關(guān)斷時(shí)間效應(yīng)及其瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)特征探析

占文鋒，武玉梁，王 強(qiáng)

（1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與測(cè)量工程學(xué)院，北京 100042；2.四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)公司，成都 610091）

關(guān)斷時(shí)間效應(yīng)及其瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)特征探析

占文鋒1，武玉梁2，王 強(qiáng)1

（1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與測(cè)量工程學(xué)院，北京 100042；2.四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)公司，成都 610091）

在非理想關(guān)斷情況下，關(guān)斷時(shí)間大小將影響反演結(jié)果。通過設(shè)置不同的關(guān)斷時(shí)間，開展全程信號(hào)的瞬變電磁場(chǎng)變化規(guī)律研究。結(jié)果表明：一次場(chǎng)隨著關(guān)斷時(shí)間的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，并影響到觀測(cè)的二次場(chǎng)強(qiáng)度。因此要獲得較高質(zhì)量的反演數(shù)據(jù)，發(fā)送高質(zhì)量的一次場(chǎng)尤為重要。電流關(guān)斷前，受一次場(chǎng)減弱和起始采樣時(shí)間延遲的影響，二次場(chǎng)強(qiáng)度隨關(guān)斷時(shí)間的增加而逐漸減小。電流關(guān)斷后，受信噪比降低、深部電性差異等影響，二次場(chǎng)強(qiáng)度曲線存在跳躍，但差異不大。若關(guān)斷時(shí)間過小，則反演深度較淺，且可能疊加一次場(chǎng)，導(dǎo)致信號(hào)失真；若關(guān)斷時(shí)間過大，則易丟失淺部信息，造成較大的勘探盲區(qū)。因此現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)，需選擇最佳的關(guān)斷時(shí)間，既要滿足勘探深度的要求，又盡可能不損失淺部信息，才能獲得穩(wěn)定、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

瞬變電磁；關(guān)斷時(shí)間；一次場(chǎng)；二次場(chǎng)

1 問題提出

瞬變電磁法利用不接地回線發(fā)送一次脈沖電磁場(chǎng)，在一次脈沖電磁場(chǎng)的間歇期間，通過觀測(cè)與研究二次渦流場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律來探測(cè)介質(zhì)的電性差異。然而，發(fā)射電流不可能用零時(shí)間關(guān)斷，導(dǎo)致實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)含有斜階躍效應(yīng)[1]。如圖1所示T0～T1期間為發(fā)射電流關(guān)斷過程中，包括一次場(chǎng)與二次場(chǎng)混合信號(hào)；T1～T2期間為發(fā)射電流關(guān)斷后早期時(shí)段；T2之后為實(shí)際中晚期采樣記錄時(shí)間。目前國內(nèi)外針對(duì)瞬變電磁法解釋研究多從T2之后，舍棄關(guān)斷過程與關(guān)斷早期信號(hào)[2]。

在非零關(guān)斷情況下，發(fā)射機(jī)硬件開關(guān)的性能、線圈對(duì)瞬變電磁場(chǎng)的響應(yīng)、線圈之間的耦合互感、位移電流等作用，均會(huì)影響關(guān)斷時(shí)間的大小[3-5]。如果忽略了這一關(guān)斷時(shí)間，就會(huì)在前幾個(gè)通道的視電阻率上產(chǎn)生很大誤差，直接影響到解釋結(jié)果[6-10]。如果關(guān)斷時(shí)間沒有足夠短，則淺層地質(zhì)信號(hào)會(huì)包含在關(guān)斷過程中[11-12]。這就要求分析關(guān)斷過程中二次場(chǎng)的變化規(guī)律，從中找出剔除一次場(chǎng)影響的方法，進(jìn)而得到純凈的二次場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行有效反演，以便解釋地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外研究多是面向關(guān)斷之后的反演解釋，對(duì)關(guān)斷過程中的一、二次場(chǎng)，尤其是純二次場(chǎng)的變化研究較少[13]。因此，在非理想關(guān)斷情況下，選擇合適的試驗(yàn)場(chǎng)所，開展全程信號(hào)（尤其是關(guān)斷過程中與關(guān)斷后早期）的瞬變電磁場(chǎng)變化規(guī)律研究，對(duì)瞬變電磁法精確反演具有重要意義。

圖1 不同關(guān)斷階段瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)示意圖Figure 1 Schematic diagram of transient electromagnetic field response at different T/O stages

