大地电磁测深方法

大地电磁测深方法（共8篇）

大地电磁测深方法 篇1

大地电磁测深法 (Magnetotelluric, 简称MT) 是20世纪50年代由吉洪诺夫和卡尼尔提出的, 是以天然存在于地球中的呈区域性分布的交变电磁场为场源, 研究地下电性结构的电磁勘探法 (陈乐寿, 王光锷, 1990) [1]。地球天然电磁场具有很大的能量, 可穿透岩石圈, 地下岩矿石的物质组成和结构、孔隙度、含水饱和度、矿化度、温度、部分熔融等都可以影响到地下电性分布, 研究地球内部电性特征, 可为研究地壳深部甚至上地幔结构提供信息[2,3,4,5,6,7,8,9]。

大地电磁测深法在我国的应用十分广泛, 但随着我国经济社会越来越发达, 在大地电磁野外工作中, 人文干扰越来越明显, 在人口稠密地区, 要采集到优质的大地电磁数据变得越来越难, 因此科学的大地电磁测深野外工作对提高数据质量变得越来越重要。

1 MT野外数据采集前的施工设计

在进行MT野外施工之前, 应该根据地质任务的要求进行施工设计, 主要包括:

(1) 收集工区及邻区现有的地质、地球物理资料, 初步建立工区的地层-电性关系模式, 为测点测线设计做参考。

(2) 进行野外踏勘, 了解工区的地形、露头、交通情况及各种干扰噪声源 (如铁路线路、高压输电线、水力发电站、矿山等) 的分布情况。结合构造走向和露头情况, 制作任务书, 确定测线方位和间距、测点距离, 并根据勘探目标的深度和地层电性结构特征, 提出对观测数据最低频、观测时间的要求, 并提出避开电干扰、确保野外观测质量的措施。

2 MT野外采集

2.1 仪器的一致性检验

在实际的野外工作中, 往往不止采用一台仪器进行工作, 因此需要对仪器进行一致性试验以保证数据的可靠性。本文以某次使用加拿大凤凰公司的V5-2000系统为例进行介绍 (仪器操作指南中也对一致性试验也进行了说明) 。

进行仪器一致性试验, 应选择地形开阔、干扰较小的地点, 每台仪器以相同记录格式、相同的布极方式在同一测点布置, 进行数据采集。采集时间应达到设计书要求的野外采集时间 (通常为了压制干扰, 获得丰富的地电信息, 野外工作要求采集时间在20个小时以上) 。一致性试验之后, 收回采集数据, 处理之后得到测点视电阻率曲线及相位曲线形态, 并对曲线进行分析。当不同仪器间视电阻率曲线及相位曲线形态一致, 对应频点的数值接近, 经编辑、插值后几台仪器所处理得到的曲线的均方相对误差较小时, 则表明系统一致性较好, 所采集的数据可以进行统一处理和解释工作[10,11]。

2.2 测站布置

由于MT数据质量与测点所处环境关系很大, 因此, 在施工中允许根据实际情况在一定范围内调整测点位置, 但必须满足规范要求。

在设计野外观测中, 布置测点应考虑到以下几点:

(1) 若研究区地形起伏较大时, 在布置电极时, 电极的高度差应小于极距的10%; (2) 若研究区经济发达, 矿山、民用商用电网分布密集, 则在选择测点时, 测点应远离高压线 (距离高压线500m以上) 、通信信号塔和大功率用电设备; (3) 若研究区人口稠密, 水塘、河湖、道路、村庄星罗棋布, 则在选点时尽量避开以上干扰物。

当设计测点所处环境对十分不适合MT采集, 如干扰极强, 地形起伏较大, 难以满足电极高度差要求时, 可在垂直测点500m到1km范围内重新选择一处较适宜的位置布置测点。

在实际的MT测点布置过程中, 由于各种干扰因素的存在, 造成测点很难严格按照任务书要求等间距布设, 实际测点间距应在600到700m之间。测点的坐标可由手持GPS或其他定位设备确定, 坐标点的误差应小于100m。

选好测点位置后, 要根据场地情况选择采用“十”字型或“L”型布极方式 (如图1) 。在埋设电极和磁棒时, 所有测点均选取正北方向 (由森林罗盘确定) 为X轴, 正东方向为Y轴, 角度误差应确保在0.5°范围内;水平磁棒离测点中心5m以外, X和Y方向的磁棒成正交水平埋入地下, 两根磁棒应处于“十”字型布设的不同象限内, 埋设时, 应避免地面形成土堆 (避免风力影响) , 垂向磁棒长度的三分之一以上埋入地下。视不同场地环境, 电极距应为50m以上到100m不等。出工前, 应选取极化电位差较小且较稳定的不极化陶罐电极, 对同一方向的极罐进行电位测量配对并做好标记, 避免野外埋设时混淆。每一对极差应不大于0.5mv。

连接极罐的传输电缆, 应该选择具有屏蔽特性的传输电缆以免受电磁感应电场干扰。铺设连接电缆时, 电缆应平铺, 并用土压实, 不可形成回路或悬空造成振荡从而产生感应电流影响观测结果。

连好电极之后需测量S、N和W、E的接地电阻, 了解接地是否良好, 同时判断可能的干扰。接地电阻要求小于1kΩ, 当接地电阻大于1kΩ时, 可在电极坑内浇灌盐水、挖深电极坑、清除坑内岩石等措施降来低接地电阻, 直至达到要求。

2.3 布置远参考

MT野外测量的噪声分相关噪声和不相关噪声。为了减小相关噪声的影响, 野外测量中必须要尽量避免自功率谱的影响。为此, 远参考观测方式就成为了压制相关噪声的关键[12]。远参考技术采用远离测点的弱噪声地区的远参考站所测得的磁场分量与观测点磁场分量计算互功率谱, 达到消除自功率谱的目的[13]。

远参考站与测点的距离以及远参考站所处的环境的选择是决定远参考效果的关键因素。根据计算, 当噪声源与测点距离大于5倍趋肤深度δ时, 则认为该噪声源是信号源, 小于5倍趋肤深度时, 应视为噪声信号。因此, 远参考点与观测点的距离达到10倍趋肤深度时, 可认为实际测点和远参考点的干扰信号是不相关的。由趋肤深度δ与勘探深度D的关系, 可知δ=姨2 D, 在远参考点与实际测点的距离14倍于勘探目标层深度时, 满足噪声不相关的条件[14]。远参考点应选在人文电磁干扰少的环境, 远参考点应进行长时间的连续观测, 并与实际测点同步采集MT数据。若距离适当, 远参考点采集的数据质量足够高时, 远参考处理确实可以提高部分数据的中低频部分的数据质量。

2.4 野外数据质量控制

V5-2000系统采集结束后, 应将仪器采集的数据拷贝并保存, 原始数据应该小心保存以备后续使用。每一个测点都应认真、真实地记录野外采集班报, 包括项目名称、点号、仪器类型和编号, 探头编号等等, 并绘出仪器布置图周边地形和可能产生干扰的因素。MT野外班报可在后续处理中为遇到的一些问题提供帮助。

MT资料的干扰可分为观测系统干扰、场源干扰、地质噪声和人文噪声:

(1) 观测系统干扰一般指仪器和观测系统布置不当产生的噪声, 如探头、电缆埋设不合理而造成的干扰, 观测系统干扰一般可通过改善装置消除。

(2) 场源干扰:起源于地球外部的天然电磁场。由于天然电磁场的随机性, 可能存在频率缺失等情况。低频时, 大地电磁场信号能量很弱, 难以观测, 易受干扰。雷雨天气也可能造成干扰。场源干扰难以消除, 研究人员可尝试对大地电磁原理或者仪器进行改进, 或可找到消除的方法。

(3) 地质干扰:指测区地质因素对大地电磁场的影响形成的噪声。当地表存在不均匀体时, 会在不均匀体的边界上或电导率梯度区产生静电荷, 静电荷产生的电场与电磁场源有关, 有效电场相当于未受不均匀体影响的电场乘以某一标量因子, 而磁场却不受影响, 所造成视电阻率曲线整体向上或向下平移, 也就是静位移现象。地质噪声的消除, 可以通过EMAP方法、钻孔资料的对照、阻抗张量的正则分解、小波变换等加以改正。

(4) 人文干扰:人文干扰主要是高压输电线、无线电台、矿山等造成的, 测点布置周围的工农业生产所用的机械、行人等也可造成干扰。在工业发达、人口稠密的地区, 人文干扰普遍存在, 影响比较严重

3 结论

在野外工作中, 根据环境、勘探目的改进MT野外工作方法, 提高原始数据的质量是后续资料处理, 提高勘探成果可信度的基础。合理的布设采集站点, 尽可能地减少干扰因素、设立远参考站、注意仪器工作状态并及时保养, 对每天采集的数据进行预处理, 分析数据质量, 了解影响数据质量的干扰源, 为下一次的采集选取更好的测点位置, 采集到高质量数据做基础, 这些措施都能有效地改进MT野外数据的质量。

