邢士發(fā)， 歐陽(yáng)鑫， 楊 璽， 李英娜， 李 川

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500)

物探實(shí)驗(yàn)成圖與異常識(shí)別結(jié)果的分析與研究*

邢士發(fā)， 歐陽(yáng)鑫， 楊 璽， 李英娜， 李 川

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500)

基于瞬變電磁法的水體與云南省楚雄州腰站變電站物探實(shí)驗(yàn)。采用的設(shè)備為L(zhǎng)TEM—1型瞬變電磁儀，其中，水體實(shí)驗(yàn)采用1條測(cè)線,12個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)布局，變電站實(shí)驗(yàn)采用4條測(cè)線,平均32個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)布局，利用改進(jìn)的等值線圖生成算法與異常區(qū)域識(shí)別算法對(duì)實(shí)驗(yàn)所得視電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行了應(yīng)用分析與研究。

物探； 瞬變電磁法； 變電站； 等值線圖； 視電阻率

0 引 言

物探是利用物理方法進(jìn)行勘探的一種方法，是以不同巖、礦、土、水等介質(zhì)之間的物理差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，利用物理學(xué)原理，通過(guò)觀測(cè)和研究地球物理場(chǎng)的時(shí)空分布規(guī)律，來(lái)解決地質(zhì)問(wèn)題即地質(zhì)體空間分布的方法[1,2]。同時(shí)物探可以結(jié)合等值線圖來(lái)呈現(xiàn)出來(lái)，等值線圖(contour map)是一種在氣象、海洋、地球物理勘探等領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用極廣的圖形，其通過(guò)可視化的方式，將不易識(shí)別出特征的數(shù)據(jù)集合更直觀地呈現(xiàn)出來(lái)[3,4]。

瞬變電磁法(transient electromagnetic method，TEM)也稱之為時(shí)間域電磁法[5～7]，這種方法先是利用回線或者線源向地下發(fā)射脈沖式電磁場(chǎng)，在產(chǎn)生一次磁場(chǎng)的脈沖間隙，利用接收線圈或者接電電極觀測(cè)二次電磁場(chǎng)的變化規(guī)律。通過(guò)接收線圈接收到的數(shù)據(jù)和信息，可以推斷出地下介質(zhì)通過(guò)電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的二次電磁場(chǎng)的變化情況，從而進(jìn)一步得到地下介質(zhì)的異?，F(xiàn)象，進(jìn)而分析出地質(zhì)體不均勻的導(dǎo)電性以及電磁場(chǎng)中電流的衰減位置，利用這種方法來(lái)解決與地質(zhì)勘探相關(guān)的問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為L(zhǎng)TEM—1型瞬變電磁儀，采用了雙極性矩形波供電，供電時(shí)利用發(fā)射線圈向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)，當(dāng)?shù)叵麓嬖谔綔y(cè)目標(biāo)時(shí)，一次場(chǎng)會(huì)激勵(lì)地質(zhì)體，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，地下目標(biāo)體會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，在一次場(chǎng)的間歇期間利用接收線圈來(lái)接收二次場(chǎng)，儀器將得到的信息存儲(chǔ)、提取和分析，如圖1所示。

LTEM—1型瞬變電磁系統(tǒng)是由主機(jī)LTEM—1型瞬變電磁儀(收發(fā)一體式[8]，包含PC、測(cè)量電路及邏輯控制電路、保護(hù)電路)、外接發(fā)射線圈供電電源、LTEM—1型瞬變電磁儀主機(jī)電源、發(fā)射線圈、接收線圈組成。如圖2所示。

圖1 LTEM—1型瞬變電磁儀的野外工作方法原理

其中，PC負(fù)責(zé)控制發(fā)射與接收部分，PC控制發(fā)射部分通過(guò)發(fā)射線圈發(fā)送一次場(chǎng)，再控制接收部分由接收線圈接收二次場(chǎng)，如圖2。探測(cè)的電壓數(shù)據(jù)將傳回PC中保存為excel表格文件。

