物探實驗成圖與異常識別結(jié)果的分析與研究*

邢士發(fā)， 歐陽鑫， 楊 璽， 李英娜， 李 川

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500)

物探實驗成圖與異常識別結(jié)果的分析與研究*

邢士發(fā)， 歐陽鑫， 楊 璽， 李英娜， 李 川

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500)

基于瞬變電磁法的水體與云南省楚雄州腰站變電站物探實驗。采用的設(shè)備為LTEM—1型瞬變電磁儀，其中，水體實驗采用1條測線,12個測點的實驗布局，變電站實驗采用4條測線,平均32個測點的實驗布局，利用改進的等值線圖生成算法與異常區(qū)域識別算法對實驗所得視電阻率數(shù)據(jù)進行了應(yīng)用分析與研究。

物探； 瞬變電磁法； 變電站； 等值線圖； 視電阻率

0 引 言

物探是利用物理方法進行勘探的一種方法，是以不同巖、礦、土、水等介質(zhì)之間的物理差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，利用物理學(xué)原理，通過觀測和研究地球物理場的時空分布規(guī)律，來解決地質(zhì)問題即地質(zhì)體空間分布的方法[1,2]。同時物探可以結(jié)合等值線圖來呈現(xiàn)出來，等值線圖(contour map)是一種在氣象、海洋、地球物理勘探等領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用極廣的圖形，其通過可視化的方式，將不易識別出特征的數(shù)據(jù)集合更直觀地呈現(xiàn)出來[3,4]。

瞬變電磁法(transient electromagnetic method，TEM)也稱之為時間域電磁法[5～7]，這種方法先是利用回線或者線源向地下發(fā)射脈沖式電磁場，在產(chǎn)生一次磁場的脈沖間隙，利用接收線圈或者接電電極觀測二次電磁場的變化規(guī)律。通過接收線圈接收到的數(shù)據(jù)和信息，可以推斷出地下介質(zhì)通過電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的二次電磁場的變化情況，從而進一步得到地下介質(zhì)的異?，F(xiàn)象，進而分析出地質(zhì)體不均勻的導(dǎo)電性以及電磁場中電流的衰減位置，利用這種方法來解決與地質(zhì)勘探相關(guān)的問題。

1 實驗裝置

實驗裝置為LTEM—1型瞬變電磁儀，采用了雙極性矩形波供電，供電時利用發(fā)射線圈向地下發(fā)送一次脈沖磁場，當?shù)叵麓嬖谔綔y目標時，一次場會激勵地質(zhì)體，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，地下目標體會產(chǎn)生磁場，在一次場的間歇期間利用接收線圈來接收二次場，儀器將得到的信息存儲、提取和分析，如圖1所示。

LTEM—1型瞬變電磁系統(tǒng)是由主機LTEM—1型瞬變電磁儀(收發(fā)一體式[8]，包含PC、測量電路及邏輯控制電路、保護電路)、外接發(fā)射線圈供電電源、LTEM—1型瞬變電磁儀主機電源、發(fā)射線圈、接收線圈組成。如圖2所示。

圖1 LTEM—1型瞬變電磁儀的野外工作方法原理

其中，PC負責控制發(fā)射與接收部分，PC控制發(fā)射部分通過發(fā)射線圈發(fā)送一次場，再控制接收部分由接收線圈接收二次場，如圖2。探測的電壓數(shù)據(jù)將傳回PC中保存為excel表格文件。

圖2 LTEM—1型瞬變電磁儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 研究水體TEM物探實驗

2.1 實驗內(nèi)容

為了能夠取得地質(zhì)視電阻率數(shù)據(jù)，以便進行等值線圖生成與異常區(qū)域自動識別，需用LTEM—1型瞬變電磁儀進行相關(guān)物探實驗。首先進行了一種具有低阻特征的地質(zhì)區(qū)域—水體的模擬實驗，其中對LTEM—1的配置：發(fā)射線圈(形狀為矩形，邊長為0.24 m，匝數(shù)為22，總電阻為0.613 Ω),接收線圈(形狀為矩形，邊長為0.24 m，匝數(shù)為10),供電電壓為12.07 V,供電電流為20.76 A,疊加次數(shù)為13,測線數(shù)量為1,測點數(shù)量為12,測點距離為0.12 m,測道數(shù)量為40?，F(xiàn)場如圖3。

圖3 等級為11的視電阻率等值線圖與水體區(qū)域識別

由于實驗數(shù)據(jù)為時間域的電壓數(shù)據(jù)，還需要利用TEM均勻半空間視電阻率的計算方法，將電壓數(shù)據(jù)結(jié)合LTEM—1配置參數(shù)反演成視電阻率數(shù)據(jù)。由于本文中的TEM物探實驗均采用重疊(中心)回線裝置，所以，這里主要討論中心回線裝置的一種視電阻率ρτ的計算方法。中心回線裝置的感應(yīng)電壓表達式是美國地球物理學(xué)家于1983年推導(dǎo)出來的，其表達式為