2 試驗(yàn)區(qū)概況

2.1 試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)特征

風(fēng)凰洞煤礦位于四川省廣安市鄰水縣，主采二疊系龍?zhí)督MK1煤層，平均煤厚1.28 m。煤層直接頂板為0.30～0.50 m厚的炭質(zhì)泥巖，間接頂板為中厚層粉砂巖、細(xì)砂巖，直接底板為灰黑色炭質(zhì)泥巖。目前，+730 m平硐和軌道下山南翼的+667 m水平以上為采空區(qū)，淺部K1煤層已開采，礦區(qū)上部零星分布老窯。據(jù)四川省安科院對(duì)其水害隱患分析資料，礦區(qū)范圍內(nèi)大部分采空區(qū)已充水，礦井正常涌水量12.5 m3/h，最大涌水量20.0 m3/h，礦井水均從現(xiàn)有+ 730 m平硐自然流出。礦井中部采空積水量約65072 m3，南部積水量約36 260 m3，二采區(qū)生產(chǎn)時(shí)可能受水患威脅。

2.2 試驗(yàn)方案與參數(shù)選擇

本次瞬變電磁探測(cè)沿運(yùn)輸大巷迎頭布設(shè)兩條測(cè)線，各5個(gè)測(cè)點(diǎn)，每測(cè)點(diǎn)按15°偏轉(zhuǎn)，分別探測(cè)撐面前方水平方向和垂直方向各一個(gè)扇形區(qū)（圖2）。距迎頭約100 m處為鄰近采空區(qū)邊界。設(shè)備選用加拿大Geonics公司Protem47HP型瞬變電磁儀，發(fā)射框1.5 m×1.5 m，發(fā)射電流2.1±0.05A，發(fā)射頻率為25 Hz，采樣門設(shè)為30門，觀測(cè)時(shí)窗為6971.2 μs。關(guān)斷時(shí)間設(shè)置頗為關(guān)鍵，一般通過查詢操作手冊(cè)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，本次操作手冊(cè)查詢值為165 μs。對(duì)于相同的工作裝置和參數(shù)，關(guān)斷時(shí)間一般固定。為研究不同階段感應(yīng)磁場(chǎng)的變化規(guī)律，本次試驗(yàn)分別設(shè)置145 μs、155 μs、165 μs、170 μs、175 μs等5個(gè)關(guān)斷時(shí)間開展對(duì)比試驗(yàn)，并將其劃分為電流關(guān)斷前（145 μs和155 μs）、電流關(guān)斷時(shí)（165 μs）、電流關(guān)斷后（170 μs和175 μs）三個(gè)階段（圖3）。理想狀況下，145 μs和155 μs測(cè)得的應(yīng)為一次場(chǎng)與二次場(chǎng)疊加數(shù)據(jù)，165 μs測(cè)得的為電流關(guān)斷時(shí)的純二次場(chǎng)數(shù)據(jù)，170 μs和175 μs測(cè)得的為電流關(guān)斷后的純二次場(chǎng)。通過觀測(cè)各階段一次場(chǎng)、二次場(chǎng)變化規(guī)律，從而確定出最佳關(guān)斷時(shí)間，為精確反演提供依據(jù)。

圖2 井下探測(cè)工程布置示意圖Figure 2 Schematic diagram of underground prospecting engineering layout

圖3 不同關(guān)斷時(shí)間分段示意圖Figure 3 Schematic diagram of different T/O time segmentation

3 電流關(guān)斷過程中電場(chǎng)變化規(guī)律

3.1 不同關(guān)斷時(shí)間原始一次場(chǎng)、二次場(chǎng)變化規(guī)律

選擇不同關(guān)斷時(shí)間下一次場(chǎng)、二次場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制其變化曲線如圖4所示。圖4a表明一次場(chǎng)隨著關(guān)斷時(shí)間的增加，呈現(xiàn)跳躍減小的趨勢(shì)。

圖4 中心點(diǎn)處不同關(guān)斷時(shí)間原始一次場(chǎng)、二次場(chǎng)變化曲線Figure 4 Different T/O time primary and secondary field variation curves at center point

二次場(chǎng)的強(qiáng)弱、方向和分布規(guī)律不僅取決于導(dǎo)體的電磁性質(zhì)、大小、產(chǎn)狀等因素，還與一次場(chǎng)的強(qiáng)度、頻率及其與異常體間的感應(yīng)耦合有關(guān)。因此，一次場(chǎng)的強(qiáng)弱會(huì)間接影響到觀測(cè)的二次場(chǎng)強(qiáng)度。由于受參數(shù)、儀器穩(wěn)定性及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等影響，155 μs較145 μs時(shí)二次場(chǎng)衰減曲線更為理想可靠（圖4b），故分析時(shí)以155 μs為主，145 μs僅作參考。

