隆季原，李文堯

(昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

0 引言

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method,TEM)是一種建立在電磁感應原理基礎上的時間域人工源電磁探測的物探方法[1]。在該方法的激發(fā)下，地質(zhì)體中會激勵起隨時間變化的感應電磁場(即二次場)，二次場能反映地質(zhì)體豐富的地點信息[1-4]，因此在地下礦體探測[5-6]、工程地質(zhì)勘查[7-8]、水文地質(zhì)調(diào)研[9-10]、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查[11]等領域均有廣泛應用。

在利用TEM對地下礦體進行探測時，觀測儀器中匹配電阻的大小會影響局部導電體在接收線圈上感應電壓的衰減特征和接收線圈的響應特性[12-13]。如果匹配電阻選擇不合適，一部分觀測數(shù)據(jù)將超過儀器的觀測規(guī)格或出現(xiàn)震蕩，即為儀器觀測數(shù)據(jù)的超格效應。超格的這部分數(shù)據(jù)無法進行電阻率的計算，將導致探測盲區(qū)，從而無法對地下礦體進行探測，超格的觀測數(shù)據(jù)對應的深度即為盲區(qū)深度。目前對于盲區(qū)的定義有不同的解釋[14]：薛國強[15]認為在利用TEM探測時，地表以下存在的無法探測到的區(qū)域的深度即為“盲區(qū)深度”，研究結(jié)果表明，盲區(qū)深度為1～50 m；嵇艷鞠[16]認為在利用TEM儀器探測時存在一個半盲區(qū)，深度為自地表至地下20 m左右；馬靜[17]認為盲區(qū)深度為0～20 m，并提出了利用“變參數(shù)線圈接收法”來解決盲區(qū)問題；薛國強等[18]對早期TEM測深數(shù)據(jù)進行了修正并提出了早期數(shù)據(jù)的校正版。

針對盲區(qū)問題，在斜階躍關斷效應方面，EATON等[19]、MCNEIL 等[20]提出了利用數(shù)值計算法進行斜階躍后沿校正；陳文斌[21]研究發(fā)現(xiàn)，導致TEM在淺層地質(zhì)勘查中存在盲區(qū)的原因是接收線圈存在暫態(tài)過程及其采樣率低。在暫態(tài)過程方面，楊建明等[22]、李青等[23]利用等值反磁通TEM有效克服了一次場的影響，基本消除了淺層盲區(qū)。SMITH等[24]研究了提取純二次場的方法。在探測方法和探測儀器結(jié)合應用方面，賈三石等[25]采用TEM和高密度電阻率法的優(yōu)化組合對地下地質(zhì)體進行了探測，有效解決了淺部和邊部數(shù)據(jù)盲區(qū)問題。在數(shù)值計算方面，楊伐等[26]研究發(fā)現(xiàn)利用剔除法處理干擾數(shù)據(jù)體可以提高TEM勘探能力。

綜上所述，造成TEM盲區(qū)的原因較多，不同原因?qū)拿^(qū)深度也不同。目前對TEM探測中儀器觀測數(shù)據(jù)超格效應的研究尚不夠深入，要克服超格效應，必須探明超格效應的原理和影響程度即造成的盲區(qū)深度，并據(jù)此提出克服該效應的方法。

1 超格效應理論分析

瞬變電磁法接收線圈可以等效成線圈內(nèi)阻r、電感L、電容C和匹配電阻R組成的電路(見圖1)。在該電路中，地下地質(zhì)體的感應電位Vi等于接收線圈內(nèi)阻電位Vr、接收線圈電感電位VL、接收線圈匹配電阻電位Vc(觀測電位)之和[4]。

圖1 瞬變電磁接收線圈等效電路圖

根據(jù)基爾霍夫定律，在有效面積為q的接收線圈上的一次場的感應電壓為

Vi=VL+Vr+Vc；

(1)

線路在內(nèi)阻r上的電壓為

(2)

線路在電感L上的電壓為

(3)

將式(1)、式(2)、式(3)聯(lián)立后簡化為

(4)

設置匹配電阻R分別為50 000、200 000 Ω，在其他參數(shù)不變的條件下，通過式(4)計算得到2種匹配電阻的觀測電位(見圖2)。由圖2可知，匹配電阻越大，觀測電位越大，過大的觀測電位會出現(xiàn)數(shù)據(jù)超格效應。由此表明，匹配電阻過大將會導致儀器觀測數(shù)據(jù)震蕩或超出儀器的觀測限值，從而無法采用TEM對地下礦體進行探測。

