小框瞬变电磁法在山西公路勘查中的应用

冉 云

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

瞬变电磁法（Transient-electromagnetic method）又称时间域电磁法，简称TEM，属于电磁感应类探测方法。它利用向地下发射脉冲电磁波作为激发场源，关断一次场后，观测二次场随时间的衰减特性，并由此分析地下目标体的空间特征和电性特征。传统瞬变电磁法探测施工中，遵循极限探测理论，通常采用大回线装置，铺设的回线边长一般很大。但有时地形复杂，野外铺线施工难度大，部分煤矿采空区紧邻居民生活区，回线铺设及数据采集无法进行，实际应用受到限制。

在山西公路的勘查中，为了节约用地，线路设计中，大部分通过区域是山区，地形复杂，大框同点装置施工难度很大；大定源回线装置施工难度相对较小，但由于构造物（公路）呈线状，在数据采集范围局限于1/3中心区域前提下，施工效率相对低下。笔者在近几年的勘察实践中，应用小框技术进行施工解决此类问题，对近地表地层结构的勘探有了一定的认识。本文通过工程实例，讨论小框瞬变电磁法在山西公路勘查中的应用效果及存在的问题。

1 小框瞬变电磁法的探测深度讨论

传统瞬变电磁法勘探，遵循极限探测理论，对探测深度的认识大都采用国外学者的深度公式：

式中：I为发射电流；L为发射回线边长；ρ1为上覆电阻率；η=RmN为最小可分辨电平，Rm为最低限度的信噪比，N为噪声电平。

由式（1）可知，加大场源的磁矩M=IL2就可加大探测深度。在场源功率一定的条件下，如加大回线边长可以有效地增大磁矩，从而达到加大探测深度目地。我国目前使用的行业标准——地面瞬变电磁法技术规程，也用该深度公式来规范野外探测工作，并据此作为考核、评价探测工作的标准。按照这个理论，小框瞬变电磁法的探测深度对于一般的工程勘察要求也无法满足。

但在瞬变电磁法勘探实践中，回线边长与勘探深度的关系很多情况下并不符合式（1）。近年来，很多物探工作者对小框回线探测进行了理论和实践的探索。北京矿产地质研究院王庆乙认为深度公式是一个保证信噪比的公式，实际的瞬变电磁探测系统采用占空比为1∶1的双向周期脉冲电流激励，其频谱特征是以基频和一系列谐频组合的离散频谱，周期脉冲的基频决定了探测的最大深度。通过加大双向周期电源脉冲的脉宽，降低场源基频，则可以加大探测深度[1]。广东地勘局的陈易玖用直接展开法求极限探深公式 ，从理论上论述了极限探深一般都可达发射边长的数倍。如果半空间介质电阻率为已知时，要增大勘探深度，可以采用增加有效窗口时间t来达到目的[2]。煤炭科学研究总院西安分院陈明生利用小回线装置进行大深度探测实践，认为TEM的探测深度主要与观测时间有关，大发射回线的主要作用是适应接收机灵敏度和满足一定的信噪比[3]。经过物探工作者的不断探讨实践，逐步奠定了小框瞬变电磁法探测深度目标体的理论基础。

我们对小框瞬变电磁法进行了大量的勘察实践认为在一定深度范围内，影响小框瞬变勘察深度主要是观测时间，加大发射电流使得接收信号满足一定的信噪比，勘察深度能够达到边长的数倍，甚至十几倍。

2 小框瞬变电磁法与大发射回线的探测比较

大发射回线装置的施工中，假设场在发射线框中心的1/3区域中是均匀的，数据采集就限定在此区域范围内。对于面积性勘察，铺设大回线，在中心区域采集数据，施工还是比较便利的；对于公路类线状构造物勘察，大回线铺设一次，采集的测点数据较少，施工效率无法保证；而小框瞬变电，由于线框小，轻便，施工效率相对较高，且对于一些大回线无法铺设的地方，凸显其优势。

目前的瞬变电磁法回线装置的视电阻率公式是建立在零偏移距的基础之上，而大发射回线装置的勘察中，假设中心1/3区域为近似均匀场，对测点与发射中心的偏移进行转换，然后进行数据解释。转换过程中必然存在误差，这种误差在大的地质体或大构造勘察中可能影响不大，但在规模较小的目标体勘察中，比如小窑采空区勘察，岩溶勘察中，会造成解释偏离；而小框瞬变电由于发射与接收回线中心始终重合，避免了接收数据的偏差；另外，由于线框小，减弱了体积效应，相应提高了对异常的横向分辨率。

