0 引言
瞬变电磁法利用发送线圈向地下发射感应电场(一次场),探测目的物会在一次场的作用下感应产生涡旋的交变电磁场(二次场),通过测量二次场随时间衰变的变化响应,研究分析二次场随时间的变化规律,达到探测不同导电性介质的空间分布的目的[1,2]。瞬变电磁法尤其对低阻目标体敏感,使得瞬变电磁在岩溶探测中得到广泛应用[3,4,5]。当一次场关断时发送线圈会形成自感电场,与浅层地层中的探测目的物产生的二次场叠加,造成接收线圈不能接收早期的纯二次场而出现信号失真,使得瞬变电磁法无法对浅层地层进行准确探测,形成一个浅层盲区[6,7,8]。通过对早期信号提取和修正方法的研究[9,10]以及改进仪器设备的线圈装置[11,12,13]、减小一次场关断的时间、合理系统参数的配置等方法,提高了浅层地层的分辨率,有效减小了瞬变电磁法探测的浅层盲区,但并未从根本上解决一次场关断对二次场探测的影响。浅层盲区是瞬变电磁测量中一直难以解决的一个问题,严重制约了瞬变电磁法在工程勘察、灾害治理等工程领域的发展。
等值反磁通瞬变电磁法通过线圈装置的改进,提高了瞬变电磁法浅层探测的能力。本文以某水电站公路边坡岩溶探测为例,由于受地形限制高密度电阻率法探测深度不能满足岩溶探测需求,推测岩溶埋藏深度较浅,采用等值反磁通瞬变电磁进行探测,实现了浅层地层中岩溶分布的探测,取得了较好的工程应用效果。
1 等值反磁通瞬变电磁的理论依据
图1
装置中上下两个线圈产生的感应电场强度相等、方向相反,对上下线圈产生的一次场进行矢量叠加,发送线圈产生的一次磁场其分布规律如图2。
图2
图2显示,发送线圈中间位置存在一个垂线方向上磁场强度始终为零的反磁通面,即该平面在z轴方向上磁场强度Hz=0,无论一次场关断与否这个零磁通面始终存在,将接收线圈置于该磁通面上就能有效避免一次场关断对早期二次场探测的影响。这种线圈装置可以消除电磁耦合,接收线圈在零磁通面上不会产生电磁振荡,不受一次场关断的影响,能准确探测到地质体涡流响应产生的早期二次场信号,基本消除浅层盲区,实现对浅层地层的探测。
2 工程应用
某水电站公路边坡下伏基岩由于岩溶、溶蚀裂隙发育,于2015年9月8日发生第一次塌陷形成了一个岩溶“漏斗”,使用了8000多立方土进行回填处理;2016年1月在第一次塌陷的区域斜下方再次发生了塌陷,又形成了一个岩溶“漏斗”。该公路边坡先后两次发生坍塌事故并形成岩溶“漏斗”,对过往行人、车辆及边坡稳定性带来了极大的安全隐患。
2.1 工程地质条件及地球物理特征
边坡场地位于青藏高原东南部,地貌单元上属川西北丘状高原东南缘向四川盆地过渡之深切高山峡谷区,在大地构造部位上位于川滇SN向构造带北端与NE向龙门山构造带、NW向构造带和金汤弧形构造带的交接复合部位。场地坡度约25°~40°,植被茂盛。地下水主要为第四系松散土类孔隙水及基岩裂隙水,受大气降雨补给,地下水水位面埋藏较深;孔隙水主要赋存于第四系的碎石土中,基岩裂隙水主要分为构造裂隙水和风化带网状裂隙水。
公路边坡覆盖层主要为第四系坡残积(Qhdl+el)、冰水堆积块碎石土(Qpfgl),含泥量较高,电阻率在50~800 Ω·m之间;下伏基岩为震旦系灯影组(Zbdn)白云岩、千枚岩等,其中岩溶、溶蚀裂隙发育及破碎岩体基岩电阻率在500~1 500 Ω·m之间,而完整基岩电阻率大于1 500 Ω·m。由此可知,岩溶、溶蚀裂隙及破碎岩体等不良地质岩体与完整岩体之间存在明显的电阻率差异,具备瞬变电磁法测试的地球物理前提条件。
2.2 剖面布置及数据采集
本次瞬变电磁法采用湖南五维地质科技术有限责任公司的“HPTEM-08高精度瞬变电磁系统”开展探测工作,均以上游侧为零桩号起点,在不同的高程布设4条瞬变电磁剖面(图3),分别为A剖面270 m、B剖面210 m、C剖面255 m、D剖面360 m,各测线点距5 m。
