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1、六、瞬变电磁法探测地下洞体的有效 性,1 引言 地下洞体是比较特殊的地质现象 ,一般分为两种类型 : 一类是由人类活动造成 ,如地道、隧道、老窑等 ; 另一类是天然形成的 ,如岩溶、暗河、陷落柱等。 地下洞体分布多呈孤立状 ,赋存规律性不强 ,体积较小难以探测 ,是可能造成较大地质灾害的隐患。,以老窑为例 ,由老窑造成的突水、瓦斯突出、冒顶等事故严重地威胁着煤矿的安全生产并且往往造成巨大的损失。 老窑向地面冒落形成的地面塌陷严重地影响了当地居民的生产、生活与经济建设。 因此探测这类地质体就成了地质勘探中的一个重要课题。,我国从50年代即开展了老窑探测方面的研究 ,但由于老窑的物性异常显示较弱及
2、当时的技术发展水平 ,基本没有取得进展。 进入 70、80年代后 ,随着国民经济建设和煤炭工业的发展 ,老窑探测成为亟待解决的难点问题。 已有的物探手段如地质雷达、瑞利波可探测到深度在 50 m以内的洞体 ,再如孔中孔间地震、电磁波、重力、声波测量等可在钻孔周围一定范围内探测到地下洞体。,对于较大深度、较大范围、更为经济方便的洞体探测 ,西安分院原煤炭部 1 991 1 994年度课题“高分辨自动地电阻率系统的研究”成果1 所达到的最大探测深度为 1 50 m,分辨率 5% 1 0 %, 其解释成果图件可直观准确地再现地下洞体的形象 ,并具有地形校正、静态效应识别及压制功能 ,以适应我国大部分
3、矿区的施工环境。,但是高分辨自动地电阻率方法在接地困难、施工场地狭小不能形成测线的情况下不能有效地开展工作。 瞬变电磁法为探测这类地质体提供了一种新的方法和手段 ,而且适应各种不同的地面施工条件。 瞬变电磁法 (Transient Electromagnetic Method,简写作 TEM)属时间域电磁感应方法。,其探测原理 (以重迭回线装置为例 )是在发送回线上供一个电流脉冲方波 ,一般利用方波后沿下降的瞬间产生一个向地下传播的一次磁场。 在一次场的激励下地质体将产生涡流 ,其大小取决于地质体的导电程度。 在一次场消失后 ,该涡流不能立即消失 ,它将有一个过渡 (衰减 )过程。,该过渡过程
4、又产生一个衰减的二磁场向地表传播 ,由地面的接收回线接收二次磁场 ,该二次磁场的变化将反映地下地质体的电性分布情况。 如按不同的延迟时间测量二次感生电动势 V(t)就得到了二次场随时间衰减的特性曲线 ,用发送电流归一化后成为 V(t) / I特性曲线。,瞬变电磁法常用装置有多种 ,主要用于地质构造、水文地质及寻找隐伏金属矿等。探测地下洞体应选择合适的装置以获得较高的分辨能力。 按照发送与接收相对位置的不同瞬变电磁法的装置可分为同点装置与非同点装置。,非同点装置都存在记录点问题 ,即异常所对应的地质体的实际位置。 这是一个十分复杂的问题 ,目前还没有统一的看法与结论。不解决记录点问题即使有很高的
5、分辨率也不能确定地下洞体的确切位置。 在有源频率域电磁感应法中记录点问题是不可避免的。,而在时间域瞬变电磁法中由于观测的是一次场断开后的二次场 ,故可实现频率域中无法实现的同点装置 ,它与地质探测对象有最佳耦合 ,回线的中心点就是记录点 ,同点装置是时间域方法本质上的优点 ,这也是我们在时间域寻求探测地下洞体的原因。 除了采用同点装置外 ,探测地下洞体还应使用尽可能小的发送回线、尽可能大的发送电流、高灵敏度的探头及高灵敏度抗干扰能力强的接收机。,2 地下洞体的响应特征与全期视电阻率 2 . 1 同点装置地下洞体的瞬变电磁响应特征 地下各种洞体可近似看成是球体和圆柱体或它们的组合 ,因此可用球体
