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瞬变电磁法_图

作者:威廉亚洲 发布时间:2020-12-22 07:30 点击数:

  瞬变电磁法_建筑/土木_工程科技_专业资料。瞬变电磁法及其在工程与 环境中的应用 主 一、概述 要 内 容 二、瞬变电磁法基本理论 三、瞬变电磁法的野外工作方法 四、瞬变电磁法的资料处理和解释 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查

  瞬变电磁法及其在工程与 环境中的应用 主 一、概述 要 内 容 二、瞬变电磁法基本理论 三、瞬变电磁法的野外工作方法 四、瞬变电磁法的资料处理和解释 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 一、概述 瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method,简称TEM) 是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场,用 线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次 电磁场的空间和时间分布,从而来解决有关地质问题的时间域电 磁法。按其工作空间可分为:航空瞬变电磁法、海洋瞬变电磁法、 地面瞬变电磁法、井地瞬变电磁法、矿井瞬变电磁法。 ? 一、概述 该方法最早由加拿大物理学家Wait于1951年提出,并于1953年 获取专利权。1960年,原苏联研制出第一台共圈式瞬变电磁装置 (MPPO—型);1962年,Mclaughlin和Dolan研制出固定发射回线、 移动接收回线瞬变电磁仪,并利用该装置于1964年和1970年在塞浦路 斯和南美洲取得找矿效果。70年代以后,各种地面TEM仪器相继问 世,促进了TEM的应用理论研究的迅速发展。近几年来,瞬变电磁 法发展迅速,仪器更新较快。在我国,TEM的研究始于70年代。 ? 一、概述 原长春地质学院、地矿部物化探研究所、中国有色 金属工业总公司矿产地质研究院、原西安地质学院和中 南工业大学等单位相继研制了TEM仪器,并开展了理论 和方法技术方面的研究。80年代中期以后,该方法在我 国应用得到迅速推广,由最初金属矿勘探发展到地热、 水资源、水文地质、环境与工程地质的探测,其应用范 围日益广泛。 ? 一、概述 SIROTEM-3瞬变仪器 ? 一、概述 TerraTEM瞬变仪器 ? 一、概述 PROTEM瞬变电磁系统 ? 一、概述 PTT-40瞬变电磁仪接收天线 该产品为瞬变电磁仪接收机专 用天线,天线等效面积大、信噪比 高、敷设方便、不受地形限制 ? 二 、瞬变电磁法基本理论 瞬变电磁场是指在发射回线中阶跃变化电流作 用下,地下介质中产生的过渡过程的感应电磁场 (一次场)在导电介质内产生的其结构和频率在时 间与空间上均连续变化的涡旋交变电磁场(二次 场)。按过渡过程可分为过程的早期和晚期两个阶 段,在两个阶段中场所提供的信息不同,其用途也 不同。 ? 二 、瞬变电磁法基本理论 瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。衰减过程一 般分为早、中和晚 期。早期的电磁场相当于频率域中的高频 成分,衰减快,趋肤深度小;而晚期成分则相当于频率域中 的低频成分,衰减慢,趋肤深度大。 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。 ? 二 、瞬变电磁法基本理论 在导电率为σ、导磁率为μ的均匀各向同性大地表面敷 设面积为S的矩形发射回线 在回线中供以阶跃脉冲电流 ?I t ? 0 I (t ) ? ? ?0 t ? 0 在电流断开之前( t ? 0 时),发射电流在回线周围 的大地和空间中建立起一个稳定的磁场,如下图所示。 ? 二 、瞬变电磁法基本理论 t0 Tx x z 矩形框磁力线 ? 二 、瞬变电磁法基本理论 1、装置类型: (1)单线框装置:单线框装置是瞬变电磁测量系统中最简单的一种,其主 要特点是发射器和接收器为同一线框,既做为发射框,同时又作为接收框。线 框形状可以是正方形,亦可为矩形,线m之内,视具体情况而 定(图a). (2)共线框装置:共线框装置是指发射框和接收框具有完全相同的几何形 状和尺寸,但两线框相互独立布置在同一位置上(图b). ? 三、瞬变电磁法的野外工作方法 (3)环式线框装置接:接收线框位于发射线框内中心位置 的形式 称环状线框装置,其尺寸比发射框小的多,通常接收线框由多芯 导线组成多扎线框,由于每个单扎线圈可看作是一个磁偶极子, 因此这种接收器又称偶极接收器(图c) . ? 三、瞬变电磁法的野外工作方法 (4)分离式线框装置:发射线框与接收线框保持一定距离分别布置 的测量系统称分离式线框装置。