圖2 2種匹配電阻的觀測電位計算對比

2 超格效應盲區(qū)分析

2.1 盲區(qū)物理原理分析

NABIGHIAN等[27]將地下均勻半空間中任意時刻的渦旋電流在地表產(chǎn)生的磁場等效為一個水平環(huán)狀電流的磁場，斷開發(fā)射電流時，該環(huán)狀電流緊貼發(fā)射回線，隨著時間的推移，該電流向下、向外擴散，并逐漸轉(zhuǎn)變成圓電流環(huán)，即“煙圈效應”。早期(t1)、中期(t2)、晚期(t3)的等效渦流環(huán)如圖3所示。由圖3可知，等效渦流環(huán)擴散深度隨時間增加而增大。因此在TEM探測中儀器觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)超格效應而導致探測盲區(qū)，從而嚴重制約了TEM對地下礦體的探測能力。

圖3 均勻半空間中等效渦流環(huán)

2.2 盲區(qū)深度計算理論依據(jù)

RAAB等[28]推導出了中心回線裝置的感應電壓表達式：

將確定水平薄層縱向電導G及深度h的公式應用于層狀大地的情況，再將得到的視縱向電導Gτ、視探測深度hτ用于測深資料反演，反演過程中可將視探測深度等效為盲區(qū)深度，則有

(6)

(7)

等效渦流“煙圈”向下傳播深度和渦流擴散深度[1]分別表示為

(8)

(9)

式中，t為瞬變場擴散的時間，u0為空氣的磁導率。

2.3 盲區(qū)深度計算

在均勻半空間條件下，基于數(shù)據(jù)超格的時間窗計算盲區(qū)深度并進行數(shù)據(jù)分析。設均勻半空間中的電阻率ρ為1、10、100 Ω·m，均勻半空間的磁導率u0=4π×10-7H/m，發(fā)射電流I=10 A，發(fā)射回線長度L=1 m，接收線圈面積q=1 m2。聯(lián)立式(6)、式(8)、式(9)，分別計算數(shù)據(jù)超格、震蕩且超格兩種情況下的等效渦流傳播深度、擴散深度和盲區(qū)深度(見表1)。

表1 基于數(shù)據(jù)超格的時間窗盲區(qū)深度計算結(jié)果

由表1可知：基于數(shù)據(jù)超格時間窗計算盲區(qū)深度時，探測盲區(qū)深度會隨超格時間窗的增大而增大；盲區(qū)深度還與均勻半空間電阻率有關，隨著電阻率的增大，盲區(qū)深度將從十余米增加至數(shù)百米。數(shù)據(jù)超格效應將導致TEM無法對盲區(qū)內(nèi)的礦體進行探測，所以克服數(shù)據(jù)超格效應在TEM實際探測中具有重要意義。

3 超格效應消除實驗

3.1 探測實驗

采用LTEM01瞬變電磁儀對昆明某地區(qū)進行探測，將觀測范圍調(diào)至10 V檔；布置重疊回線裝置，發(fā)射線圈邊長為100 cm，匝數(shù)為10匝，線纜材質(zhì)為聚氯乙烯軟銅芯線，線纜直徑為4 mm，去外皮后直徑為1.8 mm，線圈單層橫截面直徑為17.11 mm，去外層后直徑為12.71 mm；接收線圈邊長為100 cm，匝數(shù)為100匝，線纜材質(zhì)為漆包銅芯線，線纜直徑0.35 mm，接收線圈內(nèi)阻70 Ω；匹配電阻R設置為無窮大和2 000 Ω。觀測結(jié)果分別見如圖4、圖5。

圖4 匹配電阻為2 000 Ω時10 V檔LTEM01觀測數(shù)據(jù)

圖5 匹配電阻為無窮大時10 V檔LTEM01觀測數(shù)據(jù)

由圖4和圖5可知：在匹配電阻為2 000 Ω時，觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)超格現(xiàn)象，該部分時間窗持續(xù)到大約924 μs；在匹配電阻無窮大時，觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)震蕩且超格的現(xiàn)象，該部分時間窗持續(xù)到大約1 680 μs。由此可知，匹配電阻R過大會導致觀測數(shù)據(jù)超格時間窗增大。

3.2 消除方法

在實際探測過程中，對接收線圈匹配電阻進行多次調(diào)試，分別為100 000、68 000、10 000、5 100、2 000、680、200、100、47、22、10 Ω。當匹配電阻R為22 Ω時，儀器觀測數(shù)據(jù)不震蕩且不超格(見圖6)，滿足探測地下礦體的條件。

圖6 匹配電阻為22 Ω時10 V檔LTEM01觀測數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

a.儀器觀測數(shù)據(jù)超格效應造成的探測盲區(qū)與匹配電阻和均勻半空間電阻率有關。在均勻半空間電阻率不變的情況下，匹配電阻越大，超格時間窗越大，造成的盲區(qū)深度越大；在超格時間窗不變的情況下，均勻半空間電阻率越大，盲區(qū)深度越大。

b.在實際探測過程中，如果匹配電阻過大，儀器觀測數(shù)據(jù)將出現(xiàn)超格或震蕩且超格的情況。需調(diào)試匹配電阻至合適值，才能有效消除儀器觀測數(shù)據(jù)超格效應的不利影響。