(1)

(2)

為了從式(2)中求解ρ，采用編程的方法求解非線性方程(2)，對于每個i測到的Z滿足

(3)

(4)

解非線性方程(3)的方法如下：

1)通過二分法在區(qū)間Z(Z0,ZM)內(nèi)找到有相反符號的FUN(ZL)及FUN(ZR)的橫坐標(ZL,ZR)。

2)用米勒法在(ZL,ZR)之間求出FUN(Z)=0的根。由于FUN(Z)為Z的雙值函數(shù)，每個[ti,V(ti)]對應(yīng)兩個ρτ(ti)值，可以采用比較法選取與前一個時刻的ρτ(tj-1)值相近的值ρτ(ti)。

由式(4)可以看出，每個時間點ti都對應(yīng)了一個視電阻率ρτ，要將ρτ從時間域轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g域，還需要計算每個ρτ對應(yīng)的深度hτ。有一種簡便的hτ公式為

(5)

式中 t以ms為單位，ρτ以Ω·m為單位。公式引自于美國Zonge公司的技術(shù)文檔，并根據(jù)野外的應(yīng)用資料，當ρτ為全期視電阻時，系數(shù)取20，一般能夠取得較好的結(jié)果。

經(jīng)過計算的單個視電阻率數(shù)據(jù)具有測點(或測寬)、測深、視電阻率值3個屬性。因此，可以定義視電阻率文件格式為一個表格，格式如表1。

表1 視電阻率文件格式

由表1可見，視電阻率數(shù)據(jù)文件格式表現(xiàn)為平面離散分布狀態(tài)，每個數(shù)據(jù)點具有平面坐標，且具有屬性值即視電阻率值，這種數(shù)據(jù)格式為平面離散型，符合等值線圖的生成要求。進一步地可以對平面離散視電阻率數(shù)據(jù)生成等值線圖來更直觀地表達地質(zhì)體視電阻率分布形態(tài)。

2.2 視電阻率等值線圖生成與水體區(qū)域識別結(jié)果

為了進一步將成圖與識別算法應(yīng)用到實際數(shù)據(jù)中，這里對水體物探實驗測得并計算出的視電阻率數(shù)據(jù)，進行等值線圖生成與異常區(qū)域(這里為水體)的識別[9，10]。需要闡述的是，當?shù)戎稻€圖的精度較小時，等值線之間視電阻率差值較大，算法的識別精度越小。圖4(由于等值線圖中的橫坐標代表測點號，這里還需要乘以實驗時的測點距離0.12 m)中等值線圖等級為11，設(shè)置水體視電阻率范圍為0～139 Ω·m時，識別出了一個面積為0.000 68 m2的小區(qū)域，具體見表2。由于水體實驗放置了2個水盆，則可知該區(qū)域為錯誤識別區(qū)域，當設(shè)置等值線圖等級為23時，如圖5所示，小區(qū)域沒有被當做水體區(qū)域識別出來，且識別水體區(qū)域數(shù)據(jù)大致可靠。具體見表3。

圖4 等級為11的視電阻率等值線圖與水體區(qū)域識別

L/mT/m中心X/m中心Y/m面積/m2類型0.91-0.171.07-0.410.092819水體0.23-0.690.25-0.720.00068水體0.49-0.430.62-0.670.02289水體

圖5 等級為23的視電阻率等值線圖與水體區(qū)域識別

L/mT/m中心X/m中心Y/m面積/m2類型0.94-0.21.05-0.370.072182水體0.61-0.440.67-0.660.008924水體

3 腰站變電站TEM物探實驗

3.1 實驗內(nèi)容

為了進行實地物探實驗，經(jīng)過前期研究，選定楚雄供電局220 kV腰站變電站作為應(yīng)用試點站。楚雄供電局220 kV腰站變電站位于楚雄祿豐縣勤豐鎮(zhèn)羊街村北面約2 km的山丘上，海拔高度1 923 m，占地面積22 876 m2，于2009年12月25日建成投產(chǎn),是楚雄祿豐地區(qū)的重要變電站之一。主供電源由500 kV和平變220 kV和腰I回線、220 kV和腰II回線供電。自建成后，由于邊坡滑動的作用，北側(cè)上下游擋土墻均出現(xiàn)了裂縫，地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在較明顯安全隱患。而由于地處云南省北部，氣候環(huán)境多變，冬夏降雨量分布差異大，冬季氣溫較低，使得塔架及輸變電線路風舞、覆冰現(xiàn)象明顯。選擇腰站變電站作為項目的實施地能更加具有針對性，而實驗的順利進展也證明了TEM地質(zhì)勘探的普適性和可推廣性。為了降低電磁干擾對設(shè)備的影響，實驗選定在變電站維護階段進行，從而使設(shè)備能夠在可接受的電磁場范圍內(nèi)正常工作。