圖4b表明，在1582.5 μs（圖4b虛線處）之前，二次場(chǎng)強(qiáng)度隨關(guān)斷時(shí)間增加而逐漸減小。原因可能是隨著關(guān)斷時(shí)間增加，受一次場(chǎng)影響逐漸減弱的緣故；另一方面由于發(fā)射電流需要一個(gè)很短的附加時(shí)間才能穩(wěn)定至零，所以采樣時(shí)間均在關(guān)斷之后略晚一點(diǎn)開始（本次為6.8 μs），故關(guān)斷時(shí)間不同，其起始觀測(cè)時(shí)間亦不同，關(guān)斷時(shí)間越小，其起始觀測(cè)時(shí)間越早，信號(hào)愈強(qiáng)。1582.5 μs之后，一方面由于晚期信噪比降低引起各二次場(chǎng)強(qiáng)度曲線存在跳躍；另一方面，鑒于整體曲線此時(shí)均呈反向增大形態(tài)，推測(cè)為低阻異常體影響所致（低阻體較高阻體衰減慢）。

3.2 不同關(guān)斷時(shí)間電阻率-深度變化規(guī)律

原始數(shù)據(jù)經(jīng)BETEM軟件反演擬合后，繪制電阻率—深度變化曲線（圖5），除145 μs曲線形態(tài)不完整外，其它四條曲線形態(tài)基本相似。但不同關(guān)斷時(shí)間反演深度各不相同。155 μs時(shí)為15～70 m，165 μs時(shí)為15～60 m，170 μs時(shí)為20～120 m、175 μs時(shí)為20～140 m。

當(dāng)關(guān)斷時(shí)間較小時(shí)，觀測(cè)早、中期信號(hào)多，晚期信號(hào)少，反映淺部地電信息多；當(dāng)關(guān)斷時(shí)間較大時(shí)，早期信號(hào)少，中、晚期信號(hào)多，反映深部地電信息多。因此，隨著關(guān)斷時(shí)間的增加，反演深度亦增加，最后趨于穩(wěn)定。同時(shí)，隨著關(guān)斷時(shí)間的增加，電阻率—深度關(guān)系曲線反映的局部信息更加豐富。

圖5 中心點(diǎn)處各關(guān)斷時(shí)間條件下電阻率—深度關(guān)系曲線Figure 5 Resistivity-depth curves under various T/O time conditions at center point

將上述曲線綜合繪制如圖6所示，分析表明關(guān)斷時(shí)間的大小最終影響到反演結(jié)果。關(guān)斷時(shí)間小，則反演深度較淺；若關(guān)斷時(shí)間過大，則易丟失淺部信息，造成較大的勘探盲區(qū)。因此現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)，需根據(jù)操作手冊(cè)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定最佳關(guān)斷時(shí)間。

圖6 中心點(diǎn)處各關(guān)斷時(shí)間條件下電阻率—深度對(duì)比關(guān)系曲線Figure 6 Resistivity-depth correlation curves under various T/O time conditions at center point

通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析，本次關(guān)斷時(shí)間選擇170 μs（＞165 μs），既滿足了勘探深度的要求，又盡可能不損失淺部信息。在隨后的測(cè)試過程中，獲得了穩(wěn)定的、高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

4 電流關(guān)斷后純二次場(chǎng)變化規(guī)律

4.1 同一關(guān)斷時(shí)間原始一次場(chǎng)、二次場(chǎng)變化規(guī)律

確定最佳關(guān)斷時(shí)間（170 μs）后，對(duì)水平方向（E1）和垂直方向（N1）兩條測(cè)線共進(jìn)行了10組數(shù)據(jù)測(cè)量，并繪制出原始記錄的一次場(chǎng)、二次場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化曲線。

圖7表明，在同一關(guān)斷條件下，不同測(cè)點(diǎn)處的一次場(chǎng)并無明顯的變化規(guī)律。各測(cè)點(diǎn)二次場(chǎng)曲線在1582.5 μs之前基本吻合；1582.5 μs之后雖然有跳躍，但其相互之間差異較?。?.001～0.01），除與前述信噪比降低有關(guān)外，也可能與不同測(cè)點(diǎn)深部介質(zhì)電性差異有關(guān)。

