瞬变电磁法在地球物理勘探中的应用研究_刘玮.pdf

2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月瞬变电磁法主要是借助接地线源或者不接地线源发射向地下空间的脉冲磁场，两次脉冲磁场之间可观察到二次电场，分析每个阶段所产生的二次场的发展规律，可以获得各个位置深度的地电特征。采用瞬变电磁法观察二次场时，具有极高的分辨率，且对于电阻异常的位置极为灵敏。随着瞬变电磁法技术的不断改进，其应用范围越来越广，特别是在金属矿产、油田、煤矿以及考古等领域中1，并且逐渐发展为地球物理勘探的主流技术之一。1瞬变电磁法的基本原理瞬变电磁法（T ra n s ie n tE le c tro m a g n e ticM e th o d s，T E M）充分地利用了电磁感应定律，工作时，通过安装在地面或井下的发射线圈所发出的具体波形的电流形成感应磁场，而电磁波的波形需要结合具体环境来设计。随着断电的进行，感应电流会产生热损耗，并且热损耗量会随着时间的推移不断衰减2。该过程主要分为三个阶段，也可称为前期、中期和后期。在前期阶段，高频率的电磁场会表现出较快的衰减速度，但趋肤深度较浅；而在后期则主要表现为低频电磁场衰减，衰减速率较慢，因此反映出趋肤深度较深。瞬变电磁法的工作原理如图1所示。应用瞬变电磁法能够有效提升地球勘探过程中的效率，但瞬变电磁法不能够完全代替传统的直流电勘探技术。此外，瞬变电磁法在工作时是根据二次磁场的衰减变化来得出地下不同位置的地电特点，因此，在应用时需要充分考虑地质结构的特点。T1，T2，T3.不同的反射时间。图 1 瞬变电磁法的工作原理示意图2瞬变电磁法的发展瞬变电磁法在工程探测领域的应用出现在2 0世纪4 0年代，美国科学家提出将接地线源或者不接地线源收稿日期：2022-08-31作者简介：刘玮，1980年生，男，山西太原人，工程师，主要从事煤矿安全监管方面的工作。瞬变电磁法在地球物理勘探中的应用研究刘玮（山西省煤炭地质水文勘查研究院有限公司，山西 太原0 3 0 0 0 6）摘要：近年来，瞬变电磁法发展极快，它在地球物理勘探方面受到了极大的青睐。瞬变电磁法相对于传统的直流电勘探法具有较大的优势，包括灵敏度高、探测深度较深以及抗干扰性强等，这也使得瞬变电磁法被广泛应用于煤矿、油田等领域。为了满足现代地球物理勘探的应用需求，应用瞬变电磁法时需要充分结合实际生产条件，尽可能地控制其分辨率和精度。从瞬变电磁法的基本原理出发，探讨了其发展及应用，同时分析了它在工程物探领域的应用实况，侧面证明了瞬变电磁法的科学性和可行性。关键词：瞬变电磁法；地球物理勘探；数据处理；地质结构中图分类号：P 6 3 1.3 2 5文献标志码：A文章编号：2 0 9 5-0 8 0 2-(2 0 2 3)0 3-0 2 1 9-0 3Application of Transient Electromagnetic Method in Geophysical ExplorationLIU Wei(Shanxi Coal Geological Prospecting Institute of Hydrology Co.,Ltd.,Taiyuan 030006,Shanxi,China)Abstract:In recent years,transient electromagnetic method(TEM)has developed very fast,which has received great favor ingeophysical exploration.Compared with the traditional DC electric exploration method,TEM has great advantages,including highsensitivity,deep detection and strong anti-interference,which makes TEM widely used in coal mine,oil field and other fields.Inorder to meet the application requirements of modern geophysical exploration,the resolution and precision of TEM should becontrolled as much as possible by combining the actual production conditions.Based on the basic principle of TEM,this paperdiscussed the development and application of TEM,and analyzed its application in the field of engineering geophysical