瞬变电磁在四川大渡河的应用讲解.docx

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瞬变电磁在四川大渡河的应用讲解

摘要

瞬变电磁法（简称TEM），是近些年来发展比较迅速的一种电法勘探分支方法，其探测深度大，适应性强，具有灵敏度高、分辨率强，且在野外时仪器轻便，采集数据快速，成本低等诸多优点。

在城市建设、交通、水利、环境保护、考古等方面广泛应用，成功地解决了众多的实际问题，有着十分广阔的应用前景，是地球物理勘探领域中的重要方法之一。

本文对瞬变电磁法的理论做了系统的研究，将瞬变电磁法应用于四川省大渡河南广庙跨江大桥地质勘查中，通过视电阻率等值线剖面图解释水下卵石层厚度以及基岩埋深情况，并经过钻孔验证物探解释的准确性，最终综合两种方法确定卵石层厚度和基岩埋深。

关键字：

瞬变电磁法,地质勘查,钻孔

ABSTRACT

TransientElectromagneticMethod（calledTEM）,isabranchofelectricalprospectingmethodwhatdevelopingrelativelyrapidinrecentyears.Ithassomeadvantages,likeprobingdepth,adaptability,highsensitivity,strongresolution,andinthefield,theinstrumentislightweight,fastingdataacquisition,andlowcost.Itiswidelyusedinurbanconstruction,transportation,waterconservancy,environmentalprotection,archaeologic,etc,successfullysolvedmanypracticalproblems,hasaverybroadapplicationprospects,isoneoftheimportantmethodsinthefieldofgeophysicalexploration.

Inthispaper,todoasystematicstudyoftransientelectromagneticmethod.TheTransientElectromagneticMethodwasappliedtothegeologicalexplorationofDaduRiverinSichuanprovince,GuangmiaoAcrossBridgeinHenan,throughApparentResistivityContourSectionalViewtoknowthethicknessofunderwatergravellayerandtheconditionsofdeepbedrock,andthentoverifytheaccuracyoftheexplanationofphysicaldetection.Atlast,todeterminethethethicknessofunderwatergravellayerandtheconditionsofdeepbedrockforcomp;exingthetwomethods.

Keywords:

TransientElectromagneticMethods,geologicalexploration,drilling

中英文摘要Ⅰ

瞬变电磁法在四川省大渡河南广庙

跨河大桥勘查中的应用

随着我国国民经济飞速发展，城市工程建设在规划、设计、施工阶段都必须对建设区域内地质情况有系统的了解，在工程施工过程中及建成后还需对工程质量进行监测和检测。

另外，在工程抢险、地质灾害调查、考古等许多工作中也都需进行适当的探测工作[1,2]。

工程上许多其它方法难以解决的问题可以通过物探的方法解决，工程物探有高效、快速、便捷、经济的特点，随着近年来城市化进程的加速，其方法技术、应用领域不断拓宽。

工程物探在勘查能力和精度方面都有了较大提高，国际上工程物探已成为解决工程建设地质问题必不可少且最有效的技术手段。

桥梁、大坝、码头、隧道、管道等大型建筑的建设中，不管是在可行性研究阶段，还是在初勘、详勘阶段，首要任务都是地质调查工作，而这些工程地质勘察常常需要在水上进行，与地面勘查工作相比，水上勘察工作的困难程度要大很多。

因此，工程物探方法便从发挥着重要作用的陆地勘察中延伸到水域勘查中来[11]。

1绪论

1.1瞬变电磁法的发展

美国科学家L.W.Blau于1933年最先提出利用电流脉冲激发供电偶极形成时域电磁场.直到20世纪50--60年代，前苏联科学家成功地完成了瞬变电磁法的一维正、反演，建立了瞬变电磁法的解释理论和野外工作方法之后，瞬变电磁法才开始进入实用阶段。

60年代以后，当意识到时间域电磁测深法可以利用远远小于期望探测深度的收发距时，该方法有了一个快速发展，随之，短偏移、晚期、近区等技术研究迅速发展起来.直到20世纪70--80年代，短偏移法在美国等西方国家仍处于研究和试验阶段，未被广泛运用.随后一些专家对瞬变电磁法的一维正反演及方法技术进行了大量研究。

