1、瞬变电磁法在探测地下溶洞中的应用【摘要】：介绍了瞬变电磁法应用于工程地球物理勘探的进展情况及应用效果，通过对实际探测资料的分析，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。 关键词：瞬变电磁法；地球物理勘探;地下溶洞 Abstract : This paper introduces the development situation and the application result of transient electromagnetic method is applied to the engineering geophysical exploration, based on
2、 the analysis of the actual detection data, demonstrates the feasibility of transient electromagnetic method is applied to the engineering geophysical exploration and effectiveness. Key words: transient electromagnetic method; geophysical exploration; karst cave 中图分类号：P624 文献标识码：文章编号：2095-2104（2013）
3、1-0020-02 1 引言 瞬变电磁法（TEM）近几年来在国内外得到迅速发展，在金属矿勘探、油气田勘探和煤田勘探等勘探中得到广泛应用。 并且它正开始步入工程勘察、 地下水及地热勘察的行列中。 为了研究 TEM 法在地下空洞勘察中的有效性，几年来进行了大量的试验研究工作。 2 基本原理 瞬变电磁法 (Transient Electromagnetic Method，简称 TEM 法)，是利用大功率的发射装置向铺设在地面的大矩形线圈(或称发射框)发送双极性矩形大电流，在电流开启和关断时，由于电磁感应作用产生电压脉冲，电压脉冲的衰减产生感应磁场(即一次磁场)。 一次磁场随着时间的推移向地下传播并衰
4、减， 在地下介质中感应生成涡流，地下介质中涡流的变化又生成二次磁场。 电磁场在地下传播的速度以及幅度的衰减程度与地下介质的电阻率(或电导率)及深度等参数有关。 在电源关断的时间间隔内， 通过设置在地表各测点处的分量磁场传感器和数据记录器观测随时间变化的二次磁场可探测得到地下介质电性和结构的丰富信息。 对每个测点观测的磁场或导出的视电阻率资料、视纵向电导等进行反演、解释，即可得到地下介质的分层结构。 3 野外施工 本次施工以内蒙古呼伦贝尔某电厂煤炭传送带地下空洞探测工程为例。 3.1 采用仪器 本次采用 PROTEM47 型仪器，PROTEM47 型仪器是目前比较先进的轻型专业 TEM 仪器之一
5、，具有采样自动化程度高、压制干扰能力强、实时监控等特点，数据采集由微机控制，自动记录和存储，与微机连接可实现数据回放。该瞬变电磁仪器具有轻便、自动化程度高、操作灵活等特点。是目前国际上最为先进的轻便型瞬变电磁仪。 PROTEM47 具有最小、最轻便的发射系统，关断时间极短，可探测近地表异常。PROTEM47（PROTEM 接收机配以 TEM47 发射机）经常用于浅部几米到 150m 深的探测。在这种模式下，可用单匝 4m4m 到 200m200m发射线圈，关断时间可短至 0.6s，从而获得最高的浅表分辨率。 1）发射机技术指标 电流波型：偶极方波，正、负方波之间可设置 50%占空系数； 基本频
6、率：30，75，285Hz（功率传输线 60Hz 时）或25，62.5，237.5Hz（功率传输线为 50Hz 时） ； 关断时间：关断时间可短至 0.6s，在 4040m 发射线圈 3A 发射电流时，2.5s； 发射线圈尺寸：5m5m（8 匝）到 100m100m（单匝） 。 2）PROTEM 瞬变电磁仪接收机技术指标 观测值：三分量感应磁场的衰减比，nv/m2； 电磁传感器：空心线圈； 道数：用单道接收线圈顺序测量或用三分量接收线圈同时接收； 时间门：在两个量级时间轴上 20 个门测量，或三个量级时间轴上 30个门测量； 动态范围：23 位（132dB） ； 基本频率：0.3，0.75，3
7、，7.0，30，75，285Hz 或0.25，0.625，2.5，6.25，25，62.5，237.5Hz； 积分时间：0.5，2，4，8，15，30，60 和 120 秒 3.2 测线布设 测线布置沿着运输传送带两侧进行布置，测量点距为 5m。测点布置见图 3-1。 图 3-1 测点布置示意图 3.3 探测区数据采集 （1）装置形式 如图 3-2 所示，重叠回线装置是发送回线与接收回线相重合敷设，但由于有互感现象，故在野外施工时将两者分开 12m 的距离。TEM 方法的供电和测量在时间上是互相分开的，因此发送回线与接收回线可以共用一个回线，称之为共圈回线。重叠回线装置是频率域方法无法实现的装
8、置，它与地质探测对象有最佳耦合，重叠回线装置响应曲线形态简单，具有较高的接收电平、较好的穿透深度及异常便于分析解释等特点。 图 3-2 瞬变电磁法的重叠回线装置和中心回线装置 发射回线与接收回线相重合敷设，但由于互感现象比较严重，使浅层探测盲区增大。根据探测目标层的深度及探测区内的情况，本次采用中心回线装置形式。 （2）参数选定 本次探测的深度大约在 40 到 80 米之间，同事结合以往的探测经验，选用 10m*10m，4 匝和 5m*5m，8 匝发射线框。发射电流分别选用 8 安和16 安进行。叠加次数均为 128 次。点距 5m，线距 5m。 4 资料解释 本文以某地的地下空洞探测为例。先
9、对 PROTEM47 瞬变电磁仪所探测的数据在反演软件进行时深转换及视电阻率计算。再利用 sufer 专业软件进行成图。下图分别为传送带两侧的测线 200m380m 的电阻率等值线断面图。该图横坐标为距离，纵坐标为探测深度。从图 4-1 及图 4-2 中可以看出从 200m 到 320m 及 335m 到 380m 区段视电阻率无明显变化，而320m335m 处视电阻率明显曾大。 图 4-1 左侧测线 200m380m 区段视电阻率等值线断面图 图 4-1 左侧测线 200m380m 区段视电阻率等值线断面图 岩层空洞的解释，剖面上主要是依据视电阻率的横向变化特征，解释原则是空洞地段的异常是高
10、阻反应。从图 4-1 及图 4-2 可知在200m320m 处及 335m380m 视电阻率很想上变化相对均一，可以推断该320m335m 相对高阻区段有地下空洞存在。 5 钻孔验证及结语 为了验证资料的可靠性，甲方在高阻异常区中心进行钻孔验证工作。当钻进至 50m 处是开始出现漏水情况，当钻进至 62m 处掉钻 8m。验证表明该处确实存在地下空洞。 由于测区内无富水岩层且无补给源，地下硐室未充水，因此在视电阻率断面图上呈高阻区段应被视为地下有硐室。如若该地下硐室充水，我们应当将低阻异常段划为采空异常。具体采用何种参数应结合当地的地质情况来确定。 参考文献： 薛国强 宋建平 马宇 全红娟 用瞬变电磁法探测灰岩溶洞J 长安大学学报：地球科学版.2003（6） 牛之链 时间域电磁测深法原理M长沙：中南工业大学出版社.1992。 作者简介：王严升（1967）男（汉族） ，工程师，江苏徐州人，徐州市地质勘探队，岩土勘察专业，研究方向为工程地质和灾害防治；韦俊山（1979.9）男（汉族） ，工程师，安徽省舒城县人，江苏省徐州工程勘察院，岩土勘察专业，研究方向为工程地质和灾害防治。
