劉東清

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

0 引言

瞬變電磁法是工程物探方法的一種，是電法發(fā)展過(guò)程中的一種重要應(yīng)用。它是以電磁學(xué)的基本原理為理論基礎(chǔ)。早期主要應(yīng)用在地質(zhì)找礦勘查方面，后來(lái)隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，此方法在其他領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用，特別是在煤炭采空區(qū)勘查方面。山西是一個(gè)煤炭大省，在早些年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，存在著大量的私挖亂采的現(xiàn)象，隨之而來(lái)的就是全省各地都存在著具體位置不清楚的采空區(qū)。這些大量存在的采空區(qū)，就為后來(lái)工程建設(shè)的安全帶來(lái)了極大的隱患。特別是在水利工程建設(shè)中，對(duì)大壩壩基的穩(wěn)定性和庫(kù)區(qū)周?chē)臐B漏問(wèn)題的影響，都是勘察施工過(guò)程中的一個(gè)難題。本文主要討論瞬變電磁法在庫(kù)區(qū)煤炭采空區(qū)勘查中的應(yīng)用。

1 瞬變電磁法的基本原理

瞬變電磁法是以地下不明地質(zhì)體的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性差異為基礎(chǔ)，觀察電磁場(chǎng)在地下傳播和分布的規(guī)律，從而為查找和解決地下異常地質(zhì)體提供可靠的方法[1]。此方法早期在地質(zhì)找礦中得到應(yīng)用，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用在采空區(qū)勘察、水文地質(zhì)勘察以及其他工程勘察領(lǐng)域。

電磁感應(yīng)定律是一切電法磁法物探方法的基礎(chǔ)理論，即通過(guò)電磁場(chǎng)之間的相互變化來(lái)達(dá)到探測(cè)地下地質(zhì)體的目的。當(dāng)主機(jī)向供電線圈以交變的電流I1供電時(shí)，就在供電線圈周?chē)⒘祟l率和相位都一樣的交變電磁場(chǎng)E1，E1稱為一次電磁場(chǎng)。依據(jù)電磁感應(yīng)定律，一次電磁場(chǎng)垂直向地下傳播，當(dāng)一次電磁場(chǎng)穿過(guò)某異常地質(zhì)體時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生二次感應(yīng)電流I2，以及相應(yīng)二次感應(yīng)電磁場(chǎng)E2。最后通過(guò)分析接收到的二次電磁場(chǎng)的大小以及變化，來(lái)反映地下地質(zhì)體的變化情況。

按照?qǐng)鲈葱再|(zhì)的不同，電磁法分為頻率域電磁法和時(shí)間域電磁法，使用頻率10-3～108Hz為場(chǎng)源的一般為頻率域電磁法[1]。而本文所講的瞬變電磁法則屬于典型的時(shí)間域電磁法，這種方法主要使用各種形式的周期性脈沖信號(hào)作為場(chǎng)源。

2 瞬變電磁法的方法概述

瞬變電磁法是一種以周期性脈沖信號(hào)作為場(chǎng)源的電磁測(cè)深法，是時(shí)間域電磁法的一種，它是利用接地電極或不接地矩形線圈向地下發(fā)射一次脈沖電磁場(chǎng)，然后接收地下感應(yīng)的二次電磁場(chǎng)[1]。

在野外工作中，首先要將主機(jī)與發(fā)射和接收線圈連接好，檢查無(wú)誤后向發(fā)射線圈輸送一個(gè)階躍電流，同時(shí)會(huì)在發(fā)射線圈周?chē)a(chǎn)生一次交變的電場(chǎng)，一次交變的電場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生一次磁場(chǎng)，一次磁場(chǎng)如圖1所示沿垂直地面的方向向地下傳播，在地下介質(zhì)中產(chǎn)生渦流。當(dāng)發(fā)射線圈中突然斷電后，一次場(chǎng)消失，但地下介質(zhì)中的渦流不會(huì)立刻消失，在其逐漸衰減的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)二次場(chǎng)，同時(shí)接收線圈會(huì)接收到這個(gè)二次場(chǎng)的大小。

圖1 瞬變電磁法原理圖

在開(kāi)始的時(shí)間內(nèi)，一次場(chǎng)中高頻部分占據(jù)主要地位，由于上部地層的高阻屏蔽作用，高頻電磁波在上部高阻地層就容易被屏蔽吸收。所以在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，電磁場(chǎng)主要反映的是淺部地層的信息。

然而隨著時(shí)間的增加，高頻電磁場(chǎng)被表層介質(zhì)吸收而逐漸減弱，而低頻電磁波穿透性較強(qiáng)，繼續(xù)向地下傳播，就能更好地反映出深部地質(zhì)體的信息情況。如果地下地質(zhì)異常體為低阻時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的二次渦旋場(chǎng)，且二次場(chǎng)的持續(xù)時(shí)間也比較長(zhǎng)，更有利于地表接收異常信號(hào)。

由此可以看出，通過(guò)對(duì)二次場(chǎng)在地下介質(zhì)中傳播變化情況的分析，就能達(dá)到對(duì)地下未知地層進(jìn)行勘探的目的，特別是對(duì)低阻的地層或地質(zhì)異常體，效果會(huì)更好。

