宜万铁路马鹿箐隧道瞬变电磁法勘察效果
第4卷第1期2007年2月
工程地球物理学报
CHIN ESE J OU RNAL OF EN GIN EERIN G GEOP H YSICS
Vol 14,No 11Feb 1,2007
文章编号:1672—7940(2007)01—0021—06
宜万铁路马鹿箐隧道瞬变电磁法勘察效果
吴有信
(安徽省煤田地质局物探测量队,宿州234000)
作者简介:吴有信(1962—
),男,安徽舒城人,高级工程师,从事资源和工程物探工作。E 2mail :wmwyx @https://www.wendangku.net/doc/141122682.html, 摘 要:简述了在隧道施工前和施工过程中,为了避免施工风险和预防施工过程中可能出现的地质灾害,运
用瞬变电磁法勘察含水层、断层、岩溶层等十分必要。通过工程实例,对瞬变电磁法的勘察原理、现场操作和勘察效果作了详细介绍,叙述了内业资料整理、资料解释和地质成果分析的过程,讨论了应用瞬变电磁法在勘察不良地质体中应注意的有关事项。
关键词:瞬变电磁法;隧道施工;断层;岩溶;勘察
中图分类号:P63112文献标识码:A
收稿日期:2006—11—24
The T ransient E lectrom agnetic Method Investigate Application
in Yichang W anxian R ail w ay Maluqing Tunnel
Wu Y ouxin
(A nhui Coal Geophysical Pros pecting &S urvey A dminist ration ,S uz hou 234000,China )
Abstract :In order to avoid t he risk f rom t he const ructio n and to p revent t he possible geolog 2ical disaster f rom t he const ruction ,t his paper discusses t he importance of using t he t ransient elect romagnetic met hod to detect t he aquifer ,fault ,karst etc ,before and during t he t unnel const ruction.In addition ,it int roduces t he p rinciple of t he t ransient elect romagnetic met h 2
od ,t he site operation and it s effect ,and it also describes t he data sorting ,data interpreting
and t he p rocess of t he geological result.K ey w ords :t ransient
elect romagnetic met hod ;t unnel ;fault ;karst ;detect
1 引 言
中西部地区铁路沿线的地形、地质条件复杂,给隧道工程建设的超前地质灾害预报带来很大困难,为了避免施工风险和预防施工过程中可能出现的地质灾害,采用瞬变电磁法对隧道线路周围的含水断层位置及岩溶发育情况进行勘察,为隧道开挖过程中避开突水突泥等地质危害提供依据,为隧道施工安全预警预报。
2 隧道概况
211 地质概况
隧道位于单斜地层中,岩层走向北东,倾角平缓,一般5°～15°。隧道从东往西依次出露地层为泥盆系中上统砂页岩;二叠系的栖霞灰岩及煤系地层、茅口灰岩、吴家坪煤系地层、长兴灰岩;三叠系的大冶灰岩夹页岩、嘉陵江灰岩。三叠系以前的岩层的主要出露在隧道东部,隧道大部分在三
叠系地层中穿过,可溶岩地层长度达7408m,占整个隧道的94.1%。
区内岩溶受节理裂隙控制,主要类型为溶丘洼地、岩溶槽谷、溶蚀漏斗和地下暗河等,在隧道进口附近有垮岩湾暗河穿过隧道,中部的地表水系基本都由鸟腊河、凉风洞、小马滩等暗河入口进入地下暗河系统,为规模宏大的小溪河暗河系统上游补给区,发育有油竹—垮岩湾暗河、小马滩—凉风洞、朱家槽—和尚鞍、道湾等四条暗河和富水溶腔,洞身位于地下水位以下,岩溶水文地质条件极为复杂。
212 电性特征
岩石孔隙、裂隙总是含水的,并且随着岩石的湿度或饱和度的增加,电阻率急剧下降。同时,水分含量相同的不同岩石的电阻率可能有很大差别,其原因在于水分有不同的矿化度。断层、破碎带、岩溶等地质体的电阻率不仅取决于本身岩性的大小,主要取决于其破碎程度及其含水的饱和度。一般来说,含水地质体的电阻率远小于不含水周围围岩的电阻率,完整灰岩的视电阻率大大高于富含水(泥)的岩溶及地下暗河,这是运用瞬变电磁法评价灰岩层赋水(泥)性和含水岩溶的物性依据。
在地形复杂和高阻屏蔽地区磁源瞬变电磁法探测地下存在的具有导电性差异的目标体较其它电法方法有着诸多的优势。
3 瞬变电磁法工作方法
311 瞬变电磁法简介[1,2]
瞬变电磁法是近年来国内外发展得较快、地质效果较好的一种电法勘探分支方法,在国际上被称作是电法的二次革命。它是利用一不接地回线发射一次磁场,在一次磁场的间歇期间利用不同回线接收二次感应磁场,该二次电磁场是由地下良导体受激励引起的涡流所产生的非稳磁场(图1,图2)。与其它测深方法相比,它具有探测深度大、信息丰富、工作效率高等优点。
涡旋场在大地中主要以扩散形式传播,在这一过程中,电磁能量直接在导电介质中传播而消耗。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,较低频部分传播到深处,且分布范围逐渐扩大。其传播深度和速度为
:
图1 矩形回线产生的磁力线(阶跃脉冲)
Fig.1 The magnetic line creation of rectangular loop
(step
pulse)
图2 半空间的等效涡流环
Fig.2 Equivalent eddy current loop of the half space d=
4
π
t/σμ0
v z=
5d
5t=
2
πσμ
0t
式中:t为传播时间;σ为介质电导率;μ0为真空中的磁导率。
对于该方法的探测能力首先是要考虑瞬变电磁法的探测深度。瞬变电磁的探测深度与发送磁距、覆盖层电阻率及最小可分辨电压有关。由上式得:
t=2π×10-7h2/ρ
在中心回线下,时间与表层电阻率间的关系为:
t=μ0
(M/η)2
400(πρ1)3
1
5
M为发送磁距;ρ1为电阻率;η为最小可分辨电压,大小与目标层几何参数和观测时间段有关。
瞬变电磁的探测能力还包括对异常体的分辨能力。瞬变电磁的分辨能力与目标层的大小、电性异常信号与地质噪声的分离程度、电磁噪声电平等因素有关。具体为瞬变电磁系统中的电磁噪声、噪声信号限制了系统观测弱信号的能力、仪器功率、灵敏度、地质背景噪声。
本次瞬变电磁勘探工作的仪器采用加拿大凤凰公司生产的V8多功能电法仪。采用大电源回
22 工程地球物理学报(Chinese Journal of Engineering Geophysics) 第4卷