瞬变电磁法国内研究起始于20世纪70年代初，长春地质学院、西安地质学院、中南工业大学等单位先后研制出电磁系统，并进行了理论和方法技术研究，主要采用近区方式的中心回线法和重叠回线法进行工作，取得了一批有价值的研究成果及大量成功的实际应用实例。

从目前我国资源勘探情况分析，除了陆地勘探之外，今后一段时期，海上将是我国能源增储上产的重点地区。

21世纪被称为“海洋开发时代”，瞬变电磁法相比地震勘探、地质雷达等装备轻便、野外施工快捷、成本较低[11]。

瞬变电磁不仅在勘察海洋矿产调查和海洋地质填图方面取得了很好的效果，在工程物探中江河湖上的桥梁勘察中也得到了很好的应用，此次工作目的是为了查明大渡河南广庙大桥水下地质情况，借鉴以往的经验，我们选择了瞬变电磁法。

2瞬变电磁法勘探的理论概述

2.1瞬变电磁法勘探的原理特点

2.1.1瞬变电磁法勘探原理

瞬变电磁法（TEM）亦称时间域电磁感应法［6］。

其原理是通过不接地回线或接地长导线供以双极性脉冲电流,当回线中的稳定电流突然切断后，根据电磁感应理论，发射回线中电流突然变化必将在其周围产生磁场，该磁场称为一次磁场。

一次磁场在周围传播过程中，如遇地下良导电地质体，将在其内部激发产生感应电流，又称涡流或二次电流。

由于导电地质体是非线性的，所以脉冲电流从峰值跃变到零，一次磁场立即消失，而涡流并不立即消失，有一个瞬变过程，这个过程的快慢与导体的电性参数（体积规模和埋深以及发射电流的形态和频率）有关。

地质体导电性愈好，涡流的热耗损愈小，瞬变过程愈长。

这种涡流瞬变过程，在空间形成相应的瞬变磁场，又称为二次磁场。

通过接收线圈测量二次场空间分布形态，就可发现地下异常地质体的存在，并确定异常体的电性结构和空间分布形态。

瞬变电磁勘探原理如图2.1.1.

图2.1.1瞬变电磁法勘探原理图

2.2瞬变电磁法勘探的理论基础

涡旋场在大地中主要以扩散形式传播,在这一过程中,由于趋肤效应,高频部分主要集中在地表附近,且其分布范围是源下面的局部,而低频部分传播到深处,且分布范围逐渐扩大。

传播深度和传播速度分别为：

（1）

（2）

其中:

t为传播时间;σ为介质电导率;μ0为真空中的磁导率。

由式

（1）得：

（3）

在重叠回线下,时间与表层电阻率、发送磁矩之间的关系为：

（4）

其中:

M为发送磁矩;ρ1为表层电阻率;η为最小可分辨电压,它的大小与目标层几何参数、物理参数和观测时间段有关。

求解式（3）、式（4）,可得：

（5）

由式（5）可知,瞬变电磁的探测深度与发送磁矩、覆盖层电阻率及最小可分辨电压有关。

此式为野外工程中常用来计算最大探测深度的公式。

利用式（5）,可根据野外工作常用的装置及发送电流（不同边长线圈、不同发送电流、不同电阻率）算出瞬变电磁探测深度。

另外探测深度还和发射功率有关，发射功率越大，探测深度也会越深。

本次勘探根据野外现场试验，确定了勘探所需用勘探参数。

2.3瞬变电磁法勘探的装置

瞬变电磁法的激励场源主要有两种，一种是载流线圈或回线形式的磁源，另一种是接地电极形式的电流源。

发射的电流脉冲波形主要有矩形波、梯形波和半正弦波，不同波形有不同的频谱，激发的二次场频谱也不相同。

瞬变电磁自其发展以来，工作方式多种多样．例如：

重叠回线装置、中心回线装置、同一回线装置、偶极装置等。

下面介绍装置的优缺点：

一、重叠回线装置

重叠回线装置优点是瞬变电磁法特有的组合，它与目的物耦合最紧；发射线圈逐测点移动，不会有激发盲区；异常幅度大，形态简单，受旁侧影响小，横向分辨率高；发射磁距和接收磁距较大。