3 应用实例

3.1 山西朔州二级公路勘察

规划二级路经过某村办煤矿，开采时间为20世纪六七十年代。由于煤矿几经易手，具体开采情况无从查询。勘查区地层为二叠系、石炭系砂泥岩，上覆第四系黄土，区内地层富水性较差，煤层埋深约70～80 m。野外勘察施工采用瞬变电磁法5 m多匝线框施工，等效接收回线面积400 m2，发射电流200 A，时间窗口采用1～8 ms。测线的主线位剖面拟视电阻率断面图如图1，结合测区的水文地层水文资料推测认为K4+550—K4+750段属煤层开采引起的高阻异常区，埋深约70 m。为验证勘察效果，在K4+670处布设钻孔，埋深65 m处掉钻见采空。这说明小框瞬变电的勘察深度远大于回线边长，加大发射电流压制干扰，保证晚期信号的信噪比，能够加大勘察深度。

图1 朔州二级公路主线位拟视电阻率断面图

3.2 山西忻州采空区勘察

图2 忻州采空区勘察公路主线位拟视电阻率断面图

规划线路经过某乡镇煤矿开采区，开采时间为20世纪七十年代，属巷道式开采，开采资料缺失。勘查区域地层为山西组及石炭系太原组砂岩、泥岩，上覆第四系黄土。煤层埋深约80～90 m，地层富水性一般。经过试验，勘察选用瞬变电磁法5 m线框施工，等效接收回线面积400 m2，发射电流200 A，时间窗口采用1～8 ms。图2为主线位勘察剖面拟视电阻率断面图。在埋深约80 m处，存在不连续的高阻异常区域，结合地层水文资料分析，推测认为属煤矿开采引起。而后在K38+380处布钻，埋深约77 m见冒落带。勘察实践说明，在保证信号信噪比的前提下，小框瞬变电探测深度可达回线边长的十数倍。目前国内的小框装置仪器，发射电流都比较大，能够达到压制干扰提高信噪比的效果。

4 应用中的一些问题

小框瞬变电勘察在施工及分辨率方面有其应用优势，但在使用中存在数据不稳定等问题。

a）我们在实际应用中，发现小线框装置野外施工中，由于发射电流一般较大，近地表磁场较强，浅表低阻体感应场也相应较强，深部数据易受干扰，浅部低阻屏蔽严重，有时几根铁丝就会使数据出现低阻异常。这给野外数据采集带来更高的要求，采集者需要了解测区的地层岩性及水文资料，查看施工周围环境的影响因素，以便及时判断测点数据的正常与否。

b）数据解释中，由于线框小，体积效应弱，受局部目标体影响明显，因此感应电压数据跳跃较大，相邻测点数据过渡不均滑。相应地，电压曲线不圆滑，反演拟视电阻率断面图显得有点凌乱。这与一般的瞬变电磁法勘察解释图件不大一样，需要一定的小框瞬变电勘察解释经验，因此给物探解释也带来一定难度。

c）由于发射线圈存在暂态过程，电流关断不是理想阶跃函数，而是斜坡阶跃函数或呈指数规律下降，因此，关断时间一般为 50～300 μs，早期信号被淹没于一次场尾期。尤其是大电流发射，影响更明显，造成浅层信息畸变，盲区加大，如本文实例中时间窗口起始点采用1 ms。

另外，对于小线框有效探测深度与边长及发射电流的关系，能否达到几百米甚至上千米，我们未能进行有效试验，尚需进一步实验探讨。

5 结论

通过小框瞬变电勘察实际效果分析，我们认为：

a）小线框瞬变电探测深度远不止回线边长长度，在保证中晚期信号信噪比的前提下，能够达到边长的十多倍，对于低阻目标体，探测深度可能会更大一些。

b）小线框瞬变电探测受体积效应影响较小，对异常的分辨率较高。

c）小线框瞬变电探测受地层浅表低阻体干扰较大，尤其是地表低阻体，数据采集和处理解释中需要仔细对待。

d）小框瞬变电为了压制干扰，增大勘察深度，一般采用大电流发射，客观上加大发射关断时间，使得浅层信息畸变，盲区加大。