线装置。发送回线边长和时窗范围的选择依据试验确定。312
勘察工程布置勘察是在2.8km 长的隧道中轴线两侧共布设瞬变电磁测线8条,测量网度为10m ×20m ,采用大定源回线装置,发射线框为500m ×460m ,发射频率为8.33Hz 。总工程量2343个物理点。
4 内业资料整理与数据处理
411 资料整理
首先要对建库的数据逐点检查、编辑、统计并进行适当的圆滑和滤波处理,在一定程度上压制和剔除干扰,突出有用信号,为下一步工作打下基础。412 电磁测深数据的反演[3,4]
Nabighian 认为感应涡流场在地表引起的瞬变电磁响应为地下各个涡流层的总效应,这种效应可以近似地用向下传播的电流环来等效。
这些
图3 原始数据资料库输出的二次场衰减曲线和视电阻率曲线
Fig.3 Raw data database output ’s secondary field diminishing curve and apparent resistivity
curve
图4 10线反演电阻率剖面的数据处理
Fig.4 Data processing of the 10line inversion resistivity profiles
3
2 第1期 吴有信:宜万铁路马鹿箐隧道瞬变电磁法勘察效果
电流环好像是发射回线吹出的“烟圈”,其形状与发射回线相同,随着延迟时间增大而向外,向下扩大,增深。因此,计算地表瞬变电磁相应可以用某时刻地下的电流环镜像相等效。反演软件使用了简化烟圈反演和常规烟圈反演两种方法。413 三维电性数据体的滤波与相干处理[5,6]
瞬变电磁法勘察工作取得了一个三维电性数据体,通过三维数据插值输出的电性数据体网格为10m ×10m ×10m ,为对本次勘察工作的电性-地质关系提供了进一步研究的前提
。
图5 三维电性数据体段1相干体
Fig.5 Body 1of 3D electricity
database
图6 三维电性数据体段1边缘检测体
Fig.6 Body 1of edge detection body of 3D electricity data
5 瞬变电磁勘察成果[9,10]
在对瞬变电磁场的特征进行认真分析的基础上,着重对正演模型、地形影响和局部异常和区域
电性特征进行分析与研究,对含水断层、岩溶等的赋水性评价采用多测道断面图、视电阻率断面图、顺层切片、深度切片和解释性处理技术相结合的原则进行。
将转换成反映构造体物性特征的电性参数(视电阻率等)来表征地下地质体的构造特征。并且利用视电阻率和综合电性参数来勾画各类图件,同时作为进一步地质解释与分析的基础资料。通过对获取的三维电性体的全面分析,依据区域地层、勘察对象的电性特征,在充分分析工作方法、地形影响及人文干扰的基础上,获得了本区的瞬变电磁法勘察成果隧道10线电性地质剖面图和隧道+1000m 水平切片(图8和图9)。电性资料显示,有数条斜切断层穿过线路,造成灰岩段岩石宽度与深度不等破碎带,为岩石的溶蚀和岩溶的发育提供了条件。
勘察区域位于长江中下游东西向、新华夏系和淮阳山字形反射弧三个一级地质构造的交汇点,形成了山高壁陡、河谷深切的地貌。
节理裂隙的发育主要有两组:一组产状300°～340°∠80°～∠90°;另一组产状210°～270°∠60°～∠80°。前者为纵张节理,后者为横张节理,后者具明显优势。这两组节理对区内岩溶发育有较明显的控制。
隧道穿越的地层主要为三叠系下统大冶组灰色中厚层灰岩夹薄层灰岩和三叠系嘉陵江组灰色厚层含生物碎屑,中厚层灰岩、灰色中厚层白云岩与厚层微晶灰岩互层,节理和岩溶较发育,地下水为岩溶、裂隙型水,岩溶发育,水量大。同时隧道区大部分地段位于地下水位以下,存在上部岩溶水向隧道渗漏的可能。
根据瞬变电磁法勘察成果资料分析,勘察区段内自东向西主要地层分别为三叠系下统大冶组灰岩,一般为中厚层灰岩夹薄层灰岩,节理较发育,地下水多为溶蚀、裂隙型水,涌水量中等;西部地层为三叠系嘉陵江组中厚层灰岩,岩溶较发育,由于受构造、裂隙等作用,容易形成地下水产生多方向上水力联系,给隧道建设产生破坏性影响。
全区综合多种电性参数,共解释断裂破碎带5条;岩溶发育区9处;溶蚀区段5块,区内较大
的断裂构造有:DF1、DF2、DF3、DF4、DF5。在断
裂带周围,因电磁法勘探的分辨率限制,可能发育一些规模相对较小的溶蚀区或地下岩溶水径流通道未能发现。
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图7 综合处理方法输出的10线断面
Fig.7 No.10line section of
comprehensive processing method
output
图8 隧道10线电性地质异常体综合剖面图
Fig.8 The tunnel No.10line electricity
geology abnormal body profile
图9 隧道+1000m 水平切片图
Fig.9 Tunnel +1000m section graph
从隧道+1000m 水平切片图可以看出,勘察段内岩溶发育带多伴随有断裂构造,主要可分为三个区块:①256810m ～256150m ;②256150m ～254800m ;③254800m ～254020m ,其中第二块段岩溶最为发育,伴随断裂构造有多处岩溶发育,该块段的电性资料显示它与第一区块岩溶区有地下水水力联系。
工程施工过程中的水文与工程地质调查钻孔马3、马4对DF1、DF2、DF3号溶蚀区进行了验证,并得到证实。隧道出口段施工中揭露了DF4
5
2 第1期 吴有信:宜万铁路马鹿箐隧道瞬变电磁法勘察效果
溶蚀区(地下暗河),这些均表明瞬变电磁法勘察地质效果明显。
6 结 语
在灰岩地区为了规避隧道施工风险和预防施工过程中可能出现的地质灾害,运用瞬变电磁法勘察含水(泥)的断层、岩溶等水文地质问题,基于电性差异来划分不同岩性地层、构造破碎带等异常地质体,具备地球物理勘察的电性依据。同时,瞬变电磁法(TEM)属于时间域的电磁感应法,利用不同接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场,在一次脉冲信号间歇期间,利用线圈观测二次涡流场,由于电法的地形影响主要是一次场受地形几何因素的影响,本方法不观测一次场,一般不受或很少受地形因素的影响[7,8]。因此具有其它方法不可比拟的优势,同时加大发射功率,采用多次叠加技术能够提高采集信号的可信度。
内业资料整理和数据处理过程中,注意识别随机干扰,同时运用三维电性数据体开展滤波、相干、边缘检测等技术的应用,同时输出多种综合电性参数,进一步分性电性不均匀体的平面和空间分布特征。
资料解释中,注意区域地层、岩性和构造特征的研究,同时对复杂条件下瞬变电磁场的剖面特征、参量变化规律等深入分析,指导成果资料的分析。
工程实践和瞬变电磁法勘察的地质效果说明,瞬变电磁法适宜在复杂地形条件下的高阻地区开展工程与水文地质勘察工作,对于规避施工风险和预防施工过程中可能出现的地质灾害,具有重要指导意义。
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瞬变电磁法的应用