exploration,which proves the science and feasibility of TEM.Key words:transient electromagnetic method;geophysical exploration;data processing;geological structure（总第2 1 0期）实践运用T3T2T1T1T2T3巷道面（Drift）发射源（Transmitter）2 1 9 DOI:10.16643/ki.14-1360/td.2023.03.0052 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月发射向地下空间的脉冲磁场所产生的二次场，采取远区勘探的工作模式。发展至1 9 5 0年以后，相关人员又提出了近区勘探的手段。一直到2 0世纪6 0年代，瞬变电磁法的理论才逐渐得到完善，也标志着瞬变电磁法真正进入了应用阶段。中国最早开始着手对瞬变电磁法进行研究是在2 0世纪7 0年代，国内多所科研院校及单位先后进行了T E M 相关理论及技术的研究，包括吉林大学、中南大学、长安大学、西安交通大学等。最初的工作模式是采用近区的中心回线法和重迭回线法，并且取得了可观的研究效果。进入2 1世纪以来，瞬变电磁法的理论及技术手段越来越成熟，得到了更为广泛的应用。2.1理论进展最早期对瞬变电磁法理论进行研究的是苏联科学家，到现在历经了近百年的发展，T E M 理论层面的研究已越来越成熟。同时，中国的科学家们也对T E M 的理论研究做出了不可或缺的贡献，比如方文藻著作的瞬变电磁测探法原理、朴化荣所著作的电磁探测法原理以及蒋邦远所著作的实用近区磁源瞬变电磁法勘探等，都对瞬变电磁法的理论研究起到了重要的推动作用。当前在瞬变电磁法理论层面的研究主要是有关它正反演计算方面的问题。就目前的研究进展可分为一维、二维、2.5维和三维。一维正演计算大多数通过频率域所得到地下空间的电磁响应公式，然后再换到时间域进行计算；二维正演计算主要通过有限差分法和有限元方法进行计算，然后换算到时间域进行计算；但是2.5维的正演计算中时间域的模拟计算目前仍未得到完全解决，科学家们曾经通过有限元的方法对时间域和电磁场进行了正演的模拟计算，这也为多维度反演计算提供了理论依据。目前所使用的3 D 正演计算的方法主要有三种，即有限元法、有限差分法以及积分方程法，但软件计算的问题还未得到很好的解决。截至目前，中国的3 D 正演计算软件还未达到理想状态。对反演问题来讲，目前主流的方法有浮动薄板解释法、烟囱理论解释法、成像类反演法以及人工神经网络反演等，各种方法都具有相对应的优势，同时也为瞬变电磁法的应用提供了坚实的理论基础。在未来的发展中，三维反演问题的研究将是瞬变电磁法理论研究领域的一大热点，要真正地实现生产应用，还需要科学家们进一步的努力。2.2数据处理解释进展对于解释说明瞬变电磁法的相关信息而言，主要还是基于T E M 图像所对应的时间及剖面曲线特性，再借助已经掌握的煤矿地质地球物理性质。一般而言，通过瞬变电磁法分析可将地质地球划分为以下两种，即背景场和异常场。当前，对瞬变电磁法所得的数据进行预处理时，主要包括滤波、弱信息增强、异常分离。瞬变电磁法的数据处理解释进展历经以下几个发展时间点：a)最初是由蒋邦远提出的三点、六点滤波函数拟合等方式进行解释；b)演变出干扰信号剔除、测点圆滑等方式进行数据解释；c)当前，美国的电法数据处理系统、澳大利亚的E M v is io n瞬变电磁法软件和中国中科院地质与地球物理所的T E M N T电阻率成像软件是比较具有代表性的、权威的瞬变电磁法数据处理解释系统。2.3研究展望随着应用领域的不断延伸，对于瞬变电磁法的应用要求也在不断提升。为了实现工程勘探方面的目标，对瞬变电磁法勘测系统也提出了高精度、高分辨、强信号、具有抗干扰能力及解释反演手段等要求，这也是需要建立在理论与技术水平不断优化的基础上。为此，对瞬变电磁法应用过程中的机电效应特征、3 D 反演、抗干扰技术及设备智能化等方面的研究也成为了后期发展的重点。3瞬变电磁法的应用3.1瞬变电磁法在煤矿掘进工作面方面的应用随着瞬变电磁法技术的不断完善，特别是近年来高精度瞬变电磁仪（见图2）的推广与使用，瞬变电磁法在煤矿工作面掘进应用方面得到了广泛的应用。比如探测地点为A 煤矿的某一巷道的掘进工作面，该巷道在锚杆支护的作用下顶板保持完整，但是在掘进过程中，往往存在着顶板积水以及挖掘角度的问题，而瞬变电磁法的应用就能够避免这些问题的出现3。使用瞬变电磁仪对煤矿工作面进行勘探，得到探测区1条测线的视电阻率剖面图，如图3所示。图中的数字代表视电阻率，数值越小，视电阻率越低，富水性相对也越强。具体而言，沿巷道掘进工作面前方5 0m 附近区域有一小的低阻异常出现。图 2 煤矿地质勘探使用的瞬变电磁仪对煤矿资源进行探测的传统方法一般是地震勘探法，但近年来随着瞬变电磁法的涉及范围越来越广，已经逐渐地将目标转向了煤矿工程物探。