瞬变电磁法在工程地球物理勘探中的应用孙磊

瞬变电磁法在工程地球物理勘探中的应用孙磊
摘要：近年来瞬变电磁法的应用范围越来越广，随着技术的进步和仪器系统的
简洁化，轻便化，瞬变电磁法在工程上的应用也越来越受到重视，并在不断开拓
新的领域。

在工程地球物理勘探，瞬变电磁法不失为一种精细并行之有效的方法，但在实际应用中，发现还有很多理论、技术问题需要解决。

一定要深入认识到瞬
变电磁法的优势和不足，时刻关注理论进展，只有这样，才能更好地利用瞬变电
磁法解决实际的工程问题和地质问题，为实际工作提供更好的帮助。

随着瞬变电
磁理论方法及数据处理手段的进步，仪器的轻便化，施工效率高等多方面进展，
瞬变电磁法在工程物探方面的应用越来越多，对探测工程地质中的不良地质体等
工程检测问题有突出的优势。

关键词：瞬变电磁法；工程物探；空腔探测
引言
瞬变电磁法近几年来在国内外得到迅速发展，在金属矿勘探、油气田勘探和
煤田勘探等勘探中得到广泛应用。

并且它正开始步入工程勘察、地下水及地热勘
察的行列中。

为了研究 TEM 法在工程勘察中的有效性，几年来进行了大量的试验
研究工作，该方法在地下水勘探，圈定煤矿采空区、陷落柱和含水带，划分地层
结构中发挥了重要作用。

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次
脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。

通过测量断电
后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

该方法观
测纯二次场，分辨率较高，尤其对低阻异常反应敏感。

随着瞬变电磁勘探技术的
不断发展，目前广泛应用到金属矿产勘查、油气勘探、工程勘查、考古探测、煤
田勘探等诸多多领域，成为地球物理勘探的首选方法之一。

1基本原理
瞬变电磁法，是利用大功率的发射装置向铺设在地面的大矩形线圈(或称发射框)发送双极性矩形大电流，在电流开启和关断时，由于电磁感应作用产生电压脉冲，电压脉冲的衰减产生感应磁场(即一次磁场)。

一次磁场随着时间的推移向地
下传播并衰减，在地下介质中感应生成涡流，地下介质中涡流的变化又生成二次
磁场。

电磁场在地下传播的速度以及幅度的衰减程度与地下介质的电阻率(或电导率)及深度等参数有关。

在电源关断的时间间隔内，通过设置在地表各测点处的分
量磁场传感器和数据记录器观测随时间变化的二次磁场可探测得到地下介质电性
和结构的丰富信息。

对每个测点观测的磁场或导出的视电阻率资料、视纵向电导
等进行反演、解释，即可得到地下介质的分层结构。

2数据采集与处理
物探观测采用V8多功能电法仪。

具有轻便坚固的采集系统和GPS同步系统，模数转换器(ADC)：每道一个24位，96000个样点/秒(主道)16位到24位，可达
5MHZ(TDEM)。

采用重复观测保证观测质量，工作装置、发射回线边长、和时窗
范围的选择以及测区范围的确定等，其他技术要求按照中华人民共和国地质矿产
部颁发的《地面瞬变电磁法技术规程》((DZ/T018)-1997)执行。

室内资料整理将仪
器采集的数据输入计算机拷贝存档，原始数据经计算机以专用软件进行处理，得
到视电阻率值，并自动反演，然后绘制成多测道剖面图，视电阻率剖面图等物探
成果图。

推断解释时，通过研究分析归一化的二次电位(U/I)随时间衰减的过渡过
程快慢特性，来反映地下介质的纵向电性变化；比较同一测道电位响应的强弱，
反映介质的横向电性变化。

3地球物理特征
不同岩石具有不同的导电性，一般有泥岩，粉砂岩，介质粗砂岩，砾层，煤
层和石灰石的电阻率值依次增大。

含煤地层分层分布特点比较均匀，纵向电阻率
变化的横向传导基本上是相同的。

在密实完整的地层电阻率较高，如果在充水的
断层，裂隙发育带，泥土或水充填的岩溶，地下暗河或地下水发育地带，具有较
强的导电性，电阻率值呈现低阻，与围岩在电阻率上有显著差异，这就是用电磁
法进行水文地质探测的地球物理前提。

4工程物探方面的应用
4.1瞬变电磁法的应用条件
通过瞬变电磁法的原理发现，如果被探测的地质体导电性愈好，瞬变过程越长，这样就更容易发现地下异常地质体的存在，并可以确定异常体的电性结构和
空间分布形态。

根据前人的成功实例，瞬变电磁法适用于含良导体的金、铜、铅、锌矿床。

在地势平坦的区域，可以直接进行地面瞬变电磁勘探工作；而在地形复
杂的山区，应该选择航空瞬变电磁探测手段。

4.2瞬变电磁法野外施工
在进行瞬变电磁法野外施工时，根据探测任务、精度要求和地质条件的不同，应该注意装置的选择和测网设计两个方面的问题，通过野外的实验来确定装置及
参数的选择。

(1)装置选择。

装置选择一般都是移动接收，固定发射式装置，常用
的是重叠回线装置、中心回线装置、大定源回线装置、偶极分离装置四种。

当选
择了一种装置后，还需要确定回线边长，回线边长一般依据被探测对象的规模、
埋深及电性来选择。

一般原则是：回线边长与被探测对象的埋深大致相等。

(2)测
网设计。

主要是测线方向和剖面点距的确定，测线方向应该选择与可能的构造走
向相垂直，尽量远离铁路、高压线等干扰源；因为回线边长的增大对局部导体的
分辨率下降，剖面点距一般等于回线边长或者是回线边长的一半。

