半空間瞬變電磁大定源探測發(fā)射回線的優(yōu)化

康 健， 張?zhí)硇拢?林井祥， 張繼忠

(1.黑龍江科技大學(xué) 科技處， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

在地形相對平緩的地區(qū)進(jìn)行地面半空間瞬變電磁探測時，多選用大定源回線觀測[1-4]。因受探測盲區(qū)和最大勘探深度要求，目前針對大定源回線的發(fā)射裝置優(yōu)化及勘探設(shè)計研究較多。文政武等[5]通過實(shí)驗(yàn)選取了合適發(fā)射電流及發(fā)射框大小，查明了煤礦采空區(qū)分布情況，為采空區(qū)治理工作奠定了基礎(chǔ)。宋偉等[6]經(jīng)實(shí)測得出了不同發(fā)射線框所對應(yīng)的盲區(qū)深度及勘探最大深度，選取合適發(fā)射線框并取得良好應(yīng)用效果。占文鋒等[7]比較了不同關(guān)斷時間對瞬變電磁探測的影響，即關(guān)斷時間越小，探測深度越淺，且可能疊加一次場，導(dǎo)致信號失真。關(guān)斷時間增大，則勘探盲區(qū)會增大。林井祥等[8]應(yīng)用瞬變電磁法和大地電磁法對煤礦采空區(qū)積水體進(jìn)行聯(lián)合探測，比較了不同發(fā)射裝置及方法的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用效果。隆季原等[9]通過物理原理分析，結(jié)合具體算例確定最早觀測時間及發(fā)射回線邊長等8種造成盲區(qū)的原因。黃丹等[10]通過改變發(fā)射線框及電流等參數(shù)，對不同參數(shù)的信噪比進(jìn)行比較，確定了數(shù)據(jù)采集的最優(yōu)參數(shù)。吳信民等[11]以電位異常法對理論探測深度進(jìn)行計算，計算發(fā)現(xiàn)理論探測深度與線框大小相關(guān)。何希位等[12]以新疆托云盆地油頁巖勘查為例，經(jīng)野外參數(shù)實(shí)驗(yàn)，獲得了勘查區(qū)的地下電性特征。包乃利等[13]進(jìn)行了大定源瞬變電磁響應(yīng)規(guī)律的理論分析，結(jié)合工作實(shí)際對采集參數(shù)優(yōu)化，取得了良好探測效果。 裴建國等[14]通過比較瞬變電磁法圓形和方形線框發(fā)射效果，發(fā)現(xiàn)圓形發(fā)射回線較方形有更大優(yōu)勢。在野外探測時，受野外探測工作環(huán)境、布圓尺規(guī)工具及布線工人個體差異等多因素影響，很難鋪設(shè)出理想圓形，故現(xiàn)場工程中常鋪設(shè)方形或矩形發(fā)射回線[15-18]。筆者旨在研究等周長情況下半空間瞬變電磁大定源回線探測發(fā)射回線的優(yōu)化布置，以達(dá)到最理想的探測效果。

1 數(shù)值模擬優(yōu)化

本次實(shí)驗(yàn)僅限于發(fā)射回線周長不變，發(fā)射回線長和寬變化情況下的數(shù)值模擬。

1.1 發(fā)射回線參數(shù)的設(shè)計

設(shè)定水平方向?yàn)閄方向，豎直方向?yàn)閅方向。發(fā)射回線周長用L表示，X方向邊長用x表示，Y方向邊長用y表示，x：y=K。發(fā)射回線參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)射回線參數(shù)Table 1 Transmission loop parameters

1.2 BETEM數(shù)值模擬

利用BETEM軟件確定大定源回線探測發(fā)射回線內(nèi)最佳觀測區(qū)域，依據(jù)探測區(qū)地層物性，模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)射電流選取14 A，關(guān)斷時間選取223 μs，偏差標(biāo)準(zhǔn)15%。依次對表1中的不同發(fā)射回線進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。由于圖形數(shù)量較多，此處以回線11、回線16、回線20和回線31的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行展示(圖1)。

圖1 BETEM數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 1 BETEM numerical simulation results

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計分析

經(jīng)統(tǒng)計，實(shí)驗(yàn)線框X方向、Y方向觀測點(diǎn)距離發(fā)射框邊的最小距離d1、d2如表2所示，X、Y方向測點(diǎn)離框邊最小距離隨長寬比K的變化趨勢如圖2所示。

圖2 測點(diǎn)離框邊最小距離的變化Fig. 2 Change of minimum distance between measuring point and frame edge

表2 實(shí)驗(yàn)線框內(nèi)測點(diǎn)距離X、Y方向的最小距離Table 2 Minimum distance from measuring points in X and Y directions in experimental wire frame

統(tǒng)計分析得出，隨長寬比K發(fā)生變化，發(fā)射回線內(nèi)測點(diǎn)距離X、Y方向最小距離亦發(fā)生變化。以K為自變量，分別以X、Y方向測點(diǎn)離框邊最小距離d1、d2為因變量，對散點(diǎn)圖進(jìn)行回歸分析，得到擬合曲線及回歸方程。根據(jù)回歸分析圖(圖3)，X、Y方向測點(diǎn)距離框邊最小距離與K變化均呈非線性變化?；貧w方程表達(dá)式分別為

