小框瞬變電磁法在山西公路勘查中的應用

冉 云

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

瞬變電磁法（Transient-electromagnetic method）又稱時間域電磁法，簡稱TEM，屬于電磁感應類探測方法。它利用向地下發射脈沖電磁波作為激發場源，關斷一次場后，觀測二次場隨時間的衰減特性，并由此分析地下目標體的空間特征和電性特征。傳統瞬變電磁法探測施工中，遵循極限探測理論，通常采用大回線裝置，鋪設的回線邊長一般很大。但有時地形復雜，野外鋪線施工難度大，部分煤礦采空區緊鄰居民生活區，回線鋪設及數據采集無法進行，實際應用受到限制。

在山西公路的勘查中，為了節約用地，線路設計中，大部分通過區域是山區，地形復雜，大框同點裝置施工難度很大；大定源回線裝置施工難度相對較小，但由于構造物（公路）呈線狀，在數據采集范圍局限于1/3中心區域前提下，施工效率相對低下。筆者在近幾年的勘察實踐中，應用小框技術進行施工解決此類問題，對近地表地層結構的勘探有了一定的認識。本文通過工程實例，討論小框瞬變電磁法在山西公路勘查中的應用效果及存在的問題。

1 小框瞬變電磁法的探測深度討論

傳統瞬變電磁法勘探，遵循極限探測理論，對探測深度的認識大都采用國外學者的深度公式：

式中：I為發射電流；L為發射回線邊長；ρ1為上覆電阻率；η=RmN為最小可分辨電平，Rm為最低限度的信噪比，N為噪聲電平。

由式（1）可知，加大場源的磁矩M=IL2就可加大探測深度。在場源功率一定的條件下，如加大回線邊長可以有效地增大磁矩，從而達到加大探測深度目地。我國目前使用的行業標準——地面瞬變電磁法技術規程，也用該深度公式來規范野外探測工作，并據此作為考核、評價探測工作的標準。按照這個理論，小框瞬變電磁法的探測深度對于一般的工程勘察要求也無法滿足。

但在瞬變電磁法勘探實踐中，回線邊長與勘探深度的關系很多情況下并不符合式（1）。近年來，很多物探工作者對小框回線探測進行了理論和實踐的探索。北京礦產地質研究院王慶乙認為深度公式是一個保證信噪比的公式，實際的瞬變電磁探測系統采用占空比為1∶1的雙向周期脈沖電流激勵，其頻譜特征是以基頻和一系列諧頻組合的離散頻譜，周期脈沖的基頻決定了探測的最大深度。通過加大雙向周期電源脈沖的脈寬，降低場源基頻，則可以加大探測深度[1]。廣東地勘局的陳易玖用直接展開法求極限探深公式 ，從理論上論述了極限探深一般都可達發射邊長的數倍。如果半空間介質電阻率為已知時，要增大勘探深度，可以采用增加有效窗口時間t來達到目的[2]。煤炭科學研究總院西安分院陳明生利用小回線裝置進行大深度探測實踐，認為TEM的探測深度主要與觀測時間有關，大發射回線的主要作用是適應接收機靈敏度和滿足一定的信噪比[3]。經過物探工作者的不斷探討實踐，逐步奠定了小框瞬變電磁法探測深度目標體的理論基礎。

我們對小框瞬變電磁法進行了大量的勘察實踐認為在一定深度范圍內，影響小框瞬變勘察深度主要是觀測時間，加大發射電流使得接收信號滿足一定的信噪比，勘察深度能夠達到邊長的數倍，甚至十幾倍。

2 小框瞬變電磁法與大發射回線的探測比較

大發射回線裝置的施工中，假設場在發射線框中心的1/3區域中是均勻的，數據采集就限定在此區域范圍內。對于面積性勘察，鋪設大回線，在中心區域采集數據，施工還是比較便利的；對于公路類線狀構造物勘察，大回線鋪設一次，采集的測點數據較少，施工效率無法保證；而小框瞬變電，由于線框小，輕便，施工效率相對較高，且對于一些大回線無法鋪設的地方，凸顯其優勢。

目前的瞬變電磁法回線裝置的視電阻率公式是建立在零偏移距的基礎之上，而大發射回線裝置的勘察中，假設中心1/3區域為近似均勻場，對測點與發射中心的偏移進行轉換，然后進行數據解釋。轉換過程中必然存在誤差，這種誤差在大的地質體或大構造勘察中可能影響不大，但在規模較小的目標體勘察中，比如小窯采空區勘察，巖溶勘察中，會造成解釋偏離；而小框瞬變電由于發射與接收回線中心始終重合，避免了接收數據的偏差；另外，由于線框小，減弱了體積效應，相應提高了對異常的橫向分辨率。

