康 健, 張?zhí)硇拢?林井祥, 張繼忠
(1.黑龍江科技大學 科技處, 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學 礦業(yè)工程學院, 哈爾濱 150022)
在地形相對平緩的地區(qū)進行地面半空間瞬變電磁探測時,多選用大定源回線觀測[1-4]。因受探測盲區(qū)和最大勘探深度要求,目前針對大定源回線的發(fā)射裝置優(yōu)化及勘探設(shè)計研究較多。文政武等[5]通過實驗選取了合適發(fā)射電流及發(fā)射框大小,查明了煤礦采空區(qū)分布情況,為采空區(qū)治理工作奠定了基礎(chǔ)。宋偉等[6]經(jīng)實測得出了不同發(fā)射線框所對應的盲區(qū)深度及勘探最大深度,選取合適發(fā)射線框并取得良好應用效果。占文鋒等[7]比較了不同關(guān)斷時間對瞬變電磁探測的影響,即關(guān)斷時間越小,探測深度越淺,且可能疊加一次場,導致信號失真。關(guān)斷時間增大,則勘探盲區(qū)會增大。林井祥等[8]應用瞬變電磁法和大地電磁法對煤礦采空區(qū)積水體進行聯(lián)合探測,比較了不同發(fā)射裝置及方法的優(yōu)缺點及應用效果。隆季原等[9]通過物理原理分析,結(jié)合具體算例確定最早觀測時間及發(fā)射回線邊長等8種造成盲區(qū)的原因。黃丹等[10]通過改變發(fā)射線框及電流等參數(shù),對不同參數(shù)的信噪比進行比較,確定了數(shù)據(jù)采集的最優(yōu)參數(shù)。吳信民等[11]以電位異常法對理論探測深度進行計算,計算發(fā)現(xiàn)理論探測深度與線框大小相關(guān)。何希位等[12]以新疆托云盆地油頁巖勘查為例,經(jīng)野外參數(shù)實驗,獲得了勘查區(qū)的地下電性特征。包乃利等[13]進行了大定源瞬變電磁響應規(guī)律的理論分析,結(jié)合工作實際對采集參數(shù)優(yōu)化,取得了良好探測效果。 裴建國等[14]通過比較瞬變電磁法圓形和方形線框發(fā)射效果,發(fā)現(xiàn)圓形發(fā)射回線較方形有更大優(yōu)勢。在野外探測時,受野外探測工作環(huán)境、布圓尺規(guī)工具及布線工人個體差異等多因素影響,很難鋪設(shè)出理想圓形,故現(xiàn)場工程中常鋪設(shè)方形或矩形發(fā)射回線[15-18]。筆者旨在研究等周長情況下半空間瞬變電磁大定源回線探測發(fā)射回線的優(yōu)化布置,以達到最理想的探測效果。
本次實驗僅限于發(fā)射回線周長不變,發(fā)射回線長和寬變化情況下的數(shù)值模擬。
設(shè)定水平方向為X方向,豎直方向為Y方向。發(fā)射回線周長用L表示,X方向邊長用x表示,Y方向邊長用y表示,x:y=K。發(fā)射回線參數(shù)如表1所示。
表1 發(fā)射回線參數(shù)Table 1 Transmission loop parameters
利用BETEM軟件確定大定源回線探測發(fā)射回線內(nèi)最佳觀測區(qū)域,依據(jù)探測區(qū)地層物性,模擬實驗發(fā)射電流選取14 A,關(guān)斷時間選取223 μs,偏差標準15%。依次對表1中的不同發(fā)射回線進行模擬實驗。由于圖形數(shù)量較多,此處以回線11、回線16、回線20和回線31的數(shù)值模擬結(jié)果進行展示(圖1)。
圖1 BETEM數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 1 BETEM numerical simulation results
經(jīng)統(tǒng)計,實驗線框X方向、Y方向觀測點距離發(fā)射框邊的最小距離d1、d2如表2所示,X、Y方向測點離框邊最小距離隨長寬比K的變化趨勢如圖2所示。
圖2 測點離框邊最小距離的變化Fig. 2 Change of minimum distance between measuring point and frame edge
表2 實驗線框內(nèi)測點距離X、Y方向的最小距離Table 2 Minimum distance from measuring points in X and Y directions in experimental wire frame
統(tǒng)計分析得出,隨長寬比K發(fā)生變化,發(fā)射回線內(nèi)測點距離X、Y方向最小距離亦發(fā)生變化。以K為自變量,分別以X、Y方向測點離框邊最小距離d1、d2為因變量,對散點圖進行回歸分析,得到擬合曲線及回歸方程。根據(jù)回歸分析圖(圖3),X、Y方向測點距離框邊最小距離與K變化均呈非線性變化。回歸方程表達式分別為
圖3 回歸分析Fig. 3 Regression analysis
d1= -37.35K2+ 114.83K+ 50.78,
K∈[0.50,2.00],R2= 0.982 5。