该方法除了操作简单之外，还能够有效克服传统方法较差的适应性，并且具有较高的精度4-5。众所周知，瞬变电磁法2 2 0 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月应用于煤矿工程物探时，主要目的是探测矿产中存在的天然煤炭资源6-7。大多数天然矿产资源探测起来较为棘手。在进行工程探测时，不仅要追求探测效率及准确性，更要注意保护煤矿周边区域环境不受破坏及影响。瞬变电磁法应用于煤矿工程勘测，就可以同时满足以上要求，且使用操作流程较为简便，工作人员容易上手，能很好地适应煤矿中的各种环境，应用探测范围较为广泛，各种区域环境都可以较好地满足，且探测起来效果好、效率高、准确性高。3.2瞬变电磁法在煤矿水文地质勘探中的应用在煤矿水文地质勘探过程中应用瞬变电磁法时，通常在地面设置回线，借助电流脉冲方波在降落过程中向地下再次进行磁场传播。同时，在磁场极力作用的影响下，地球地质体会产生各种各样导电类型的涡流，该涡流逐渐减小，由其电流性质进行反映推演。通常，根据不同延迟时间下对二次感生电动势的不同，绘制出磁场特性随时间变化的曲线8。一方面，当地下存在无良导体时，曲线呈现出快速衰减的明显特征；另一方面，当地下存在有良导体时，曲线呈现出渐变的明显特征，进一步探测到多种类型的地下导体。3.3瞬变电磁法的应用实例分析目前来说，瞬变电磁法的应用发展已经涵盖了传统及新兴的各个领域，包括采矿、油田、煤田、国防、交通等，并且都取得了不错的应用效果。因此，在这一章节中，主要借助几个应用实例来对瞬变电磁法的可行性及科学性进行阐述。3.3.1地层含水性2 0 0 7年，中国黑龙江省一煤矿使用瞬变电磁法对工作面采空区的富水性进行勘测，对瞬变电磁法探测到的数据资料进行分析，可以获得煤矿区域的地球物理特征和瞬变电磁视电阻率断面图，并据此推测可知，煤矿采空区2 1 0 2 6 0m 范围之间为工作面巷道的富水区。此外，该煤矿的水文资源与松花江的水利工程息息相关，受到松花江丰富的水源补给，使得整个煤矿可以保持不缺水的状态，充盈于煤矿的各个巷道，并渗透至巷道巷壁岩层中，久而久之，天然的地下储水水库得以形成。3.3.2断层探测2 0 0 7年，中国黑龙江省一农场地区使用瞬变电磁法对该地区的断层结构进行勘测。对瞬变电磁法探测所得到的数据资料进行分析，可以获得该农场区域的地球物理特征和瞬变电磁视电阻率断面图。据此推测可知，农场的沉积地质构造位于1 6 0m 左右，与农场基地的花岗岩距离较近，推断出它属于南北向断层，倾向西。3.3.3煤矿采空巷道勘查2 0 1 0年，中国黑龙江省一地区的一煤矿使用瞬变电磁法对煤矿的采空巷道进行勘查。对瞬变电磁法探测所得的数据资料进行分析，可以得出采空巷道的地球物理特征和瞬变电磁视电阻率断面图。据此推测可知，采空巷道大致位置为测点1 5 测点2 0之间，巷道局部电阻率值相对较低，推断可能含水。4结语中国发展历史悠久，疆域辽阔，地球地质结构多种多样，表现出差异性。因此，不同区域的矿产地质构造特征不同，资源不同，水文环境也不同。一般来说，探测煤矿地下及地表地质性质时，瞬变电磁法是一种效率高、准确度高的勘探技术手段。该方法主要有以下几点优势：操作便捷、数据处理快捷、勘测结果准确且灵敏度较高。这些优势使得瞬变电磁法被广泛应用于地球地质勘测过程中，比如，对煤矿地质地下溶洞、空洞、断层、褶皱、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进行勘测。与其他探测技术相比，采取瞬变电磁法进行勘测可以取得更好的勘测效果，且效率较高。综上所述，瞬变电磁法是一种较佳的地球物理勘探技术，应用范围广，发展前景较为广阔。参考文献：1 牟义，李文，黎灵，等.矿井瞬变电磁法在工作面顶板富水性探测中的应用 J.煤矿安全，2011，42(1)：104-107.2 蔡运胜，杨学明.时间域瞬变电磁系统的应用软件开发与利用 J.物探与化探，2011，35(1)：109-112.3 刘君，陈强.瞬变电磁法在探测陷落柱中的应用 J.科技情报开发与经济，2014，14(9)：301-302.4 李新均，王阳，唐沐恩.瞬变电磁法及其在工程地球物理勘探中的应用 J.工程地球物理学报，2014，11(3)：355-360.5 陈聪，张晓晴.瞬变电磁法在工程地球物理勘探中的应用 J.煤炭技术，2011，30(4)：144-145.6 曾向林.瞬变电磁法在工程地球物理勘探中的应用 J.西部探矿工程，2001(3)：42-45.7 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)：136-137.8 周喜军.瞬变电磁法在地球物理勘探中的应用 J.世界有色金属，2018(22)：188.（编辑：白洁）图 3 煤矿瞬变电磁法测线视电阻率剖面图刘 玮：瞬变电磁法在地球物理勘探中的应用研究100806040距离/m距离/m-120-80-400408012029 m29 m2 2 1