圖2 LTEM—1型瞬變電磁儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 研究水體TEM物探實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

為了能夠取得地質(zhì)視電阻率數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行等值線圖生成與異常區(qū)域自動(dòng)識(shí)別，需用LTEM—1型瞬變電磁儀進(jìn)行相關(guān)物探實(shí)驗(yàn)。首先進(jìn)行了一種具有低阻特征的地質(zhì)區(qū)域—水體的模擬實(shí)驗(yàn)，其中對(duì)LTEM—1的配置：發(fā)射線圈(形狀為矩形，邊長(zhǎng)為0.24 m，匝數(shù)為22，總電阻為0.613 Ω),接收線圈(形狀為矩形，邊長(zhǎng)為0.24 m，匝數(shù)為10),供電電壓為12.07 V,供電電流為20.76 A,疊加次數(shù)為13,測(cè)線數(shù)量為1,測(cè)點(diǎn)數(shù)量為12,測(cè)點(diǎn)距離為0.12 m,測(cè)道數(shù)量為40?，F(xiàn)場(chǎng)如圖3。

圖3 等級(jí)為11的視電阻率等值線圖與水體區(qū)域識(shí)別

由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為時(shí)間域的電壓數(shù)據(jù)，還需要利用TEM均勻半空間視電阻率的計(jì)算方法，將電壓數(shù)據(jù)結(jié)合LTEM—1配置參數(shù)反演成視電阻率數(shù)據(jù)。由于本文中的TEM物探實(shí)驗(yàn)均采用重疊(中心)回線裝置，所以，這里主要討論中心回線裝置的一種視電阻率ρτ的計(jì)算方法。中心回線裝置的感應(yīng)電壓表達(dá)式是美國(guó)地球物理學(xué)家于1983年推導(dǎo)出來(lái)的，其表達(dá)式為

(1)

(2)

為了從式(2)中求解ρ，采用編程的方法求解非線性方程(2)，對(duì)于每個(gè)i測(cè)到的Z滿足

(3)

(4)

解非線性方程(3)的方法如下：

1)通過(guò)二分法在區(qū)間Z(Z0,ZM)內(nèi)找到有相反符號(hào)的FUN(ZL)及FUN(ZR)的橫坐標(biāo)(ZL,ZR)。

2)用米勒法在(ZL,ZR)之間求出FUN(Z)=0的根。由于FUN(Z)為Z的雙值函數(shù)，每個(gè)[ti,V(ti)]對(duì)應(yīng)兩個(gè)ρτ(ti)值，可以采用比較法選取與前一個(gè)時(shí)刻的ρτ(tj-1)值相近的值ρτ(ti)。

由式(4)可以看出，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)ti都對(duì)應(yīng)了一個(gè)視電阻率ρτ，要將ρτ從時(shí)間域轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g域，還需要計(jì)算每個(gè)ρτ對(duì)應(yīng)的深度hτ。有一種簡(jiǎn)便的hτ公式為

(5)

式中 t以ms為單位，ρτ以Ω·m為單位。公式引自于美國(guó)Zonge公司的技術(shù)文檔，并根據(jù)野外的應(yīng)用資料，當(dāng)ρτ為全期視電阻時(shí)，系數(shù)取20，一般能夠取得較好的結(jié)果。

經(jīng)過(guò)計(jì)算的單個(gè)視電阻率數(shù)據(jù)具有測(cè)點(diǎn)(或測(cè)寬)、測(cè)深、視電阻率值3個(gè)屬性。因此，可以定義視電阻率文件格式為一個(gè)表格，格式如表1。