圖7 不同點(diǎn)處同一關(guān)斷時(shí)間原始記錄一次場(chǎng)、二次場(chǎng)變化曲線Figure 7 Original record primary and secondary field variation curves at different points with identical T/O time

4.2 同一關(guān)斷時(shí)間電阻率-深度變化規(guī)律

原始數(shù)據(jù)經(jīng)BETEM軟件反演擬合后，分別繪制水平方向和垂直方向電阻率等值線圖（圖8），分析表明：掘進(jìn)迎頭20～120 m內(nèi)（20 m以內(nèi)為盲區(qū)），電阻率隨探測(cè)深度的增加而逐漸減小，且在80m深度前方及中心點(diǎn)兩側(cè)均出現(xiàn)低阻異常反映，推斷為鄰近采空區(qū)邊界。

圖8所示水平方向和垂直方向電阻率分布特征與低阻異常區(qū)的位置均能產(chǎn)生很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最大的不同在于中心點(diǎn)處的電阻率值差異較大。為分析其原因，將中心點(diǎn)處的數(shù)據(jù)加以對(duì)比。

4.2.1 一次場(chǎng)、二次場(chǎng)差異

將水平方向和垂直方向中心點(diǎn)處歸一化的磁場(chǎng)變化率?B/?T（DB）進(jìn)行對(duì)比，可得到如圖9所示曲線，兩者形態(tài)差異較大，可能受巷道正后方掘進(jìn)機(jī)干擾所致。對(duì)比分析表明：水平方向早期信號(hào)豐富，晚期信號(hào)偏少；而垂直方向早期信號(hào)偏少，晚期信號(hào)豐富，這會(huì)導(dǎo)致不同方向上反演的深度信息存在差異。雖然水平方向的二次場(chǎng)高于垂直方向，但兩者在尾枝（圖9中紅色圓圈處）均呈現(xiàn)前述二次場(chǎng)反轉(zhuǎn)增加。

圖8 水平方向（左）和垂直方向（右）電阻率等值線圖Figure 8 Horizontal(left)and vertical(right)resistivity isograms

圖9 水平方向和垂直方向中心點(diǎn)計(jì)算DB對(duì)比圖Figure 9 Horizontal and vertical center points computed dB correlation

4.2.2 電阻率-深度曲線差異

圖10為不同方向電阻率—深度關(guān)系曲線，垂直方向中心點(diǎn)處的電阻率值均比水平方向電阻率值高，而其它測(cè)點(diǎn)之間的差異不大。對(duì)比分析，垂直方向反演深度深（-30～-100 m），但盲區(qū)大（＞30 m）；而水平方向反演深度淺（-20～-70 m），但盲區(qū)?。ǎ?0 m）。因此對(duì)中心測(cè)點(diǎn)進(jìn)行解譯分析時(shí)，可參考其它測(cè)點(diǎn)的反演結(jié)果。雖然各條曲線形態(tài)存在差異，但并未改變電阻率隨深度增加而逐漸減小的趨勢(shì)，表明不同方向的探測(cè)結(jié)果基本是一致的。

圖10 水平方向和垂直方向中心點(diǎn)電阻率-深度曲線Figure 10 Horizontal and vertical center points resistivity-depth curves

5 結(jié)論

（1）一次場(chǎng)隨關(guān)斷時(shí)間增加，呈逐漸減小趨勢(shì)，并間接影響二次場(chǎng)強(qiáng)度。電流關(guān)斷前，受一次場(chǎng)影響減弱和起始采樣時(shí)間延遲影響，二次場(chǎng)強(qiáng)度隨關(guān)斷時(shí)間增加而逐漸減小。電流關(guān)斷后，受信噪比降低、深部電性差異等影響，各二次場(chǎng)強(qiáng)度曲線存在跳躍，但差異不大。

（2）關(guān)斷時(shí)間的大小會(huì)影響反演結(jié)果。若關(guān)斷時(shí)間過小，則反演深度較淺；若關(guān)斷時(shí)間過大，則易丟失淺部信息，造成較大的勘探盲區(qū)，因此現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)，需選擇最佳的關(guān)斷時(shí)間，既要滿足勘探深度的要求，又盡可能不損失淺部信息。

（3）在同一關(guān)斷條件下，不同測(cè)點(diǎn)處的一次場(chǎng)并無明顯的規(guī)律性變化。雖然各測(cè)點(diǎn)二次場(chǎng)曲線形態(tài)及反演電阻率-深度曲線均存在差異，但并未改變電性介質(zhì)變化的基本規(guī)律，表明不同方向的探測(cè)結(jié)果基本是一致的。但受儀器性能、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件、采集數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)量等諸多因素影響，以上工作有待今后更多工程實(shí)踐進(jìn)行檢驗(yàn)和深化。

[1]強(qiáng)建科，羅延鐘，湯井田，等.航空瞬變電磁法關(guān)斷電流斜坡響應(yīng)的計(jì)算[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2012，27（1）：105-112.