山东盛泉矿业有限公司 科技进步成果奖励申报书 成果名称：瞬变电磁法在有掘必探工作中的应用 完成单位：沈家峁煤矿技术科（盖章）协作单位：（盖章）填报日期： 2016 年 9 月 10 日
成果名称瞬变电磁法在有掘必探工作中 的应用 成果起止日期 成果的主要内容： 一、项目简介 随着矿井开采深度的加大，矿井水文地质条件日趋复杂，为防止矿井水害事故发生必须加强探放水管理，严格执行有掘必探、先探后掘、有采必探、先治后采的探放水原则，坚持物探先行、钻探验证、化探跟进的综合探测程序科学有效的开展井下探放水工作，原有的物探设备直流电法仪由于施工难度大、条件要求高、探测结果可靠性差已不符合井下物探要求，矿井瞬变电磁法是当前应用范围广的一种电法勘探技术。此方法观测的是二次场，能够较为直观的进行近区观测(能够使用重叠回线装置)，对低阻含水体特灵敏、不易受体积效应的影响、纵横向分辨率高，而且施工作业方便、快捷、效率比较高。因此，在煤矿水文地质探测方面有很高的应用价值。瞬变电法探测优点：高定向性（方位性)、高分辨率、有效探测距离大、适应性强、易于施工、效率高。YCS150型瞬变电磁仪具备操作简单、小功率、小线圈、大测深、分辨能力及抗干扰能力强、物探结果精度高、成图简单等优点现已投入使用，为更好的服务于井下探放水作业还需对瞬变电磁法探测的应用进行探索研究。 二、YCS150瞬变电磁施工方法 1、掘进迎头探测施工方法： 迎头超前探测，采用偶极共轴法，即发射线圈距接收线圈3-5米；发射线圈2*2米双匝，接收线圈直径0.6米；发射电压7.2V，电流2A;对迎头顺层方向、斜向上、两个平面分别按7个角度进行探测，探测距离为距迎头150米范围的前方视电阻率扇形图。布置方案如图1-1和1-2。 图1-1 现场施工布置框图
瞬变电磁法报告模板
左线出口（1） ************隧道左线 出口ZK27+687～ZK27+587瞬变电磁法 超前地质预报报告 ***********有限公司 二〇一四年八月二十五日
项目名称：************************ 数据采集： 报告编写： 复核： 审核： ***************有限公司 二〇一四年八月二十五日
目录 一、工作概况 (1) 二、瞬变电磁法基本原理 (1) 三、测点布置及施工方法 (2) 四、现场工程地质分析 (3) 五、瞬变电磁法的资料解释 (5) 六、结论及建议 (8)
*****************隧道左线出口 ZK27+687～ZK27+587瞬变电磁法超前地质预报报告 一、工作概况 2014年8月18日下午，我单位对******************口掌子面ZK27+687处进行了瞬变电磁超前探测工作，其目的在于：查明前方赋存水情况。现场情况：掌子面、附近拱顶及边墙无渗水现象。 二、瞬变电磁法基本原理 瞬变电磁法的激励场源主要有两种，一种是回线形式（或载流线圈）的磁源，另一种是接地电极形式的电流源。下面以均匀大地的瞬变电磁响应为例，来讨论回线形式磁偶源激发的瞬变电磁场，从而阐述瞬变电磁法测深的基本理论。 在导电率为σ、导磁率为μ的均匀各向同性大地表面敷设面积为S 的矩形发射回线在回线中供以阶跃脉冲电流 ???≥<=0 00)(t t I t I （1） 在电流断开之前（0 瞬变电磁原理、仪器及应用 第1章绪论 (1) 1.1 瞬变电磁法发展概况 (1) 1.2 瞬变电磁探测方法的特点及应用领域 (2) 第2章瞬变电磁法探测原理 (4) 第3章ATEM-II瞬变电磁探测系统 (7) 3.1 ATEM-II瞬变电磁发射机 (7) 3.2ATEM-II瞬变电磁接收机 (10) 第4章瞬变电磁响应分析 (17) 4.1各向同性水平层状大地上回线源的瞬变电磁响应 (17) 4.2均匀大地表面上大回线源在地表形成的瞬变电磁场 (17) 4.3中心回线下的隐伏球体的响应特征 (18) 4.4中心回线下的隐伏无限延伸的水平圆柱体的响应特征 (20) 4.5导电围岩中的局部导体瞬变电磁响应 (20) 第5章瞬变电磁野外工作方法 (22) 5.1 回线组合选择 (22) 5.2 发射电流的选择 (24) 5.3 发射脉冲宽度的选择 (25) 5.4 关断时间的影响 (26) 5.5 发射边长的选择 (27) 5.5 接收最早取样时间的选择 (29) 5.7 接收线圈的频率选择 (30) 第6章瞬变电磁探测的数据处理与成图 (31) 6.1数据质量判别 (31) 6.2 数据处理 (33) 6.2.1 平滑滤波 (33) 6.2.2 近似对数等间隔取样 (34) 6.3 基于“烟圈”理论的一维快速反演 (37) 6.4 数据成图 (40) 第7章 ATEM系统野外应用 (42) 7.1 长春秦家屯模型验证研究 (42) 7.2 长春伊通河活断层勘察研究 (44) 7.3 内蒙正镶白旗水源勘察 (45) 7.4 安徽铜陵矿山接替资源勘探 (49) 7.5 浙江舟山连岛工程探测 (52) 瞬变电磁法在地质勘探中的应用 姓名：杨帅班级：资工803 学号：20081338 摘要:在地下水勘查工作中,用常规物探方法难以划分地层的结构、确定断裂构造的位置、查明基岩面的起伏形 态及判断地下水的赋存状况。通过瞬变电磁法(TEM)勘测并结合钻孔资料分析,对上述地质问题有了一些突破性 的认识,证明了瞬变电磁法在勘查工作中的有效性。当地下存在电性不均匀体时,通过瞬变电磁法会观测到电性 不均匀体的涡流异常场,进而推断矿体、地下水、地质构造等地下盲体的存在和部位。依据此特征成功地将瞬变电 法在探测中进行了应用。 关键词:瞬变电磁法;视电阻率;等值线;地下水勘查 0前言 随着我国国民经济快速发展,对能源的需求日益增大。 煤炭是我国目前主要能源之一,在煤矿生产和建设中,地质 构造直接影响煤矿生产安全生产和建设的重大灾害之一。 由于瞬变电磁法易于加大勘探深度,具有分辨能力强、工作效率高、受地形影响小等特点,近几年越来越受到人们的重视,被广泛用于油气田、地热、煤炭以及地下水勘查等领域。可以借助被探测地质体所产生的瞬变效应来划分地层结构、确定地质构造的位置、查明基岩面的起伏形态及判断地下水的赋存状况。 1勘探区概况 勘探区位于太行山西麓,沁水煤田东北部边缘中段, 地表部分面积被黄土覆盖,仅在工区内有部分基岩出露, 其它部分地段基岩出露。根据周边出露及揭露地层由老到 新有奥陶系中统峰峰组、石炭系中统本溪组、上统太原组、第四系。 该区的电性特征:第四系多由黄色、红棕色、褐色亚 粘土及砂土组成,不整合于各时代地层之上。厚度不大, 导电性能强,整个新生界松散层及地表强风化岩层从全区 资料对比来看均呈相对中低阻反映。 二1煤层顶板大占砂岩裂隙较发育,含有裂隙水,是煤层顶板直接含水层。采掘使煤层顶板岩层变形、破坏,形成冒落带、裂隙带和弯曲变形带。区内顶板砂岩虽厚度大、且较稳定,裂隙亦较发育,但由于其上被多层砂质泥岩、泥岩隔水层所分割,补给和储存条件均较差,富水性弱。因此煤层顶 板砂岩孔隙裂隙水常以滴水、淋水的形式进入矿井,很少形成突水。由于砂岩赋水的不均一性,在其富水区及导水裂隙密集带,顶板砂岩会形成突水,但突水量一般不会太大。3·2导水通道 充水通道主要有断裂导水通道、煤层顶板采动裂隙通 道、煤层底板采动裂隙通道、废弃井筒、巷道等。