该装置有两种形式,一种是发射和接 收线框尺寸大小完全相同,另一种是接收线框为偶极接收器(图 d) ? 三、瞬变电磁法的野外工作方法 (5)双线框装置:发射和接收线框分别由两个大小相同而 又独立的双线框组成,工作方式类似于共线框装置。双线 框装置抗干扰能力强,但施工不方便,使用时受到限制。 ? 三、瞬变电磁法的野外工作方法 (6)固定发射移动接收装置:该装置由一个固定的大线框 和一个可移动的多绕层小线框组成,大线框为发射框、小线框 为接收框。发射线km;接收框,通常为正方形,边长在lm以内;观测点可布置 在发射框内或外。该装置可通过调节接收线框方位进行三分量 观测,是目前较普遍的观测方法之一(图f). ? 三、瞬变电磁法的野外工作方法 回线大小的选择 增大发射回线和接收回线边长,将会增强信号强度,并延长 有效信号的持续时间,从而有利于加大探测深度。但二者的增大 使野外工作难度增加,同时使测量结果受影响的范围扩大,从而 降低了横向分辨率。此外,增大接收回线边长时,不仅增大了有 效信号强度,也使干扰信号强度增大。因而,在保证预定勘探深 度的情况下,一般都应选择尽可能小的回线边长。 ? 四、瞬变电磁法的资料处理和解释 原始数据 图件绘制 格式转换 资料解释 全区视电阻率计算 地质结论 时深转换 ? 四、瞬变电磁法的资料处理和解释 1、资料的整理 1)、传输打印野外观测数据; 2)、检查验收原始记录数据、野外测点状况编录和 仪器工作状态的记录 3)、对原始记录数据进行整理、编号、汇总装订, 并编写索引和说明; 4)、根据需要对数据进行滤波处理。 5)、根据需要转换出各种参数。 ? 四、瞬变电磁法的资料处理和解释 从瞬变电磁场的传播过程来看,存在早期、晚期场 2、全区视电阻率计算 之分,早期瞬变电磁场是内近地表的感应电流产生的,反映 浅部电性分布;晚期瞬变电磁场主要是由深部的感应电流产 生的,反映深部的电性分布。由于地磁场性质的不同,早期 或者晚期定义之公式也不相同。常用的重叠回线装置若采用 晚期场计算公式,会造成中早延时段视电阻率增大,产生很 大误差,造成浅部勘探盲区很大,所以一般采用全区视电阻 率的计算公式。 ? 四、瞬变电磁法的资料处理和解释 3、成果图件 1)、多道V/I剖面图; 2)、视电阻率断面图; 3)、视电阻率曲线)、某些测道的视电阻率或V/I平面等值线图; ? 四、瞬变电磁法的资料处理和解释 ? 0 四、瞬变电磁法的资料处理和解释 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 14 15 16 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100 -110 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100 -110 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 目前,在工程、环境物探中TEM的应用非常广泛、在 桥基、路基、坎基、高层建筑地基勘查,地热和地下水资 源探测,岩溶、滑坡、煤矿陷落柱、地下水污染等灾害地 质和环境地质调查中,TEM都发挥了重要作用。 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 2009.9 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 1) 划分地层结构与隐伏构造 2002年3月,某地质队为调查某市新建垃圾场的地层结构与隐伏构 造,在拟建区开展了瞬变电磁法的探测工作。 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 1) 划分地层结构与隐伏构造 经野外探测、计算机的分析处理、钻探验证后,准确地探测出拟建 垃圾场区的地层结构与隐伏构造。右图为其中的3#测线 处进行了钻探。钻探结果为:0~1.7米为耕植土,1.7~3.0米为含碎石 粘土,3.0~12.9米为强风化白云岩,12.9~15.8米为断层破碎带(角砾 岩),15.8~26.3米为中风化白云岩。 将瞬变电磁法的成果图与钻探结果进行对比,显然能够说明应用瞬 变电磁法可以开展地层结构与隐伏构造的调查工作。 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 2)界定地下水位 2000年11月期间,某勘测设计研究院为界定乌江两岸地下水位在乌江某 电站建成前后的变化,而在乌江某地应用瞬变电磁法做了一些实验。 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 2)界定地下水位 图中X轴方向的数值表示测点距离,Y轴方向的数值表示视深度值。 在X轴方向530、550、570处的附近,某勘测设计研究院设有钻孔13#、 14#、15#。经钻探验证,地下水位线米深度处。