其缺点为分辨率相对较低，因为只能观测垂直分量；设备较为笨重，铺线较为麻烦；人为导体较多处很难避开。

二、中心回线装置

中心回线装置优点是重叠回线的变形，具有重叠回线的优点；可观测水平分量，分辨率较高；接收回线可以避开如管道等人为导体，在人为导体较多的测区，其数据质量优于重叠回线体积效应，受地形影响小，不受静态效应。

其缺点是地质体的不均匀性影响较重叠回线的大。

2.4资料处理[5]

2.4.1资料解释

在对实测数据进行滤波处理后，将衰减电压值换算成各种导出参数，如

、

、

等，各种导出参数的常用计算公式如下：

视电阻率计算公式

（6）

式中

为发送磁矩，I为发送电流，

为发送回线面积；t为测道的时间；

为瞬变值；

的单位为

。

视纵向电导

、视探测深度

的计算公式

（7）

（8）

式中

为接收线圈上的感应电压值，

为接收偶极距。

经处理得到视电阻率、视纵向电导数据后，可以做出视电阻率断面等值线图、视纵向电导断面图、视纵向电导微分成像图，可以根据图综合地质资料进行解释。

2.4.2定量解释

正演计算

地面接收重叠回线装置，层状大地瞬变电磁频率响应为：

（9）

式中：

a为回线半径；I为发射电流；

为自由空间的特征波阻抗；

为地面接收的层状介质的综合波阻抗;λ为积分变量；ω为圆频率；

为空气磁导率；

为一阶贝塞尔函数。

由下列公式求得：

（10）

（11）

（12）

（13）

j=1,2,3,...,n;式中

为电导率。

根据频谱分析理论，由上式可得瞬变（时间域）电磁响应：

（14）

其中

，且

上式中的积分核随λ增加而单调增加，因此在对上式汉克尔变换中，要求有很多滤波系数和褶积计算次数，影响了计算速度。

在实际计算中，为了保证上式积分的收敛速度和减少褶积计算次数，将积分核形变为：

（15）

于是汉克尔变换式变为：

（16）

由于

随λ增加呈现为有限宽度的单峰曲线，所以计算时只需在积分核不为零的有限宽度内进行褶积计算，可减少滤波系数和褶积次数，提高运算速度。

同时为了进一步提高计算速度，运用三次样条插值函数计算。

即先进行线性数字滤波计算出足够数量的

，然后利用三次样条插值函数法求出所需的核函数的值，以此来代替线性数学滤波法直接计算核函数

，这就加快了计算速度。

反演计算

反演中为了减少多解性的影响，采用改进的阻尼最小二乘可行方向法进行计算。

并将这一方法成功地应用到瞬变电磁测深资料的反演中。

其最优化问题归结为求解下列法方程：

（17）

式中：

A称为雅可比矩阵:

，

，

将（17）式的对角线项加上阻尼因子

，即形成LMF的法方程

（18）

式中：

I为单位阵；a为阻尼因子

约束条件为

（

）（19）

对（18）、（19）式求解，所得的极小可行解必在可行域内。

2.5低阻层对瞬变电磁场的屏蔽作用

瞬变电磁法与直流电法相比，它能克服高阻屏蔽层的影响，在坚硬裸露的岩石、水泥地面等接地困难，直流电法无法施工的场地，应用瞬变电磁法仍然可以取得良好的探测效果。

实际上，当勘探目的层之上覆盖有低阻层时，低阻层就会对瞬变电磁场产生屏蔽作用。

特别当地表为低阻层时，对瞬变电磁的探测深度具有很大影响，而水的电阻率低，水面则相当于一个低阻层，此时，瞬变电磁勘探所需要的探测时间加长，导致晚期资料的信噪比下降。

