趙明宣

(山西華冶勘測工程技術有限公司，山西 太原 030002)

瞬變電磁法(TEM)是地球物理科學中廣泛使用的一種地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測方法，具有地形影響小、穿透能力強、工作效率高等優(yōu)點。這種優(yōu)越性使瞬變電磁場勘探在方法理論、儀器制造、數(shù)據(jù)處理及解釋等方面已形成完整的體系并迅速發(fā)展。淺層瞬變電磁法在道路地下病害檢測、煤田地下火區(qū)定位、礦井探測及邊坡無損檢測等工程中已得到廣泛應用[1-4].

近年來，城市淺層工程物探需求越來越多，但由于瞬變電磁法勘探盲區(qū)的存在，仍然難以識別0～20 m深度內(nèi)的地層信息，亟需研究新的方法滿足這一范圍勘探的需求。

1 基本原理

瞬變電磁法是一種時間域的人工源地球物理電磁感應探測方法，利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場的空間和時間分布解決有關地質(zhì)問題。即在發(fā)送回線上供一個電流方波, 產(chǎn)生一個向地下傳播的一次磁場，在一次場消失后,該渦流不會立即消失,它將有一個過渡(衰減)過程。該過渡過程又產(chǎn)生一個衰減的二次磁場向地表傳播,由地面的接收回線接收二次磁場。觀測和研究大地瞬變電磁場隨時間的變化規(guī)律，可以探測大地電性的垂向變化[5].

接收線圈所接收的信號，一種是來自地下的電磁感應信號，一種是線圈本身的自感。在瞬變電磁接收信號的早期時間道中，線圈自感信號比有用信號大得多，但它比有用信號衰減也快得多，所以總存在一個使瞬變電磁沒法分辨有用信號的時間范圍[6].由于該時間范圍未有效觀測到地下電磁信號，便會產(chǎn)生盲區(qū)。

根據(jù)煙圈擴散深度公式：

式中：

ρ—電阻率，Ω·m；

t—時間，s；

μ0—自由空間導磁率，H/m,取4π×10-7.

假定探測深度相當于煙圈深度一半，最小可分辨延遲時間tmin，則理論盲區(qū)深度為：

由于盲區(qū)的存在，常規(guī)瞬變電磁法適合20 m以下至數(shù)百米深度的探測。因此，要進行20 m以淺范圍的探測，必須采用新的技術方法減小盲區(qū)范圍。

2 新儀器及新技術的應用

為了滿足20 m以淺城市精細探測的需要，選取了一款拖拽式高分辨瞬變電磁系統(tǒng)(FCTEM60-1).該系統(tǒng)采用了“恒壓鉗位”高速線性關斷技術和“跨環(huán)消耦”消互感技術。“恒壓鉗位”技術是用TVS和SIDAC器件來實現(xiàn)無源恒壓鉗位電路，該方法可以使電流下降線性度好，下降沿兩端抖動小，且電路較為簡單[7].根據(jù)磁場疊加原理，弱磁耦合的跨環(huán)消耦結(jié)構(gòu)(發(fā)射線圈居中，與其同軸的接收線圈由兩子圈組成，分別位于發(fā)射線圈內(nèi)側(cè)和外側(cè)，兩接收線圈繞制方向相同，內(nèi)接收線圈的輸出端與外接收線圈輸入端串聯(lián))可以將接收線圈的軸向一次場磁通降為零，從而消除發(fā)送、接收線圈的互感[8].這兩種技術結(jié)合高密度高動態(tài)信號采集，具有極強的淺層和高分辨探測能力，即：“恒壓鉗位”首次實現(xiàn)高速線性關斷，“跨環(huán)消耦”不損失激發(fā)場和二次場，消除了一次場混疊，減小了信號動態(tài)范圍，提高了淺部信號的分辨能力。

跨環(huán)消耦結(jié)構(gòu)可以避免削波失真，有效起始采樣時間可提前至t=2 μs，由此可估算盲區(qū)(淺層電阻率假定2 Ω·m):

3 現(xiàn)場試驗及成果分析

為了驗證儀器的有效性及淺層勘探效果，選取陽泉某建筑工地進行試驗，該區(qū)地處丘陵地區(qū)，設計建筑物依山而建，試驗區(qū)選在場地西北側(cè)，見圖1.

圖1 試驗場地勘探線布設圖

圖2 試驗線視電阻率斷面與現(xiàn)場地形對照圖

圖2基本反映了地層結(jié)構(gòu)，由上至下，電阻率逐步增大，在可見窯洞處，均出現(xiàn)了高阻反映，最左側(cè)窯洞A，由于坍塌嚴重，高阻不明顯，B、C、D窯洞較為完整，C洞為B洞中部向右開挖的一個側(cè)洞，三窯洞均呈現(xiàn)高阻反映；試驗線里程18～20 m，深度2 m左右也出現(xiàn)了高阻，根據(jù)調(diào)查，此處也存在的窯洞(已被掩埋)。試驗結(jié)果表明，窯洞頂部最高處距勘探線布置的地面不足2 m，但都采集到了有效數(shù)據(jù)，由此可見該設備在應用中盲區(qū)極小。

3條勘探線視電阻率斷面圖見圖3，原鋁土礦開采小窯口位于2、3勘探線之間，里程28～30 m處。由圖3可見，1線在里程20～40 m、礦層埋深位置出現(xiàn)了斷續(xù)的低阻體，2線里程20～45 m及3線20～40 m的礦層位置均出現(xiàn)了不連續(xù)低阻體及上下延伸情況，且三線的位置對應也較好，說明探測成果還是可信的。分析認為，出現(xiàn)低阻的原因是采動破壞區(qū)具有一定規(guī)模，已被富水充填物充填且具有一定的體積效應。

圖3 勘探線(1、2、3線)視電阻率斷面圖

在該場地南側(cè)鉆探勘察過程中，發(fā)現(xiàn)有深約9 m的地下人防空洞且已塌陷，為了進一步測試儀器有效性，在鉆孔附近布置了兩條相交的勘探線進行探測，兩條勘探線出現(xiàn)低阻異常位置與鉆探結(jié)果較吻合，并且由此也確定出了該人防空洞的大體走向。

4 結(jié) 論

1)該次嘗試表明，運用新技術所做視電阻率斷面成果基本能反映地層視電阻率趨勢，且小框與目標體耦合較好，使地下目的物異常突出，證明通過高速線性關斷和消互感技術減小盲區(qū)是可以實現(xiàn)的。

2)小回線瞬變電磁系統(tǒng)具有良好的橫向分辨率，而一個剖面線的視電阻率要連續(xù)就必須應有相鄰測點有效體積相互疊加才能給出完整的電性斷面，否則曲線不能連續(xù)，假異常較多。因此，要做好瞬變電磁勘查，測網(wǎng)的布設應根據(jù)實際情況而定，線距點距不宜過大。