瞬變電磁法大定回線源裝置實驗研究

張魯珩　翟培合　宋永文

摘 要：采用瞬變電磁法對目標體進行探測，就必須先確認裝置類型及相應的裝置施工參數。在施工中為了確定裝置參數并使得生產更加合理有效，施工前應在已知位置進行試驗工作。

關鍵詞：瞬變電磁法；煤礦防治水；裝置參數

引言

煤礦防治水工作一直是煤炭生產的重中之重，對于礦區的一些煤系地層，其上覆含水層厚度大，水文地質工作量不足，當遇有導水斷層、富水異常區時，有發生涌水和突水的可能性。因此，需要對礦區的水文地質進行地面瞬變電磁勘探，探查主采煤層上部含水層中賦水異常的位置、范圍及其相對強弱，為煤礦防治水綜合技術的研究及礦井安全生產中需采取的有效措施提供參考依據。

大定源回線裝置是瞬變電磁法常用裝置中重要的一種，其施工難度小、效率高、成本低，經常用于地面勘探。文章采用澳大利亞生產的Coal TEM儀器，采用大定源回線裝置，將發射回線邊長定為500m×500m、600m×600m、700m×700m三種類型，輔以2.5Hz、6.25Hz兩種工作頻率來進行此次試驗。試驗根據所要完成的地質任務及目標層（體）的埋深，選擇不同大小的發射線框及不同的收發頻率，觀測對目標地層或地質體的電性反映情況，從而確定最佳施工參數。[1]

1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法是以不接地回線或接地電極通以脈沖電流為場源，以激發探測物的二次電流，在脈沖間隙間用線圈或接地電極測量二次場隨時間變化的響應，從而解決有關地質問題的時間域電磁法。

瞬變電磁具有時間的可分性與空間的可分性。這使得瞬變電磁法具有探測深度大、不受地形起伏影響、裝置類型多樣、抗干擾能力強等特點。瞬變電磁法廣泛應用于礦產勘探、構造探測、水文與地質工程調查等領域。[2]

2 實驗步驟

2.1 儀器及參數選擇

試驗使用澳大利亞生產的Coal TEM儀器，它是專業的瞬變電磁勘探設備，與一般的多功能電磁工作站不同，不用考慮其它電磁方法而犧牲瞬變電磁勘探的優勢。

根據具體的地質任務結合礦區的地質情況進行分析可知：本次探測目的層深度應控制在地表以下250～700m范圍內即可。根據瞬變電磁勘探的方法理論，小線框無法達到所需的勘探深度，故本次試驗優選邊長500m、600m和700m的發射框作為發射源，并輔以2.5Hz、6.25Hz兩種工作頻率，選擇的采集積分時間不小于15秒，發射電流不小于16A。

2.2 實驗區域

本次瞬變電磁法測區地層在縱向上呈現明顯的“高-低-高”的電性特征。當地層較均勻且沒有含水構造或富水區時，其電性在橫向上呈現均勻變化的特征；反之，地層電性橫向變化將不再均勻，會出現明顯的低電阻率或突變的特征。地層這種橫向和縱向上電性變化規律及電性差異，使得我們使用儀器探測地層賦存水體成為可能。選擇良好的野外試驗區域，該區域地勢較平坦，局部有起伏，基本可以代表整個測區。在此區域中存在一條10號測線，測點之間的間距為50m，我們選擇其中5個測點為觀測點。

2.3 實驗過程

試驗分為三組進行：

第一組：發射框500m×500m，工作頻率

2.5H進行試驗并對試驗數據進行現場分析；

第二組：根據第一組試驗結果，選擇試驗參數，若第一組達到勘探深度或大于勘探深度，則選擇6.25Hz進行試驗，否則，選擇600m×600m的發射框，工作頻率2.5Hz進行試驗，現場分析試驗數據；

第三組：根據第二組的實驗結果，若第二組達到勘探深度或大于勘探深度，則試驗6.25Hz的工作頻率，否則，選用700m×700m的發射框，工作頻率2.5Hz對實驗數據進行現場分析；若勘探深度達到或大于勘探深度，則試驗6.25Hz的工作頻率，并進行分析對比。

3 分析研究

圖2為10線1750-1950號測點電位衰減曲線，從圖2中看不同發射線框電位衰減曲線均較為平滑，部分曲線尾支有跳變現象，如圖2a）中10-1950、圖2b）中10-1900等。說明隨著探測時間的增加與探測深度的增大，所采集的電位信號越來越小，對噪聲的壓制作用也越來越低。

圖1為圖2數據經過計算及反演分析所得，為地層電性的視電阻率等值線斷面圖。從圖1中可以看出，從-200--600范圍內，三種發射線框所反映的地電特性均為“高-低-高”的趨勢。隨著探測深度的不斷增大，數據質量明顯下降，如圖1a）和圖1c）中，在550m以下的數據出現了突變的數值，使得斷面無法正常反映深度550以下的地層電性信息，圖1b）的數據質量相對較高，但是600m以下數據仍然不均勻，無法達到對數據質量的要求。所以試驗中選用的700m、600m及500m反射線框，2.5Hz的發射頻率，均無法達到試驗目的，也無法完成規定的地質任務。

根據以上的試驗結果，綜合分析認為，繼續試驗優先選用600m的發射線框和6.25Hz的收發頻率，試驗地點不變。實測電位衰減曲線如圖3所示，從圖3中看出，衰減曲線比較光滑，曲線尾支沒有出現跳變現象，數據質量較高。圖4為圖3試驗數據經過反演計算所得的地層電性的視電阻率斷面圖。從圖4中看出，本實驗結果能較好的反映勘探區域地層在縱向上“高-低-高”的電性特征，且等值線較為平緩，勘探深度大于800m，符合本次勘探任務的要求。

4 結束語

通過對以上實驗的分析對比，得出以下結論：（1）通過改變發射線框的邊長以及發射頻率，可以改變探測深度，得到較好的勘探數據。（2）本次瞬變電磁法勘探的裝置參數為600m的發射線框，6.25Hz的發射頻率，不小于15秒的積分時間，不小于16A的發射電流。

參考文獻

[1]張華，曹軍.瞬變電磁法多匝重疊小回線裝置實驗研究[J].地震地質，2010，32（1）：90-97.

[2]薛國強.瞬變電磁法理論與應用研究進展[J].地球物理學進展，2007（4）：1195-1200.

[3]劉國興.電法勘探原理與方法[M].北京：地質出版社，2011.

作者簡介：張魯珩（1990-），男，山東泰安人，山東科技大學碩士研究生，主要研究方向為地球物理勘探。