表1 視電阻率文件格式

由表1可見(jiàn)，視電阻率數(shù)據(jù)文件格式表現(xiàn)為平面離散分布狀態(tài)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)具有平面坐標(biāo)，且具有屬性值即視電阻率值，這種數(shù)據(jù)格式為平面離散型，符合等值線圖的生成要求。進(jìn)一步地可以對(duì)平面離散視電阻率數(shù)據(jù)生成等值線圖來(lái)更直觀地表達(dá)地質(zhì)體視電阻率分布形態(tài)。

2.2 視電阻率等值線圖生成與水體區(qū)域識(shí)別結(jié)果

為了進(jìn)一步將成圖與識(shí)別算法應(yīng)用到實(shí)際數(shù)據(jù)中，這里對(duì)水體物探實(shí)驗(yàn)測(cè)得并計(jì)算出的視電阻率數(shù)據(jù)，進(jìn)行等值線圖生成與異常區(qū)域(這里為水體)的識(shí)別[9，10]。需要闡述的是，當(dāng)?shù)戎稻€圖的精度較小時(shí)，等值線之間視電阻率差值較大，算法的識(shí)別精度越小。圖4(由于等值線圖中的橫坐標(biāo)代表測(cè)點(diǎn)號(hào)，這里還需要乘以實(shí)驗(yàn)時(shí)的測(cè)點(diǎn)距離0.12 m)中等值線圖等級(jí)為11，設(shè)置水體視電阻率范圍為0～139 Ω·m時(shí)，識(shí)別出了一個(gè)面積為0.000 68 m2的小區(qū)域，具體見(jiàn)表2。由于水體實(shí)驗(yàn)放置了2個(gè)水盆，則可知該區(qū)域?yàn)殄e(cuò)誤識(shí)別區(qū)域，當(dāng)設(shè)置等值線圖等級(jí)為23時(shí)，如圖5所示，小區(qū)域沒(méi)有被當(dāng)做水體區(qū)域識(shí)別出來(lái)，且識(shí)別水體區(qū)域數(shù)據(jù)大致可靠。具體見(jiàn)表3。

圖4 等級(jí)為11的視電阻率等值線圖與水體區(qū)域識(shí)別

L/mT/m中心X/m中心Y/m面積/m2類型0.91-0.171.07-0.410.092819水體0.23-0.690.25-0.720.00068水體0.49-0.430.62-0.670.02289水體

圖5 等級(jí)為23的視電阻率等值線圖與水體區(qū)域識(shí)別

L/mT/m中心X/m中心Y/m面積/m2類型0.94-0.21.05-0.370.072182水體0.61-0.440.67-0.660.008924水體

3 腰站變電站TEM物探實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

為了進(jìn)行實(shí)地物探實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)前期研究，選定楚雄供電局220 kV腰站變電站作為應(yīng)用試點(diǎn)站。楚雄供電局220 kV腰站變電站位于楚雄祿豐縣勤豐鎮(zhèn)羊街村北面約2 km的山丘上，海拔高度1 923 m，占地面積22 876 m2，于2009年12月25日建成投產(chǎn),是楚雄祿豐地區(qū)的重要變電站之一。主供電源由500 kV和平變220 kV和腰I回線、220 kV和腰II回線供電。自建成后，由于邊坡滑動(dòng)的作用，北側(cè)上下游擋土墻均出現(xiàn)了裂縫，地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在較明顯安全隱患。而由于地處云南省北部，氣候環(huán)境多變，冬夏降雨量分布差異大，冬季氣溫較低，使得塔架及輸變電線路風(fēng)舞、覆冰現(xiàn)象明顯。選擇腰站變電站作為項(xiàng)目的實(shí)施地能更加具有針對(duì)性，而實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)展也證明了TEM地質(zhì)勘探的普適性和可推廣性。為了降低電磁干擾對(duì)設(shè)備的影響，實(shí)驗(yàn)選定在變電站維護(hù)階段進(jìn)行，從而使設(shè)備能夠在可接受的電磁場(chǎng)范圍內(nèi)正常工作。