3 采空區(qū)的地球物理特征

采空區(qū)是后天形成的一種地質(zhì)構(gòu)造，是煤炭或其他的埋藏在地下的礦產(chǎn)被開(kāi)采以后留下的空洞。空洞若是在地下水位以下則可能被水充填，否則空洞被空氣充填；或是空洞坍塌形成裂隙帶?？傊煽諈^(qū)會(huì)與周?chē)貙訋r體在電學(xué)性質(zhì)上發(fā)生變化，簡(jiǎn)單說(shuō)：即在電阻率上會(huì)發(fā)生變化。在實(shí)際的野外工作中，地下導(dǎo)電介質(zhì)電導(dǎo)率的高低與二次場(chǎng)衰減快慢成反比的關(guān)系。當(dāng)采空區(qū)位于地下水位以下并且充填地下水時(shí)，采空區(qū)內(nèi)的電阻率較周?chē)鷰r體要低，則二次渦流場(chǎng)衰減慢；當(dāng)采空區(qū)內(nèi)充填的為空氣時(shí)，電阻率較周?chē)鷰r體要高，則二次渦流場(chǎng)衰減快。這種區(qū)別就是我們用瞬變電磁法探測(cè)采空區(qū)的物理前提。

4 成果分析

某水庫(kù)位于山西省沁源縣王陶鄉(xiāng)南坪村龍鳳河下游河道上，庫(kù)容400萬(wàn)m3，是一座以農(nóng)業(yè)、工業(yè)供水為目的的小型水庫(kù)。根據(jù)勘察技術(shù)要求，對(duì)壩址區(qū)及庫(kù)區(qū)地下采空區(qū)情況進(jìn)行物探勘察。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的踏勘，庫(kù)區(qū)內(nèi)共布置9條測(cè)線，線距為20 m，點(diǎn)距為5 m。現(xiàn)對(duì)其中三條測(cè)線進(jìn)行分析說(shuō)明，詳見(jiàn)圖2、圖3、圖4。

圖2 b1-b1′TEM視電阻率等值線剖面圖

b1-b1′剖面：從TEM等值線圖中可看出：b1-b1’剖面的TEM視電阻率等值線在橫向上從距離剖面起點(diǎn)約0～20 m的范圍打破了水平方向應(yīng)有的近似水平的特征，在縱向上打破了應(yīng)有的層狀特征，即圖中的深色部分，視電阻率等直線發(fā)生了扭曲以及圈閉狀，反映為相對(duì)的高視電阻率異常，推斷該高阻異常可能為煤礦采空區(qū)造成。

圖3 b5-b5′TEM視電阻率等值線剖面圖

b5-b5′剖面：從TEM等值線圖中可看出：b5-b5′剖面的TEM視電阻率等值線在橫向上從距離剖面起點(diǎn)約10～25 m的范圍打破了水平方向應(yīng)有的近似水平的特征，在縱向上打破了應(yīng)有的層狀特征，即圖中的深色部分，視電阻率等直線發(fā)生了扭曲以及圈閉狀，反映為相對(duì)的高視電阻率異常，推斷該高阻異?？赡転槊旱V采空區(qū)造成。

b7-b7′剖面：從TEM等值線圖中可看出：b7-b7′剖面的TEM視電阻率等值線在橫向上從距離剖面起點(diǎn)約13～22 m的范圍打破了水平方向應(yīng)有的近似水平的特征，在縱向上打破了應(yīng)有的層狀特征，即圖中的深色部分，視電阻率等直線發(fā)生了扭曲以及圈閉狀，反映為相對(duì)的高視電阻率異常，推斷該高阻異?？赡転槊旱V采空區(qū)造成。

圖4 b7-b7′TEM視電阻率等值線剖面圖

通過(guò)對(duì)7條測(cè)線的分析，我們將所有異常位置在平面圖上標(biāo)出，最后推斷出采空區(qū)范圍，具體測(cè)線布置情況與采空區(qū)的位置見(jiàn)圖5“物探平面布置與解釋圖”。庫(kù)區(qū)地下采空區(qū)范圍為不規(guī)則幾何狀，經(jīng)分析可能為小煤礦私挖亂采造成這種不規(guī)則采空區(qū)。

圖5 物探平面布置與解釋圖

5 結(jié)論

瞬變電磁法作為電法勘探里面一種較新的方法，具有野外裝置體積小，數(shù)據(jù)采集方法簡(jiǎn)單，工作成本低等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)研究和確定地下采空區(qū)，巖溶發(fā)育區(qū)，識(shí)別斷層及圈定局部構(gòu)造等有良好的效果。

由于高阻體的電流屏蔽效應(yīng)，瞬變電磁法對(duì)低阻異常體反映較高阻異常體反映明顯。在后期資料處理中，該方法在異常體的定量分析中應(yīng)用效果很好，但在定性分析中即在異常體的深度分析上分辨率誤差較大，需要現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)鉆孔資料對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定處理。參考文獻(xiàn)：

［1］傅良魁主編.應(yīng)用地球物理學(xué)教程——電法放射性地?zé)幔跰］.北京：地質(zhì)出版社.1 9 9 1.