图中所标示的地 下水位线(黑线)基本上与之吻合;其所反映的地质结构经某勘测设计院的 地质专家鉴定基本上符合实际情况。 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 3)寻找地下溶洞或地下防空洞或矿区采空区 贵阳某公园1#测线瞬变电磁法剖面图 贵阳某公园2#测线瞬变电磁法剖面图 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 3)寻找地下溶洞或地下防空洞或矿区采空区 2000年11月份,某勘测设计研究院在贵阳市某公园应用瞬变电磁 法探测地下溶洞。 图中X轴方向的数值表示测点号,Y轴方向的数值表示视深度值。 图中的上图、下图分别是两平行测线的物探成果图,两测线米 左右。图中X轴方向50米处的绿色小圆圈表示贵阳市某公园的地下溶洞, 与实际情况相符。 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 3)寻找地下溶洞或地下防空洞或矿区采空区 2002年1月,在重庆大坪医院某生物试验基地开展瞬变电磁法 的工作,旨在调查基地地下是否存在防空洞及其走向。 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 3)寻找地下溶洞或地下防空洞或矿区采空区 为探测其具体位置特设定:测点点距10米,正方形探测线赫兹。勘察成果图--多测道V/I异常曲线剖面图 (下面左图)以及视电导率拟断面图(下面右图)。在多测道V/I异常 曲线剖面图(下面右图)上,6#测点处有明显的异常,反映出高阻阻 电性特征,即为防空洞的反映;在视电导率拟断面图(下面右图)上, 6#测点处的异常以一点为中心呈近圆状分布,视深度约为5.0~7.8米, 反映出地下防空洞的空间分布特征和形态。 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 3)寻找地下溶洞或地下防空洞或矿区采空区 2001年3月~9月,在澳大利亚喀尔固里联合 金矿,探测采空区的工作,取得了良好的效益。 根据电阻率拟断面图(下方左图)可知,25# 测点处存在采空区,采空区的上底板深度约为7米, 下底板深度约为14米。 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 3)寻找地下溶洞或地下防空洞或矿区采空区 2002年7月,应用瞬变电磁法探测地下防空洞。 为探测其具体位置,沿南北方向布设测线米,正方形探测 线赫兹,探测成果图见图一、图二、图 三、图四所示。 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 3)寻找地下溶洞或地下防空洞或矿区采空区 高电导率异常大致以6号点为中心呈矩形状,宽度约为4米,视深度 2米,反映防空洞位于5-7#测点之间,宽度3-4米,中心部位深度约为2 米。经钻探验证,与实际情况相符。(注:该防空洞是用钢筋混凝土浇 2009.9 筑而成。所以异常呈低电阻高电导反映。) ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 4)圈定地下水污染区 2002年5月,在北京市某大型垃圾场指定之区域开展瞬变电磁法的勘 查工作。旨在调查该垃圾场外的地下水被垃圾场渗漏水污染的区域范围, 找到该垃圾场的渗漏点,以便快速准确地从根本上处理垃圾场渗漏水问 题。 由于垃圾场渗漏水富含有机酸,其介电常数明显有别于无污染的地 下水,因此应用瞬变电磁法能够探测出地下水的污染区。 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 4)圈定地下水污染区 上图为其中的13#测线剖面图,图中大片紫色部分即为地下水的污染区, 经钻探验证,与实际情况相符。 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 5)探测堤坝安全隐患 1999年12月,在长江大堤某段开展应用瞬变电磁法探测大堤的安全隐 患,以便根治大堤的安全隐患,从而保障长江两岸人们的生命财产安全。 根据物探成果图,比照地质资料,发现大堤*56KM+000M~ *60KM+000M主要存在以下四处异常: ① 大堤*56KM+564M异常; ② 大堤*58KM+11M异常; ③ 大堤*58KM+45M异常; ④ 大堤*58KM+330M~*58KM+340M异常。 推测认为这四处电性不均匀体是因为历代人文活动和近代人类建设所 造成的空洞、涵洞、瓦砾、砖石堆、石阶、软泥层等杂物而造成,或者是 因为其土壤成分不同于其周围的土壤成分而造成。 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 5)探测堤坝安全隐患 ① 大堤*56KM+564M异常 经某水利勘测设计研究院钻探验证:在大堤*57KM+564M处,未发现异常。 