圖3 回歸分析Fig. 3 Regression analysis

d1= -37.35K2+ 114.83K+ 50.78，

K∈[0.50,2.00]，R2= 0.982 5。

(1)

d2= -9.84K2- 6.52K+ 144.81，

K∈[0.50,2.00]，R2= 0.985 1。

(2)

由回歸分析圖可以得出，當(dāng)0.60

2 探測設(shè)計方法優(yōu)化

2.1 測區(qū)設(shè)定及發(fā)射回線優(yōu)化選擇

本次實(shí)驗(yàn)測區(qū)由1號、2號、3號和4號拐點(diǎn)設(shè)定，測區(qū)東西長為700 m，南北寬600 m，面積420 000 m2。測區(qū)內(nèi)測線垂直煤層走向，呈南北向布置，線距40 m，點(diǎn)距20 m。依據(jù)地層特點(diǎn)和探測深度需要，結(jié)合大定源回線探測發(fā)射回線數(shù)值模擬計算及現(xiàn)場工程需要，發(fā)射回線大小設(shè)計為460 m×460 m。

2.2 測線與測點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計

測區(qū)范圍內(nèi)，從左至右設(shè)計測線18條，每條測線布置測點(diǎn)n為31個。測線和測點(diǎn)統(tǒng)計如表3所示。

表3 測線與測點(diǎn)統(tǒng)計Table 3 Statistical of measuring lines and points

2.3 發(fā)射回線優(yōu)化布置

結(jié)合測區(qū)范圍，經(jīng)大定源回線探測發(fā)射回線優(yōu)化選擇、框內(nèi)最佳觀測范圍、測線與測點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計，該測區(qū)發(fā)射回線優(yōu)化布置如圖4所示。

圖4 K=1.00時發(fā)射回線布置Fig. 4 Layout of transmitting loop of K=1.00

3 現(xiàn)場工程應(yīng)用

3.1 測區(qū)工程概況

測區(qū)地層從上至下依次為第四紀(jì)沖積層、白堊系下統(tǒng)穆棱組、白堊系下統(tǒng)城子河組。淺部第四紀(jì)全新統(tǒng)現(xiàn)代河流沖積層地層電阻率較低，為10～40 Ω·m，白堊系下統(tǒng)穆棱組地層電阻率呈逐漸增高趨勢，為40～115 Ω·m，白堊系下統(tǒng)城子河組地層電阻率在30～165 Ω·m。地層電阻率隨含水程度增加將發(fā)生顯著變化，甚至降低到正常值的1/10～1/20，測區(qū)主要地層地電特征見表4。

表4 測區(qū)主要地層地電特征 Table 4 Geoelectric characteristics of main strata in survey area

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

(1)數(shù)據(jù)接收采用XYZ三分量接收線圈和PROETEM57瞬變電磁儀同時測量，30個門測量，基本頻率6.25 Hz，積分時間8 s，同頻選用石英鐘同步。

(2)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理、極性校正、測線和測點(diǎn)編輯、由磁場率化率?Bz/?T求取Bz(磁場的垂直分量)。

(3)對數(shù)據(jù)噪音剔除、畸變校正,一次場消除,關(guān)斷時間校正,大定源發(fā)射框采用分段積分處理，主要是計算全程視電阻率。

(4)視電阻率的一維正反演，電阻率成像變換、擬二維電性剖面。

3.3 結(jié)果分析與成果驗(yàn)證

經(jīng)數(shù)據(jù)處理，反演成像得到各測線視電阻率二維剖面圖，從剖面圖清晰可見電阻率梯度變化方向，其所呈現(xiàn)電阻率變化趨勢與該地區(qū)地層電性特征相吻合?，F(xiàn)選取380E、420E及460E測線視電阻率二維剖面圖(圖5)，沿水平方向，隨電阻率等值線變形、扭曲、倒轉(zhuǎn)和間斷等變化，其所對應(yīng)的地層連續(xù)狀態(tài)、斷層和地質(zhì)構(gòu)造賦存狀態(tài)清晰可見；沿豎直方向，不同深度地層的視電阻率高低異常變化，斷層、地質(zhì)構(gòu)造賦存深度直觀可見。

圖5 不同測線視電阻率二維剖面 Fig. 5 Two-dimensional sections of apparent resistivity of different survey lines

查閱現(xiàn)場地質(zhì)資料、工程技術(shù)圖件和鉆孔柱狀圖對比分析驗(yàn)證，通過大定源回線瞬變電磁探測所得成果與現(xiàn)場工程實(shí)際取得了較好一致性。

4 結(jié)束語

利用BETEM軟件進(jìn)行大定源回線探測發(fā)射回線數(shù)值模擬，對模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計及回歸分析，建立了回歸方程，回歸方程求解表明，當(dāng)K∈[0.60,1.45]時，可保證等周長發(fā)射回線內(nèi)有較大探測區(qū)域，其中，K=1.00時，X、Y方向測點(diǎn)離框邊距離均滿足最小，探測區(qū)域最大。

將此結(jié)論應(yīng)用于工程實(shí)踐，所得視電阻率剖面圖中的電阻率變化趨勢與地層電性特征吻合，與現(xiàn)場地質(zhì)資料、工程技術(shù)圖件和鉆孔柱狀圖對比分析驗(yàn)證，實(shí)踐所得成果與現(xiàn)場工程實(shí)際具有一致性，達(dá)到了理想的探測效果。該研究為瞬變電磁大定源回線探測發(fā)射回線的選取提供了一定參考價值。