论文部分内容阅读
[摘要]在存在低阻覆盖层的地区施工时会使瞬时电磁法的测量效果受到低层屏蔽效应的影响，从而影响到深层低阻体的瞬变电磁响应结果，最后导致浅部低阻干扰体后面的目标不能准确的识别和分辨出来。所以应当选择没有低阻体或低阻岩层的位置进行测量，避来无法识别和分辨深层的目标体。在矿井的TEM测量中，如果存在低阻层岩体，可以通过加大发射磁矩测量磁场来获得低阻层下面的目标体的有效信息，也可以多选几处进行测量，来获取更加准确的目标体信息。
[關键词]瞬变电磁法 低阻层屏蔽
[中图分类号] P631.3 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-9-77-1
作为地球物理探测里的一个不可缺少的领域，瞬变电磁法具有以下几个有点：体积效应小、低阻响应强、探测方向性强、横向分辨率高等。其显著优点就是能够穿透高阻屏蔽层，对于在其下面的底层构造有很好的分辨能力。但如果是低阻层，尤其是表层被低阻层覆盖的地区，测量时地面上会的到较强的信号，这样往往就会忽视低阻层对瞬变电磁勘探的作用。有研究表明，如果再探测方向上浅层存在低阻层，会造成由低阻层屏蔽效应导致的部分数据缺损，增加对结果分析的困难，因此对瞬变电磁法低阻层屏蔽效应的问题研究又着非常现实的重要意义。
1 TEM基本工作原理
瞬变电磁测深法（Transient electromagneticmethod，简称TEM）是电磁法勘探中广泛应用的一种，尤其是在工程地质勘探过程中更是普遍应用的一种时间域电磁探测方法。
其原理就是通过阶跃波或者其他脉冲电流场激励大地产生过渡过程场，然后短期电源，在断电的瞬间会在大地中形成涡旋交变电磁场，再测量这种二次感应电磁场随时间变化的衰减特性，分析测量得到的异常信号，进而推断矿体、地下水、工程病态、工程基础和地质灾害等地下目标的相应性质。
正是由于这种技术灵敏度高、探测深度大、灵活多变适应性强以及廉价快速等特点，才使得它在近年来飞速发展，成为应用前景十分广阔的一种地质勘探技术。尽管TEM有多种变试方法，但其数学物理基础都是基于导电介质在激励磁场阶跃变化的激发下产生涡流电场的问题。
2低阻屏蔽效应
利用瞬变电磁法对矿井进行工作面顶底板富水性探测时，会出现“烟圈效应”，即瞬变电磁场发射线圈会以“烟圈”的形状向周围地质体传播，其过程可分为两个阶段，即早期和晚期。感应场所提供的地质信息在这两个阶段中是有很大不同的。
早期阶段，浅部地质体附近是感应电流的主要集中地带，瞬变电磁接收到的信号包括两类信号：探测地质体时感应到的地质信息和由线圈自感效应产生的自感信号，而且最主要的是有用的地质信号比自感信号弱得多，且自感信号又主要以高频信号为主，所以勘探过程中会存在一个无法探测到的盲区存在于浅部地层。自感信号的衰减随着瞬变电磁场的传播快速的变化着，因此在磁场瞬变过程的早期阶段，地层的浅部地质信息才是瞬变磁场主要反映的响应。
3矿井瞬变电磁法探测中低阻层屏蔽问题
我们可以用“烟圈效应”来解释煤田水文勘探中常用的瞬变电磁测深法原理。由于电磁场在导电介质中的传播的速度比在空气中传播的速度小得多，一次磁场的剧烈变化随着一次电流突然断开首先传播到发射回线周围的地表各点，所以只有在地表才会有最初激发的感应电流。地表的感应电流随着时间的延长逐渐向外和向下扩散，而且其强度也逐渐变弱，感应电流也逐渐均匀的分布在整个空间。
研究结果表明，地下涡旋电流产生的磁场在地表的任何时间均可以和一个水平环状线电流的磁场相互等效。与发射回线具有相同形状的环状线电流在发射电流突然关掉时会紧挨着发射回线，随着发射时间的延长，该环状电流会向外和向下扩散，最后逐渐变为圆形电流环。