6、或圆柱体作为洞体的模型。 设有一球体位于同点装置正下方 ,电导率为,半径为 a,球心埋深为 h(ha) ,在重迭回线下其感生电动势2 为 :,R、r分别为发送回线、接收回线的半径。当使用边长分别为 L 与 l的回线时 , 图 1是球体上方 B图 1 球体上方的时间特性曲线 Z/ I(B=d B/ dt=V(t) / SN,单位 n V/ Am2 ,S为接收回线面积 ,N为接收回线匝数，随时间的变化曲线 ,早期曲线按指数规律衰减 ,晚期曲线近似按线性规律衰减。,由此可估计出进入晚期的起始时间 t=/ 2 ,利用 (3 )式便可估算出洞体a2 值 ,当已知时可估计出洞体的大小。 对于球体不在同点装
7、置正下方等更为复杂的情况 ,其瞬变响应可由模型实验3得出。 实验所用的取样道、延迟时间及测线平面图见表 1及图 2 ,模型材使用金属 (导电率 :紫铜 5. 8 1 0 7S/ m,铝 2 . 731 0 7S/ m) ,测点位置和深度 z用回线直径 L 做了归一化处理。,由图 3模型的响应曲线可见 ,均匀半空间 中的球体异常响应应为穹形异常 ,极大值位于球心上方 ,球体埋藏变深 ,异常幅值变缓、异常范围扩大 ; 随着球体埋深变浅异常幅度变陡有成双峰的趋势。 圆柱体响应与球体近似 ,根据异常形态来区分它们是不太可能的。 当有导电覆盖层存在时各种模型的异常幅度减弱 ,这与预期的结果是一致的。,地
8、下洞体的电性由其中的充填物而定 ,可分为低阻体与高阻体。当洞体充气时 0 ,电阻率 , 在实际探测中表现为有限的高阻体 ,故作为高阻模型分析。 上述模型实验是模型相对于围岩为低阻时的结果 ,当球体或圆柱体相对围岩为高阻时应有相反的结果。,即高阻体会使 V(t) / I衰减特性曲线呈现 低值 ;低阻体会使 V(t) / I曲线呈现高值 ,这是由于低阻体中会产生更强的涡流。 将 V(t) / I曲线转换成视电阻率曲线后则高阻体就会表现为高阻异常而低阻体就会表现为低阻异常。,我们在将瞬变电磁法应用于地下洞体的探测时所依据的地球物理前提仍是洞体与围岩的电阻率差异 ,据此把洞体从地质背景中区分出来。 因
9、此实测V(t) / I瞬变衰减曲线还应将其转换成视电阻率曲线。 由早期或晚期定义计算的视电阻率当不满足极限条件时与真实电阻率有较大差异 ,在地下洞体的探测中我们采用全期视电阻率定义 4, 5。,2. 2 瞬变电磁法的全期视电阻率转换 设中心回线装置发送回线的边长为 L,接收回线的边长为 l,感生电动势为,由上述算法得出的 x值 ,当 x 1 0时计算误差小于 1 ,这对于野外的大多数情况是足够的。 实验模型结果对于地下洞体实际勘查的指导意义主要体现在对等视电阻率曲线形态分析上 ,由视电阻率等值线形态结合工区地质背景材料确定地下洞体的赋存情况。,3 瞬变电磁法在北京门头沟老窑勘查中的应用 煤科总