图3
数据采集主要参数:发送电压12 V,发送电流10 A;天线装置上、下发送线圈直径0.6 m,间距0.4 m;接收线圈直径0.5 m,接收等效面积200 m2;发送频率50 Hz,关断时间0.04 ms,叠加周期为1 000次。
2.3 反演成果解释
采用“HPTEM-08”系统数据处理软件对采集数据进行反演,得到各剖面电阻率等值线断面(图4)。分析各瞬变电磁探测剖面反演成果,本次瞬变电磁法探测在浅层并未形成明显的浅层盲区,反演成果清晰地反映出了公路边坡不同位置、不同深度地层电阻率的变化情况。根据工区地质情况及反演成果,将800 Ω·m界定为土石界面,根据及测区地球物理特征可知,该公路边坡地层为简单的二层结构:
图4
1) 表层碎石土覆盖层电阻率较低,横向上电阻率连续性较好,覆盖层与基岩电阻率差异明显、界限分明,覆盖层厚度20~30 m。
2) 下伏基岩表现为电阻率持续增大的高阻层,在图4中,横向上存在不同宽度和深度的800~1 500 Ω·m低电阻异常区,其中A剖面3处、B剖面3处、C剖面2处、D剖面3处。
由于D剖面1号异常区靠近建筑物排水系统,推测该处异常系受建筑排水系统影响造成,其余各低阻异常为岩溶或溶蚀裂隙发育使岩层的完整性、连续性遭到了破坏的表现:A剖面Ⅰ~Ⅱ区、B剖面Ⅱ~Ⅲ区、D剖Ⅱ~Ⅲ区电阻率异常范围较小,且刚好位于土石界面以下,推断低阻异常为风化引起岩石的溶蚀裂隙发育所致;A剖面Ⅲ区、B剖面Ⅰ区、C剖面Ⅰ~Ⅱ区异常范围相对较大,推断低阻异常为岩溶发育所致。
2.4 OCTEM反演成果准确性分析
2.4.1 高密度电阻率法数据对比
该公路边坡在采用瞬变电磁法进行岩溶探测前,对A剖面线采用了高密度电阻率法进行岩溶探测,反演成果见图5。将A剖面采用两种不同方法探测的反演成果进行对比,可以看出瞬变电磁法探测成果推测的低速异常Ⅱ区位于155 m处,与电阻率反演得到的底部低阻异常,在水平位置、深度位置上的吻合较好。
图5
2.4.2 钻孔验证
图6
3 结论
本次某水电站公路边坡岩溶探测采用等值反磁通原理的瞬变电磁法,反演得到的电阻率断面完整体现了不同深度地层的电阻率信息,各地层结构特征明显,低阻异常区反映了下伏基岩中岩溶及溶蚀裂隙发育区的位置,经过高密度电阻率法与瞬变电磁法探测成果的对比、钻探成果的验证,说明本次瞬变电磁法探测不受地形影响,实现了浅部的岩溶探测,弥补了高密度电阻率法探测深度的不足,探测成果准确,较好地解决了实际工程问题。
事实证明,等值反磁通瞬变电磁法采用的对偶中心耦合线圈装置,能够有效避免一次场关断对早期二次场探测的影响,基本消除瞬变电磁法探测的浅层盲区,实现对浅层地层的准确探测。
参考文献
瞬变电磁法在岩溶水勘查中的应用
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介绍了瞬变电磁法工作原理、特点及工作方法。瞬变电磁法对于施工区有较强的适应能力,工作效率较高。它对低阻充水断层、充泥充水溶洞等低电阻目标物敏感,岩溶含水岩组及断层破碎带的电阻率与其完整的围岩有明显的电性差异。所以主要用于探测含水层、溶洞、陷落柱、含水断层等地质构造情况。选用适当的装置可将瞬变电磁法应用于溶洞的探测,根据溶洞的瞬变电磁响应特征分析等视电阻率曲线的形态来确定溶洞的存在。瞬变电磁法的应用,可以很好地解决工程地质问题。
瞬变电磁法浅层探测技术
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从理论上推导发射电流关断时间对瞬变电磁法勘探结果的影响,给出均匀半空间大地模型重叠回线互阻抗计算方法,分析阶跃关断与线性关断早期瞬变响应的区别,讨论了线性非零关断瞬变电磁法发射信号对浅层探测结果的影响。利用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)实现瞬变电磁法发射电路,减小发射机关断时间,使之接近理想的阶跃函数,消除非零关断的影响,解决了加大发射电流与快关断的矛盾。实验结果表明,减小发射电流关断时间,可以提高瞬变电磁浅层勘探结果分辨率,减小瞬变电磁法勘探盲区。