矿区覆盖层 沉积厚度不大,前部裂隙和开采后的塌陷为上部煤层开采充足水通道;局部断层2侧岩层裂隙发育带,为矿井的主要充 水通道;煤层开采后,地质条件发生变化,断层带的稳定性遭 受破坏,可成为矿井的充水通道;区内勘探阶段封闭不良的 钻孔和废弃井筒也可成为矿井的充水通道。 4结论 (1)主要含水层为碳酸盐类岩溶裂隙含水层、碎屑岩类 孔隙裂隙含水层和松散岩类孔隙含水层。 (2)韩庄矿的充水水源主要为煤层顶底板砂岩裂隙水、 沿裂隙通道入渗的第四系松散孔隙水、太原组岩溶裂隙水和寒武系岩溶裂隙水,老窑水为主要威胁水源。 (3)充水通道为断层带裂隙发育及采空塌陷带。 参考文献: [1]房佩贤,等.专门水文地质学[M].北京:地质出版社,1996. [2]杨孟达,等.煤矿地质学[M].北京:煤炭工业出版社,2000. EMIT MAXWELL 瞬变电磁法勘探数据处理(1) 物探软件2010-04-25 11:58:11 阅读361 评论0 字号：大中小订阅 EMIT MAXWELL 瞬变电磁数据处理软件是由澳大利亚电磁成像技术公司的商业软件，运行于WINDOWS平台下，能对频率域；时间域及航空瞬变电磁勘测数据进行建模，正演，反演，及常规成图作业处理。另外还支持频率域与时间域的激发极化数据处理。很值得一提的是该系统包含两套扩展模块一个是EMAX组支持地面与航空瞬变电磁数据的CDI 深度计算。另一个就是CSIRO(澳大利亚国家工业研究院)组的正反演模块，是EMIT MAXWELL的核心模块，可惜网上下载的版本都不带！ 所需工具WINDOWS系统，EMIT MAXWELL ，UltraEdit Professional Text/Hex Editor ，Oasis montaj 简易处理流程数据导入→数据处理→测量和仪器→数据显示→数据正反演 一、数据导入 支持工业标准AMIRA格式；标准仪器文件CRONE,PROTEM,GEONICS,SIROTEM.其他软件格式GEOSOFT等详细看下图。国产的瞬变电磁数据可以参照 AMIRA标准格式用ULTRAEDIT制作。提示下PROTEM的GX7格式直接将扩展名改为RAW即可导入！ 软件界面 数据导入 以软件自带的DEMO数据为例，该数据为AMIRA标准格式。点击import→Tem File 选中DEMO.TEM 标准格式直接点击OK即可。数据导入就即刻生成了断面曲线与测网地图 EMIT MAXWELL 瞬变电磁法勘探数据处理(2) 物探软件2010-07-10 10:41:26 阅读136 评论0 字号：大中小订阅 数据导入成功后接下来就是对瞬变数据进行预处理。 如图所示点击DATA/PREFERENCES菜单选中edit and Process lines 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 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）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。 第三节瞬变电磁法（TEM） 一、方法原理 瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源通以脉冲电流为场源，以激励探测目的物感应二次电流，在脉冲间歇测量二次场随时间变化的响应。当发射回线中的电流突然断开时，在介质中激励出二次涡流场（激发极化场），二次场从产生到结束的时间是短暂的，这就是“瞬变”名词的由来。在二次涡流场的衰减过程中，早期以高频为主，反映的是浅层信息，晚期以低频为主，反映的是深层地下信息。研究瞬变电磁场随时间变化规律，即可探测不同导电性介质的垂向分布。 瞬变电磁法的探测深度与回线线圈的大小、匝数有关，线圈越大、匝数越多，探测的深度就越深。 瞬变电磁法的观测是在脉冲间隙中进行，不存在一次场源的干扰，这称之为时间上的可分性，脉冲是多频率的合成，不同的延时观测的主频率不同，相应的时间场在地层中的传播速度不同，调查的深度也就不同，这称之为空间的可分性。由这两种可分性导致瞬变电磁法有以下特点：把频率域法的精确度问题转化成灵敏度问题，加大功率，灵敏度可以增大信噪比，加大勘探深度；在高阻围岩地区不会产生地形起伏影响的假异常；在低阻围岩地区由于是多道观测，早期道的地形影响也较易分辨；可以采用同点组合（同一回线、重叠回线等）进行观测，使与探测目标的耦合最好，取得的异常强，形态简单，分层能力强；线圈点位、方位或接收距要求相对不严格，测地工作简单，功效高；有穿透低阻覆盖层的能力，探测深度大；剖面测量与测深工 作同时完成，提供了更多有用信息，减少了多解性。 二、地球物理前提 由于瞬变电磁法是观测断电后由一次脉冲激励出的二次涡流场随时间的变化规律，二次涡流场随时间的衰减快慢和强弱与被探测介质（道碴、混凝土、岩石等）及介质状态（含水与干燥、完整与破裂）有关，TEM法衰减曲线的变化过程反映了检测点由高频到低频、由浅层到深层的地质信息变化过程。检测的参数是各层规一化的电阻率，对实测的衰减曲线进行反演拟合，绘制地下电性分层及分层的电阻率柱状图，进而以反演拟合曲线为基础，绘制成曲线簇断面图、等值线断面图及电性分级断面图。 TEM法主要用于隧底检测。隧底结构的正常场，一般情况下，干燥的道碴与铺底砼、基岩相比，相对电阻率高、电导率低，铺底砼的电阻率次高、电导率次低，基岩的电阻率相对较低、电导率相对较高，略高于铺底砼。当隧底结构出现异常，有裂损的铺底砼与完好的铺底砼相比，电导率升高、电阻率降低。如果在铺底层与基岩顶面之间有干虚碴层或存在吊空、松散层时，则将出现低电导率、高电阻率层；相反，虚碴层、松散层含水时，则出现高电导率、低电阻率。因此，用TEM法对隧底进行检测后，将实测的衰减曲线进行反演拟合，并以反演拟合为基础，绘制成电性分级断面图等图件，最后结合收集的既有资料（隧底结构图、竣工图、施工开挖地质情况等），对这些图件进行分析解释，提供隧底结构分层（道碴层、铺底层、基岩面、道碴充水充泥段和陷槽段）、有无底板层（含仰拱）、底板层破损段、 矿井直流电法勘探涵盖了巷道顶底板电测深法和矿井高密度电阻率法这两种方法，两者属于频率域，而矿井瞬变电磁法则为时间域的方法。 1直流电法技术的基本原理 直流电法勘探是测定岩石电阻率的传统方法。它通过一对接地电极把电流供入大地中，而通过另一对接地电极观测用于计算岩石电阻率所必需的电位或电位差信息（见图1）。 图1 电法勘探工作原理示意图 一个点电源O 在均匀介质中的电场形态为球形(见图2) ，每个球壳为一个等电位面，不同等电位面上A、B 两点会产生电位差，电位差的大小与其通过的介质的导电性(电阻率)有关。 此时通过直流电法仪测得A、B 两点的电位差，即可计算出介质的视电阻率。 A' j电流线 图2点电源在均匀介质中的电场形态 矿井直流电法勘探在井下巷道内安放物理场源和接收装置，因测点位置靠近勘探对象，缩短了目标体的探测距离，许多在地表无法探测到的较小规模地电异常体，在井下可获得较强异常响应，为提高电法勘探应用能力创造了有利条件。 