因此，水上勘探时，要注意低阻层对瞬变电磁勘探的影响。

2.5.1原理及其影响

根据瞬变电磁理论，在相同的岩层中，二次电位的衰减速度相同，也就是说在相同的时间段，穿透的地层厚度相同、二次涡流场的传播速度也相同。

当二次涡流场经过富水低阻层时，由于水的激发极化作用和低阻集流效应导致二次感应涡流场的衰减速度变慢，甚至产生畸变，使得二次电位值高于不富水的岩层，穿透含水层位后又依据相同的衰减速度衰减，造成最先穿过含水层的测点二次电位值永远高于其它测点（如图2.5.1），图2.5.1是衰减曲线对比图，（a）图是没有穿过低阻层段的衰减曲线，（b）图是穿过一个低阻层的衰减曲线，从两条衰减曲线来看，穿过低阻层时，曲线出现一不明显的小台阶状异常；而穿过低阻层后，曲线又依据相同的衰减规律衰减，只是曲线抬升了一个档次[11]。

图2.5.1衰减曲线对比图

通过参考资料地球物理学报《瞬变电磁场的直接时域数值分析》（闫述，2002），瞬变电磁场在地下的扩散速度受介质电阻率的影响，在高阻体中扩散速度快（如图2.5.2），在低阻体中扩散速度慢.故存在低阻覆盖层时，探测同样的深度需要更长的延迟时间（如图2.5.3）.瞬态信号是随时间衰减的信号，过长的观测时间会使晚期时段的信噪比降低，在存在低阻覆盖层、且厚度较大的地区，要取得勘探效果，必须加大仪器发射功率，因此，在水域或者其他低阻覆盖地区进行瞬变电磁探测时需要加大发射功率和延长供电时间，结合工区实际情况，布置试验线获得合理的施工参数以取得理想的勘探效果。

图2.5.2均匀大地中含低阻体的瞬变电场等值线

图2.5.3有覆盖层时低阻体的瞬变电场等值线

3应用实例

3.1测区内地球物理特征

测区位于四川省乐山市沙湾区，勘测场地区域内，表层为人工耕种填土，水域中上层为淤泥，由浅入深分别为第四系冲洪积（

）稍密卵石土、中密卵石、密实卵石、密实漂石土，密实卵石和下白垩系（

）泥质砂岩。

覆盖层卵石为主，视电阻率较低，为20~100Ω·m,而基岩主要是泥质砂岩，视电阻率较高，一般为200~2000Ω·m。

覆盖层与基岩的视电阻率差异明显，因此采用瞬变电磁法可以查明场地内的覆盖层的厚度以及基岩埋深。

3.2仪器及方法

考虑到工区的实际情况，采用大回线瞬变电磁法进行工作。

瞬变电磁法采用仪器为长沙白云仪器厂生产的MSD-1瞬变电磁仪（图3.2.1）。

供电电压为DC12V～72V，供电电流为1A～20A,其操作简便，精度高，可增加叠加次数从而有效避免干扰，也可对自然电位漂移进行补偿。

结合瞬变电磁法特点，选取重叠回线装置进行工作，根据野外现场试验,确定探测使用参数如回线大小、通电强度、观测道数、具体观测时窗、关断时间、点距选择等。

图3.2.1MSD--1瞬变电磁仪

3.3工作完成情况以及数据收集

本次物探工作共布置1条试验线（

）和1条瞬变电磁剖面（

），试验线总长35m，测点间距5m，测点数7个。

测线总长325m，测点间距5m，共完成瞬变电磁测点66个。

具体布置位置见图3.3.1《物探测线布置图》。

图3.3.1物探测线布置图

试验线取重叠回线装置，边长为10m的正方形线框，发射频率75HZ，线圈匝数为7匝。

仪器发射电流脉冲宽度为10米s、发射电流强度5A、、抑制系数3、采样率16us、采集数据叠加次数分别为为32次（a）、64次（b）、128次（c）。

延时8ms。

采集好数据后现场反演（如图3.3.2试验线叠加次数比较视电阻率图）对比以确定探测参数。

里程（m）

对上图进行比较，叠加次数为128次时的效果最好，但是探测深度都稍微较浅，根据低阻覆盖层理论可以知道延时8ms达不到所需探测深度，增加至16ms后得到如图3.3.3试验线延时对比视电阻率等值线图。

