(1.中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074; 2.中南民族大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)管理中心，湖北 武漢 430074)

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method,TEM)是“重、磁、電、震”四大物探方法中電法類中的較新穎方法。瞬變電磁法也稱時(shí)間域電磁法，是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間，利用線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法[1]。瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應(yīng)定律[2]。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場(chǎng)相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快[3]，趨膚深度??；而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深大。通過測(cè)量斷電后各時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間變化度規(guī)律，可得到不同深度的大地電性特征。瞬變電磁法探測(cè)具有如下優(yōu)點(diǎn)：① 由于施工效率高，純二次場(chǎng)觀測(cè)以及對(duì)低阻體敏感，使得它在當(dāng)前的煤田和水文地質(zhì)勘探中成為首選方法[4]；② 瞬變電磁法在高阻圍巖中尋找低阻地質(zhì)體是最靈敏的方法[5]；③ 采用同點(diǎn)組合觀測(cè)，與探測(cè)目標(biāo)有最佳耦合，異常響應(yīng)強(qiáng)，分辨能力強(qiáng)；④ 剖面測(cè)量和測(cè)深工作同時(shí)完成，提供更多有用信息[6]；⑤ 使用同點(diǎn)裝置，體積效應(yīng)小，橫向分辨率高；⑥ 觀測(cè)純異常，消除了頻率域的裝置耦合噪聲，受地形起伏影響??；⑦ 可根據(jù)信號(hào)到達(dá)時(shí)間了解信號(hào)源的深度。所以，瞬變電磁法在地質(zhì)勘探、工程物探和隧道超前探測(cè)預(yù)報(bào)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 瞬變電磁法應(yīng)用中的問題

當(dāng)今國(guó)內(nèi)外瞬變電磁法的儀器存在的共性問題都是儀器只有一維發(fā)射和接收，也就是只有一個(gè)發(fā)射線圈和一個(gè)接收線圈[7]，相應(yīng)地，瞬變電磁數(shù)據(jù)解釋也只有以一維水平的層狀大地模型正演計(jì)算為基礎(chǔ)，對(duì)于地電條件復(fù)雜時(shí)的二維和三維情況[8]，資料解釋方法及解釋水平還有待進(jìn)一步提高[9-10]。一維垂直分量的瞬變電磁法解析和儀器在應(yīng)用中存在以下問題:① 深度信息解析依賴地層的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率，這兩個(gè)參數(shù)在工程中無法測(cè)量真值，導(dǎo)致深度信息反演都是經(jīng)驗(yàn)值，誤差很大，可信度不高；② 一維的數(shù)據(jù)解析地層阻抗異常體的空間和方位分辨率差，無法精確定位；③ 由于二次場(chǎng)晚期信息比較微弱，經(jīng)人工參與校正和濾波處理后[11]的數(shù)據(jù)隨意性，依賴于工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)，解析成果受主觀性影響大。因此，盡快研制X、Y和Z軸的三分量發(fā)射和接收的瞬變電磁儀器和相應(yīng)的解析軟件成了當(dāng)務(wù)之急。

2 三維梯度矢量法的瞬變電磁法的建模

2.1 瞬變電磁法“煙圈”模型

國(guó)內(nèi)外大量工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)“煙圈”模型在理論上不完備，導(dǎo)致物探工程反演的深度信息與實(shí)際不符[12]，影響使用效果。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了很多模型，沒有找到好的模型來替代瞬變電磁“煙圈”擴(kuò)散模型[13]。Spies在其經(jīng)典的關(guān)于電磁法探測(cè)深度的論文中指出探測(cè)到深部不均勻體的電磁場(chǎng)響應(yīng)的時(shí)間或頻率[14]，取決于以下幾點(diǎn)：① 該不均勻體的埋深；② 上部斷面的平均電阻率；③ 與激勵(lì)源形式、接收方式以及兩者之間距離的影響較小。Flores發(fā)表了瞬變電磁最大探測(cè)深度的論文，也是基于Spies的瞬變電磁法深度反演模型所做的研究工作。不少學(xué)者對(duì)瞬變電磁法探測(cè)深度的研究采用了時(shí)域有限差分、時(shí)頻分析方法，討論了最大探測(cè)深度是在給定時(shí)間內(nèi)電磁波往返地下某一深度的單程距離，最小探測(cè)深度受儀器最小噪聲水平性能的限制。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)瞬變電磁探測(cè)深度和大回線源最小探測(cè)深度做了很多研究工作[15]，分析瞬變電磁發(fā)送線圈等效回路的暫態(tài)過程，對(duì)不同大小的線框和不同電阻率介質(zhì)等常用裝置及典型地電情況[16]，給出了估算瞬變電磁能探測(cè)的最小和最大探測(cè)深度的方法及估算結(jié)果。陳明生等人認(rèn)為瞬變電磁法的探測(cè)深度主要取決于二次場(chǎng)衰減時(shí)間[17]。這些關(guān)于探測(cè)深度信息的研究都依賴于探測(cè)地層電阻率和磁導(dǎo)率，而這兩個(gè)參數(shù)是無法現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)到真值。所以，瞬變電磁法正演和反演的視電阻率圖和深度信息依賴前期的地質(zhì)信息和工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的積累[18-19]，人為因素影響大，可信度不高。如何解決這個(gè)問題成了一個(gè)重要的物探課題。