巷道顶底板直流电测深法装置形式 固定MN法（施伦贝尔装置） 工作布置方式为A---M-O-N---B ，即以 O 点为中心，两边对称布置A 、M 、N 、B 四个电极四个电极按比例由近及远同步移动。 三极装置（常用于井下迎头超前探测） 工作布置方式为A---M — O —N----B （*）。即以 O 点为中心，两边对称布置M 、N 两个电极，A 、M 、N 三极由近及远逐步移动，B 极位于无穷远处。 图2 三极测深法示意图 上述两种装置中A 、B 、均为供电电极，用于向岩层供电；M 、N 均为测量电极，用于探测地电场电压，根据测出的电流、电压值结合装置系数就可以换算出地层视电阻率值。通过对不同深度地层的视电阻率值进行全方位探测和综合分析，就可以达到探测岩性或构造的目的。 矿井高密度电法 巷道顶底板电测深法由于受其观测方式的制约，不仅测点稀，工作效率低信息量小，而且更难从多种电极排列去研究地电断面的特征、结构与分布。因此，所提供的关于地电断面的地质信息贫乏，资料解释存在相当困难。为了克服上述困难与不足，更好的发挥物探在工程勘察中的优势，便发展出了高密度电阻率这项新的勘探技术。 其在原理上属于电法勘探中电阻率法的范畴，它是以岩土体的电性差异为基础，以研究在施加电场的作用下，地下传导电流的变化分布规律，它是在常规电法勘探基础上发展起来的一种新的勘探方法。高密度电法集中了常规剖面法和电测深法两者的特点，不仅可以观测地下一定深度范围内横向电性变化情况，同时还可以观测垂向电性的变化特征，总体而言具 《地球探测与信息技术基础》 课程作业 题目：瞬变电磁法在地球勘探上的应用 姓名：周桥立 班级：064101 学号：20101003648 授课教师：胡祥云 2013 年 04 月 20日 摘要 瞬变电磁法是近年来电法勘探领域一种重要方法，是根据地壳中岩石或者矿体的导电性及介电性等电学性质的差异，研究电磁场的空间或时间分布规律，从而解决各种地质问题。目前已经发展为探测油气、金属和非金属矿产的一种重要方法，并且在深部地质构造研究、工程勘察、油气、矿产、水、地热勘探等领域得到广泛应用。 目录 1．概述 (4) 2. 瞬变电磁法 (5) 3．正演问题的研究 (8) 4．瞬变电磁勘探的应用 (12) 5．总结 (14) 参考文献 (15) 一、概述 电磁场理论的应用已经遍及地学、生命科学、医学、空间科学、信息科学等几乎所有的技术科学领域,同时这些工程技术领域对电磁理论研究也不断地提出各种新的要求. 电磁法勘探是基于研究电磁波在导电介质中传播特性,从而达到研究地下地质体赋存特性的目的. 通过天然或人工场源在大地中激励的交变电磁场,研究电磁场的空间和时间分布,分析观测到的磁场信号,得到地下目标体的电性分布特征的一种地球物理方法。 瞬变电磁测深法( Transient elect romagneticmet hod ,简称TEM) 是电磁法勘探中应用较广的一种,是近年来在工程地质勘察中普遍应用的时间域电磁探测方法. 它是利用阶跃波或其它脉冲电流场源激励,在大地产生过渡过程场,断电瞬间在大地中形成涡旋交变电磁场,测量这种由地下介质产生的二次感应电磁场随时间变化的衰减特性,从测量得到的异常信号中分析出地下不均匀体的导电性能和位置,从而推断矿体、工程基础、地下水、地质灾害、工程病态等地下目标体的分布性态. 该技术具有灵敏度高、分辨率强、探测深度大、灵活多变适应性强以及轻便、快速、廉价诸多优点,近年来发展十分迅猛,应用前景十分广阔. 目前,瞬变电磁法已经成为地球物理探测领域内的重要方法之一. 已广泛应用于水利、交通、城建、环保、考古等部门. 成功地解决了大量实际问题。 近年来，计算机技术的进步使瞬变电磁法的二维与三维正演模拟计算方法得到了迅速的发展，目前常用的有有限元法、有限差分法和积分方程法等。瞬变电磁法的三维正演模拟受到科学工作者的重视，深入研究三维瞬变电磁法以提高其应用水平和解释精度，具有重要的理论和现实意义。 瞬变电磁法 1、概述 顺便电磁法（TEM）属于时间域电磁法，它是的原理是根据地壳中岩石或者矿体的导电性及介电性等电学性质的差异，以不接地的回线或者是连接地线通上脉冲电流为场源，地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。其基本工作方法是：于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流：断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减，有一个瞬变的过程。可以通过判断和分析二次的时空变化特征，来判断地下地质体的电性特征，找出其位置，产状和埋深等特征。具有可以同时的具有时间和空间的可分性、探测深度达、分辨率高、信息丰富等优点。近几十年来，我国科学技术快速进步，经济迅猛发展，各项基础建设稳步展开，对于各种矿产资源、能源、地下水资源等的需求快速增加。同时，各项建设中遇到了许多工程问题，如公路建设中的地下空洞、煤田开采中的陷落柱、隧道开挖中的突水问题等等。这些因素在一定程度上制约着我国经济的发展，而顺便电磁法的出现，利用其测量方面的优势，已经发展成为探测油气、金属和非金属矿产的一种重要方法，并且在深部地质构造研究，工程勘察、油气、矿产、水、地热勘探等领域得到了广泛的应用。可以很好地保证资源供给，减少经济损失，加快建设进度。 2、研究现状 2.1、研究历史 对勘测工程工作的种种困难，把瞬变电磁法应用到地质勘探中的想法在上世纪30年代就有人提出来。最初的时域电磁法是利用到了L.W.Blan在1993年获得专利，用电磁脉冲激发提供电偶极形成电场。随后在前苏联有人提出了瞬变电磁测深法。在50年代，前苏联、加拿大、美国等国已经开始就瞬变电磁法的理论与应用技术进行了深入的研究，同时期由J.R.Wait 提出了使用瞬变电磁场法寻找导电矿体的理念。前苏联也基本已经建立了瞬变电磁法与野外施工的技术方法，更在70、80年代开展了大量的测量工作，特别是在二维和三维测量的方面就有了很大的进步，这使的瞬变电磁法在地质勘探上运用有了很大的发展。随着计算机的发展，西方各国在瞬变电磁法的二三维正演模拟方面也取得很大的成就。 我国于20世纪70年代研究TEM法。长春地质学院地矿部物化探研究所、中南工业大学、西安地质学院、中国有色金属工业总公司及中国地质大学等单位都在方法理论仪器及野外试验方面进行了一定的工作，先后研发出瞬变电磁系统，取得了很大的研就成果。至今TEM法一直处于蓬勃发展和广泛应用阶段。总的来看，目前国内已比较完整地建立了TEM 法的一维反演及方法技术理论，并自行研制了一些功率较小的仪器。 2.2、仪器的发展现状 近十几年来，伴随着计算机技术的快速的发展，瞬变电磁仪经过五次改进更型。性能稳定、实用可靠的商品化瞬变电磁仪器始于70年代初期，最先推出商品仪器的为加拿大CRONE地球物理公司，目前国内外商品化仪器大约有十几种。 2.2.1国外瞬变电磁仪 加拿大CRONE地球物理公司的DigitalPEM系统，匹配2.4 kW和4.8 kW二种发射机，发射机的发射电流下降沿固定模式有200Ls、300Ls、500Ls、1000Ls、1500Ls五种，发射线圈为任何状态、任何大地耦合条件下，发射机都可自动调整发射电流下降沿时间保持不变，接收传感器为棒状探头，探头脚架为可调式支架，能方便地调节探头地状态以满足测量三分量的要求，工作装置主要为中心回线、定源大回线和偶极~偶极。