最终确定探测时采用重叠回线装置，边长为10m的正方形线框，发射频率75HZ，线圈匝数为7匝。

仪器发射电流脉冲宽度为10米s、发射电流强度5A、抑制系数3、采样率16us、采集数据叠加次数为128次。

延时16ms。

里程/m

勘查测线通过测量确定测点位置，在河面提前放置测绳，测绳上用红布条在每个测点上做好记号，测量时每次移动一个测点的距离，连续采集，形成剖面。

如图3.3.4《现场测量操作图》在每个测点都测量了水的深度，为后期处理做好准备。

图3.3.2现场测量操作图

3.4资料处理

3.4.1数据处理准备工作

在进行数据处理前，需要对野外采集到的数据进行一个挑选或坏数据剔除的工作，以保证后面数据处理工作的顺利以及结果的准确性。

如图3.4.1采集软件界面所示，在采集软件中打开数据，查看每一次数据的发射电流和电位差的信号是否正确。

查看电位差信号时可以调节横坐标的最大、最小值，看数据的细节部分。

要求数据整体上呈指数衰减趋势，晚期的时候不能有交叉。

图3.4.1采集软件界面图

3.4.2数据预处理

如图3.4.2.1所示为数据预处理界面，可以看到各个测点原始的电位差和电流曲线，把每一个点的曲线都点开，并检查这个点是否正常有效，若无效，则删除。

一般情况下自动设置零点位置，但是在前段信号超出了仪器的满量程的时候需要用到手动选择时间道零点。

手动选择时间道零点时，以满量程信号益出的中点为零点。

如图3.4.2.2所示。

图3.4.2.1数据预处理界面

3.4.2.2归一化处理界面

3.4.3数据滤波处理

瞬变电磁法观测的是二次场，信号弱，噪声水平相对偏高，特别是在工程物探中，干扰尤为严重，虽然这一问题可通过数据采集的多次叠加及抗干扰装置等手段得到一定的克服，但却不可能完全解决[13,14]；而且，在TEM观测中有时存在着非涡因素直接引起的瞬变响应，其“响应”的结果使异常复杂化，甚至出现负响应[8,9,15]。

所以，必须对其进行滤波处理。

常用的滤波方法有三点滤波、四点滤波、六点滤波、卡尔曼滤波及函数拟合法。

图3.4.3所示，上面左右两个图为当前点的归一化电位差曲线，一个是对数显示，一个是算术显示，下方的是该测线的多测道图，右边部分是不同滤波方式的选择。

本次滤波处理采用三点滤波，所谓三点滤波是对TEM曲线上每相邻三个点求取它们的平均值，属于中值滤波法，时窗短，基本可以去掉噪声，不会将有效信号过滤掉。

图3.4.3数据滤波处理

3.5物探资料成果解释

经过以上处理之后利用SURFER软件，绘制出剖面视电阻率等值断面图，观察断面图，可得到场地电性层的变化趋势，结合场地现场调查进行综合分析、判断，从而得出最终推断解释成果。

根据以上数据处理结果，经过对比分析并结合区内地质特征综合分析、判断，从而得出最终推断解释成果，图3.5.2《四川省大渡河南广庙大桥物探解释地质剖面图》。

成果分析如下:

下图（图3.5.1）为测线视电阻率等值断面图。

图3.5.1视电阻率等值断面图

从上图我们可以看到，断面图显示表层电阻率较低，为5.4--76.6Ω.m，结合现场踏勘资料，测线范围内河流深度0--4.9m,覆盖层为卵石层，从电阻率等值线剖面中除去河流深度后推测其厚度约为12.9--23.8m。