腰站山地變電站邊坡，分別對上平面、上斜坡、下平面和下斜面進行了檢測，其中對LTEM—1的配置為：發(fā)射線圈(矩形，邊長為0.73 m，匝數(shù)為8，總電阻為1.99 Ω)、接收線圈(矩形，邊長為0.73 m，匝數(shù)為7)、供電電壓為12.07 V供電電流為6.06 A、疊加次數(shù)為13、測線數(shù)量為4、測點平均數(shù)量為32、測點距離為1.46 m和測道數(shù)量為40。

如同水體實驗，利用如下TEM均勻半空間視電阻率的計算方法，對實驗取得的各個測點各個測道的電壓數(shù)據(jù)結(jié)合LTEM—1的配置參數(shù)進行視電阻率反演計算。

3.2 視電阻率等值線圖生成與異常區(qū)域識別結(jié)果

為了對腰站變電站物探項目實驗視電阻率數(shù)據(jù)進行分析，利用本文所給算法對下馬道瞬變電磁物探實驗所得視電阻率數(shù)據(jù)進行等級為23的等值線圖生成，如圖6(a)所示(圖中橫坐標與縱坐標單位均為m)，并進行低阻異常區(qū)域特征識別，如圖6(b)所示，具體數(shù)據(jù)見表4。根據(jù)實地勘探，得出該地有呈低阻特征的接地網(wǎng)，且實際位置與識別出的低阻區(qū)域位置大致相同。

表4 腰站變電站下馬道低阻區(qū)域數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

利用本文裝置進行了低阻地質(zhì)特征的水體模擬實驗，

圖6 等腰站變電站下馬道電阻率等值線圖與低阻區(qū)域識別

為了進一步取得實地勘探數(shù)據(jù)，又進行了楚雄腰站變電站的TEM物探實驗，將取得的測點測道電壓數(shù)據(jù)計算為平面離散視電阻率數(shù)據(jù)，利用本文改進的算法對兩個實驗視電阻率數(shù)據(jù)生成了等值線圖。利用本文給出的識別算法對兩個實驗的等值線圖進行了異常區(qū)域的識別分析，且給出了識別結(jié)果。

[1] 王忠生,李 昆,張學(xué)軍.大孔徑空間探測系統(tǒng)的缺陷分布分析[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(1):42-44.

[2] 彭建盛,李 興,秦志強.三維立體空間定位算法的研究與實現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(7):33-35.

[3] 孫桂茹,馬 亮,路登平.等值線生成與圖形填充算法[J].天津大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2000,33(6):516-515.

[4] 黃晶晶.數(shù)字高程模型T取和等高線建模[D].長沙:中南大學(xué),2007:1-50.

[5] 任豫濤.瞬變電磁法在采空區(qū)積水探測中的應(yīng)用及效果[J].河南科技,2014(9):27-28.

[6] 黃力軍,劉瑞德,陸桂福.瞬變電磁法在煤田水文地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報,2004,1(3):247-250.

[7] 覃慶炎.瞬變電磁法在積水采空區(qū)探測中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2014,42(8):109-112.

[8] 王言章,李京杰,劉 維,等.RTD型磁通門傳感器檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,34(9):104-107.

[9] 鄔 倫,劉 瑜,張 晶.地理信息系統(tǒng)—原理、方法和應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005:l-460.

[10] Greenberg J D,Logsdon M G,Franklin J F.Introduction to geographic information systems(GIS)[M].New York:Springer,2006:17-31.

Analysis and research based on geophysical experiments mapping and abnormal recognition results*

XING Shi-fa, OUYANG Xin, YANG Xi, LI Ying-na, LI Chuan

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

Based on the waters of the transient electromagnetic method and current conditions of Yunnan waist station substation geophysical experiments,the experiment adopts equipment of LTEM—1 type of transient electromagnetic instrument,including water experiment which used 1 line,experiment of 12 points layout,substation experiment using 4 lines, an average of 32 experiment measuring points layout,which is the improved contour mapping generation algorithm with abnormal regional recognition algorithm.Application analysis and research on apparent resistivity data obtained from experiment are carried out.

geophysical prospecting； transient electromagnetic method(TEM)； transformer substation； contour map； apparent resistivity

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0044—03

2016—05—09

國家自然科學(xué)基金資助項目(51567013);昆明理工大學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項目(KKSY201303004);云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃資助項目(2013FZ021)；中國博士后科學(xué)基金面上資助項目(一等資助)(2014M552552XB)

TP 212

A

1000—9787(2017)05—0044—03

邢士發(fā)(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向為光纖光柵傳感技術(shù)及應(yīng)用及信息檢測處理等,E—mail:1182643156@qq.com。

李 川(1971-),男,通訊作者，博士，教授,博士生導(dǎo)師，從事傳感器的研制與檢測應(yīng)用方向研究工作,E—mail:1625677252@qq.com。