大地电磁测深方法 篇2

关键词：可控源音频；大地电磁测深法；金属矿勘探；铁锌矿；深部勘测方法；人工源频率 文献标识码：A

中图分类号：P631 文章编号：1009-2374（2016）18-0153-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.076

1 概述

可控源音频大地电磁测深法，它是一种根据人工源频率进行地球物理深部探测的一种方法。它发展于20世纪50年代，但是自80年代起才开始大面积应用于实际探测中。可控源音频大地电磁测深法自实际应用以来，以其他探测方法无法比拟的优势，在各个领域取得了相当的成就。不管是金属矿、煤炭、石油、天然气的勘探，还是地热、地质、水文的探测，可控源音频大地电磁测深法都能以其强大的勘查功能，完成测探作业。

2 可控源音频大地电磁测深法工作原理与优势

2.1 可控源音频大地电磁测深法探测原理

可控源音频大地电磁测深法克服了大地电磁测深方法等旧有技术的缺点，在矿体勘探中可以从纵向和横向两个方面进行地质辨别，形成准确的勘探结果。

可控源音频大地电磁测深法在勘探作业中，是根据电偶源发射出不同频率的电磁波，然后根据这个不同频率电磁波的反应数据，观测电场响应水平分量振幅以及磁场响应水平分量振幅，然后根据公式计算对应频率的视电阻率和阻抗相位。视电阻率公式如下：

（1）

阻抗相位公式如下：

（2）

式中：Ex表示电场响应水平分量振幅；Hy表示磁场响应水平分量振幅。

根据电磁波传播原理可得其穿透深度即趋肤深度的方程公式：

（3）

然后根据趋肤深度可计算出探测深度：

（4）

2.2 可控源音频大地电磁测深法的应用优势分析

可控源音频大地电磁测深法和传统的音频大地电磁测探法、大地电磁法等，其优点表现为：首先，可控源音频大地电磁测深法对于低阻地质的辨别反应极为灵敏，可快速分辨物理性质，而对于高阻地质，则可以削弱其屏蔽性，快速穿透阻隔层，探查深处地质性质。不管是高阻地质还是低阻地质，可控源音频大地电磁测深法的查找速度均快于普通勘探方法，探测信号强，抗干扰能力高；其次，可控源音频大地电磁测深法垂直方向分辨能力非常好，定位准确度高，对于断层的识别尤其擅长，且地形对可控源音频大地电磁测深法带来的影响性是比较小的，校正也简单，具有非常高的作业效率。

3 可控源音频大地电磁测深法在铁锌矿中的应用

可控源音频大地电磁测深法的应用非常广泛，本次以其在某铁锌矿体勘查中的应用实例进行分析。

3.1 矿区地质概况分析

该矿区内出露岩石主要为变质岩类、花岗岩类以及沉积岩类，铁锌矿主要集中在太古宙花岗绿岩带内，花岗岩化作用对该区域古老变质岩产生了一定的作用，产生了大面积的不同形态的条带状混合岩与钾质、钠质混合花岗岩。矿区岩石为中高级变质岩系，地区地质构造复杂，铁锌矿床主要受花岗绿岩带的岩层以及结构控制，影响铁锌矿成矿的主要因素包括褶皱系、地层以及古火山机构。矿床属于火山喷气-沉积型矿床，铁锌矿的成矿方式为矿液流在海底岩石和海水上沉积块状层逐渐累积成矿。

3.2 矿区地球物理特征

该矿区的岩性主要包括混合岩、角闪片麻岩、黑云斜长片麻岩等，没有矿化之前地层中只含有少量的岩性金属硫化物，甚至有的地层不含硫化物，而矿体、矿化带中硫化物的质量分数显著增加，随着金属硫化物含量的增加，则矿体铁锌含量越高。该矿区的无矿化岩石电阻率超过n×103Ωm，而矿脉电阻率介于n×

10-4～n×10Ωm之间，即无矿化与矿脉的电阻率变化存在明显的差别，因此可以采用可控源音频大地电磁测探法对该矿区的铁锌矿进行探测。

3.3 方法分析

3.3.1 布置测线。由于该矿区植被众多，给矿区测量工作增加了很大的难度，因此采用手持GPS对矿区的四角端点进行定点，根据矿山勘探线的方向，最终确定剖面的方向。基线设置表现为：采用手持GPS沿着基线方向间隔100m进行定点，然后插上小红旗，以此作为基线点，基线方向选定北东62°，矿山地质勘探方向选定333°，在整个矿区总共布置2条基线。在进行剖面测量时，采用手持GPS沿着剖面方向间隔100m进行定点，并采用GPS对中间点进行定向，间隔25m插小红旗，用测绳进行量距，然后间隔100m进行定桩，标注电线号，并将其当作物探观测点。

3.3.2 野外探测与资料整理。野外探测主要采用ANT/6探头、7个不极化电极、GDP32Ⅱ多功能接收机，设置7个通道对6个观测点进行测量，以此获得磁场值与电场值，然后转换成卡尼亚电阻率。在实际探测的过程中，对各探测点的阻抗相位、视电阻率对其层厚度、层电阻率进行反演，然后对地质进行解释。在可控源音频大地电磁测探法反演解释过程中，通常采用一维层状模型与拟二维反演解释方法，第二种方法是基于第一种方法之上，对各测点的数据信息进行反演。采用一维层状模型进行反演，无法克服二维、三维地质环境所取数据信息的复杂地形的影响。因此，该矿区采用带有地形的二维模型反演软件，能够有效地解决上述问题，能够客观、真实地反映该矿区的地下电状况。根据不同深度获得的视电阻率值，绘制该矿区不同深度的视电阻率拟断面图，并根据相关地质资料对地质断面进行解释。通过对该矿区的第42条探线进行实际测量，测得800m标高、1000～1100m标高位置，视电阻率出现异常，仅仅只有525Ωm，在矿山-830m左右探测存在32m厚铁矿，以此判断导致视电阻率降低的原因是铁矿所致。在第55条探线上，-100～-800m标高位置，出现视电阻率小于495Ωm的状况，通过观察该区域的成矿条件与低40条探线类似，因此該区域也是查找铁矿矿的有利区域，并且在该探线上布置了两个实验钻孔，即ZK55-2、ZK55-4。

3.4 结果验证

通过对ZK55-2实验钻孔进行测探，因为受到构造以及地层的影响，钻孔并没有按照既定的异常方向漂浮，因此并没有检测到视电阻率异常的现象。通过对ZK55-4实验钻孔进行测探，表明在标高1126～1156m之间，检测出视电阻率异常的现象，即存在30m厚的工业铁锌矿体。由此可见，钻探结果和可控源音频大地电磁测探法异常推测结果相吻合，即验证了可控源音频大地电磁测探法在金属矿探测中的可行性、准确性以及可靠性。

4 结语

综上所述，将可控源音频大地电磁测探法应用在金属矿查找中，具有设备轻便、分辨率高、探测深度大、准确度高等众多优点。同样，因为可控源音频大地电磁测探法属于频率域卡尼亚电阻率测探法，在找矿的过程中，会有众多因素对岩矿间的电阻率产生影响，在实践应用的过程中，应该充分地考虑地质特征、矿床成因以及围岩电性等，以此提高探测的准确性与可靠性。

参考文献

[1] 柳建新，麻昌英，孙丽影，等.可控源音频大地电磁测深法在地热勘探中的应用[J].工程地球物理学报，2014，11（3）.

[2] 白国龙，赵勇，陈伟，等.可控源音频大地电磁测深法在煤矿勘查中的应用[J].青海大学学报（自然科学版），2015，33（2）.

[3] 张健.可控源音频大地电磁测深法认识与探讨[J].地球，2013，（6）.

[4] 孙博，李桐林，李鹤，等.可控源音频大地电磁测深法勘查深度研究[J].地球物理学进展，2015，30（2）.

[5] 黄敏，张开元.强干扰区可控源音频大地电磁勘探处理研究[J].中国西部科技，2015，14（1）.

[6] 马杰，樊灏，朱金柱.大地电磁测深法EH4在青海门源钼矿的运用[J].云南地质，2014，33（4）.