4.3工程物探应用领域
TEM方法在工程物探的应用方面较多，涉及面广，包括城市建设、道路建设、水利建设、地质灾害调查等。

主要探测的目标体是工程地质中的不良地质体，如
地下采空区、空洞、地下裂隙、溶洞、断层等。

在具体的工程地质应用和解决地
质问题方面，有很多学者对此做过研究。

蔡少峰等将瞬变电磁法用于铁路深埋隧
道工程勘察中，对指导隧道施工设计，为将来隧道施工提供可靠的地质依据。

瞬变电磁法在公路隧道工程不良地质构造中的测量结果给公路设计提供重要
的参考，也为应用瞬变电磁法在不良地质体及在地形复杂地区进行工程地质勘察
积累了经验。

瞬变电磁法在煤矿行业中应用相对较多，应用于寻找煤矿采空区、
煤矿巷道掘进头的连续跟踪超前探测、煤层风氧化带、防治煤层水等。

如果采空
区无积水，则异常为高阻异常，等值线密集闭合，异常中心视电阻率较高，与视
电阻率正常值相差较大。

如果异常为低阻异常，则推测地下空洞有积水，则采用
瞬变电磁法(TEM)探测地下水精度较高，为矿井的开采和治理提供了依据。

工程
物探超前预测的基本原理与煤矿相同，李貅，孙亮等做了实际工作，在探测掌子
面前方夹层含水层厚度等方面取得了良好的应用效果。

瞬变电磁法被应用于地下隐蔽工程质量的检测，比如对瞬变电磁法金属管道
腐蚀检测模型进行了理论分析，并利用瞬变电磁法对埋地钢质管道腐蚀检测成果，对科学地指导油田埋地管道大修具有重要意义。

曹国栋等研究了TEM小线框技术
在近地表结构应用中的方法技术问题，并在应用中发现了线框大小对畸变的影响
情况。

图1 瞬变电磁大定源内回线采集装置示意图
5瞬变电磁法的应用
5.1在工程勘探中的应用
瞬变电磁法其电磁感应定律的作用原理，在工程勘探方面发挥重要的作用。

且随着科学技术的不断发展，瞬变电磁法的应用就更加广泛了。

瞬变电磁法在各
种公路建设中扮演非常重要的角色，它在解决建筑工程的复杂结构问题方面作用
十分显著。

5.2在海洋中的应用
瞬变电磁法在海洋中的作用就是勘探天然气、石油等物质资源。

众所周知，
地球上海洋面积广袤无垠，约占地球总面积的 71%，地球上很多矿产资源大多蕴
藏在海底。

前些时期，地震勘探法常用于对这些矿产资源的勘探，但是该方法对
海洋环境和海洋生物造成一定的不良影响。

近年来随着勘探技术的不断进步，瞬
变电磁法在海底资源的勘探中发挥越来越重要的作用，不仅因为其操作起来非常
简单方便，还因为其具有非常强的适应性，探测范围广泛，且精准度高。

5.3在水文地质勘探中的应用
瞬变电磁法在水文地质勘探中也起到非常重要的作用。

在实际的工作过程中，首先将回线放置在需要进行勘探的地面工作区域，然后通过发送回线传送一电流
脉冲方波，将其传入地下进行水文勘探，随着电流脉冲方波的下降深度逐渐加深，其在此过程中产生的瞬间磁场会随着深度的增加不断向地下传播，水下的地质结
构在受到磁场的极力作用后，会在其水文结构内部形成具有不同导电性质的涡流，这些涡流会随着时间进行衰减。

由于涡流衰减的时间在不同的深度会有不同的变化，针对这一情况可以利用二次场反映出的感生电动势来进行相应的测量，描绘
出二次场的曲线特征。

地下存在无良导体，曲线会呈现快速下降的趋势。

有良导
体存在时，曲线呈现渐变的趋势变化，根据此变化，可以很快探测到地下导体的
位置。

6瞬变电磁干扰区域数据修正
测区人文环境较复杂，测区内部分地段人文电磁干扰(高压线、变电站、村庄和公路)较严重，对瞬变电磁数据造成一定影响，对直流电测深数据影响较小。

为了减少这种影响，在对干扰区段数据处理前，首先对其进行逐点分析，剔除畸变
数据，再根据钻孔资料和相同地段的直流电测深资料与瞬变电磁数据的对应关系
对数据进行校正，将其整理成专用数据处理软件所需要的顺序和格式，然后对，
数据进行滤波，以滤除或压制干扰信号，恢复信号的变化规律，突出有用的地质
信息。

这些做法第一程度上降低了干扰信号造成的影响，但无法完全消除。

在分
析应用过程中，对干扰严重的影响区的资料适当进行了降级。

测区内第四系地层
较厚，平均厚度在130m，其下部分别为二叠系上石盒子组、下石盒子组、山西组、石炭系上统太原组、本溪组和奥陶系中统峰峰组，视电阻率呈中、低、高的
变化趋势，奥陶系地层以灰岩为主，其电性为高阻反映等等。

7结束语
瞬变电磁法在地球物理勘探方面不失为一种快捷、精细、先进并行之有效的
方法。

其作为勘探地下溶洞、空洞、断层、地裂隙、地下水、有色金属矿、地层
软弱带以及浅层至中深层的地电结构，比其它物探方法能取得更为理想的地质效果，在勘查工作中应推广应用。

参考文献：
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