瞬变电磁法在工程地球物理勘探中的应用

摘要:通过实例说明瞬变电磁法应用于工程地球物理勘探中的基本原理及数据采集与处理;论证了瞬变电磁法应用于工程地球物理勘探的可行性和有效性。另外，简约论述了瞬变电磁法拟地震成像研究进展。

关键词:瞬变电磁法基本原理数据采集与处理可行性

中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：

1、基本原理

瞬变电磁法是以探测目标体与周围介质存在电性差异为前提的，利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场的间隙期间,利用线圈或接地电极观测二次涡流场或电场的方法;其数学物理基础都是基于导电介质在阶跃变化的激励磁场激发下引起的涡流场的问题;其特点是穿透能力强,分辨性好,且直观明了。主要用于寻找低阻目标物,研究浅层至中深层的地电结构。

2、数据采集与处理

物探观测采用长沙白云仪器开发有限公司生产的MSD—1型脉冲瞬变电磁仪,发送脉冲电流不低于3A,发送脉冲频率25Hz,数据采集时间0.0725～8.64ms,信号叠加512次。采用重复观测保证观测质量,工作装置、发送回线边长、和时窗范围的选择以及测区范围的确定等,其他技术要求按照中华人民共和国地质矿产部颁发的《地面瞬变电磁法技术规程》((DZ/T018)-1997)执行。

室内资料整理将仪器采集的数据输入计算机拷贝存档,原始数据经计算机以专用软件进行处理,得到视电阻率值,并自动反演,然后绘制成多测道剖面图,视电阻率剖面图等物探成果图。推断解释时,通过研究分析归一化的二次电位(U/I)随时间衰减的过渡过程快慢特性,来反映地下介质的纵向电性变化;比较同一测道电位响应的强弱,反映介质的横向电性变化。特别注意的是:在以剖面法为主的工区,应编绘以下的图件:实际材料图;多测道V/I或(B/I)异常剖面曲线图;V/I或(B/I)异常平面图;综合剖面图。在以测深法为主的工区,应编绘以下的图件:实际材料图;拟断面图;综合剖面图;SS(t)曲线类型图或拟断面图;综合剖面图。

3、工程实例

目前,瞬变电磁法的应用范围已经涉及地矿、石油、水利、电力、铁道、交通、有色、国防工程等各个领域,并且已经取得了显著效果。现仅就以下几个实例来说明瞬变电磁法应用于工程地球物理勘探的可行性和有效性。

3.1界定地下水位***年11月期间,某勘测设计研究院为界定乌江两岸地下水位在某电站建成前后的变化,而在某地应用瞬变电磁法做了一些实验。现仅就其中一张物探成果图(见图1)解析如下:图中X轴方向的数值表示测线距离,Y轴方向的数值表示实际深度值。在X轴方向730处的附近,某勘测设计研究院设有钻孔13#。经钻探验证,地下水位线大约在125m深度处。图中所标示的地下水位线基本上与之吻合;其所反映的地质结构经某勘测设计院的专家鉴定基本符合实际情况。

图1某地瞬变电磁法物探解译成果剖面图

图2某公园地下溶洞瞬变电磁法物探解译成果剖面图

3.2寻找地下溶洞。**年11月份,某勘测设计研究院为检验MSD—1脉冲瞬变电磁仪的性能,而在某公园应用瞬变电磁法做了一个实验。根据其物探成果图(见图2)解析如下:图中X轴方向的数值表示测点号,Y轴方向的数值表示实际深度值。图中的上图、下图分别是两平行测线的物探成果图,两测线相距35m左右。图中的加黑部分就表示某公园的地下溶洞,与实际情况相符。

4、瞬变电磁法是工程地球物理勘察中应用较多的一种勘探方法之一，瞬变电磁法拟地震成像方法研究是当前电磁探测理论与应用研究的热门.

1）基于时-频等效转换的瞬变电磁成像技术

近年来,利用瞬变电磁场勘探石油、地热源和各种矿产资源的理论和应用研究工作在不断发展,对于探测埋在地下的低阻异常体,电磁法已证明是一种有效的方法.但是,由于在分层、有耗媒质中电磁现象的复杂性,目前对实测数据的解释水平仍很低.近年来人们正深入研究二维、三维的复杂模型,力图更准确地描述大地中的瞬变电磁现象,并设法从电磁响应中获得地下结构的局部形状和尺寸等高分辨信息.