大地电磁测深方法 篇3

矿产资源是人类可持续发展的重要物质基础。经过几千年的开发利用，地表出露及浅地表矿产资源已面临枯竭。现代工业的巨大需求，促使人们探索越来越深的矿产资源。地球物理勘探方法成为人们勘查隐伏矿产的必要的方法。重力，磁法，地震，电法勘探从不同的物理属性揭示地下可能的经济矿体分布。就电法勘探而言，要探测埋藏较深的矿体，常规传导类方法需要很大的布极尺寸，劳动强度大，工作效率不高，分辨率低。基于电磁感应原理的电磁法成为探测大埋深矿产资源的有效方法[1,2,3,4]。

EH4电导率成像系统是由美国geometrics生产的高频大地电磁观测仪器[5]。通过在地表观测不同频率的天然场源或人工源电磁信号估计出测点下方不同深度的大地电阻率。主要用于地下水，地热，金属矿产及场地工程勘查。装备轻便，工作效率高。但由于天然大地电磁场源有寂静区，在一些频段电磁场强很弱，EH4电导率成像系统采用人工场源来改善数据质量。但大部分情况下，只观测天然场。本文主要论述EH4的数理处理方法，对数据处理结果的图示有一定改善，并提出要获得高质量数据需要注意的几个问题。

1 EH4高频大地电磁测深原理

大地电磁测深原理遵循Maxwell方程。当均匀平面电磁波垂直入射于均匀各向同性大地介质中，电磁场在极化平面上是均匀的，对于谐变电磁场由Maxwell方程组，忽略位移电流，有：

由式(1)可知，在z轴向下为正的右手螺旋直角坐标系中，电磁场分量Ey只与Hx有关，Hy只与Ex有关，都沿z轴传播，物理学中称这种波为线性偏振波。以方向的分量来命名线性偏振波，对于偏振波(Ey, Hx)由式

同理，对于偏振波(Hy, Ex)由式(1)有：

式中为介质的电磁传播波数，ω为电磁信号角频率，σ为介质电导率。

这里要说明的是，这两种线性偏振波的分解是任意的，对坐标轴x, y的方位未作任何限制，如果取y方向沿磁场H的极化方向，Hy=H, Hx=0，必有Ey=E, Ey=0，因而也称这种平面电磁波为TEM波。

由式 (3) , 对于H偏振波 (Hy, Ex) , 有如下解的形式

由边界条件, 当z=∞, Hy=0, Ex=0, 当, 将波数写成复数a-ib, 则有:

对于均匀大地, 式中, 由电磁波在介质中扩散的趋肤深度定义, 平面电磁波在均匀大地中的趋肤深度为:

由式 (1) 和式 (5) , 可得均匀大地的波阻抗

由式 (7) 可知, 在地表观测相互正交的一对电磁场分量 (Ex, Hy) 或 (Ey, Hx) 可估计出大地的波阻抗, 进而得到大地的视电阻率

这种测量方式称为标量测量。对于各向异性介质, 则需要四个场分量Ex, Hy, Ey, Hx同时测量, 由下式可估计大地介质的张量阻抗

进而可计算大地的电阻率张量, 通过坐标旋转得到两个主轴方向的电阻率

通过在地表观测并记录四个场分量Ex, Hy, Ey, Hx的时间序列, 傅立叶变换估计各场分量的自功率密度谱和互功率密度谱, 由下列公式估计波阻抗

式中, E*x表示复共轭, 且

波阻抗是信号频率的函数, 不同频率的电磁波有不同的趋肤深度, 高频趋肤深度浅, 低频趋肤深度大, 因而可得到连续的大地电阻率断面。Stratagem大地电磁观测系统正是基于平面波电磁理论设计的, 频带范围从11.7Hz到100 kHz, 在一个测点只需几分钟到十几分钟时间就可得到几米到1000m左右深度的大地电阻率信息。一般采用张量观测方式。在观测时应按技术要求严格操作, 保证电极有良好的接地, 磁场传感器应尽量减小人为干扰。以确保能获得高质量的观测数据。

2 数据处理流程

EH4观测系统的时间序列是分频段、分块记录的。其高频模式有三个频段，频段一：10Hz～1kHz;频段二：500Hz～3kHz;频段三：750Hz～92kHz。在每个频带，有不同的采样频率，四个场分量的时间序列同时连续记录，分块存贮。在一个数据块中每个场分量记录12288个数据。估计功率谱时将每个分量的12288个样值分三段进行离散傅立叶变换，叠加取平均。采集多少个数据块要根据信号强弱设定，通过叠加平均提高信噪比。EH4自带的imagem处理软件数据处理主要有以下几步：

第一步：由时间序列y文件估计四个信号量的自功率谱和互功率谱，形成功率谱x文件。先对每个频率的电场道自功率谱用系数(1/5f, f为信号频率)归一化处理。将每个频段所有数据块的自功率谱和互功率谱按中心频率叠加平均。

第二步：计算(Ex, Hy)和(Ey, Hx)信号对的相关系数

取相关系数大的频率的功率谱和互功率谱，形成功率谱x文件。

第三步：对第二步的功率谱文件进行校准。用出厂校准的功率谱频率表，电场、磁场传感器标定文件，各信号采集通道标定文件，以及采集过程中各频带的放大倍数，滤波器设置参数对功率谱x文件进行校准。

第四步：用校准的各频率的信号自功率谱和互功率谱，按式(11)计算各频率的阻抗张量。计算各频率的视电阻率。

第五步：对每个测点的不同频率的电阻率值进行Bostick变换，转换为深度电阻率。将连续测量的各测点深度电阻率值进行空间域平滑滤波，得到深度电阻率断面。

但是在测量过程中，大地电磁场在一些频段上场强很弱，再加上不可避免的人文干扰，基于imagem的处理方法的改进是必要的。化希瑞(2008)提出了基于希尔伯特黄变换(HHT)的去噪和功率谱重构方法对EH4的处理结果有很大的改善。王通(2007)则尝试用高阶统计量来重构EH4的功率谱文件[6]。陈庆凯(2005)提出了数据插值和地形改正的方法。本文介绍一种基于有理插值的数据插值方法，对EH4处理结果的图示有一定的改善。

3 有理插值方法及应用

如果已知表列值(x1, f1)， (x2, f2)， (x3, f3)，…(xi, fi)，…(xn, fn)，则可以用一个连分式函数Φ(x)来逼近它[7]，连分式函数Φ(x)的形式为

式中，连分式系数a1, a2, a3，…ai, an-1, an可由表列值的倒差商算法求得，算法见表1:

显然有，Φ(xi)=fi, i=0, 1, 2，…，n，这个算法很容易编程实现，且计算量小。在插值点前后取4～5个节点就够了。本文基于matlab编制了用表列值构建连分式有理插值函数的EH4数据插值程序。

4 实例

应用编制的连分式有理插值程序处理了甘肃某测区EH4观测的一条断面。先用imagem程序处理时间序列，剔除质量不好的时间段，重新估计功率谱，相关系数均选取0.6，二维分析空间滤波系数取0.3，输出处理后的断面电阻率深度数据文件。检查输出的数据文件发现，由于一些频率场值较弱，在所需关心的深度没有电阻率数值，或电阻率数值太稀。

在应用有理插值算法时，在需要数据插值的深度，选择上下5个数据点，构造连分式有理插值函数，输入深度值，可得到该深度的电阻率插值数据。从图1可看出，应用有理插值处理后(见图1b)图像明显要比没有插值(见图1a)的表现的细致。

在插值计算中发现，当数据质量不好，或在深度变化较小的范围内，电阻率差异很大时，插值计算中会有负值出现，这时应对原数据先进行平滑处理，再进行有理插值计算。

5 结束语

EH4大地电磁观测系统已成为深部找矿的有效地球物理方法。通过数据处理及结合地质资料的数据解释，其结果能反映不同地质体的电阻率分布，连续电导率剖面可以直观地提供电性异常在剖面上的形态、规模，为隐伏矿体预测提供必要的信息。但由于天然大地电磁场在一些频段很微弱，且不可避免存在人文干扰，对EH4数据处理方法上的改进是非常有必要的。本论述尝试将连分式有理插值方法应用到EH4大地电磁数据的后处理中，结果表明，通过对电阻率深度数据的有效插值，可以使二维电阻率剖面的显示更细致，以帮助对地质信息的判读。但对于地球物理观测，采集到高质量的数据是第一位的。对于没有质量保证的数据，任何高超的数据处理技术都毫无意义。

参考文献

[1]化希瑞, 汤井田, 朱正国等.EH4系统的数据二次处理技术及应用[J].地球物理学进展, 2008, 23 (4) :1261-1268.

[2]沈远超, 申萍, 刘铁兵等.EH4在危机矿山隐伏金矿体定位预测中的应用研究[J].地球物理学进展, 2008, 23 (1) :559-567.

[3]陈庆凯, 席振铢.EH4电磁成像系统的数据处理过程研究[J].有色矿冶, 2005, 21 (5) :7-9.

[4]王志强, 朱向泰, 李瑞.EH4电导率成像系统在矿产勘查中的应用[J].地质找矿论丛, 2007, 22 (4) :306-310.

[5]Stratagem Operation Manual[OL/B].http://www.geometrics.com.

[6]王通.大地电磁测深信号的高阶谱估计及应用研究[D].中南大学, 2007.

