瞬变电磁法观测数据超格效应原理及消除方法*

隆季原，李文尧

(昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093)

0 引言

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method,TEM)是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测的物探方法[1]。在该方法的激发下，地质体中会激励起随时间变化的感应电磁场(即二次场)，二次场能反映地质体丰富的地点信息[1-4]，因此在地下矿体探测[5-6]、工程地质勘查[7-8]、水文地质调研[9-10]、环境地质调查[11]等领域均有广泛应用。

在利用TEM对地下矿体进行探测时，观测仪器中匹配电阻的大小会影响局部导电体在接收线圈上感应电压的衰减特征和接收线圈的响应特性[12-13]。如果匹配电阻选择不合适，一部分观测数据将超过仪器的观测规格或出现震荡，即为仪器观测数据的超格效应。超格的这部分数据无法进行电阻率的计算，将导致探测盲区，从而无法对地下矿体进行探测，超格的观测数据对应的深度即为盲区深度。目前对于盲区的定义有不同的解释[14]：薛国强[15]认为在利用TEM探测时，地表以下存在的无法探测到的区域的深度即为“盲区深度”，研究结果表明，盲区深度为1～50 m；嵇艳鞠[16]认为在利用TEM仪器探测时存在一个半盲区，深度为自地表至地下20 m左右；马静[17]认为盲区深度为0～20 m，并提出了利用“变参数线圈接收法”来解决盲区问题；薛国强等[18]对早期TEM测深数据进行了修正并提出了早期数据的校正版。

针对盲区问题，在斜阶跃关断效应方面，EATON等[19]、MCNEIL 等[20]提出了利用数值计算法进行斜阶跃后沿校正；陈文斌[21]研究发现，导致TEM在浅层地质勘查中存在盲区的原因是接收线圈存在暂态过程及其采样率低。在暂态过程方面，杨建明等[22]、李青等[23]利用等值反磁通TEM有效克服了一次场的影响，基本消除了浅层盲区。SMITH等[24]研究了提取纯二次场的方法。在探测方法和探测仪器结合应用方面，贾三石等[25]采用TEM和高密度电阻率法的优化组合对地下地质体进行了探测，有效解决了浅部和边部数据盲区问题。在数值计算方面，杨伐等[26]研究发现利用剔除法处理干扰数据体可以提高TEM勘探能力。

综上所述，造成TEM盲区的原因较多，不同原因对应的盲区深度也不同。目前对TEM探测中仪器观测数据超格效应的研究尚不够深入，要克服超格效应，必须探明超格效应的原理和影响程度即造成的盲区深度，并据此提出克服该效应的方法。

1 超格效应理论分析

瞬变电磁法接收线圈可以等效成线圈内阻r、电感L、电容C和匹配电阻R组成的电路(见图1)。在该电路中，地下地质体的感应电位Vi等于接收线圈内阻电位Vr、接收线圈电感电位VL、接收线圈匹配电阻电位Vc(观测电位)之和[4]。

图1 瞬变电磁接收线圈等效电路图

根据基尔霍夫定律，在有效面积为q的接收线圈上的一次场的感应电压为

Vi=VL+Vr+Vc；

(1)

线路在内阻r上的电压为

(2)

线路在电感L上的电压为

(3)

将式(1)、式(2)、式(3)联立后简化为

(4)

设置匹配电阻R分别为50 000、200 000 Ω，在其他参数不变的条件下，通过式(4)计算得到2种匹配电阻的观测电位(见图2)。由图2可知，匹配电阻越大，观测电位越大，过大的观测电位会出现数据超格效应。由此表明，匹配电阻过大将会导致仪器观测数据震荡或超出仪器的观测限值，从而无法采用TEM对地下矿体进行探测。