3 應用實例

3.1 山西朔州二級公路勘察

規劃二級路經過某村辦煤礦，開采時間為20世紀六七十年代。由于煤礦幾經易手，具體開采情況無從查詢。勘查區地層為二疊系、石炭系砂泥巖，上覆第四系黃土，區內地層富水性較差，煤層埋深約70～80 m。野外勘察施工采用瞬變電磁法5 m多匝線框施工，等效接收回線面積400 m2，發射電流200 A，時間窗口采用1～8 ms。測線的主線位剖面擬視電阻率斷面圖如圖1，結合測區的水文地層水文資料推測認為K4+550—K4+750段屬煤層開采引起的高阻異常區，埋深約70 m。為驗證勘察效果，在K4+670處布設鉆孔，埋深65 m處掉鉆見采空。這說明小框瞬變電的勘察深度遠大于回線邊長，加大發射電流壓制干擾，保證晚期信號的信噪比，能夠加大勘察深度。

圖1 朔州二級公路主線位擬視電阻率斷面圖

3.2 山西忻州采空區勘察

圖2 忻州采空區勘察公路主線位擬視電阻率斷面圖

規劃線路經過某鄉鎮煤礦開采區，開采時間為20世紀七十年代，屬巷道式開采，開采資料缺失?？辈閰^域地層為山西組及石炭系太原組砂巖、泥巖，上覆第四系黃土。煤層埋深約80～90 m，地層富水性一般。經過試驗，勘察選用瞬變電磁法5 m線框施工，等效接收回線面積400 m2，發射電流200 A，時間窗口采用1～8 ms。圖2為主線位勘察剖面擬視電阻率斷面圖。在埋深約80 m處，存在不連續的高阻異常區域，結合地層水文資料分析，推測認為屬煤礦開采引起。而后在K38+380處布鉆，埋深約77 m見冒落帶?？辈鞂嵺`說明，在保證信號信噪比的前提下，小框瞬變電探測深度可達回線邊長的十數倍。目前國內的小框裝置儀器，發射電流都比較大，能夠達到壓制干擾提高信噪比的效果。

4 應用中的一些問題

小框瞬變電勘察在施工及分辨率方面有其應用優勢，但在使用中存在數據不穩定等問題。

a）我們在實際應用中，發現小線框裝置野外施工中，由于發射電流一般較大，近地表磁場較強，淺表低阻體感應場也相應較強，深部數據易受干擾，淺部低阻屏蔽嚴重，有時幾根鐵絲就會使數據出現低阻異常。這給野外數據采集帶來更高的要求，采集者需要了解測區的地層巖性及水文資料，查看施工周圍環境的影響因素，以便及時判斷測點數據的正常與否。

b）數據解釋中，由于線框小，體積效應弱，受局部目標體影響明顯，因此感應電壓數據跳躍較大，相鄰測點數據過渡不均滑。相應地，電壓曲線不圓滑，反演擬視電阻率斷面圖顯得有點凌亂。這與一般的瞬變電磁法勘察解釋圖件不大一樣，需要一定的小框瞬變電勘察解釋經驗，因此給物探解釋也帶來一定難度。

c）由于發射線圈存在暫態過程，電流關斷不是理想階躍函數，而是斜坡階躍函數或呈指數規律下降，因此，關斷時間一般為 50～300 μs，早期信號被淹沒于一次場尾期。尤其是大電流發射，影響更明顯，造成淺層信息畸變，盲區加大，如本文實例中時間窗口起始點采用1 ms。

另外，對于小線框有效探測深度與邊長及發射電流的關系，能否達到幾百米甚至上千米，我們未能進行有效試驗，尚需進一步實驗探討。

5 結論

通過小框瞬變電勘察實際效果分析，我們認為：

a）小線框瞬變電探測深度遠不止回線邊長長度，在保證中晚期信號信噪比的前提下，能夠達到邊長的十多倍，對于低阻目標體，探測深度可能會更大一些。

b）小線框瞬變電探測受體積效應影響較小，對異常的分辨率較高。

c）小線框瞬變電探測受地層淺表低阻體干擾較大，尤其是地表低阻體，數據采集和處理解釋中需要仔細對待。

d）小框瞬變電為了壓制干擾，增大勘察深度，一般采用大電流發射，客觀上加大發射關斷時間，使得淺層信息畸變，盲區加大。