瞬变电磁实例06.ppt

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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当时

2、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50m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1991—1994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150m,分辨率5%～10%,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,以适应我国大部分矿区的施工环境

3、。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(TransientElectromagneticMethod,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。该过渡过程又产生一个衰减的二磁

4、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分辨率也不能确定

5、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,因此可用球体或圆柱体作为

6、洞体的模型。设有一球体位于同点装置正下方,电导率为σ,半径为a,球心埋深为h(h>a),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=dB/dt=V(t)/SN,单位nV/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=τ/2,利用(3)式便可估算出洞体σa2值,当σ已知时可估计出洞体的大小。对于球体不在同点装置正下方等更为复杂的情况,其瞬变响应

7、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5.8×107S/m,铝2.73×107S/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σ

8、→0,电阻率→∞,在实际探测中表现为有