2.2 瞬變電磁法理論和三維建模方法

怎樣解決一維垂直分量瞬變電磁“煙圈”擴(kuò)散模型存在的問題？譚劭聰?shù)热私o三維梯度矢量法模型的瞬變電磁法提供很好線索[9]。Krezis等人推導(dǎo)出半空間里瞬變電磁場(chǎng)三分量的具體表達(dá)式，但對(duì)數(shù)據(jù)資料的解釋還主要停留在垂直分量上，已不能滿足目前的勘探需要[20]。因此，增加水平兩分量信息，用三分量進(jìn)行瞬變電磁數(shù)據(jù)處理與解釋，提高精度，在理論和應(yīng)用方面均有重要意義[21-22]。瞬變電磁“煙圈”模型計(jì)算經(jīng)典公式[4-5]為

(1)

(2)

(3)

為了解決瞬變電磁法理論模型的問題，提出三分量梯度矢量法的瞬變電磁模型。因?yàn)樵谝痪S的情況下只能測(cè)量由一次場(chǎng)H1在大地中激發(fā)的二次場(chǎng)H2的垂直分量H2z，無法測(cè)量二次場(chǎng)在X軸和Y軸方向的分量H2x和H2y。如果能測(cè)量二次場(chǎng)的3個(gè)分量，那么就可以合成計(jì)算出二次場(chǎng)的矢量，并計(jì)算出沿著測(cè)線方向的二次場(chǎng)磁場(chǎng)梯度。在確定間距為L(zhǎng)的不同測(cè)點(diǎn)，測(cè)量二次場(chǎng)磁場(chǎng)H2沿著測(cè)線的梯度的變化，根據(jù)幾何三角幾何關(guān)系和正弦定理，可以確定礦體或者低阻體的方位和與測(cè)點(diǎn)的距離，這種方法避開了大地的電導(dǎo)率σ和磁導(dǎo)率μ。因?yàn)檫@兩個(gè)常數(shù)在實(shí)際工程是無法精確測(cè)量的，無法得到準(zhǔn)確的數(shù)值。這正是瞬變電磁法在當(dāng)前工程應(yīng)用中一個(gè)無法克服的缺陷，而三分量梯度矢量法正可以彌補(bǔ)該缺陷，從理論方法和儀器平臺(tái)兩方面突破現(xiàn)有方法的不足，做到真正意義上的創(chuàng)新。當(dāng)然后續(xù)的研究工作需要大量的模型實(shí)驗(yàn)、野外現(xiàn)場(chǎng)和煤礦井下測(cè)試驗(yàn)證。解決瞬變電磁法和儀器存在的問題需要從以下幾個(gè)方面入手：① 硬件方面，開發(fā)新型的三分量發(fā)射和接收的瞬變電磁儀器；② 提高性噪比性能方面，需要研發(fā)大功率瞬變電磁發(fā)射機(jī)，加大發(fā)射電流，壓制噪聲，提高儀器的性噪比；③ 在瞬變電磁數(shù)據(jù)解析理論創(chuàng)新方面，提出三分量梯度矢量法對(duì)瞬變電磁“煙圈”擴(kuò)散模型論突破。

2.3 基于三角法的三分量梯度矢量法的深度計(jì)算

在二次場(chǎng)H2三分量梯度矢量法模型下，根據(jù)接收的信號(hào)和電子羅盤方位信息，可以確定低阻礦體或者富含水的低阻體β1、β2方位角信息。在一條側(cè)線上，事先確定測(cè)點(diǎn)的間距L，一般為5～10 m。根據(jù)在每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量得到的二次場(chǎng)梯度矢量與側(cè)線的角度的值及其測(cè)點(diǎn)的間距L，就可以計(jì)算出低阻體距離側(cè)線的垂直距離大小。根據(jù)三角幾何的正弦定理，計(jì)算公式為