(1)
d2= -9.84K2- 6.52K+ 144.81,
K∈[0.50,2.00],R2= 0.985 1。
(2)
由回歸分析圖可以得出,當0.60 本次實驗測區(qū)由1號、2號、3號和4號拐點設(shè)定,測區(qū)東西長為700 m,南北寬600 m,面積420 000 m2。測區(qū)內(nèi)測線垂直煤層走向,呈南北向布置,線距40 m,點距20 m。依據(jù)地層特點和探測深度需要,結(jié)合大定源回線探測發(fā)射回線數(shù)值模擬計算及現(xiàn)場工程需要,發(fā)射回線大小設(shè)計為460 m×460 m。 測區(qū)范圍內(nèi),從左至右設(shè)計測線18條,每條測線布置測點n為31個。測線和測點統(tǒng)計如表3所示。 表3 測線與測點統(tǒng)計Table 3 Statistical of measuring lines and points 結(jié)合測區(qū)范圍,經(jīng)大定源回線探測發(fā)射回線優(yōu)化選擇、框內(nèi)最佳觀測范圍、測線與測點優(yōu)化設(shè)計,該測區(qū)發(fā)射回線優(yōu)化布置如圖4所示。 圖4 K=1.00時發(fā)射回線布置Fig. 4 Layout of transmitting loop of K=1.00 測區(qū)地層從上至下依次為第四紀沖積層、白堊系下統(tǒng)穆棱組、白堊系下統(tǒng)城子河組。淺部第四紀全新統(tǒng)現(xiàn)代河流沖積層地層電阻率較低,為10~40 Ω·m,白堊系下統(tǒng)穆棱組地層電阻率呈逐漸增高趨勢,為40~115 Ω·m,白堊系下統(tǒng)城子河組地層電阻率在30~165 Ω·m。地層電阻率隨含水程度增加將發(fā)生顯著變化,甚至降低到正常值的1/10~1/20,測區(qū)主要地層地電特征見表4。 表4 測區(qū)主要地層地電特征 Table 4 Geoelectric characteristics of main strata in survey area (1)數(shù)據(jù)接收采用XYZ三分量接收線圈和PROETEM57瞬變電磁儀同時測量,30個門測量,基本頻率6.25 Hz,積分時間8 s,同頻選用石英鐘同步。 (2)對采集數(shù)據(jù)進行歸一化處理、極性校正、測線和測點編輯、由磁場率化率?Bz/?T求取Bz(磁場的垂直分量)。 (3)對數(shù)據(jù)噪音剔除、畸變校正,一次場消除,關(guān)斷時間校正,大定源發(fā)射框采用分段積分處理,主要是計算全程視電阻率。 (4)視電阻率的一維正反演,電阻率成像變換、擬二維電性剖面。 經(jīng)數(shù)據(jù)處理,反演成像得到各測線視電阻率二維剖面圖,從剖面圖清晰可見電阻率梯度變化方向,其所呈現(xiàn)電阻率變化趨勢與該地區(qū)地層電性特征相吻合?,F(xiàn)選取380E、420E及460E測線視電阻率二維剖面圖(圖5),沿水平方向,隨電阻率等值線變形、扭曲、倒轉(zhuǎn)和間斷等變化,其所對應的地層連續(xù)狀態(tài)、斷層和地質(zhì)構(gòu)造賦存狀態(tài)清晰可見;沿豎直方向,不同深度地層的視電阻率高低異常變化,斷層、地質(zhì)構(gòu)造賦存深度直觀可見。 圖5 不同測線視電阻率二維剖面 Fig. 5 Two-dimensional sections of apparent resistivity of different survey lines 查閱現(xiàn)場地質(zhì)資料、工程技術(shù)圖件和鉆孔柱狀圖對比分析驗證,通過大定源回線瞬變電磁探測所得成果與現(xiàn)場工程實際取得了較好一致性。 利用BETEM軟件進行大定源回線探測發(fā)射回線數(shù)值模擬,對模擬結(jié)果進行統(tǒng)計及回歸分析,建立了回歸方程,回歸方程求解表明,當K∈[0.60,1.45]時,可保證等周長發(fā)射回線內(nèi)有較大探測區(qū)域,其中,K=1.00時,X、Y方向測點離框邊距離均滿足最小,探測區(qū)域最大。 將此結(jié)論應用于工程實踐,所得視電阻率剖面圖中的電阻率變化趨勢與地層電性特征吻合,與現(xiàn)場地質(zhì)資料、工程技術(shù)圖件和鉆孔柱狀圖對比分析驗證,實踐所得成果與現(xiàn)場工程實際具有一致性,達到了理想的探測效果。該研究為瞬變電磁大定源回線探測發(fā)射回線的選取提供了一定參考價值。2 探測設(shè)計方法優(yōu)化
2.1 測區(qū)設(shè)定及發(fā)射回線優(yōu)化選擇
2.2 測線與測點優(yōu)化設(shè)計
2.3 發(fā)射回線優(yōu)化布置
3 現(xiàn)場工程應用
3.1 測區(qū)工程概況
3.2 數(shù)據(jù)采集與處理
3.3 結(jié)果分析與成果驗證
4 結(jié)束語