大地电磁测深方法 篇4

1 勘查思路

内蒙古自治区对已发现含煤盆地不同程度的进行了勘查工作, 现阶段已大致查明了各盆地赋煤情况, 并估算了煤炭资源的远景量, 在现阶段勘查程度下进一步提高远景资源量难度很大, 提高勘查程度只会对资源量级别有影响, 而对总量影响不大;这样下一步需要加大对成煤环境条件复杂地区和受构造影响的沉积等地区的工作力度。

1.1 推覆体下、火山岩下赋煤盆地

这一类型含煤建造在我国的福建连城县及吉林省长白山地区已得到验证, 内蒙古自治区东部有着相似的构造条件。

1.2 构造断陷盆地

晚侏罗世晚期至早白垩世, 内蒙古东北部出现构造活跃期, 较多地堑、半地堑式断陷盆地在此期间形, 它们是伸展作用下的产物。煤层格架就此形成, 同时构成了盆地充填序列。断线盆地的形成和演化, 控制着煤层的展布方向、横向分带和纵向分区、煤层旋回结构及煤变质程度。

1.3 老矿区的深部找煤

已开发矿区深部仍然可能具有煤炭资源开发潜力, 应对老矿区深部开展找煤勘探工作以实现资源可持续开发, 应在以往勘探资料分析研究的基础上, 结合矿井实际开采资料, 对老矿区深部开展进一步的勘查工作。

在这样工作的背景下, 以往仅靠重力资料寻找赋煤区域的方法已不再有优势, 尤其对构造复杂区和老矿区深部赋煤情况较难了解, 而地震勘探成本又太高, 不宜大面积开展工作;在这样的工作背景下, 可控源音频大地电磁测深法 (CSAMT) 作为一种成熟的电磁勘查手段恰好可以弥补这一空缺。

可控源音频大地电磁测深法 (CSAMT) 作为资源勘查的新技术, 在构造复杂地区、地形变化较大的山区及目标层较深的勘查区, 该方法有不可替代的优势, 它的优点主要表现在工作效率高、勘探深度大、垂直及水平分辨能力高、受高阻屏蔽作用小等优点。

可控源音频大地电磁测深法用于煤炭勘查时可以解决煤系地层赋存范围及深度的问题, 利用煤系地层与上下接触地层及煤层与顶底板之间的物性差异, 能够分析判定煤层赋存范围及大致深度。该方法对在火成岩下、推覆地层下、红层下赋煤情况勘查效果显著, 常规的直流电法勘探遇到高阻层时会与浅层低阻层并联, 直接导致电流通过低阻层形成回路, 很难将高阻层信息返回地面, 同时直流电法测深有效测量深度较小, 一般在500m以浅;而采用大地电磁测深可以解决这一问题, 该方法是通过电磁感应机理测量深部地层物性参数的。

在其他勘查手段难以取得较好效果的情况下, 利用可控源音频大地电磁测深法 (CSAMT) 可有效的反映纵向物性剖面, 该工作方法已经在吉林长白山地区、福建连城地区火山岩下找煤取得了较好的成果。可以借鉴这些地区的工作方法, 火成岩下赋煤、推覆地层下含煤情况在物探模型中是不受地质年代影响的, 也就是说上述两地区地层物性上与兴安盟地区火山岩下找煤在电性物理模型上是视相似的, 我们可以考虑应用该方法解决我们的问题。

2 可控源音频大地电磁测深法

可控源大地电磁简称CSAMT法[1], 在二十世纪80年代我国开始研究并在地质勘探期间应用, 该方法具有较大勘探深度和分辨率, 利用该方法在能源、矿产及地下水的研究中应用广泛。

该方法的理论基础是基于电磁波传播和麦克斯韦方程组利用公式表达为:

式中f代表频率, 地下介质视电阻率ρs等于电场Ex与磁场Hy比值。

由上式可知, 只要地面能观察到正交的水平电磁场 (Ex, Hy) 就可获得地下的卡尼亚电阻率ρs。

根据电磁波的趋肤效应理论, 导出了趋肤深度的表达式:

由趋肤深度表达式可见, 要解决的岩浆岩或推覆体下煤系地层正是高阻-低阻的层状物性层, 可以考虑用这一方法来解决实际问题。

内蒙古自治区含煤时期主要为侏罗纪及白垩纪, 局部地区石炭纪地层含煤, 兴安盟地区是内蒙古自治区少数缺煤的盟市, 由于其特殊的地质环境, 成煤条件较差, 且受构造及岩浆热液多期次侵入等因素影响, 在煤炭勘查方面一直没有明显的突破, CSMAT法可以帮助确定煤系地层赋存范围及大致确定赋存深度, 为煤炭勘查选区提供依据。

3 可控源音频大地电磁测深法应用

兴安盟地区区域出露地层由老到新地层有上元古界变质混合岩;早寒武系碳酸岩, 夹少量的碎屑岩;石炭系地层主要岩性为沉积碎屑岩、碳酸岩;二叠系主要岩性为泥质粉砂岩、细粉砂岩, 侏罗系主要岩性为凝灰质砂岩, 粉砂岩, 炭质泥岩, 是主要的含煤地层, 白垩系主要岩性为粉砂岩、细砂岩, 第三系主要岩性为黑色致密状安山玄武岩、沙砾岩;第四系冲洪积局部覆盖。

据牤牛海工作资料及经验, 中侏罗统煤系含煤段岩石基本为砂岩, 泥岩, 电阻率值较低, 与围岩电阻率有明显差异, 具体岩性物性特征见表1。

通过物性参数可以把该区地层岩性按电阻率大致分为高、中、中低和低阻四类, 高阻地层岩性为上元古界、华力西期、燕山期的侵入岩, 其视电阻率大于2000Ω·m, 中高阻地层电阻率在500~1000+Ω·m之间, 岩性为石炭系的碳酸盐岩及第三系的玄武岩, 中低阻地层为侏罗系煤层电阻率一般在200~610Ω·m, 低阻地层为侏罗系泥岩及泥质粉砂岩。按地层层序和火山岩物性特征, 电阻率断面可以明显区分, 该区域主要成煤时期是在燕山期火山间歇期, 沉积岩和火山岩电性差异明显, 应用可控源大地电磁法CSMAT可较好的确定火山岩覆盖下的煤系地层, 在沉积地层尽可能利用煤层与顶底板的物性差异进行划分。这一方法可以在煤炭勘查选区及预查阶段提供有利信息, 很大程度缩小找煤靶区。

4 存在问题

大地电磁测深已经是一种较为成熟的方法技术, 该方法在实践中不断完善, 但仍有部分技术问题有待解决。如该方法的抗干扰能力较弱, 特别是在矿区和经济发达区受到工业用电干扰很难控制数据质量。为了提高大地电磁的应用效果, 需要研究强干扰等特殊地区的数据采集方法技术及特殊处理技术。通过在实验区的大地电磁观测实验, 研究适用于不同地质条件及干扰水平地区的大地电磁数据采集方法技术以及精细处理与反演方法以及大地电磁探测与地震探测的集成与约束反演方法, 将推动大地电磁探测方法的技术进步[2], 提高大地电磁的应用效果, 为获取地下不同深度的准确的电性结构分布以及进行壳幔结构特征研究提供技术支撑。

在技术角度讲即使没有外界干扰, 同样也是存在的如有场源效应、进场效应、静电效应及测量电阻率参数单一等因素增加了解释难度, 这也说明任何一种物探方法都有使用条件, 只有因地制宜选择最有效的方法, 结合地质资料综合解释, 才是最可靠最现实的。

5 结论

针对内蒙古自治区下一步煤炭勘查方向, 可控源大地电磁法 (CSMAT) 可以帮助解决构造复杂区和老矿山深部找煤的问题。

摘要：内蒙古自治区是煤炭大省, 煤炭储量全国第一, 现已勘查含煤盆地103个, 煤炭资源远景含量13000亿吨, 累计探明资源量8080.65亿吨, 以往工作主要集中在已发现盆地及矿区;进一步提高资源量有待于新的含煤盆地的发现和深部资源量提高, 可控源音频大地电磁CSAMT作为一种成熟的勘查手段在调查选区及确定煤系地层赋存范围过程中有着不可替代的作用。

关键词：煤炭,火山岩,构造,可控源音频大地电磁

参考文献

[1]王赟, 杨德义.CSAMT法基本理论及在工程中的应用[J].煤炭学报, 2002, 4.

大地电磁测深方法 篇5

音频大地电磁测深法 (AMT) 勘测精度高, 仪器轻便, 费用低, 所以在工程建设中应用广泛。在隧道工程的应用中, AMT结合地质资料能够一定程度上探测并判段出断层破碎带宽度及产状 (视倾角) , 软弱带及富水带的埋深和规模, 主要地层岩性界线和判释隧道洞身高程范围内的资料等, 为隧道设计提供基础资料, 所以一直以来在隧道工程的应用中十分广泛[1,2]。本文主要讲述音频大地电磁在某隧道的实际应用。

1 测区地质概况

1.1 地质概况

测区位于扬子准台地构造单元内, 较大面积出露了下元古界变质岩基底岩系, 上部有白垩系上统巨厚红色盖层沉积。隧区经历了晋宁、华力西、燕山、喜山各期运动, 除晋宁期及燕山期属褶皱运动外, 其他各期均为升降运动。区内褶皱、断层发育, 岩浆活动频繁, 基底变质岩岩系内构造线以近东西向-北东向为主;红色盖层构造线以北北东向及北北西向为主, 高角度的正、逆断层发育。测区出露地层为:上覆第四系全新统冲洪积层、坡残积层、坡崩积层、泥石流堆积层、滑坡堆积层, 局部残留第四系更新统圆砾土层;下伏地层白垩系上统赵家店组下段、白垩系上统江底河组第4段、白垩系上统江底河组第3段;下元古界上昆阳群第4段、下元古界上昆阳群第3段, 下元古界上昆阳群变质岩地层中常穿插有不明期次的辉长岩、辉绿岩、花岗岩侵入体。