(4)

(5)

D=acosβ1

(6)

式中，L為施工確定的測(cè)點(diǎn)間距；β1,β2為該測(cè)點(diǎn)二次場(chǎng)矢量與測(cè)線的角度；a，b為低阻體到測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的直線距離；D為探測(cè)的地租體到測(cè)線的垂直距離。

瞬變電磁三維梯度矢量法的深度計(jì)算示意圖如圖1所示。這種方法是基于梯度矢量法對(duì)測(cè)深的計(jì)算，避開了大地電阻率和磁導(dǎo)率這兩個(gè)無法測(cè)量的變量。

圖1 瞬變電磁法二次場(chǎng)梯度矢量法推算探測(cè)深度圖

3 三維瞬變電磁儀器的設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家科技部“十二五”科技支撐計(jì)劃“煤礦突水、火災(zāi)等重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)及裝備研發(fā)”項(xiàng)目和湖北省自然基金項(xiàng)目“三維梯度矢量法瞬變電磁儀關(guān)鍵技術(shù)研究及儀器研發(fā)”項(xiàng)目的任務(wù)要求，結(jié)合參與子課題“礦井突水重大災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)”的要求，研發(fā)三分量瞬變電磁法儀器及其解析軟件，需要從以下幾個(gè)方面開展研發(fā)工作。

3.1 三維瞬變電磁儀的工作模式

國(guó)內(nèi)還沒有三分量瞬變電磁儀面世，必須搭建好儀器的硬件平臺(tái)，開發(fā)新型的三分量瞬變電磁儀。中南民族大學(xué)測(cè)控與智能儀器研究所與國(guó)內(nèi)相關(guān)大學(xué)合作，已經(jīng)開發(fā)了一些單分量的電磁法物探儀器。在現(xiàn)有儀器單發(fā)單收的基礎(chǔ)上，增加三路發(fā)射電路，在X、Y、Z軸方向增加3個(gè)發(fā)射電路和發(fā)射線圈。相應(yīng)地，儀器需要增加3路X、Y和Z軸的接收電路和接收線圈，用來記錄二次場(chǎng)在X、Y、Z軸方向的3個(gè)分量H2x、H2y和H2z的值。整個(gè)工作流程是：首先，X方向線圈發(fā)射，同步啟動(dòng)對(duì)X、Y和Z軸的接收接收線圈和電路接收3路信號(hào)；依次Y和Z方向線圈發(fā)射，同樣對(duì)X、Y和Z軸三維接收和記錄。這樣的工作模式，可以精確地記錄和計(jì)算出激發(fā)的二次場(chǎng)H2矢量和沿測(cè)線方向的梯度的大小和方向。按照探測(cè)深度和精度要求，相應(yīng)地確定測(cè)點(diǎn)距離L，測(cè)量出二次場(chǎng)的大小和方向。根據(jù)電磁感應(yīng)地渦流二次場(chǎng)H2沿著測(cè)線方向的梯度矢量隨測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)只是改變?cè)?個(gè)接收線圈X、Y和Z軸方向的投影分量大小的關(guān)系。根據(jù)三角幾何關(guān)系，在測(cè)線上的測(cè)點(diǎn)，得到二次場(chǎng)H2矢量大小和方向，就可以計(jì)算出礦體或者低阻體到測(cè)點(diǎn)的距離。系統(tǒng)工作模型如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作模型

