2．2 干擾因素分析

提取采集17 測道60 組數(shù)據(jù)中的前14 個測道互感電動勢(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 次采集時出現(xiàn)明顯變化，24 次采集之前互感電動勢變化較大;之后，隨著采集電壓降低，互感電動勢變化幅度逐漸降低。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降低互感影響起到一定效果。分析可知，數(shù)據(jù)總體波動幅度較小，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 互感電動勢曲線Fig．2 Curve of transformer electromotive force

提取采集60 組數(shù)據(jù)中15～17 測道數(shù)據(jù)，求自感電動勢(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)總體變化趨勢平穩(wěn)，且有所增大，是儀器電壓降低所致?？梢姡S著儀器采集電壓降低，自感影響有所增加。

圖3 自感電動勢曲線Fig．3 Curve of self induced electromotive force

2.2.3 剔除法數(shù)據(jù)處理

實(shí)測感應(yīng)電動勢(Es)曲線如圖4a 所示。實(shí)測數(shù)據(jù)處理時，只對17～40測道數(shù)據(jù)體成圖，導(dǎo)致淺層地質(zhì)信息丟失，造成一定淺層探測盲區(qū)。文中從自感和互感影響因素出發(fā)，在實(shí)測數(shù)據(jù)體中剔除自感與互感數(shù)據(jù)，對得到的新數(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，1～17 測道數(shù)據(jù)較好地?cái)M合到18～40 測道數(shù)據(jù)體，說明處理后的數(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)測感應(yīng)電動勢曲線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)裝置與測線布置

實(shí)驗(yàn)在長×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 深處對角水平布置探測目標(biāo)體。低阻體為直徑1 cm、長160 cm 的銅棒，高阻體為直徑3 cm、長160 cm、兩端密封的PVC 管，高低阻異常體均沿水槽對角線水平放置。水槽模擬實(shí)驗(yàn)測線布置如圖5 所示。

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

3.2 結(jié)果分析

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

圖6 低阻體時探測結(jié)果等值趨勢線Fig．6 Isoline trendline of low resistivity body detection result

圖7 高阻體探測結(jié)果等值趨勢線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)體探測效果，探測寬度與深度與本次實(shí)驗(yàn)無關(guān)聯(lián)，故成圖時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。但從兩者來看，無論高低阻響應(yīng)范圍均明顯高于實(shí)際異常體大小。縱向異常體實(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。高阻探測精度低于低阻，能把握住這一現(xiàn)象，對以后實(shí)測結(jié)果解釋具有一定的指導(dǎo)作用。從模擬結(jié)果來看，剔除法對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)探測結(jié)果插值效果Fig．8 Results of simulation test with interpolation effect

4 結(jié)束語

多匝重疊小回線全程瞬變電磁法實(shí)測數(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，但可通過編程等計(jì)算機(jī)嵌入技術(shù)達(dá)到集成化、程序化。

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