配有地~井TEM系统，井中三分量探头为分体式，即垂直分量和水平分量为二个探头，野外工作时每一激发回线状态下，分别测量垂直分量和水平分量，这样相对降低了工作效率，但大大增加了安全性，由于 49 东北部、西南部山区铁路建设中经常会遇到岩堆，在过去的实践中，人们往往采取避绕的措施，然而随着高速铁路建设步伐的加快，受铁路线型要求及其他因素的影响不能任意修改线路，因此在岩堆地区开展铁路勘察设计不可避免。本文以田师府至桓仁铁路大前石岭隧道岩堆的瞬变电磁探测为例，讨论物探技术在岩堆探测方面的应用与可 行性。 1 地形地貌 田师府至桓仁铁路大前石岭隧道位于本溪市桓仁县境内，线路以隧道形式穿越大前石岭，全长2500m。大前石岭隧道进口位于辽宁省桓仁县大雅河流域大前石岭的半山坡上，地貌为中低山区。大雅河在群山之间蜿蜒流过，河宽30～50m，水流较急，河中布满漂石、巨块石。大雅河两侧山体海拔高度370～1340m，最大高差970m，山坡自然坡度13°～35°。在山坡坡面上，2/3面积长满低矮灌木及乔木；1/3面积无土壤和植被，为裸露的块石、碎石堆，形成石海、石流坡地貌，统称岩堆。 2 岩堆的工程地质特征 岩堆体一般呈碎裂、松散状，节理、裂隙极其发育，自稳能力差。作为一种不良地质，在铁 路勘察设计中经常遇到。岩堆的主要特征即不均一性。表现在组成物质的块径大小的不均一，一般岩堆的块石含量在70%或以上，块石直径一般在0.5～3.0m，最大者达10余m，小者为角砾和粘土颗粒，由此说明岩堆组成物粒径悬殊大；孔隙大小的不均一，一般岩堆的中下部孔隙小，较密实，上部尤其是岩堆的后缘孔隙大，十分松散；由于岩堆组成物质的不均一和孔隙大小的不均一，致使地表水下渗和地下水渗流的不均一。 3 地球物理特征 不同的岩层具有不同的电阻率，瞬变电磁法勘探就是通过测定地下不同地点不同深度的电阻率的差异来达到寻找目标地质体的目的。利用瞬变电磁法勘探解决地质问题的前提条件是目标地质体和围岩存在电性差异。岩堆的主要特征即不均一性，表现在组成物质的块径大小的不均一，块石直径一般在0.5～3.0m，最大者达10余m，小者为角砾和粘土颗粒，由此说明岩堆组成物粒径悬殊大；孔隙大小的不均一，一般岩堆的中下部孔隙小，较密实，上部尤其是岩堆的后缘孔隙大，十分松散。地下一定 范围内，孔隙的填充物不同，直接影响其电性分布状况。如果无地下水的情况，孔隙被空气充填，表现为较高的电阻率；由于地下水的充填及地表水沿 瞬变电磁法在岩堆勘察中的应用 王文喜1 姚文清2 （1.沈阳铁道勘察设计院有限公司，辽宁 沈阳 110013；2.辽宁省物测勘查院，辽宁 沈阳 110121） 摘要： 文章以田师府至桓仁铁路大前石岭隧道岩堆的瞬变电磁探测为例，讨论物探技术在岩堆探测方面的应用与可行性，基本上查明了岩堆的范围及厚度，有利地指导了钻探及挖探工作的布置。关键词： 瞬变电磁法；岩堆；勘察；物探技术；视电阻率中图分类号： P631 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）28-0049-032012年第28期（总第235期）NO.28.2012 （CumulativetyNO.235） 第22卷 第4期 地 球 物 理 学 进 展V ol .22 N o .42007年8月(页码:1195～1200) P ROG RESS IN G EOP H YSICS A ug . 2007 瞬变电磁法理论与应用研究进展 薛国强1, 李 貅2, 底青云1 (1.中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029;2.长安大学地质工程与测绘工程学院,西安710054) 摘 要 对国内外瞬变电磁法的方法研究概况、理论研究、仪器状况以及在应用领域的研究进展情况做出了综述性评价.瞬变电磁法的理论研究主要涉及正演方法、反演方法、资料处理方法.瞬变电磁法的应用领域包括地面、海洋、航空以及地下等不同工作场地.同时指出瞬变电磁法的发展趋势为研究三维正反演、多分量观测、成像技术、微信号分析等,以及注重发展海洋、井下、航空瞬变电磁法等.关键词 瞬变电磁法,理论与应用,研究进展 中图分类号 P631 文献标识码 A 文章编号 1004-2903(2007)04-1195-06 The progress of TEM in theory and application XUE Guo -Qiang 1 , LI Xiu 2 , DI Qing -Yun 1 (1.I nstitute o f Geo log y and Geoph ysics ,Chinese A cademy o f Sciences ,Beijing 100029,Ch ina ;2.S chool o f Geo log y and S ur vey En gineer ing ,Chang ,an Un iver sity ,X i ,an 710054,China ) A bstract We give the to tal condition of T EM study include techno lo gy ,theo ry ,instrument and application ,the the -o ry study mainly include fo rw ard calculation metho d ,inver se problem and da ta pro ce ssing scheme .T he applicatio n o f it include ea rth sur face ,sea and aerial survey ,subsurface explora tion .We also give advance prog ress the o f T EM ,include study ing 3D fo rwa rd and inv erse calcula tion ,multi -co mpo nent survey techno lo gy ,imaging study ,and w eak signal a nalyses ,as well as ,sea ,tunnel ,aerial T EM develo ping . Keywords tr ansient elect romag netic me tho d ,theo ry and applicatio n ,study pro g ress 收稿日期 2007-04-10; 修回日期 2007-06-20. 基金项目 中国博士后基金(2005038388),中国科学院王宽诚博士后奖励基金,中国科学院知识创新项目((KZCZ -yw -113).)国家自然科 学基金重点项目(50539080)联合资助. 作者简介 薛国强,男,1966年生,1989年于西安地质学院获学士学位,2002年于长安大学获硕士学位,于2005年于西安交通大学获博士 学位.研究方向为电磁探测理论与应用.