基于瞬變電磁法的勘探數據采集與三維圖像分析

孫文斌,郭生凱,朱廣輝

（兗礦東華建設有限公司地礦建設分公司，山東濟寧，273500）

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM）是目前國內外較先進的地球物理勘探方法之一。它是根據地質結構或地質體本身的物性差異，研究由強大的脈沖電流作為場源，激勵探測目的物感生的二次場隨時間的變化，來間接判斷構造地質、水文地質現象的一種方法。這是一種時間域的人工源地球物理電磁感應探測方法。由于這些變化的二次場是脈沖源所感生的渦流場在地下擴散過程中地電介質的電磁散射場，因此包含了豐富的地電信息，通過對這些信息的提取和解釋，從而達到探測地下電性介質的目的。

1 瞬變電磁法工作原理

瞬變電磁法（TEM）是利用不接地回線或電極向地下發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生的二次電磁場的空間和時間分布，來解決有關地質問題的時間域電磁法。與其它電法相比，具有以下特點：第一，觀測斷電后的純二次場，克服了復雜的一次場補償問題，同時受地形影響較小；第二，單脈沖激發就可得到多信息的整條瞬變電場衰減曲線，通過加大發射功率和多次疊加，可大幅度地提高信噪比，加大勘探深度；第三，采用不接地回線裝置，適宜于各種地理環境下的野外工作；第四，由于瞬變電磁法的探測深度僅取決于大地電阻率和儀器的采樣時間，故可通過調節發送功率、儀器采樣時間，方便地控制探測范圍；第五，采用不同的裝置形式，可以相應地提高橫向、縱向分辨能力；第六，對發送回線的形狀、方位和點位要求不嚴，測地工作簡單，可通過流水作業達到極高的工作效率；第七，在高阻圍巖地區不會產生地形起伏的假異常，在低阻圍巖區，由于是多道觀測，早期場的地形影響也較易分辨。

而在煤田水文勘查中，則常用的大定源回線裝置。其發射線框為邊長達數百米甚至千米的矩形回線，采用小型線圈（或探頭）在回線內部中心1/3面積范圍內逐點測量（見圖1）。一般采用發電機作為大功率電源，這種場源具有發射磁矩大、磁場均勻及隨距離衰減慢等特點，適合于深部水文勘查。

2 數據采集儀器選擇

根據本次勘探所承擔的地質任務及測區對儀器指標的要求，使用加拿大產PROTEM57瞬變電磁探測系統和北京驕鵬E60M型電法工作站（如圖2-3）。

本系統是目前國內外最先進的專用于瞬變電磁勘探的探測系統之一，與其他探測儀器相比，PROTEM57儀器具有發射和接收為無線連接，始終采用晶體同步，避免了使用信號傳輸線的麻煩；具有很高的動態范圍和分辨率，抗干擾能力強；勘探深度大；采用不同頻率發射，可針對不同的勘探深度，保證采樣精度；可同時使用多個接收探頭接收信號，對低阻體反映更為敏感、施工效率高，施工方式靈活，適用于多種地形工作。

圖1 大定源瞬變電磁法原理圖

3 瞬變電磁數據處理

3.1 數據換算

本次瞬變電磁數據處理軟件采用配套軟件包中的PROTIX與USFXLT進行處理，反演軟件采用美國Interpex Limited公司IX1D V3.46進行反演。瞬變電磁法觀測數據時各個測點各個時窗（測道）的瞬變感應電壓，需換算成視電阻率、視深度等參數，才能對資料進行下一步解釋。

瞬變電磁法通常都是在近區晚期測量，因此視電阻率的計算一般采用晚期公式。晚期視電阻率的公式[44]：

一般計算深度都是根據米薩克·納比吉安提出的電磁場“煙圈效應”。當地下半空間為不均勻分布的導電介質或任意導電介質分布情況下，電磁波的傳播滿足麥克斯韋方程組。在某一時刻，電磁場在地下介質中擴散速度的速度是：

電磁波在低阻介質中的勘探深度小，而在高阻介質中的勘探深度大；因此在同一個工區不同的測點計算的深度可能會有較大的差別。而當地表存在低阻體時，由于低阻體的屏蔽效應，勘探深度也將大大減小。

3.2 井筒與大巷區域圖件三維可視化分析

通過以三維數據體模型為基礎，在進行水平、垂直以及任意方向的切片分析解釋，得到如圖2和圖3的結果，大大提高了工作的效率。

圖2 切片顯示

圖3 基于瞬變電磁法的電阻測試結果

4 結論

通過瞬變電磁法和三維可視軟件，實現了對2#煤層中地下水的富水性電阻的測量，從而更好的實現了對其中富水性的測定，為煤礦的下一步開發提供了參考。