1.2 地球物理特征

AMT法是以电阻率的差异来区分岩性及构造体并依据电阻率阻值大小及在地下的展布形态来识别地下地质体的空间分布和性质的一种物探方法。影响电阻率的主要因素有岩矿物成分、岩性、岩石的结构、构造及含水情况等。根据经验统计和本区地球物理的反演结果分析, 得出各地层的电阻率值 (见表1) [3]。由表1可知, 各地质体之间存在一定的电性差异, 因此工区具备开展AMT法的地球物理勘探前提条件。

2 方法技术

2.1 音频大地电磁测深法基本原理

通常所指的“电磁测深”, 即是指电磁感应类的电阻率测深, 是建立在法拉第电磁感应定律基础上的一类电法勘探方法。AMT以天然的交变电磁场为场源, 当交变电磁场以波的形式在地下介质中传播时, 由于电磁感应作用, 地面电磁场的观测值将包含有地下介质电阻率分布信息。并且, 由于电磁场的集肤效应, 不同周期的电磁场信号具有不同的穿透深度。所以研究大地对天然磁场的频率响应, 可获得地下不同深度介质电阻率分布信息[4]。

Cagniard论证了当场源为垂直入射的平面波, 大地介质为水平层状分布时的相应大地电磁的解, 即得到了一维模型阻抗和视电阻率的理论响应:ρT=0.2T|Z|2

在实践中, 就是观测不同频率的大地电磁场分量, 随着频率的变化, 反映了不同深度范围的电阻率信息, 给出地下介质电阻率随深度变化的规律。将观测资料与不同模型得理论响应做出对比和修改, 可以得到与实测资料反映的地下真实模型某种意义上最接近的解释模型[5]。

2.2 野外施工方法

按照相关的技术要求, 在该隧道的中线里程 (K07+035~K18+380) 段沿中线布置一条测线, 测点点距为20m。使用加拿大凤凰公司生产的网络化多功能V8型大地电磁仪和其配套的RXU-3ER辅助接收盒子一起采集数据。

在施测中, 观测频率范围为1.25~10400Hz。四个电极测量, 即两个电极组成一对电偶极子MN (长度20m) , 其中, 通过测量测线同向的MN电位差并计算得到电场水平分量Ex;测量垂直测线的MN电位差并计算得到另一电场水平分量Ey。V8接收机放在两组电偶极子的中心;磁探头与V8接收机距离大于5m, Hx磁探头和Hy磁探头相互垂直。电极布极方式主要为“+”字形, 在地形条件较差情况下, 部分测点采用了“T”形的布极方式。图1为AMT法的野外主机和盒子工作布置示意图。

3 资料处理

AMT法资料处理分为两部分, 即野外资料预处理部分和资料后续处理部分。

3.1 数据预处理

将原始数据, 即各场量的时间序列数据转换为频率域测深曲线 (即各个频率上的视电率和阻抗相位) 数据。为了获得更高质量的资料处理结果, 在室内对每个AMT测点的时间序列原始数据进行了再处理, 并采用时间序列的交叠、人工选择时间序列、自适应相干度门坎值选择及Robust处理等多种方法技术, 突出有用信号, 抑制干扰, 提高资料的信噪比[6]。

3.2 资料处理

预处理后, 采用MTSoft 2D系列软件进行资料后续处理, 在处理过程中, 首先对数据进行飞值剔除、去噪、静态校正、空间滤波等处理, 然后进行一维及二维反演作定量解释, 再结合已知的地质资料进行综合解释。最后根据不同地层岩性的有不同电性特征, 对得到的电阻率空间分布予以地质涵义, 给出地质断面[7]。

4 应用效果

图2和图4是该隧道的电阻率反演断面图, 图3和图5为综合解释断面图。图2中的 (1) 号段包括K07+550~K07+820段, (2) 号段包括K08+600~K09+000段, (3) 号段包括K10+905~K11+052段, (4) 号包括K10+900~K11+060段;图4中的 (5) 号包括K13+747~K13+835段。

4.1 异常划分原则

根据电阻率断面图中背景值的大小、低阻异常的形态、低阻异常值及其与背景值的差异等, 并结合实际地段所对应的地层岩性, 对地层分界线、断层、岩溶及岩体的破碎、软弱或含水情况进行判释。

根据上述资料分析并结合地质资料得出解释原则如下:

(1) 根据值大小, 并考虑地层岩性等因素, 将低阻异常大致分为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ四类:Ⅱ类异常值大于3500Ω·m且分布均匀的高阻区域为较完整岩体;Ⅲ类异常值1500~3500Ω·m, 为较破碎岩体;Ⅳ类异常值100~1500Ω·m, 为破碎、软弱或含水岩体;Ⅴ类异常值小于40Ω·m, 为极破碎、极软弱或富水岩体。

(2) 依据等断面图上低阻异常的等值线密集处 (梯度变化最大处) 确定异常的边界[3]。

4.2 电阻率断面图分析

图2中 (3) 号段、图4中的 (5) 号段, 电阻率低或极低, 为条带状反映, 并且附近反演电阻率梯度值大, 分别为推断为F1和F2断层。其中F2断层与地质推断的逆断层位置大致相同, 断层宽度为50m左右。

K07+035~K08+660为隧道进口段, 进口山体坡度约50°, 植被茂密, 除零星崩积块石外, 基岩出露较好, 为大理岩、千枚状大理岩夹千枚岩, 围岩条件总体较好。节理很发育, 一般3~5组以上, 其中E-W/67°N、N70°W/42°NE两组节理倾向线路小里程方向的视倾角40~65°, 隧顶进口仰坡施工开挖对山体稳定性影响较大, 建议采取加固措施。线路右侧20m和左侧110m为巨型崩塌体, 崩塌后壁明显, 坡麓堆积厚度10~30m, 桥隧工程位于两崩塌体之间相对稳定的陡坡。鉴于线路左右均已发生崩塌灾害, 因此民太隧道进口段需做预加固处理。K08+660~K13+660段岩性主要为灰黑色, 千枚状构造, 薄-中厚层状千枚岩, 岩质较坚硬, 节理发育, 多充填方解石脉, 局部可能受区域构造作用存在挤压破碎现象。该段为海资哨向斜, 向斜核部 (4) 号段物探揭示为异常低阻带, 围岩潮湿~浸润状, 局部可能小股状渗水, 为含盐岩泥岩段地层, 围岩条件较差。K13+660~K18+380段含盐岩地层为软质岩, 地层总体缓倾, 原生及构造小褶曲发育, 岩体较破碎, 开挖后拱顶易坍方, 应加强初期支护、衬砌。K18+380为隧道出口处, 出口老泥石流堆积土层厚且土石界面较陡, 岩层电阻率低。其中图2中 (1) 、 (2) 号段和K11+400~K13+100段的视电阻率极低, 为富水区域;因此, 在隧道施工行进过程中, 应当做好超前预报工作。隧区破碎带富水性强, 对隧道工程影响较大, 建设加强支护及地下水封堵措施。隧道进口山体存在不利节理结构面及危岩落石, 开挖施工前应对进口段采取加固措施, 并对危岩落石进行整治。总体而言, 该隧道工程地质条件较差。

5 结论与建议

(1) F1断层为物探新推测的断层, 建议在隧道设计和施工中, 对于断层位置注意加强防护, 预防地质灾害的发生。 (2) 软弱、破碎或含水岩体。隧道洞身围岩大部分位于Ⅱ~Ⅳ区域。其中的Ⅴ类异常区为极软弱、极破碎或富水岩体, 提请施工中注意预防涌水、突泥和塌方。 (3) 运用音频大地电磁法 (AMT) 地球物理勘探和带地形二维非线性共轭梯度 (NLCG) 反演, 对电阻率异常进行分类, 结合地质资料对勘探区岩体完整性进行评估, 取得良好的效果。

摘要：本文主要讲述了音频大地电磁测深在某隧道的实际应用, 从野外的施工到室内的数据处理和资料成图解释。依据音频大地电磁法 (AMT) 的带地形二维非线性共轭梯度 (NLCG) 反演结果, 把电阻率异常分为Ⅴ类、Ⅳ类、Ⅲ类及Ⅱ类, 分别对应极破碎岩体 (Ⅴ级围岩) 、破碎岩体 (Ⅳ级围岩) 、较破碎岩体 (Ⅲ级围岩) 和完整岩体 (Ⅱ级围岩) 。结合围岩分级结果, 查明了隧道洞深附近岩性、断层破碎带及岩溶位置, 对岩体完整性进行了评估。

关键词：音频大地电磁,隧道,电阻率异常,围岩分级

参考文献

[1]赵国泽, 陈小斌, 汤吉.中国地球电磁法新进展和发展趋势[J].地球物理学进展, 2007 (04) .

[2]高利华.大地电磁测深在北天山前缘油气勘探中的应用[J].石油物探, 2006 (04) .