由于等效感应电流环就如同从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，所以“烟圈效应”就是人们对地下涡旋电流外、向下扩散的过程形象比如。从“烟圈效应”的观点看，近地表的感应电流是产生早期瞬变电磁场的根源，它反映着浅部地层的电性分布；大地电性的垂向变化可以通过利用晚期瞬变电磁场随时间的变化规律探测出来。
所以，对于浅层存在低阻层的地区，利用瞬变电磁法勘探时，为了得到深层的地址信息，可以增大接收回线和发射回线的边长，这样可以使信号强度增强，并使得有效信号的持续时间得到延长。
但是这种增大回线的方式会大大增加野外工作的难度，同时还会使勘探体积效应被放大，使横向分辨率降低。所以在保证预定勘探深度的前提下，应选择最小的回线边长。
另外，还可以多取几点勘探内部地质来增加勘探结果的准确性。
4低阻屏蔽层对瞬变电磁场探测中时-频的影响
由于TEM信号是瞬态信号，是随时间变化而变化的，所以采用瞬变电磁场勘探时应该采用联合时-频分析进行解释的方法。TEM信号的时-频特征可以被时-频分布表现出来，因为时-频分布能提供更细微、全面的地电信息，更多的解释依据被提供给TEM法。明显的对应关系存在于TEM信号的联合时-频分布特征和地质结构的电性特征中，因为TEM二次涡流场分布状态可以从时-频分布的能量变化中反映出来，随着时间的推移其强度逐渐衰减，而且高频成份减弱更快。能量衰减梯度变化与地电结构有关，当地层厚度大、电阻率低时，能量衰减变化慢；反之，能量弱则变化快。
这些联系都有明确的物理意义，由于低阻层屏蔽作用就是通过低阻层对信号的衰减来干扰深层地质结构的信息的，所以低阻层屏蔽作用的实质就被形象的时-频分布特征显示出来，对TEM信号的定量解释与定性分析十分有利。
参考文献
[1]王圣龙，程久龙等.矿井瞬变电磁法低阻层屏蔽问题解释研究[A].煤矿安全.2012，12.
[2]薛国强，李貅，底青云.瞬变电磁法正反演问题研究进展[A].地球物理学进展.2008（23）4.
[3]成剑文.瞬变电磁法在煤矿应用中的研究[D].太原理工大学.2007（05）.
[關键词]瞬变电磁法 低阻层屏蔽
[中图分类号] P631.3 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-9-77-1
作为地球物理探测里的一个不可缺少的领域，瞬变电磁法具有以下几个有点：体积效应小、低阻响应强、探测方向性强、横向分辨率高等。其显著优点就是能够穿透高阻屏蔽层，对于在其下面的底层构造有很好的分辨能力。但如果是低阻层，尤其是表层被低阻层覆盖的地区，测量时地面上会的到较强的信号，这样往往就会忽视低阻层对瞬变电磁勘探的作用。有研究表明，如果再探测方向上浅层存在低阻层，会造成由低阻层屏蔽效应导致的部分数据缺损，增加对结果分析的困难，因此对瞬变电磁法低阻层屏蔽效应的问题研究又着非常现实的重要意义。
1 TEM基本工作原理
瞬变电磁测深法（Transient electromagneticmethod，简称TEM）是电磁法勘探中广泛应用的一种，尤其是在工程地质勘探过程中更是普遍应用的一种时间域电磁探测方法。
其原理就是通过阶跃波或者其他脉冲电流场激励大地产生过渡过程场，然后短期电源，在断电的瞬间会在大地中形成涡旋交变电磁场，再测量这种二次感应电磁场随时间变化的衰减特性，分析测量得到的异常信号，进而推断矿体、地下水、工程病态、工程基础和地质灾害等地下目标的相应性质。
正是由于这种技术灵敏度高、探测深度大、灵活多变适应性强以及廉价快速等特点，才使得它在近年来飞速发展，成为应用前景十分广阔的一种地质勘探技术。尽管TEM有多种变试方法，但其数学物理基础都是基于导电介质在激励磁场阶跃变化的激发下产生涡流电场的问题。