10、院西安分院已多次将瞬变电磁法应用于地下洞体的实际勘查。 其中 1 993、1 997年两次在国家计委减灾防灾项目“北京市门头沟区老窑电磁法勘查”中应用 ,并经打钻验证了所圈老窑异常 ,故以此为例说明此方法的应用效果。,门头沟 1 993年测区面积约 1 . 8km2 ,1 997年测区面积约 2 . 6 km2 。 地质任务是探明地表至地下 1 50m深度范围内的老窑赋存位置。 两测区都位于门头沟门城地区 (主要地质地球物理特征见参考文献6) ,距北京城区约 2 4km,是当地政治、文化、经济中心。 测区内街道纵横、地下管道及空中电网密布。地表的第四系洪冲积砂砾石碎屑沉积物及黄土已大部为水泥地
11、面、沥青路、回填土等覆盖 ,施工条件十分恶劣。,这两次施工都是高分辨自动地电阻率法与瞬变电磁法相配合。 由前者沿大街小巷布设测线形成主干骨架 ,由瞬变电磁法在前者无法施工的水泥地面、短小街道、居民及企事业单位院落内以大约 2 0 m 2 0 m的网度进行面积控制。 观测仪器使用西安物化探研究所 L C瞬变电磁场仪 ,为适应狭小的施工场地采用 5m 5m的小发送回线中心探头 (等效 50 m 50 m)装置 ,供电电流 1 0 0 A左右 ,获得了品质良好的实测曲线 (图 4),实测 V(t) / I数据按公式 (6 )和 (7)及 (8) (1 2 )式转换成视电阻率深度后 ,可绘制成剖面图或
12、某个深度的视电阻率等值线平面图。 门头沟测区的瞬变电磁法是面积测量 ,故以平面图为主进行分析解释。 由前述地下洞体的瞬变电磁相应特征可推断 ;当一组互相邻近的测点中有一个位于老窑正上方 ,则会形成以这点为中心、梯度较缓、近似为圆形的等值线封闭圈 ,这是典型的老窑异常反映。,当测点不规则、老窑形态与模型相差较大、落在老窑上测点数目、位置不同时 ,老窑的异常反映将会在典型异常的基础上加以变化。 按照这个规律再根据地层电性、水文地质等情况圈定出老窑异常。如图 5所示 , 两个视电阻率值为 50 m的封闭圈推断为老窑异常 ,而另外形态相近但电阻率值较低的封闭圈 ,据此处水文地质情况判断老窑不可能充水
13、,也不会填充其它低阻物质 ,故未能推断。而对于梯度较大的等值线部分应是其它地质原因所致。 两次施工对瞬变电磁法所圈定的老窑共打验证钻孔 1 0个 ,表 2是这两次验证的结果。 1 993年验证孔 7个 ,由西安分院钻探所完成 ,见空 6孔 ,见空率85%;1 997年验证孔 3个 ,由北京矿务局 1 1 8队完成 ,见空 2孔 ,见空率 6 7%。总体成功率 80 %。,4 结束语,瞬变电磁法在其它方法不便施工的地区能有效 地进行地下洞体的探测 ,它的同点装置从根本上解决了记录点问题 ,具有较大的探测深度 ,是一种很有发展前途的方法 ,在实际应用中收到了很好的效果。 但是瞬变电磁方法对洞体赋存
14、深度的确定上精度还有待提高 ,它的资料解释还是基于较简单的计算与模型实验结果,对于洞体异常的提取目前也只是利用了电阻率的差异 ,对于介电常数、磁导率等其它参数在判断洞体异常中的作用应加以研究 ;对于充气洞体与一般充填高阻物质的洞体有什么区别也应进一步探讨。 为解决这些问题应针对地下洞体进行大量的瞬变电磁场三维正演模拟计算。 在有限差分法、积分方程法、有限元法、边界元法、时域有限差分法等算法中 ,时域有限差分法 (FDTD)直接在时域中模拟电磁场的传播 ,能直接给出电磁场问题的时域信息 ,具有较广泛的适用性、较快的计算深度。 在这方面 ,西安交通大学在石油测井时域电磁响应数值计算 7中应用 FDTD法取得了很好的成果。 为此我们正在应用 FDTD法对地下洞体更为复杂的情况进行深入的研究 ,以使这一方法更加完善。,