大地电磁测深方法 篇6

本次勘查主要任务是查清预测区含煤地层赋存情况。

1 勘查区概况

1.1 位置及范围

预测区位于吉林省东南部山区, 行政区隶属长白朝鲜族自治县所辖。预测区位于白山市72°方位, 直距183 km处, 位于临江市70°方位直距133 km处, 位于长白县280°方位直距6 km处。

工作区范围:南西以煤系露头, 北东到勘查边界, 西以十三道沟, 南东到十九道沟, 东西长41km, 南北宽平均9 km, 勘查区面积331.17 km2。本次勘查在预测区西侧十三道沟范围内。

1.2 工作量

此次电磁法勘查工作剖面总长度7.5 km, 点距50 m, 共150个物理点, 其中检查点8个, 25-1孔旁测深400 m。

1.3 地层区划及物性

预测区内出露的地层由老至新主要有中元古界临江组 (Pt2l) ;下古生界奥陶系中统马家沟组 (O2m) , 上古生界石炭系中统本溪组 (C2b) , 上统太原组 (C3t) 二迭系下统山西组 (P1s) ;中生界侏罗系中上统长白组 (J2-3ch) , 新生界第三系中新统马鞍山村组 (N2m) , 上新统船底山玄武岩βN;第四系全新统 (Q) 。

1.3.1 侏罗系中上统长白组 (J2-3ch)

本组下部为灰绿~暗紫色安山岩, 安山质集块熔岩, 夹晶屑凝灰岩及凝灰质砂岩。

中部为灰绿~灰紫色安山质火山角砾岩;安山质集块岩。

上部为灰绿, 灰紫色晶屑、岩屑凝灰岩、灰黑色页岩、粉砂岩和泥岩。

产:Nicssnia Sp;Maraffiopsis Sp;与上覆地层马鞍山村组为不整合接触。

本组地层厚度550 m。

1.3.2 新生界

a) 第三系中新统马鞍山村组 (N2m) 。该组地层在勘查区内主要分布在十八道沟和沿江村以北一带, 分布标高一般都在710 m~800 m之间, 为湖泊碎屑~化学沉积。上部为未固结~半固结的灰黄色细砂岩及粉砂岩, 灰白色粘土岩及页岩, 硅藻土。其中硅藻土是本组的标志层。下部为灰绿色~黄绿色砂砾岩、细砂岩、粘土岩, 局部夹橄榄玄武岩及褐铁矿层, 砾石成份有千枚岩、石英岩、火山岩等, 胶结疏松。与上覆地层为不整合接触。本组地层厚度为25.62 m~145.07 m, 平均厚度为98.48 m;

b) 第三系上新统船底山玄武岩 (βN) 。该玄武岩主要分布勘查区内1~25勘查线之间, 分布标高大部是800 m以上, 形成玄武岩台地, 岩石柱状节理发育。岩性主要为灰~深灰色玄武岩、橄榄玄武岩。层间夹有赤紫色凝灰岩和角砾岩, 与上覆地层为不整合接触。本层厚度大于42.35 m;

c) 第四系全新统冲积层 (Q) 。主要为河床堆积物, 以砂砾层和砂质亚粘土层。分布在河谷蛇曲地带。厚度8 m~30 m。平均厚度12.50 m。

2 施工方法及技术要求

可控源音频大地电磁法具有勘探深度大、横向分辨率高、穿透低阻层及抗干扰能力强等优点。此次勘探选用的方法是可控源音频大地电磁测深 (CSAMT) , 其频率范围10 000 Hz~1 Hz, 该方法的特点是能达到深部找矿的目的。

可控源的音频大地电磁测深 (CSAMT) 就是带源的大地电磁测深 (AMT) , 对横向构造有较好的分辨能力, 抗干扰强、效率高、探测深度大 (其探测深度的估算要视其可解释的最低频率决定) 、连续剖面观测, 可用于研究基底起伏和构造形态、产状及断裂展布、判断岩层产状及厚度。能解决的地球物理问题CSAMT一般能取得较高质量的TM模式数据, 目前V8的CSAMT一般观测10 000 Hz到1 Hz的频率范围, 所以其理论勘探深度大约在2 km左右。用到的发射机发射电流有9个档位, 从低频到高频, 低频更有利于探深。用到的设备除V8主机外, 还有TXU-30, RXU-TMR等附属设备, 还有AMTC-30磁棒高频探头 (短的) AMTC-50磁棒低频探头 (长的) 。点距50 m。

3 施工设计

测区初步设计1条测线剖面总长度7.5 km, 点距40 m, 共188个物理点, 其中检查点8个, 根据本次目的层的勘探深度、测区背景视电阻率计算出本次观测的最低频率, 从而决定本次观测时间为50 min。电法工程布置图见图1。

4 层位标定及解释

从反演处理的25-1孔旁测深视电阻率剖面图及十三道沟视电阻率剖面图上看出, 出现相对低阻层位与已知资料相结合, 进行层位标定。确定各电性层对应的地质时代。

25-1孔旁视电阻率剖面及钻孔柱状对比图见图2。

从以上对比图上分析结果如下:最上边一层相对高阻, 基本反应了第四系地层及玄武岩盖层, 厚度小于200 m, 中间一层为低阻层基本为侏罗系中统长白组的地层, 200 m~1 500 m从上到下为侏罗系长白组 (J2-3ch) 下二迭系山西组 (P1s) 上石炭系太原组 (C3t) 中石炭系本溪组 (C2b) , 1 500 m以下为中奥陶系马家沟组 (O2m) 。

区内做了1条物探测线, 从A-A'视电阻率剖面图上看, 由于断面内电阻率纵向分层特征非常明显, 根据电阻率分布情况及曲线特征层位分界线很明显, 测区没有太多的钻孔资料, 通过全区地层的追踪对比, 对比25-1钻孔柱状, 视电阻率断面图很好地揭示了新近系玄武岩盖层, 盖层厚度小于200 m, 200 m~1 500 m从上到下为侏罗系长白组 (J2-3ch) 下二迭系山西组 (P1s) 上石炭系太原组 (C3t) 中石炭系本溪组 (C2b) , 1 500 m以下为中奥陶系马家沟组 (O2m) , 见图3, A-A'视电阻率剖面图。

5 结语

a) 视电阻率剖面图反应500 m~1 000 m之间存在低阻层, 推断可能是侏罗系长白组 (J2-3ch) ;二迭系下统山西组 (P1s) ;石炭系太原组 (C3t) 。结合25-1孔旁测深视电阻率曲线分析得出如下结论:用CSAMT方法测得的该区视电阻率曲线较好地反应了地层的分层情况, 最上边一层为玄武岩盖层, 中间一层低阻层为中石炭系本溪组以上地层, 从深度反应看包含了二迭系下统山西组 (P1s) ;石炭系太原组 (C3t) 等含煤系地层。最下边一层高阻层位基位可以确定为奥陶系马家沟组的灰岩;

b) 综合全区已知地质资料结合实测视电阻率剖面图以及25-1孔旁测深视电阻率对比分析给出下一步工作建议:根据可控源音频大地电磁测深结果基本确定了该含煤地层的层位及深度, 对该区有必要进行下一步勘探工作, 建议孔位如A-A'视电阻率剖面图所示;

大地电磁测深方法 篇7

关键词：音频大地电磁测深法,Bostick反演,地质推断解释

随着我国国民经济的快速发展, 城市扩大, 人口流动加快, 交通运力矛盾日益突出, 国家加大了铁路工程建设的力度, 而隧道工程作为铁路工程的基础项目越来越多。如隧道穿越崇山峻岭, 其施工前期的地质勘察难度增大。钻探作为勘察手段有一定的局限性, 而音频大地电磁测深法在隧道工程的应用不失为一种较好的勘探方法。本文就大瑞 (即云南大理到瑞丽) 线高黎贡山隧道中音频大地电磁测深法的应用谈一点自己的体会。

1 基本工作原理和工作方法

1.1 基本原理

假定大地电磁场为一种平面波, 沿铅垂方向射入地下, 引起水平电场分量E及垂直于E的水平磁场分量H的变化, 其变化量的比值为阻抗, 随频率的变化而变化。由于大地是导电的, 电磁波透入时会产生涡旋电流而消耗能量, 振幅值将不断减小, 若定义其幅度为地表的1/e倍时, 穿透深度δ为:

其中, δ为穿透深度;ω为电磁波的角频率;σ为地下介质的电导率;μ为磁导率。由此得到穿透深度随频率而变化。

1.2 工作装置与频段选择

音频大地电磁测量通常采用天然场源, 也可以采用天然场源和人工场源相结合的方式。在野外测量时, 连续电导率剖面仪信号观测分三个不同的频段进行:Ⅰ频段:10 Hz~1 k Hz。Ⅱ频段:500 Hz~3 k Hz。Ⅲ频段:750 Hz~100 k Hz。

具体频段的选择要结合工作区地质情况和地质任务, 在野外测量时根据实测电磁场振幅、相位、相干度信息及一维反演结果来确定。

根据往年经验和本项目地质任务, 本次测量选用Ⅰ, Ⅲ频段 (即低频段和高频段) , 单点测深张量测量、十字布极方式 (见图1) 。低频段采集天然场源信号, 高频段采集人工发射场源信号。