(E -mail :ppxueguoqiang @https://www.wendangku.net/doc/141122682.html, ) 0 引 言 瞬变电磁法(TEM )是一种时间域的电磁探测方法.介质在一次电流脉冲场激励下会产生涡流,在脉冲间断期间涡流不会立即消失,在其周围空间形成随时间衰减的二次磁场.二次磁场随时间衰减的规律主要取决于异常体的导电性、体积规模和埋深,以及发射电流的形态和频率[1～6].因此,我们可以通过接收线圈测量的二次场空间分布形态,了解异常体的空间分布[1～6]. 瞬变电磁法在上世纪30年代最早由前苏联科学家提出,当时采用的是远区工作模式.但是,利用电流脉冲激发供电偶极形成时域电磁场的是1933年由美国科学家L .W .Blau 最先提出,当时利用不 同电导率地层界面电磁波的反射与地震反射波信号的相似性,进行了大量的实验和比较.到了上世纪 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.上世纪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.美国等西方国家在上世纪70～80年代之间,短偏移法一直处于研究和试验阶段,未被广泛运用,而长偏移法已得到了应用,特别是在地热调查和地壳结构的调查中.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[7].我国于70年代初开始研究TEM ,长 瞬变电磁法探测原理 瞬变电磁法，即Transient Electromagnetic Method(简称TEM)，是利用不接地回线 或接地线源向地下发送一次脉冲场，以激励地层介质感生电磁场，在一次脉冲场间歇期间 利用同一回线或电偶极接收感应电磁场。其物理基础是电磁感应原理，据此理论在电导率 和磁导率均匀的大地上，铺设输入阶跃电流的回线，当发送回线中电流突然断开时，在下 半空间就要被激励起感应涡流场以维持在断开电流前存在的磁场，此瞬间的电流集中在回 线附近的地表，并按指数规律衰减。 在发送一次脉冲磁场的间歇期间，观测由地下地质体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应电磁场(或称响应场)。地层介质被激励所感应的二次涡流场强弱决定于地层 介质所耦合的一次脉冲磁场磁力线的多少，二次场的大小与地下介质的电性有关：低阻地 质体感应二次场衰减较慢，二次场电压较大；高阻地质体感应二次场衰减较快，二次场电 压较小。根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断地下地质体的电性、性质、规模和产状等，由于瞬变电磁仪接收的信号是二次涡流场的电动势(纯异常响应)，对二次电位进行归 一化处理后。根据归一化二次电位值的变化特征，可间接地探测各种地质构造问题。因此，瞬变电磁作为一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法，是根据地质构造本身存在 的物性差异来间接判断有关地质现象的一种有效的地质勘探手段。 瞬变电磁场在大地中主要以“烟圈“扩散形式传播，在这一过程中，电磁能量直接在 导电介质中传播而消耗，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，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。从烟圈效应的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反应浅部电性分布，晚期瞬变电磁场是由深部的感应电磁场产生的，反应深部的电性分布。因此，观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电位的垂向变化。 矿井瞬变电磁法原理与地面电磁法原理基本相同，所不同的是矿井瞬变电磁法是在井下巷道内进行瞬变电磁场呈全空间分布,接收线圈接收的信号是来自发射线圈上下两个方向全空间岩石电性的综合反映。 瞬变电磁原理、仪器及应用 林君嵇艳鞠于生宝王艳 吉林大学仪器科学与电气工程学院 二零零七年五月二十五日 第1章绪论 (1) 1.1 瞬变电磁法发展概况 (1) 1.2 瞬变电磁探测方法的特点及应用领域 (2) 第2章瞬变电磁法探测原理 (4) 第3章ATEM-II瞬变电磁探测系统 (7) 3.1 ATEM-II瞬变电磁发射机 (7) 3.2 ATEM-II瞬变电磁接收机 (10) 第4章瞬变电磁响应分析 (17) 4.1各向同性水平层状大地上回线源的瞬变电磁响应 (17) 4.2均匀大地表面上大回线源在地表形成的瞬变电磁场 (17) 4.3中心回线下的隐伏球体的响应特征 (18) 4.4中心回线下的隐伏无限延伸的水平圆柱体的响应特征 (20) 4.5导电围岩中的局部导体瞬变电磁响应 (20) 第5章瞬变电磁野外工作方法 (22) 5.1 回线组合选择 (22) 5.2 发射电流的选择 (24) 5.3 发射脉冲宽度的选择 (26) 5.4 关断时间的影响 (26) 5.5 发射边长的选择 (28) 5.5 接收最早取样时间的选择 (29) 5.7 接收线圈的频率选择 (30) 第6章瞬变电磁探测的数据处理与成图 (31) 6.1数据质量判别 (31) 6.2 数据处理 (33) 6.2.1 平滑滤波 (33) 6.2.2 近似对数等间隔取样 (34) 6.3 基于“烟圈”理论的一维快速反演 (37) 6.4 数据成图 (40) 第7章 ATEM系统野外应用 (42) 7.1 长春秦家屯模型验证研究 (42) 7.2 长春伊通河活断层勘察研究 (44) 7.3 内蒙正镶白旗水源勘察 (45) 7.4 安徽铜陵矿山接替资源勘探 (49) 7.5 浙江舟山连岛工程探测 (52) 瞬变电磁法在地球物理勘探中的应用摘要：本文针对目前瞬变电磁法勘探中存在的问题进行了探讨，分析了地球物理勘探本身都存在多解性，再加上勘探区的各种人文设施干扰，地形高差较大，导致异常出现多解性，所圈定的采空积水区的位置及边界范围等可能存在一定偏差，这就需要对瞬变电磁法的理论和资料处理进行更深入的研究和探索，从而更好地为矿井水文地质勘探工作服务。 关键词：水文地质灾害；测网布置；地球物理测试 abstract: aiming at the transient electromagnetic method in the exploration into the several problems, analyzes the exploration geophysical itself has multi-solutions, plus the exploration of human facilities interference, terrain difference is bigger, lead to abnormal appear multiple solution, and tagged goaf water of the location and boundary scope may exist certain deviation, that required the transient electromagnetic method of theory and data processing further study and exploration, so as to better for hydrological geology exploration work service mine. keywords: hydrogeology disasters; the nets decorate; the earth’s physical test 中图分类号：f407.1文献标识码：a 文章编号： 直流电法、高密度电法和瞬变电磁法比较 矿井直流电法勘探涵盖了巷道顶底板电测深法和矿井高密度电阻率法这两种方法，两者属于频率域，而矿井瞬变电磁法则为时间域的方法。 