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1、第23卷第6期物 探 与 化 探Vol.23,No.61999年12月GEOPHYSICAL&GEOCHEMICALEXPLORATIONDec.,1999水域上进行瞬变电磁测深方法效果的探讨方 根 显(华东地质学院,临川 344000)摘 要 介绍瞬变电磁法在水域工程勘察中的应用。通过实例分析,说明这种方法在水域工程勘察中的有效性和实用性。关键词 瞬变电磁法;水域勘察;工程物探进行桥梁、码头、大坝等水上建筑的施工,首要任务就是基础地质勘察。由于工作是在水上进行,常规陆地地球工程物探的方法(如直流电法、陆上地震、重磁勘探等)受环境的限制,工作很难开展
2、。而瞬变电磁法(TEM)在工作中受环境限制很少,能在各种地形及环境中开展工作。该方法是利用不接地回线(大回线,磁偶源)或接地线源(电偶源,线源)向地下发送一次脉冲磁场(电场),在一次脉冲磁场(或电场)的间歇期间利用线圈(或接地电极)测量地下介质产生的感应电磁场(二次场)随时间的变化,从而探测地下不均匀体的位置,并估算其规模和导电性能的一种方法。工程勘探中,常采用重叠回线测量装置进行工作。本文通过在某一河道上进行瞬变电磁法探测来探讨该方法的应用效果。1 方法原理概述用瞬变电磁法进行测量一般是用回线框接受二次感应电磁场的电压U(t)或感应磁场B(t)。在
3、电导率为σ,磁导率为μ的均匀半空间大地上,发送回线框中电流产生的磁力线如图1所示。当发送的电流突然断开时,为了维持断开电流前存在的电磁场,大地介质中被激励起感应涡流,即感应涡流环。在断开电流的瞬间,被激励起的感应涡流集中在发送线框TX的附近地表,随后向下、向外扩散。扩散半径r,扩散深度h及扩散速度v分别为1/2r=2.09(t/μ0σ)1/2h=2.256(t/μ0σ)1/2v=1.128(1/μ0σt) 在切断电流后的任一晚期时间里,感应涡流呈多个层壳的“环带”形。M.N.Nabighian指出:大地介质被激励图1 矩形框阶跃电流产生的磁力线起的
4、感应涡流场在地表的电磁场值为地下各1999年2月2日收稿。·468·物 探 与 化 探23卷个“环带”涡流层的总效应,这种效应可以用一个简单的电流环等效。图2表示了发送电流切断以后3个时刻的地下等效电流环,为一系列向下及向外扩散的电流环,通常称为“烟圈”。由等效电流环计算二次场的感应电压(对重叠回线框而言),其测量值为5/2zμ0MQUz=3/23/25/220πρt2其中,M=IL,M为发送磁矩,L为回线框边长;Q=NSr,Q为接收偶极矩,N为线圈匝数,Sr为有效接收面积。根据实测U(t)值,依需要可换算出ρτ,Sτ,hτ,τs等参数值。换算公式为
5、μ02μ0MQ2/3ρτU晚=()4πt5tUz1/3(Uz)5/316πzSτ=1/34/3·z4/3(3MQ)μ0(Uz)3MQ1/4thτ=(z)-16πUzSμ0SUjτ(s)=(ti-tj)/ln()图2 半空间中的等效涡流环Ui2 地电模型异常规律分析为了了解和认识岩溶地区溶洞及裂隙的异常规律,针对河床下面可能出现的地质异常体,按照一定的地电条件在实验室内做了地电模型实验。选择盐水作围岩(ρs=6Ω·m),纯铜板图3 厚铜板模型等值断面作为目的体(ρs=0Ω·m),代表低阻溶洞或裂隙。铜板长10cm,宽5cm,厚2cm,距水面15cm。利
6、用SDO2瞬变电磁仪进行测量,重叠回线工作方式,线框边长10cm,叠加次数为200,中心发射频率25Hz,点距5cm。测量结果经转换得ρs2h断面图(图3)。从图中可以看出,中6期方根显:水域上进行瞬变电磁测深方法效果的探讨·469·心有一低阻等值闭合圈,上下分别为视电阻率的高梯度带,反映上下均为相对高阻体,与实际模型吻合很好。它反映出了在高阻围岩中存在低阻板状体这一地电情况。从实验情况可以看出,对此类地电介质而言,异常反应明显。3 工程实例分析某一国道经过的河上要架设一道桥梁,需要在河中设立桥墩。设计要求桥墩下的地质基础要坚固。已知该区第四系为5～
7、10m厚的粘性土和砂砾石层,覆盖在灰岩之上,灰岩中如有溶洞、裂隙,将直接影响到大桥的安全。这里河床宽广,水深流急,中心水深近8m。常规物探方法如直流电法、重磁、地震等工作不利开展。为此,选择了瞬变电磁测深法。针对工程勘探深度的要求,结合地质地球物理特征,选择重叠回线工作方式。线框边长20m,叠加次数为400,中心发射频率25Hz,点距10m,供电电流8～12A,利用SDO2瞬变电磁仪进行测量。施工时,在河上用竹木捆扎一个20m×20m的正方形,将发送电缆线及接收电线绑在竹木上放在水中,用尼龙绳在两岸牵引竹木框架,以确定测点位置。共测量了19个点。将野
8、外测量得到的资料U(t)/I(SDO2瞬变电磁仪存储的数据格式)传输到本地计算机上,利用前面的计算公式转换成