[2]俞林剛.瞬變電磁早期信號(hào)處理技術(shù)研究[D].重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

[3]趙海濤，劉麗華，吳凱，等.恒壓鉗位高速關(guān)斷瞬變電磁發(fā)射系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2013，34（4）：803-809.

[4]于生寶，林君.瞬變電磁法中發(fā)射機(jī)關(guān)斷時(shí)間的影響研究[J].石油儀器，1999，13（6）：15-17.

[5]蔡中超，張振坤，胡斌，等.瞬變電磁法發(fā)射機(jī)裝置及參數(shù)對(duì)關(guān)斷時(shí)間的影響研究[J].科技廣場(chǎng)，2015，（2）：70-74

[6]劉俊.礦井瞬變電磁法視電阻率定義與關(guān)斷效應(yīng)理論研究[D].碩士研究生畢業(yè)論文，東華理工大學(xué)，2013.

[7]嵇艷鞠，林君，于生寶，等.ATTEM系統(tǒng)中電流關(guān)斷期間瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)求解的研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，2006，49（6）：1884-1891.

[8]楊云見，王緒本，何展翔.考慮關(guān)斷時(shí)間效應(yīng)的瞬變電磁一維反演[J].物探與化探，2005，29（3）：234-237.

[9]周逢道，林君，周國華，等.淺海底瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)關(guān)斷沿影響因素研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，21（4）：532-536.

[10]楊海燕，岳建華.瞬變電磁法中關(guān)斷電流的響應(yīng)計(jì)算與校正方法研究[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2008，23（6）：1947-1952.

[11]付志紅，趙俊麗，周雒維，等.WTEM高速關(guān)斷瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29（5）：933-937.

[12]白登海，Maxwell Meju.瞬變電磁法中兩種關(guān)斷電流對(duì)響應(yīng)函數(shù)的影響及其應(yīng)對(duì)策略[J].地震地質(zhì)，2001，23（2）：245-251.

[13]孫天財(cái)，付志紅，謝品芳.斜階躍場(chǎng)源關(guān)斷時(shí)間對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響及校正研究[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2008，5（3）：287-294.

Study on Turn-off Time Effect and Its Transient Electromagnetic Field Response Characteristics

Zhan Wenfeng1,Wu Yuliang2and Wang Qiang1
(1.School of Architecture and Surveying Engineering,Beijing Polytechnic College,Beijing 100042; 2.Sichuan Coal Industry Group Co.Ltd.,Chengdu,Sichuan 610091)

The effect of current turn-off(T/O)time is a knotty problem in TEM,which could affect the inversion results.By setting different T/O time,a study on variation of transient electromagnetic field has been carried out.The study has shown that the primary field decreasing along with the increasing of T/O time,which has directly influenced the secondary field intensity.In order to obtain highquality observation data,the quality of the primary field is also very important.During the current shutdown,affected by the primary field and the delay of initial sampling time,the secondary field intensity has decreased along with the T/O time.After the current shutdown,effected by signal-to-noise ratio decreasing,and deep part electrical property contrast,on the secondary field intensity curves will arise some jumps,but the difference is not significant.If the T/O time is too small,the inversion depth will be shallow,or may be superimposed with the primary field,thus will cause inversion results distortion.If the T/O time is too large,the shallow information will be easily lost and produced greater prospecting blind zones.Therefore,in order to obtain stable and high-quality observed data,it is necessary chosen best T/O time to meet requirements of prospecting depths,and without shallow part information losing.

transient electromagnetic;T/O time;primary field;secondary field

P631.3

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.01.16

1674-1803(2017)01-0073-06

北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃面上項(xiàng)目（PXM2013_ 014225_097947）；校內(nèi)重點(diǎn)課題資助（bgzykyz201606）

占文鋒（1979—），男，湖北武漢人，博士，教授，主要從事物探方面的教學(xué)與科研工作。

2016-09-18

責(zé)任編輯：孫常長