其中稍密卵石厚度0--5.8m，中密卵石厚度5.4--6.2m，密实卵石厚度6.2--7.5m。

基岩的电阻率为186.7--3426Ω.m，推测基岩为泥质砂岩，在基岩中，未发现有明显的低阻异常值区。

因此在测线上，河流深度0--4.9m,卵石覆盖层厚度约为12.9--23.8m，基岩为泥质砂岩。

图3.5.2四川省大渡河南广庙大桥物探解释地质剖面图

3.6钻孔验证

3.6.1钻孔目的及其布置

为了后期桥墩建设以及验证物探解释资料的准确性，我们在测线上布置了7个钻孔如图3.6.1钻孔布置图所示。

1#钻孔位于里程210m处，亦是测线东岸岸边，2#、3#、4#、5#由东向西分别在里程为170m、130m、90m、50m的水域中。

6#钻孔位于里程为10m的西岸岸边，7#钻孔位于里程290m处。

各钻孔深度均为25m。

图3.6.1钻孔布置图

3.6.2钻探成果

深度0--3.5m为第四系冲洪积（

）稍密卵石土，呈灰、青灰色,结构较松散，呈稍密状，稍湿-饱和；其中0-0.4m为青灰色细砂，结构松散，砂粒成分为长石、石英，含少量黑色矿物和云母碎片；卵石土中夹漂石.粗颗粒的成分主要为花岗岩、石英砂岩、辉绿岩及少量变质岩、灰岩等,圆状、次园状,亚园形,微-中风化状;含少量砾石，余为细砂充填其间；深度3.5m--8.9m之间地层为第四系冲洪积（

）中密卵石土，呈灰、青灰色,饱和,结构较紧密，呈中密状，卵石土中夹漂石；粗颗粒的成分主要为花岗岩、石英砂岩、辉绿岩及少量变质岩、灰岩等，圆状、次园状,亚园形,微-中风化状;含少量细砾,余为细砂充填其间；深度14.8m--9.8m之间地层为第四系冲洪积（

）密实卵石层，呈灰、青灰色,饱和,结构紧密，呈密实状.卵石土中含漂石；粗颗粒的成分主要为花岗岩、石英砂岩、辉绿岩及少量灰岩、变质岩等，圆状、次圆状，亚圆形，微～中风化状，含少量细砾，余为细砂充填其间；深度18m--14.8m之间为第四系冲洪积（

）密实漂石土，呈灰、青灰色,饱和,结构紧密，呈密实状.粗颗粒的成分主要为花岗岩、辉绿岩和石英砂岩及少量变质岩、灰岩等,圆状、次园状,亚园形,微-中风化状;含少量细砾，余为细砂充填其间；深度20.6m--18m之间第四系冲洪积（

）密实卵石，呈灰、青灰色,饱和,结构紧密，呈密实状.粗颗粒的成分主要为花岗岩、石英砂岩、辉绿岩及少量灰岩、变质岩等，圆状、扁圆状及次圆状，亚圆形，微～中风化状，含少量细砾，余为细砂充填其间；深度22.1m--20.6m之间为下白垩系泥质砂岩（

），呈砖红色，中-厚层状，细粒结构，泥质胶结，节理裂隙不发育；岩质不新鲜，岩质软，易碎，手捏能捏成小碎块状及手捻成砂土状，呈强风化状，岩心一般较完整，岩心多呈长柱状、柱状，少量短柱状及块状。

3.7结论

将瞬变电磁法与钻孔资料对比可知（如表3.7.1所示），在大渡河南广庙江面的工区，应用瞬变磁法得到了较好的效果，能定性的反映水下一定深度的地质构造情况。

表3.7.1瞬变电磁法与钻孔资料对比

TEM解释成果

钻孔资料

深度

视电阻率及岩性

深度

岩性

0--5.8m

视电阻率低，曲线平滑，推测为上覆沙卵石层（稍密）。

0-8.9m

灰、青灰色,饱和松散卵石土层。

5.8m--19.5m

视电阻率值由浅层到深层逐渐升高，推测为卵石层逐渐加密，深部为基岩风化层。

8.9-20.6m

灰、青灰色,饱和、密实卵石层。

19.5m以下

电阻率表现为高阻，横向分布不均匀，推测为泥质砂岩。

20.6m以下

砖红色，中-厚层状，细粒结构泥质砂岩

综合瞬变电磁法结果和钻孔资料得到如下结论：

在测线上，河流深度0--4.9m,卵石覆盖层厚度约为5.8--20.6m，基岩为泥质砂岩。

其中覆盖层由浅入深分别为第四系冲洪积（

）稍密卵石土、中密卵石、密实卵石、密实漂石土，密实卵石，基岩为下白垩系（

）泥质砂岩