1直流电法技术的基本原理 直流电法勘探是测定岩石电阻率的传统方法。它通过一对接地电极把电流供入中，而通过另一对接地电极观测用于计算岩石电阻率所必需的电位或电位差信息（见图1）。 图1 电法勘探工作原理示意图 一个点电源O 在均匀介质中的电场形态为球形(见图2) ，每个球壳为一个等电位面，不同等电位面上A、B 两点会产生电位差，电位差的大小与其通过的介质的导电性(电阻率)有关。 此时通过直流电法仪测得A、B 两点的电位差，即可计算出介质的视电阻率。 A B C C' B' O A' j电流线 等电位面 图2点电源在均匀介质中的电场形态 矿井直流电法勘探在井下巷道安放物理场源和接收装置，因测点位置靠近勘探对象，缩短了目标体的探测距离，许多在地表无法探测到的较小规模地电异常体，在井下可获得较强异常响应，为提高电法勘探应用能力创造了有利条件。 巷道顶底板直流电测深法装置形式 固定MN 法（施伦贝尔装置） 工作布置方式为A---M-O-N---B ，即以 O 点为中心，两边对称布置A 、M 、N 、B 四个电极四个电极按比例由近及远同步移动。 三极装置（常用于井下迎头超前探测） 工作布置方式为A---M — O —N----B （*）。即以 O 点为中心，两边对称布置M 、N 两个电极，A 、M 、N 三极由近及远逐步移动，B 极位于无穷远处。 图2 三极测深法示意图 上述两种装置中A 、B 、均为供电电极，用于向岩层供电；M 、N 均为测量电极，用于探测地电场电压，根据测出的电流、电压值结合装置系数就可以换算出地层视电阻率值。通过对不同深度地层的视电阻率值进行全方位探测和综合分析，就可以达到探测岩性或构造的目的。 矿井高密度电法 巷道顶底板电测深法由于受其观测方式的制约，不仅测点稀，工作效率低信息量小，而且更难从多种电极排列去研究地电断面的特征、结构与分布。因此，所提供的关于地电断面的地质信息贫乏，资料解释存在相当困难。为了克服上述困难与不足，更好的发挥物探在工程勘察中的优势，便发展出了高密度电阻率这项新的勘探技术。 其在原理上属于电法勘探中电阻率法的畴，它是以岩土体的电性差异为基础，以研究在施加电场的作用下，地下传导电流的变化分布规律，它是在常规电法勘探基础上发展起来的一种新的勘探方法。高密度电法集中了常规剖面法和电测深法两者的特点，不仅可以观测地下一定深度围横向电性变化情况，同时还可以观测垂向电性的变化特征，总体而言具有以下 矿井瞬变电磁探测技术与应用 岳建华，姜志海 （中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州２２１００８） ［摘要］扼要介绍了矿井瞬变电磁法的发展背景、技术特点、井下施工的装置形式，论述了矿井瞬变电磁法相关理论基础，指出了矿井瞬变电磁法的特点，结合实践说明矿井 瞬变电磁法是一种有着良好应用前景的探测技术。 ［关键词］矿井瞬变电磁法；磁偶源；全空间 ［中图分类号］Ｐ６３１．３＋２５［文献标识码］Ａ［文章编号］１６７２!９９４３（２００６）０５!００７２!０４ ０引言 地质勘查是煤矿水害和煤与瓦斯突出灾害防治工作的第一步。只有准确查明诱发灾害事故的地质因素，掌握和控制地质构造并探明水、瓦斯富集区和地应力集中区的情况，才有可能超前采取措施进行治理，从而避免或减少煤矿灾害事故的发生。目前，我国上百个煤矿开展过矿井直流电法勘探工作，取得了良好的应用效果，但当遇到巷道掘进头超前探测，破碎顶板电极接地困难，巷道极短造成的直流电法难以组织有效施工等问题时，矿井直流电法勘探有其局限性。为此，中国矿业大学资源学院地球探测与信息技术系将瞬变电磁法引入井下［１］，在东部矿区十多对矿井开展了矿井瞬变电磁法的试验、应用工作，中国科学院地质与地球物理研究所白登海［２］等也进行了此类研究。 １瞬变电磁理论发展现状 目前矿井瞬变电磁法应用借鉴的均是地面瞬变电磁法的基本理论，尚未形成自己的理论体系。对于地面瞬变电磁法，西方研究比较完善［３］。在一维层状方面，Ｗａｉｔ给出了均匀层状大地研究理论，Ｈ．Ｆ．Ｍｏｒｒｉｓｉｏｎ提出了层状半空间瞬变电磁场定量解释方法，１９８１年，Ｒａｉｃｈ和Ｓｐｉｅｓ给出了适合于延时、电导率和层深改变的二层均匀大地的理论曲线；１９７９年，Ｍ．Ｎ．Ｎａｂｉｇｈｉａｎ提出了用作解释与反演的“烟圈”理论，１９８２年Ｒｉｇｈｔ提出用Ｇａｖｅｒ－ｓｔｅｈｆｅｓｔ算法进行反演，比用傅里叶变换进行反演更为有效，更为稳定，１９８５年Ｒａｉｃｈｅ提出用共框ＴＥＭ测深数据和对称四极电阻率测深数据进行联合反演。在二维方面，１９８０年Ｋｕｏ和Ｃｈｏ首次用有限元法解时域中的变分方程，求任意二维地电断面的瞬变响应并用中心差分来代替热传导方程中对时间的导数。１９８３年Ｇｏｌｄｍａｎ等引进积分－差分的混合算法，计算了垂直磁偶极子激发下轴对称模型的ＴＥＭ响应。Ｏｒｉｓｔａｇｌｉｏ等在１９８４年用有限差分法计算了二维地电断面，Ｊ．Ｉ．Ａｄｈｉｄｇａａ，在１９８５年用有限差分法计算导电半空间二维体的瞬变响应，并研究了导电围岩和导电覆盖层对ＴＥＭ的影响。Ｇｏｌｄｍａｎ等在１９８４年提出用有限元法解二维地电断面问题，并在１９８６年用有限元法研究了无限长线源激发下，任意二维地电断面的ＴＥＭ响应。在三维方面，Ｈｊｅｌｔ给出了瞬变偶极场中两层球体的似稳态瞬变电磁场解，Ｌｅｅ计算了层状大地中导电球体的ＴＥＭ响应，在１９８１年采用解积分方程的众数匹配法求解，进一步阐明了导电围岩中球体的异常与自由空间中异常的差别。ＳａｎＦｉｌｉｐｏ（１９８５）计算了矩形回线中阶跃电流激发下棱柱体的瞬变电场的数值解。Ｇｕｎｄｅｒｓｏｎ等人在１９８６年研究了三维层状大地的ＴＥＭ响应，同年Ｎｅｗｍａｎ和Ｈｏｈｍａｎ研究了层状大地中三维体的ＴＥＭ响应规律［３］。 对于瞬变电磁法正反演来说，国内的有关研究与报道较少。盛圣圣与牛之琏推导了激励电流为阶跃波的中心回线及重叠回线装置情况下，层状大地的瞬变电磁感应电压的余弦积分表达式，并引入一种线性数字滤波方法来评价这种震荡类型的积分，同时利用所建立的程序库，计算了一维层状大地模型上的瞬变电磁正演响应［４］。丁世荣， 电子与计算机技术 基金项目：高等学校博士学科专项科研基金资助课题（２００５０２９０５０１）瞬变电磁原理、仪器及应用讲述
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