但是图中深黑色部分所示的土壤成份不同于其上层的土壤成份,且该处土 壤的胶结程度明显比其它地方要紧凑。从下图一中可以看出,在大堤 57KM+600M处可以清晰地看到A、B、C、D四层电性参数不同的地层,基本 上与钻孔资料(某河道管理局提供,见下表)相吻合。 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 5)探测堤坝安全隐患 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 5)探测堤坝安全隐患 ②大堤*58KM+11M异常和大堤*58KM+45M异常 经某水利勘测设计研究院钻探验证:在大堤*58KM+11M处,深度 3.8-4.8M有砖渣、软泥土;在大堤*58KM+45M处,3M以下有砖渣土。 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 5)探测堤坝安全隐患 ②大堤*58KM+330M~*58KM+340M异常 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 6) 探测白蚁洞穴 千里之堤,溃于蚁穴。因此探测出蚁穴是防止堤坝发生管涌、溃堤 的关键所在。 2002年4月在某水库大坝开展应用瞬变电磁法探测白蚁洞穴的工作, 取得了很好地成效。 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 6) 探测白蚁洞穴 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 7)探测地下金属矿藏 2002年3月~5月,在贵州黔西北地区应用瞬变电磁法探测铅锌矿,成功 地探测到以前未探明的两处深部铅锌矿藏,取得了非常良好的经济效益。 图为5#测线公里) 的瞬变电磁法视电阻率拟断 面图,图中红色所标示的部 分(视电阻率值在20~71之 间)即为高品位铅锌矿。 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 8) 地下管线月,应用瞬变电磁法探测地下煤气管道和热力管道。煤气管道横 穿公路,为探测其具体位置,沿公路方向布设测线米,正方形探测线赫兹。 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 8) 地下管线探测 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 9)地下文物探测 2003年9月,应用瞬变电磁法对秦东陵进行探测,本次测试采用重叠 回线#测点处 发现高电位异常及高视电导率异常,应为秦东陵所引起的异常,其对应 的位置与文物部门所标示的墓室位置一致。 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 10)探测战争年代遗留的炮弹 2002年8月,在某防化兵团模拟工地上,应用瞬变电磁法探测模拟战争 年代遗留的炮弹。本次测试采用重叠回线米。图样为视电导率拟断面图,图中3#点位置处经某防化 2009.9 兵团负责人证实,探测结果与实际情况相符。 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 11)、大桥桥址勘查 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 12)、地基勘查 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 12)、地基勘查 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 13)、海水入侵探测 2009.9 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 13)、海水入侵探测 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 14)、地下洞体探测 (a)——球体模型(埋深100 m);(b)——球体模型(埋深50 m);(c)——直立圆柱体模型; ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 14)、地下洞体探测 (d)—覆盖层与球体模型;(e)—覆盖层和直立圆柱体模型;(f)—覆盖层与水平圆柱体模型 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 15)、超前探测 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 15)、超前探测 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 