瞬变电磁法在井巷掘进超前预报中的应用
[J].该文介绍了瞬变电磁法在井下巷道中应用的基本原理、技术特点、资料处理与解释方法。在巷道迎头超前探测中,首次采用十字型剖面观测系统,观测巷道迎头中心线方向竖直剖面和顺层剖面,克服了井下空间狭小的限制,节省了工作时间,提高了工作效率。现场应用结果表明,该方法在高阻围岩地区的井巷超前预报中,对导水裂隙和断裂破碎带等不良地质体的发育情况具有快速、高效的勘探效果,能为井巷掘进、隧道开挖等地下工程建设的施工和安全提供有效指导。
ATTEM系统中电流关断期间瞬变电磁场响应求解的研究
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在瞬变电磁法中，由于发射电流关断时间不为零、接收线圈的谐振频率有限，早期瞬变电磁信号发生畸变，只能舍弃，因此存在着探测盲区，针对这一问题，研究了瞬变电磁方法中发射电流关断期间总磁场的形成过程，论证了一次场、二次场和总瞬变场的关系，分析了接收线圈的频率特性和关断时间对瞬变电磁场的影响，提出从总磁场中剔除一次磁场影响的方法，从而获得电流关断期间和电流关断后的早期瞬变电磁场．采用吉林大学自主研制的瞬变电磁测量系统（ATTEM）在长春市伊通河活断层进行勘探，进一步验证了算法的有效性，缩短了瞬变电磁法的勘探盲区，实现了近地表4m以下的勘探，可以清晰地分辨近地表的低阻异常，提高了浅层探测精度和分辨率。
瞬变电磁法中大电流小中心回线与大定源回线两种观测方式的对比
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对瞬变电磁法"小线框大电流"观测方式进行了研究。对小线框中心点处激发场(一次场)强度随深度的变化进行了计算,并和大定源回线进行对比;计算了小线框的关断时间,并和大定源进行对比;以实际地层为例,设定模型,计算了理论勘探深度;最后对实验线的应用效果进行了分析。研究结果表明,小线框观测方式完全可以满足常规勘探要求,并在缩小浅层盲区范围和方便施工等理论及实际应用方面具有明显的优势。
瞬变电磁法同一回线和“8”字形回线对比研究
[J].对同一回线和"8"字形回线进行实验对比研究.采用控制变量法对两种装置进行了多方面实验对比,并在同一实际工作区域运用同一回线和"8"字形回线进行实地测量,分析数据质量,对比解释成果.比较二者在地面瞬变电磁勘探应用中的优劣.得到结论:1)"8"字形回线比同一回线有更好的信噪比.2)"8"字形回线装置在抗干扰能力优于同一回线装置,晚期信号的稳定性优于同一回线装置.3)关断时间相同的情况下,同一回线比"8"字形回线有更好的分辨能力,能获得更加丰富的浅层地质信息.4)在信号的灵敏度反应方面,"8"字形回线不如同一回线装置.5)在深大断裂构造或者目标体跟围岩电阻率差距较大的地区可以采用"8"字形回线.
等值反磁通瞬变电磁法在探测岩溶病害中的应用
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机场跑道潜在的岩溶隐患将直接影响其承载能力和使用寿命。通过广州白云机场跑道的勘察试验研究,表明等值反磁通瞬变电磁法能够在机场噪声背景以及有限不接地场地条件下实现快速无损探测机场跑道隐伏岩溶地质病害,有效规避了地震反射波受机场飞机起降噪声的影响、高密度电法受场地接地条件的制约以及探地雷达探测深度不足等常规工程物探方法的缺点,为机场跑道隐伏地质病害探测提供了一种新的探测方法。