野外测量时电场信号接收偶极采用带有电传感器的不锈钢电极, 接收偶极距40 m, 磁场信号采用BF-6高灵敏度磁探头接收, 使用连续电导率剖面仪进行数据接收和存储。水平方向的两对电极及两根磁探头以测点为中心对称敷设, 其中Ex, Hx与测线方向一致, Ey, Hy与测线方向垂直, 方位偏差应不大于3°。

1.3 数据处理及反演

1) 预处理。

音频大地电磁测量数据预处理包括实时处理和室内编辑两个阶段。

a.实时处理。为保障原始数据质量, 连续电导率剖面仪装配了实时处理软件, 在每一个测点数据采集完成后, 系统自动将采集的时间序列数据进行傅立叶变换, 获得电场和磁场虚实分量, 直观地显示出电阻率曲线形态、圆滑程度和连续性。

实时处理是在野外采集数据过程中, 由控制程序自动完成的, 其处理流程见图2。

在数据采集过程中, 仪器操作员随时观察显示屏各道曲线形态, 如遇信号不稳定、数据离差较大时可适当增加叠加次数压制噪声干扰, 同时在记录表上详细记录电磁干扰所在的位置、时刻、所处频点等内容, 在室内编辑处理时参照野外记录将其剔除。如果某一测点测量时噪声干扰过多, 需重新采集。

b.室内编辑处理。在数据采集过程中, 由于静电、磁棒稳定性、突发性电磁干扰等原因, 采集的数据往往会存在一些明显的噪声。含有噪声的数据参加计算会影响所求取的张量阻抗的准确性, 最终使反演计算结果出现假的异常信息。室内编辑处理就是剔除噪声干扰、重新计算阻抗张量的过程, 主要包括以下几方面工作:对照野外记录, 检查数据文件与原始记录的各种参数是否一致;重新回放原始数据记录的时间序列, 根据野外记录表删除噪声干扰数据块;根据筛选后的时间序列重新对各个测点进行功率谱及阻抗张量计算, 并保存更新结果;编制视电阻率、阻抗相位原始数据断面图, 初步分析工作区内的电性分布特征, 同时评价原始数据质量;对少数噪声干扰即使从时间序列进行处理后, 重新计算的视电阻率和相位曲线也可能不连续, 有单个或多个“飞点”出现, 即曲线不光滑、出现非正常的跳跃, 有的甚至还造成曲线形态的改变, 在相邻测线相同位置不具有可比性, 数据处理过程中将这类“飞点”予以剔除。

2) 反演处理。

反演处理是经过时间序列数据预处理后, 对得到的视电阻率和相位数据进行反演处理, 探测观测区域不同深度上介质的导电性结构, 并结合已有的物性资料, 确定电性分布与地层 (或岩体) 的对应关系来恢复所测剖面的地电结构, 进而通过反演电阻率断面图反映深部地质构造特征的过程。

本次数据反演处理采用Bostick法。Bostick反演方法在音频大地电磁测深数据资料处理中应用广泛, 它选择预处理后的数据, 通过计算将频率—电阻率数据变换为深度—电阻率数据;再通过高程转换程序, 将深度—电阻率数据转换为高程—电阻率数据, 通过Surfer8.0绘图软件进行网格化处理, 最终生成反演电阻率断面图。

2 应用实例

1) 云南高黎贡山隧道CK224+000~CK225+000里程段地质概况。高黎贡山隧道属构造剥蚀深切割高山峡谷地貌, 穿越燕山期侵入之花岗岩地层, CK224+700附近发育勐冒街断层, 受构造影响区内岩体较为破碎、富水、节理裂隙较发育。测区以丘陵山地为主, 高差几十米, 沟壑发育, 切割较深, 植被发育, 多为野生灌木林, 施工条件较差。

2) 剖面线布设。云南高黎贡山隧道CK224+000~CK225+000里程段测线布设于铁路设计线上, 测点间距为20 m, 使用测量标定的里程桩号, 准点准位测量, 目的是查明围岩的风化、破碎、富水和断层等不良地质情况。

EH4在野外实际测量时, 通过观察时间域信号中的Ex, Ey, Hx, Hy, 以规范要求1/2幅值为基准, 判别干扰, 及时调设参数, 提高信噪比。然后通过付氏变换, 将时间域信号转换成频率域信号, 观察显示的一维电阻率曲线、相位曲线和相干度曲线, 来监控数据质量。

3) 大瑞 (即云南大理到瑞丽) 线高黎贡山隧道CK224+000~CK225+000里程段反演电阻率断面图及地质推断解释见图3, 图4。

从高黎贡山隧道CK224+000~CK225+000里程段反演电阻率断面图上可以清晰地看到:纵观整体, 电阻率表现的特征呈表层低、中部高、深部低分布, 其中在构造处电性差异表现的尤为明显, 说明构造发育较好, 并且影响范围较大。

地表电阻率值较低, 总体ρ≤200Ω·m, 推断为第四系覆盖层, 是强风化破碎岩体或者岩体含地表水。在隧道洞身CK224+000~CK224+032里程段, 电阻率呈较高阻特征反映, ρ≥600Ω·m, 结合已知地质资料, 推断岩性为燕山期侵入花岗岩, 隧道洞身处于断层F1的边缘, 受到一定的影响, 推测为Ⅱ类岩体, 较破碎或微含水。洞身CK224+032~CK224+754里程段, 电阻率与两侧围岩相比呈较低阻和低阻特征反映, ρ≤500Ω·m, 尤其在CK224+700处的电阻率值更低, 推断为断裂F1, 与地质上的勐冒街断层吻合。由于此区段受构造F1影响, 推测为Ⅰ类强风化岩体, 破碎或较破碎, 节理裂隙较发育, 为富水或含水的断层角砾。在CK224+360~CK224+660段, 电阻率ρ≤300Ω·m, 为破碎重点区;洞身CK224+754~CK224+932, 电阻率值呈略高于500Ω·m反映, 推测可能还是受构造F1的影响, 岩体较破碎、微含水;洞身CK224+932~CK225+000, 电阻率反映值:500Ω·m≥ρ≥300Ω·m, 与周围岩性相比呈较高阻特征反映, 依然受到断裂F1影响, 推断为Ⅱ类微风化岩体, 可能破碎或含水。

通过该段音频大地电磁测深, 对数据资料的分析, 垂直勘测线方向发育一条较大的断裂, 在电阻率断面图上有较好的低阻特征反映, 与地质上的勐冒街断层对应, 断裂延伸与隧道线相交, 影响范围较大。

后沿大瑞 (即云南大理到瑞丽) 线高黎贡山隧道CK224+000~CK225+000里程段布置钻孔验证, 钻孔结果表明, 该段音频大地电磁测深的地质资料解释与实际钻探成果基本相符。

3 结语

音频大地电磁测深法相比其他勘察方法具有仪器轻便、勘测精度较高、费用较低、工期短的特点。相信在不久的将来, 大地音频电磁测深法必将在工程地质领域发挥更重要的、不可替代的作用。但是也要看到音频大地电磁测深法在某些地质解释的多解性, 工作中应尽量采用多种勘察手段, 使数据解释更接近实际情况。

参考文献

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[5]陈乐寿, 芏光谔.大地电磁删探法[M].北京:地质出版社, 1990.

[6]常士骠, 张苏民.工程地质手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 2007.

[7]孔思丽.工程地质[M].重庆:重庆大学出版社, 2001.

大地电磁测深方法 篇8

在采集MT数据时, 一般根据仪器的数量及施工需求实现对仪器的布设, 即可用单台仪器进行滚动式观测, 也可用多台仪器进行排列式观测。在每个测点, 仪器一般采集地面上相互正交的两个电场分量Ex、Ey, 相互正交的两个磁场分量Hx、Hy以及一个垂直方向的磁场分量Hz。由于电磁场信号为微弱信号, 仪器工作时, 各测量信号容易受到各种噪音干扰, 且可能是相同噪音干扰。当用多台仪器进行工作时, 若仪器之间的距离选择合适, 则它们既可能避开相同噪音影响, 保证噪音不相关, 又由于磁场较少受到地表电性不均匀影响, 保证磁场信号间有相关性。此时, 若用另外一台仪器采集的磁场信号代替本仪器采集的磁场信号, 则可消除不相关噪音的影响［2］。该技术称带远参考方式的观测技术, 是当前最先进的电磁测深资料观测技术［3］。但该方法要求两者应严格保持时间同步; 目前许多MT仪器都具有远参考功能, 且通过GPS ( global positioningsystem) 实现时间的同步。因此, 目前典型的多站MT仪器布设方式如图1 所示［4］。

目前, 中国地质大学 ( 北京) “地下信息探测技术与仪器”教育部重点实验室电法组在“深部探测技术与实验研究专项”子项目“大陆电磁参数标准网实验研究 ( SinoProbe-01) ”实施中, 采用的宽频MT仪器MTU5 与长周期MT仪器LEMI-417, 两者均为进口仪器, 且均以GPS信号实现时间进行同步。但在野外工作中, 发现当GPS天线损坏或在坑井树林中GPS信号较弱时, MTU5 因检测不到GPS信号而不能工作, LEMI-417 虽能工作, 但记录的时间紊乱［5］, 从而无法利用远参考技术消除噪音影响。