腰站山地變電站邊坡，分別對(duì)上平面、上斜坡、下平面和下斜面進(jìn)行了檢測(cè)，其中對(duì)LTEM—1的配置為：發(fā)射線圈(矩形，邊長(zhǎng)為0.73 m，匝數(shù)為8，總電阻為1.99 Ω)、接收線圈(矩形，邊長(zhǎng)為0.73 m，匝數(shù)為7)、供電電壓為12.07 V供電電流為6.06 A、疊加次數(shù)為13、測(cè)線數(shù)量為4、測(cè)點(diǎn)平均數(shù)量為32、測(cè)點(diǎn)距離為1.46 m和測(cè)道數(shù)量為40。

如同水體實(shí)驗(yàn)，利用如下TEM均勻半空間視電阻率的計(jì)算方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)取得的各個(gè)測(cè)點(diǎn)各個(gè)測(cè)道的電壓數(shù)據(jù)結(jié)合LTEM—1的配置參數(shù)進(jìn)行視電阻率反演計(jì)算。

3.2 視電阻率等值線圖生成與異常區(qū)域識(shí)別結(jié)果

為了對(duì)腰站變電站物探項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)視電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用本文所給算法對(duì)下馬道瞬變電磁物探實(shí)驗(yàn)所得視電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行等級(jí)為23的等值線圖生成，如圖6(a)所示(圖中橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)單位均為m)，并進(jìn)行低阻異常區(qū)域特征識(shí)別，如圖6(b)所示，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。根據(jù)實(shí)地勘探，得出該地有呈低阻特征的接地網(wǎng)，且實(shí)際位置與識(shí)別出的低阻區(qū)域位置大致相同。

表4 腰站變電站下馬道低阻區(qū)域數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

利用本文裝置進(jìn)行了低阻地質(zhì)特征的水體模擬實(shí)驗(yàn)，

圖6 等腰站變電站下馬道電阻率等值線圖與低阻區(qū)域識(shí)別

為了進(jìn)一步取得實(shí)地勘探數(shù)據(jù)，又進(jìn)行了楚雄腰站變電站的TEM物探實(shí)驗(yàn)，將取得的測(cè)點(diǎn)測(cè)道電壓數(shù)據(jù)計(jì)算為平面離散視電阻率數(shù)據(jù)，利用本文改進(jìn)的算法對(duì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)視電阻率數(shù)據(jù)生成了等值線圖。利用本文給出的識(shí)別算法對(duì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的等值線圖進(jìn)行了異常區(qū)域的識(shí)別分析，且給出了識(shí)別結(jié)果。

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Analysis and research based on geophysical experiments mapping and abnormal recognition results*

XING Shi-fa, OUYANG Xin, YANG Xi, LI Ying-na, LI Chuan

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

Based on the waters of the transient electromagnetic method and current conditions of Yunnan waist station substation geophysical experiments,the experiment adopts equipment of LTEM—1 type of transient electromagnetic instrument,including water experiment which used 1 line,experiment of 12 points layout,substation experiment using 4 lines, an average of 32 experiment measuring points layout,which is the improved contour mapping generation algorithm with abnormal regional recognition algorithm.Application analysis and research on apparent resistivity data obtained from experiment are carried out.

geophysical prospecting； transient electromagnetic method(TEM)； transformer substation； contour map； apparent resistivity

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0044—03

2016—05—09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51567013);昆明理工大學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目(KKSY201303004);云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013FZ021)；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(一等資助)(2014M552552XB)

TP 212

A

1000—9787(2017)05—0044—03

邢士發(fā)(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣饫w光柵傳感技術(shù)及應(yīng)用及信息檢測(cè)處理等,E—mail:1182643156@qq.com。

李 川(1971-),男,通訊作者，博士，教授,博士生導(dǎo)師，從事傳感器的研制與檢測(cè)應(yīng)用方向研究工作,E—mail:1625677252@qq.com。