图2 2种匹配电阻的观测电位计算对比

2 超格效应盲区分析

2.1 盲区物理原理分析

NABIGHIAN等[27]将地下均匀半空间中任意时刻的涡旋电流在地表产生的磁场等效为一个水平环状电流的磁场，断开发射电流时，该环状电流紧贴发射回线，随着时间的推移，该电流向下、向外扩散，并逐渐转变成圆电流环，即“烟圈效应”。早期(t1)、中期(t2)、晚期(t3)的等效涡流环如图3所示。由图3可知，等效涡流环扩散深度随时间增加而增大。因此在TEM探测中仪器观测数据出现超格效应而导致探测盲区，从而严重制约了TEM对地下矿体的探测能力。

图3 均匀半空间中等效涡流环

2.2 盲区深度计算理论依据

RAAB等[28]推导出了中心回线装置的感应电压表达式：

将确定水平薄层纵向电导G及深度h的公式应用于层状大地的情况，再将得到的视纵向电导Gτ、视探测深度hτ用于测深资料反演，反演过程中可将视探测深度等效为盲区深度，则有

(6)

(7)

等效涡流“烟圈”向下传播深度和涡流扩散深度[1]分别表示为

(8)

(9)

式中，t为瞬变场扩散的时间，u0为空气的磁导率。

2.3 盲区深度计算

在均匀半空间条件下，基于数据超格的时间窗计算盲区深度并进行数据分析。设均匀半空间中的电阻率ρ为1、10、100 Ω·m，均匀半空间的磁导率u0=4π×10-7H/m，发射电流I=10 A，发射回线长度L=1 m，接收线圈面积q=1 m2。联立式(6)、式(8)、式(9)，分别计算数据超格、震荡且超格两种情况下的等效涡流传播深度、扩散深度和盲区深度(见表1)。

表1 基于数据超格的时间窗盲区深度计算结果

由表1可知：基于数据超格时间窗计算盲区深度时，探测盲区深度会随超格时间窗的增大而增大；盲区深度还与均匀半空间电阻率有关，随着电阻率的增大，盲区深度将从十余米增加至数百米。数据超格效应将导致TEM无法对盲区内的矿体进行探测，所以克服数据超格效应在TEM实际探测中具有重要意义。

3 超格效应消除实验

3.1 探测实验

采用LTEM01瞬变电磁仪对昆明某地区进行探测，将观测范围调至10 V档；布置重叠回线装置，发射线圈边长为100 cm，匝数为10匝，线缆材质为聚氯乙烯软铜芯线，线缆直径为4 mm，去外皮后直径为1.8 mm，线圈单层横截面直径为17.11 mm，去外层后直径为12.71 mm；接收线圈边长为100 cm，匝数为100匝，线缆材质为漆包铜芯线，线缆直径0.35 mm，接收线圈内阻70 Ω；匹配电阻R设置为无穷大和2 000 Ω。观测结果分别见如图4、图5。

图4 匹配电阻为2 000 Ω时10 V档LTEM01观测数据

图5 匹配电阻为无穷大时10 V档LTEM01观测数据

由图4和图5可知：在匹配电阻为2 000 Ω时，观测数据出现超格现象，该部分时间窗持续到大约924 μs；在匹配电阻无穷大时，观测数据出现震荡且超格的现象，该部分时间窗持续到大约1 680 μs。由此可知，匹配电阻R过大会导致观测数据超格时间窗增大。

3.2 消除方法

在实际探测过程中，对接收线圈匹配电阻进行多次调试，分别为100 000、68 000、10 000、5 100、2 000、680、200、100、47、22、10 Ω。当匹配电阻R为22 Ω时，仪器观测数据不震荡且不超格(见图6)，满足探测地下矿体的条件。

图6 匹配电阻为22 Ω时10 V档LTEM01观测数据

4 结论

a.仪器观测数据超格效应造成的探测盲区与匹配电阻和均匀半空间电阻率有关。在均匀半空间电阻率不变的情况下，匹配电阻越大，超格时间窗越大，造成的盲区深度越大；在超格时间窗不变的情况下，均匀半空间电阻率越大，盲区深度越大。

b.在实际探测过程中，如果匹配电阻过大，仪器观测数据将出现超格或震荡且超格的情况。需调试匹配电阻至合适值，才能有效消除仪器观测数据超格效应的不利影响。