上述缺点为野外工作带来了一定困难。为此, 在电法组设计的长周期大地电磁测深仪［5］中, 采用GPS + RTC ( Real-Time Clock) 的对钟电路, 克服了该缺点。使用仪器时, 预先在可检测到GPS信号的地方设计RTC时间, 由于RTC在仪器电源掉电的情况下时钟源也不会丢失, 故系统在测点工作时, 若未检测到GPS信号, 可依靠该RTC获取时间［6］。系统采用的RTC芯片为PHILIPS公司生产的PCF8563。

1 PCF8563

PCF8563 是由PHILIPS公司推出的一款多功能时钟/日历芯片, 广泛应用于电池供电类仪器、便携式仪器产品等。PCF8563 逻辑结构如图2 所示［7］。

PCF8563 的组成与特点如下:

( 1) 内含16 个8 位寄存器, 按功能可分为时钟功能类、闹钟功能类、定时功能类以及控制类, 每个寄存器分别对应一个8 位地址。

( 2) 内含一个32. 768 kHz的振荡器以及对其进行分频的分频器, 为内部的时钟功能类、定时功能类寄存器组提供源时钟。

( 3) 内含一个可编程的CLKOUT输出、一个可编程的INT输出, 与其内部的时钟功能类、闹钟功能类、定时功能类以及控制类寄存器相结合, 具有多种报警、定时器、时钟输出、中断输出功能, 可完成复杂的定时服务。

( 4) 内含一个低电压检测器, 当其检测到供电电压低于Vlow时, 设置秒寄存器的VL位, 说明当前的时间欠准确。

( 5) 内含400 kHz的I2C总线接口, 采用引脚少, 避免了对单片机资源的过度利用。

( 6) 功耗极低, 在VDD= 3 V及Tamb= 25 ℃ 时, 电流仅为0. 25 μA, 远远低于同类产品［8］。

PCF8563 的相关资料, 见文献[7]。

上述特点非常适合本长周期大地电磁测深仪的时钟功能。

2 对钟电路设计

PCF8563 是一款I2C芯片, 需要同控制器的SDA、SCL相连接, 其外接晶振需要接至OSCI、OSCO两个引脚, 由于本系统需要每秒实现一次数据采集、每个整点校准一次时钟, 该任务通过可编程的CLK-OUT输出与闹钟功能触发的INT实现。此外, 系统需要通过GPS模块iTrax-03 获取标准时间, 因此设计的对钟电路原理图如图3 所示［9］。

电路中, PCF8563 的OSCI、OSCO外接12M晶振与能使8563 获得更高精度的电容, 串行I/O引脚SDA、串行时钟输入SCL与单片机的I / O引脚相连接。CLKOUT、INT分别接单片机的中断引脚INT5、INT6, 定时触发中断。GPS模块iTrax-03 的秒脉冲输出定时触发单片机的INT7 中断, 获取的GPS信息通过串口Txd1 与Rxd1 交给单片机。

3 软件设计

长周期大地电磁测深仪CLP主要完成如下任务: ( 1) 每秒采集一次电磁场数据, 并把采集的数据与采集时间存放到存储部件CF卡; ( 2) 每天的00:00: 00 建立新的数据文件; ( 3) 每个整点时刻, 读取GPS, 若GPS有效, 更改PCF8563 的时间; ( 4) 遇到异常, 停止工作, 发送报警; ( 5) 遇到采集结束命令, 停止工作。

任务 ( 1) 由iTrax-03 或PCF8563 完成。当GPS信号较强时, 任务 ( 1) 由iTrax-03 的秒脉冲触发的中断int7 完成, 当GPS信号较弱或GPS器件出故障时, 由PCF8563 的CLKOUT产生的秒脉冲触发的中断int5 完成。由于采集数据时, 需要把数据及采集时间作为一个整体保存, 因此需要读取系统时间, 前者的时间由单片机从iTrax-03 发送的信息中获取, 后者的时间由PCF8563 获取, 所以, 需要为PCF8563设置时间。

任务 ( 2) 与 ( 3) 由PCF8563 的闹钟功能触发的中断完成。任务 ( 4) 与 ( 5) 由系统中单片机的定时功能完成。

3. 1 PCF8563 时间设置

PCF8563 的时间是单片机在获取GPS时钟模块 ( iTrax-03) 的有效时间后设置的, 因此设置时, 先读取iTrax-03 模块的输出时间, 再分析该时间是否有效, 当其为有效时间时, 将iTrax-03 模块的输出时间转变为PCF8563 可以识别的数据, 最后单片机通过I2C接口, 将时间写入到PCF8563。

该算法简洁, 实施简单, 但其过程包括iTrax-03时间的读取、时间的有效判别与转化、时间的写入, 耗时较长, 使得写入PCF8563 的时间慢于GPS时间较多, 故需对该算法进行改进。

若将上述算法分成两步, 第一步, 在第一个iTrax-03 有效时间, 令单片机完成时间的读取、时间的有效判别, 若时间有效, 计算出下一秒对应的全部日期与时间, 写入PCF8563; 第二步, 在连续的下一个iTrax-03 有效时间, 只需要写入秒即可。该方法大大减少了PCF8563 的时间滞后。

改进算法的实现流程图如图4 所示。

3. 2 定时采集任务的实现

根据前述, 定时采集任务由iTrax-03 或PCF8563 完成。当GPS信号较强时, 由iTrax-03 的秒脉冲触发的中断int7 完成, 当GPS信号较弱或GPS器件出故障时, 由PCF8563 的CLKOUT产生的秒脉冲触发的中断int5 完成。因此, 需要分别为int7 和int5 设计中断程序, 为了避免在同一秒内进行两次采集, 设置了参数b_GPSReadOK ( 初值为false) 完成该任务。实现流程图如图5 所示。

3. 3 整点判断的实现

利用PCF8563 的闹钟功能实现整点判断, 具体方法如下: 设置PCF8563 的Minute alarm寄存器, 使其的中断允许为AE =1, minute alarm数值为00, 则每当minute alarm =0 时, 即在每个整点PCF8563 均引发一次中断。在其对应的中断子程序中, 按3. 1中的方法设置PCF8563 的时间; 此外, 需判断时间, 如时间为00∶ 00∶ 00, 则关闭当前文件, 建立新的数据采集文件。

4 试验效果

首先将采用了GPS + RTC对钟方式的长周期大地电磁测深仪CLP, 在实验室里进行了多次测试, 由于长周期大地电磁测深每次勘探时间一般为1 周, 故在实验室内每次测试7 ~ 10 d, 最多一次持续17d。步骤如下: 用GPS获取标准时间并写入PCF8563, 拔去GPS天线, 在仪器工作时, 利用PCF8563 的闹钟功能, 使之每整点输出一次时间, 检测RTC时间输出的正确性与误差; 对系统不断修改, 使之符合要求。

然后在华南与东北的部分Sino-Probe01-02、Si-noProbe02-04 测点进行了测试, 方法如下: 在测点采集MT数据前, 用GPS为CLP获取时间, 关闭CLP系统, 将损坏的GPS天线作为CLP的工作配件或不为CLP安装GPS天线, 以此模拟CLP在无GPS信号的情况下工作; 同时, 在该测点布置LEMI-417 仪器以正常方式工作。在数据采集结束后, 对两仪器采集的数据进行对比。下面以在华南的682 测点 ( 采集时间: 2011 年12 月26 日至12 月30 日, 采集地点: 东经114°13'33. 96″, 北纬26°29'56. 09″) 采集的Ex1 数据 ( 南北方向的电道数据) 为例, 对本系统的对钟设计效果进行分析。

图6 ( a) 为LEMI-417 与CLP采集的近4 天的Ex1 时间序列信号曲线, 上面为CLP所采集, 下面为LEMI-417 所采集, 两者的曲线形态一致, 说明CLP与LEMI-417 的采集日期一致。

图6 ( b) 为LEMI-417 与CLP采集的1 分钟的Ex1 时间序列信号, 系统的采样率为1Hz, 因此曲线包含了60 个数据的信息, 从上到下分别为CLP、LE-MI-417 所采集的数据信息, 从图中可以发现, 尽管在每秒采集的数据有所差异, 但整体趋势一致, 且该段时间内采集的最大值、最小值时刻一致, 说明CLP与LEMI-417 的秒时刻保持一致。

通过上述分析, CLP与LEMI-417 的时间保持一致, 说明采用GPS + RTC的对钟方式是成功的, 又因为两者在同一测点同一时间段采集的数据一致, 说明CLP获取的数据是准确的; 此外, 两者采集的数据经处理后得到的大地电磁测深曲线亦较一致［5］。因此, 采用GPS + RTC对钟方式的CLP仪器可用来进行大地电磁测深工作, 且可与LEMI-417 仪器进行相互远参考。

参考文献

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