隆季原，李文堯

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)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(yīng)原理基礎(chǔ)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(yīng)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(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。

在利用TEM對地下礦體進(jìn)行探測時，觀測儀器中匹配電阻的大小會影響局部導(dǎo)電體在接收線圈上感應(yīng)電壓的衰減特征和接收線圈的響應(yīng)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(yīng)。超格的這部分?jǐn)?shù)據(jù)無法進(jìn)行電阻率的計算，將導(dǎo)致探測盲區(qū)，從而無法對地下礦體進(jìn)行探測，超格的觀測數(shù)據(jù)對應(yīng)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(qiáng)[15]認(rèn)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(rèn)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(rèn)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(qiáng)等[18]對早期TEM測深數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)斷效應(yīng)方面，EATON等[19]、MCNEIL 等[20]提出了利用數(shù)值計算法進(jìn)行斜階躍后沿校正；陳文斌[21]研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)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(yīng)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(jìn)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)?yīng)的盲區(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(yīng)的研究尚不夠深入，要克服超格效應(yīng)，必須探明超格效應(yīng)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(yīng)的方法。

1 超格效應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(yīng)。由此表明，匹配電阻過大將會導(dǎo)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(jìn)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(yīng)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(kuò)散，并逐漸轉(zhuǎn)變成圓電流環(huán)，即“煙圈效應(yīng)”。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(kuò)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(yīng)而導(dǎo)致探測盲區(qū)，從而嚴(yán)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(dǎo)出了中心回線裝置的感應(yīng)電壓表達(dá)式：

將確定水平薄層縱向電導(dǎo)G及深度h的公式應(yīng)用于層狀大地的情況，再將得到的視縱向電導(dǎo)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(kuò)散深度[1]分別表示為

(8)

(9)

式中，t為瞬變場擴(kuò)散的時間，u0為空氣的磁導(dǎo)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(jìn)行數(shù)據(jù)分析。設(shè)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(dǎo)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(kuò)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(guān)，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(yīng)將導(dǎo)致TEM無法對盲區(qū)內(nèi)的礦體進(jìn)行探測，所以克服數(shù)據(jù)超格效應(yīng)在TEM實際探測中具有重要意義。

3 超格效應(yīng)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(jìn)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(shè)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(dǎo)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(jìn)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(dāng)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(yīng)造成的探測盲區(qū)與匹配電阻和均勻半空間電阻率有關(guān)。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(yīng)的不利影響。