在远区情况下的瞬变电磁法拟地震成像方法相对容易.回线源瞬变电磁法是一种近区观测的电磁探测方法.由于场源的特殊性,在介质中传播的电磁场是扩散场.在研究回线源瞬变电磁法对地成像时,这一问题是不容回避的问题,这样,由扩散场向平面波场数据转换就成了问题研究的关键.

从大量模型计算入手,通过对两种场源测深正演数据的分析、对比,以及对两种场在地下介质中传播的特性分析,建立一种从瞬变电磁测深数据向平面波场转换的时间--频率对应关系.

通过大量的理论模型正演计算、曲线对比、误差分析,结合场的特性分析,从两种场的穿透深度及反映地下电性结构一致性角度,经过详细推导,得出瞬变电磁测深视电阻率数据可以转换成平面波场视电阻率数据的结论,构造了由时间到频率的转换关系式:

总的来说,对于同一介质的同一深度,扩散场的视电阻率与平面波场的视电阻率对此深度地电性结构应该有相同的反映.

给出了瞬变电磁法对地成像数值计算步骤

给出各种不同地电模型,分别进行正演计算.计算出视电阻率值,根据不同的地表电阻率,对早期道数据进行校正.

通过转换关系,把时间延迟变成频率,对理论模型正演数据或者实测视电阻率值进行域的变换,把时间域扩散场视电阻率值变成平面波场视电阻率值.

由平面波场视电阻率值在频率域求出波阻抗.

以波阻抗为参数,构建方程组.

用线性规划法求出反射系数序列.

(6)最终以反射系数为参数进行成像.

2.2 基于波场转换的瞬变电磁成像技术

由于瞬变电磁场满足的微分方程事实上是一个扩散方程,因而不能采用目前大家熟悉的波动方程求解方法.所谓瞬变电磁场的波场变换是指:通过数学积分变换,将满足扩散方程的时域瞬变电磁场转换为满足波动方程的波场,然后借助于地震中发展起来的一些比较成熟的成像方法技术,求解被探目标体的物性和几何参数

很多研究成果,都揭示了在层状大地介质中,电磁扩散方程与地震波动方程间存在有趣的数学对应形式,但他们研究问题的着眼点都是将对应地电模型的波场模拟结果变换成时域电磁响应.但是更能激起学者们研究兴趣的与此恰相反,即采用波场逆变换,将已知时域场转换为波场,这将有利于偏移以及更加复杂的成像技术的应用.从波场到时域场的波场正变换式：

这一变换过程称为正问题(direct problems).如果反过来,已知时域场求波场,则称为反问题(in-verse problems).

4..3提高探测精度是研究瞬变电磁法对地成像的目的。当前研究中存在的问题是:拟地震解释中的速度分析研究不完善,两种转换方法的成像结果是一种近似解释方法,对复杂界面的成像有待于进一步研究,在实用性方面及应用推广方面还需要做更多的工作.低频电磁数据经数值计算转换成虚拟波动场数据时,虚拟波场波形随着偏移距和地层电导率的增大,存在严重的波形展宽效应.使得计算得到的虚拟波场数据分辨能力不足,对多个界面的多个反射分辨不理想.所以瞬变电磁法拟地震解释技术还要做更多的研究.

5、结束语

瞬变电磁法在工程地球物理勘探方面不失为一种快捷、精细、先进并行之有效的方法。其作为勘探地下溶洞、空洞、断层、地裂隙、地下水、有色金属矿、地层软弱带以及浅层至中深层的地电结构,比其它物探方法能取得更为理想的地质效果。

参考文献

[1] 地面瞬变电磁法技术规程((DZ/T018)-1997).[M].中华人民共和国地质矿产部颁发.

[2] 郭文波,李貅,薛国强.瞬变电磁快速成像解释系统研究[J].地球物理学报.2005,48(6):1400~1405.

[3] 宋国阳. 瞬变电磁法在地质勘探的应用应用 [J]. 煤炭技术，2009，28（11）：136-137.