浅析工程物探中的瞬变电磁法和高密度电法★

鄂 飞 张向东 刘 洋

(辽宁工程技术大学土木工程学院,辽宁 阜新 123000)

1 概述

工程物探是工程地球物理勘探的简称，其定义是基于地下岩土层的物理性质差异，通过仪器观测物理场的变化，以确定地下地质体的空间分布范围(大小，形状和深度等)。在资源探测和异常体勘查中，工程物探发挥着非常重要的作用。本文重点阐述了高密度电法和瞬变电磁法两种物探方法的特点、异同及工程应用。

2 高密度电阻率法

高密度电阻率法(Multi-electrode Resistivity Method)又称高密度电法，是一种采用高密度布点进行二维地电断面测量阵列勘探方法。在野外测量过程中，所有的电极(几十到数百个)都需要放置在观测断面的每个测点上，再通过电极转换装置和微机工程机电测量仪实现快速、自动的数据采集，然后将采集到的数据进行处理，并根据电阻率的差异，给出地质剖面分布的各种图形结果[1]。通过研究地球物理勘探方法中与空间不同电场有关的分布特征和变化规律，地下结构体系和不均匀电体可以有效地识别[2]。其工作原理如图1所示，通过A，B电极向地下供电流I，在M，N极间测量电位差ΔV，从而可求得该点(M，N的中点)的视电阻率p=KAV/I，其中，K为装置系数[3]。

2.1 高密度电法具体工作流程

高密度电法主要通过低频交流电供电，并通过地层视电阻将测量结果呈现出来。因此，高密度电法的本质是直流电阻率法[2]，具体工作流程见图2。

勘探结束后先将勘探过程中各测点所采集到的数据自动存储在主机上，再利用通信软件将原始数据传送到计算机。计算机先根据所需的格式处理数据，再根据软件对模块的要求完成相应的模块校正等预处理工作，然后通过二维反演的方式呈现[4]。

2.2 高密度电法特点

与现有电方法相比，高密度电法的优点是：

1)一次完成电极放置，减少了电极设置所造成的干扰和由电极设置引起的测量误差。2)可以有效地根据各种电极的排列获得关于地电结构状态的丰富地质信息。3)数据的采集是自动实现的，避免了人工操作带来的误差。4)数据可以实时、离线进行处理，数据处理程序更加合理，大大的提高了勘察的工作效率[5]。

高密度电法在工程物探中的应用，要求必须根据应用场所的具体情况执行相应的具体应用计划，一方面提升工程物探准确性，更重要的是确保工程建设的安全性，以促进工程地球物理勘探的发展[6]。

3 瞬变电磁法

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method)简称TEM。其主要原理是利用脉冲磁场感应产生的涡流场的运动特性来得到地质体的地电特性，在一个场的激励下，使用间歇周期性步进脉冲磁场作为激励(称为主场)周围介质中激起的感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场(称为二次场)。由于二次场富含周围介质的地电信息，因此在主场的间隔期间接收二次场，从而反转地层信息[7]。作为目前工程中使用较多的一种探测手段，在近些年也得到了飞速的发展，在2012年谭劭聪等提出了三分量检测解释理论[8]，在2015年陈嘉辉等详细解释了瞬变电磁法三分量电磁探头[9]，王斌等提出了阵列式多分量瞬变电磁套管损伤检测方法[10]。王益等使用物理模拟提出对采空区积水使用地面回线源发射、水平巷道或水平钻孔接收的瞬变电磁法，探测周围地质异常体的方法[11]。

3.1 瞬变电磁法工作流程

在瞬变电磁检测中，首先将线圈布置在现场，然后将采集到的数据存储在计算机中。在数据处理的后期阶段，第一步是对收集的数据进行去噪，并根据后期场或全周期场的公式计算视电阻率曲线;然后，执行时间—深度转换过程以获得每条线的视电阻率中断。其流程为:开始→原始数据处理→数据格式处理→绘制初始多测道断面图→选择处理时窗范围、滤波参数、畸变数据剔除→绘测多测道断面图、视电阻率断面图→结束。最后，根据勘探区域的地球物理特征，分析了瞬态电磁响应的时间特征和空间分布特征，并对地质数据进行了综合解释[12]。

3.2 瞬变电磁探测特点

瞬变电磁法在应用中具有横纵向信息丰富、体积效应小、探测范围广、作业效率高、受地质体影响性小、反应灵敏度高等诸多优点，长期以来在各类煤矿采空区的探测中得到了十分广泛的使用[13]。然而，瞬变电磁法也容易受到电磁干扰，例如在井中探测时的支护与掘进设备，地面勘探时附近的高压线路和信号塔等。同时，瞬变电磁法也存在着理论发展相对不完善，测得的异常范围较大，异常位置定位普遍不准确等缺点[14]。

4 探测实例

现以某矿区工程物探为例介绍高密度电阻率法和瞬变电磁法的应用。工作目标是在场地的一定范围内勘察滑坡面、裂缝带、塌陷带、地下采空区及巷道。

本次物探试验共布置有6条勘探线，H1，H2勘探线沿东西方向水平布置，长度均为1 000 m。Z1～Z4勘探线沿南北方向竖直方向布置，长度分别为502 m，694 m，182 m，550 m。勘探线均采用矿用GPS确定测点，各勘探线端点坐标见表1。

表1 勘探线参数

其中，H1，H2勘探线采用瞬变电磁法和高密度电法共同勘探，其余勘探线仅采用瞬变电磁法勘探。

4.1 TEM成果资料解析

根据已知地质情况，图3中G3，G4和G5区为高阻区，可以确定为煤矿巷道。图4中D5和D6区为低阻区，可以确定为煤矿采空区。在Z3，Z4测线剖面图中可见地面沉陷带，分别为图4中D3区。同时在Z4测线剖面图中可见地面塌陷带，为图4中D4区。

4.2 高密度电法成果资料解析

勘探区内已知有滑坡，其西部边界H1，H2测线剖面图中均可见，分别为图5中G1区和图6中G2区。滑动面在该方向上视倾角约为27°。裂缝带在H1，H2测线剖面图中均可见，分别为图5中D1区、图6中D2区，在图6中清晰可见5条地裂缝，裂缝在该方向上视倾角约为37°。东部裂缝带西边界为图5中G1区和图6中G2区。

5 两种物探方法的异同

5.1 两种方法的异性

在勘探所需的空间上：瞬变电磁法使用时需要的空间相对较少，可在小范围内作业，而高密度电法更适用于在开阔地带作业；在抗干扰能力方面上：高密度电法在受电磁场干扰方面影响稍小，可应用于市区，瞬变电磁法在干扰较小情况下精度要更高。

5.2 两种手段的共性

两种方法都能够实现电阻率的快速测试，同时还具备高效率，高信噪比，强分辨率，大检测深度和快速检测速度等特点。两者也都有局限性和适应性：在远离市中心，避免地下电力，通信，燃气管网等干扰情况下，探测效果较好[15]。

总之，两种物探方法均是目前比较先进的物探技术之一，且都已经具有了较高的研究水平，在不同的工程地质条件下可以根据其地质特点采用合适的方法手段，也可以通过两种方式相互验证，相互补充，以更好地解决工程地质问题。