15)、超前探测 105 90 75 60 45 30 15 0 -110 -90 -70 -50 -30 -10 巷 道 掘 进 方 向 10 30 50 70 90 L/(m) L/(m) ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 1X 15)、超前探测 -50 -100 300 280 260 -150 240 220 200 180 -200 160 140 120 -250 100 80 60 -300 40 20 0 -350 -400 -100 -50 0 50 100 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 15)、超前探测 0 120 100 -200 80 60 40 ? à -400 ? ? (m) -600 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 -800 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 -120 -140 ? ? · ?? ?? ? ? ¨? ? 150 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 16)、煤矿防治水应用 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 -30 -30 -40 -40 -50 -50 -60 -60 -70 -70 -80 -80 -90 -90 -100 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 -100 ? 五、瞬变电磁法在工程与环境地质调查中的应用 -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 -450 -500 -550 260 310 360 410 460 510 560 610 660 710 760 810 860 910 960 1010 1060 1110 1160 1210 1260 1310 1360 1410 1460 16)、煤矿防治水应用 -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 -450 -500 -550 210 兖州杨村煤矿的主要含煤层段是下二叠统山西组和上石炭统太原组。 四采区的面积范围是,主要可采煤层的埋深小于500米,走向大致为南北方 向,煤层倾角较小。其主要地层电性地质特征可概括如下:(1)第四系冲 积层;一般厚140m,电阻率变化较大,平均为11;(2)煤系地层:厚度 100-350米,电阻率变化范围在15-30之间。(3)基底奥陶系灰岩,在不含 水的情况下可视为无穷大。 六、瞬变电磁法的技术特点和存在的问题 (一)瞬变电磁法的技术特点 与同属于感应类电磁法的频率域电磁法相比.瞬变电磁 法具有以下特点: 1.可以使用同点装置,这种装置的体积效应小,横向 分辨率高; 2.观测纯异常,消除了频率域的装置耦合噪声,受地 形起伏影响小; 3、由于可根据信号到达时间了解信号源的深度,根据 信号的时间待性了解信号源的导 电性,因而区分导电覆盖层和导电围岩的能力比较强; 4.线框敷设的方位、形状以及发收距等方面的误差影 响相对较小,相应约要求可以放宽,因而,测地工作简单, 工效高; 5.由于发射场能量分布于较宽的频带上,信叹比往往 较低.更容易受天然和人文干扰 电磁信导的影响。 (二)、瞬变电磁法存在的问题 1.对浅层的垂向分层能力不强,虽然采用小边长同点 装置可以达到很高的横向分辨率、但由于采样时间不能提 得很早,因此对浅层的垂向分层能力受到限制。即使最早 采样时间为几微秒.在电阻率为102数量级的大地上:也根 难对20m深度内的地层分层。要加强TEM对“超浅层”的勘 探能力,必须提早采样时间,这方面的主要困难有两条: 一是缩短电流截断时间,二是缩短测量回路的过渡过程。 2.用小边长同点装置工作时,观测到的v/I值往往偏大、 使计算出的电阻率值偏小。例如,在灰岩地区,覆盖层和 基岩电阻率为n×10—n×104数量级.而用10m边长重叠回 线测得的电阻率值可以低至n×10-1 m数量级,与大地电性 明显不符,而且有回线边长越短,测得的电阻率值越小的 趋势。 3.目前瞬变电磁测深资料的定量解释还只是以一维水 平层状大地模型的正演计算为基础,对于地电条件复杂时 的二维和三维情况,资料解释方法及解释水平还有待进一 步提高。尽快研制出快捷,并能在微机上运行的二维、三 绽瞬变电磁测深资料解释软件是摆在地球物理工作者面前 的一项重大课题。


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