2低阻屏蔽效应
利用瞬变电磁法对矿井进行工作面顶底板富水性探测时，会出现“烟圈效应”，即瞬变电磁场发射线圈会以“烟圈”的形状向周围地质体传播，其过程可分为两个阶段，即早期和晚期。感应场所提供的地质信息在这两个阶段中是有很大不同的。
早期阶段，浅部地质体附近是感应电流的主要集中地带，瞬变电磁接收到的信号包括两类信号：探测地质体时感应到的地质信息和由线圈自感效应产生的自感信号，而且最主要的是有用的地质信号比自感信号弱得多，且自感信号又主要以高频信号为主，所以勘探过程中会存在一个无法探测到的盲区存在于浅部地层。自感信号的衰减随着瞬变电磁场的传播快速的变化着，因此在磁场瞬变过程的早期阶段，地层的浅部地质信息才是瞬变磁场主要反映的响应。
3矿井瞬变电磁法探测中低阻层屏蔽问题
我们可以用“烟圈效应”来解释煤田水文勘探中常用的瞬变电磁测深法原理。由于电磁场在导电介质中的传播的速度比在空气中传播的速度小得多，一次磁场的剧烈变化随着一次电流突然断开首先传播到发射回线周围的地表各点，所以只有在地表才会有最初激发的感应电流。地表的感应电流随着时间的延长逐渐向外和向下扩散，而且其强度也逐渐变弱，感应电流也逐渐均匀的分布在整个空间。
研究结果表明，地下涡旋电流产生的磁场在地表的任何时间均可以和一个水平环状线电流的磁场相互等效。与发射回线具有相同形状的环状线电流在发射电流突然关掉时会紧挨着发射回线，随着发射时间的延长，该环状电流会向外和向下扩散，最后逐渐变为圆形电流环。
由于等效感应电流环就如同从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，所以“烟圈效应”就是人们对地下涡旋电流外、向下扩散的过程形象比如。从“烟圈效应”的观点看，近地表的感应电流是产生早期瞬变电磁场的根源，它反映着浅部地层的电性分布；大地电性的垂向变化可以通过利用晚期瞬变电磁场随时间的变化规律探测出来。
所以，对于浅层存在低阻层的地区，利用瞬变电磁法勘探时，为了得到深层的地址信息，可以增大接收回线和发射回线的边长，这样可以使信号强度增强，并使得有效信号的持续时间得到延长。
但是这种增大回线的方式会大大增加野外工作的难度，同时还会使勘探体积效应被放大，使横向分辨率降低。所以在保证预定勘探深度的前提下，应选择最小的回线边长。
另外，还可以多取几点勘探内部地质来增加勘探结果的准确性。
4低阻屏蔽层对瞬变电磁场探测中时-频的影响
由于TEM信号是瞬态信号，是随时间变化而变化的，所以采用瞬变电磁场勘探时应该采用联合时-频分析进行解释的方法。TEM信号的时-频特征可以被时-频分布表现出来，因为时-频分布能提供更细微、全面的地电信息，更多的解释依据被提供给TEM法。明显的对应关系存在于TEM信号的联合时-频分布特征和地质结构的电性特征中，因为TEM二次涡流场分布状态可以从时-频分布的能量变化中反映出来，随着时间的推移其强度逐渐衰减，而且高频成份减弱更快。能量衰减梯度变化与地电结构有关，当地层厚度大、电阻率低时，能量衰减变化慢；反之，能量弱则变化快。
这些联系都有明确的物理意义，由于低阻层屏蔽作用就是通过低阻层对信号的衰减来干扰深层地质结构的信息的，所以低阻层屏蔽作用的实质就被形象的时-频分布特征显示出来，对TEM信号的定量解释与定性分析十分有利。
参考文献
[1]王圣龙，程久龙等.矿井瞬变电磁法低阻层屏蔽问题解释研究[A].煤矿安全.2012，12.
[2]薛国强，李貅，底青云.瞬变电磁法正反演问题研究进展[A].地球物理学进展.2008（23）4.
[3]成剑文.瞬变电磁法在煤矿应用中的研究[D].太原理工大学.2007（05）.