3.2 儀器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有儀器基礎(chǔ)上，增加3路發(fā)射電路，在X，Y，Z軸增加3個(gè)發(fā)射電路和發(fā)射線圈。在儀器硬件選型方面，選擇三星ARM A8內(nèi)核的微處理器平臺(tái)S5PV210芯片和高速高精度A/D芯片AD7760。儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，采用ARM Cortex-A8架構(gòu)的三星S5PV210芯片作為主處理器，其運(yùn)行主頻可高達(dá)1 GHz。AD7760是一款高性能、具有24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣率在2.5 MS/s時(shí)信噪比可達(dá)100 dB，因此非常適合大動(dòng)態(tài)范圍的高速數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。AD7760是高信噪比且無需復(fù)雜的前端信號(hào)處理的數(shù)據(jù)采集理想器件，其差分輸入由模擬調(diào)制器以最高40 MS/s的采樣速率進(jìn)行采樣，調(diào)制器輸出由一系列低通濾波器處理，最后一個(gè)濾波器具有默認(rèn)的或用戶可編程系數(shù)。采樣速率、濾波器轉(zhuǎn)折頻率和輸出字速率由AD7760的外部時(shí)鐘頻率與配置寄存器共同設(shè)置。通過USB接口連接U盤把數(shù)據(jù)導(dǎo)出到PC機(jī)分析軟件和Surfer成圖軟件。儀器采用鎳氫防爆電池和電子閘門保護(hù)電路，達(dá)到國(guó)標(biāo)GB3836.1和GB3836.4本安要求，應(yīng)用到有防爆的煤礦和礦井中。

圖3 三分量瞬變電磁硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 儀器測(cè)試和數(shù)據(jù)分析

設(shè)計(jì)的儀器需要采集發(fā)射正反向電流和接收信號(hào)的電壓，其中歸一化電壓信號(hào)是接收的電壓信號(hào)除以發(fā)射電流值，其幅值和時(shí)間都采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)來顯示歸一化的曲線。接收信號(hào)中包含了一次場(chǎng)和二次場(chǎng)的信號(hào)，一次場(chǎng)具有幅值高、衰減快的特性。二次場(chǎng)信號(hào)弱，衰減慢。對(duì)一次場(chǎng)和二次場(chǎng)信號(hào)的分離和處理可以采取小波和曲線擬合對(duì)瞬變電磁信號(hào)去噪優(yōu)化。在圖4(a)中曲線為接收二次場(chǎng)的時(shí)域電壓信號(hào)，圖4(b)為接收二次場(chǎng)的歸一化電壓信號(hào)對(duì)數(shù)坐標(biāo)曲線。在圖5(a)儀器數(shù)據(jù)分析界面圖中，根據(jù)圖的分辨率要求，歸一化曲線在時(shí)間對(duì)數(shù)域線性地取24～48個(gè)測(cè)量窗口值，把不同時(shí)間測(cè)點(diǎn)的值連接起來組成測(cè)道線圖，如圖5(a)中的上半部分多條平行線所示。把所有測(cè)點(diǎn)的測(cè)道線數(shù)據(jù)導(dǎo)入視電阻率計(jì)算公式和網(wǎng)格化成圖軟件Surfer，根據(jù)瞬變電磁渦流擴(kuò)散深度公式，得到在山西左云縣店灣煤礦掘進(jìn)巷側(cè)幫的視電阻率圖，如圖5(b)所示，其藍(lán)色區(qū)域(區(qū)域1，2，3)為低阻區(qū)，可能存在高富含水地質(zhì)構(gòu)造，經(jīng)過探鉆驗(yàn)證了瞬變電磁的物探結(jié)果。

圖4(b)中，X和Y坐標(biāo)為對(duì)數(shù)分度，圖中曲線重復(fù)性好，晚期二次場(chǎng)信號(hào)差異性顯著。

圖5中可以看出視電阻圖低阻區(qū)域明顯可區(qū)分。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了新型三分量梯度矢量瞬變電磁法模型和儀器方案，探索解決瞬變電磁探測(cè)深度依賴于地層電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率求解的工程技術(shù)難題。該模型僅由測(cè)點(diǎn)的二次場(chǎng)三分量數(shù)據(jù)得到其在測(cè)線方向的梯度矢量，結(jié)合測(cè)點(diǎn)間距和幾何三角函數(shù)關(guān)系，計(jì)算出探測(cè)方向中低阻體的方位和距離。研發(fā)的三分量梯度法瞬變電磁儀器，在煤礦開采的超前探測(cè)應(yīng)用中，達(dá)到了超前探測(cè)效果。該儀器還可以應(yīng)用到地下工程和隧道開挖的超前探測(cè)、水害防治和地下溶洞探測(cè)。儀器進(jìn)一步改進(jìn)后，還可以應(yīng)用到城市管線、地質(zhì)沉降和路面塌陷探測(cè)中。

圖4 接收二次場(chǎng)的時(shí)域電壓信號(hào)和歸一化電壓信號(hào)

圖5 數(shù)據(jù)綜合分析軟件界面和店灣煤礦掘進(jìn)巷側(cè)幫的視電阻率圖