小框瞬变电磁法TEM的勘探深度.pdf

第1 7 卷第4 期2 0 0 3 年1 2 月湖北地矿H u b e iG e o l o g y&M i n e r a lR e s o u r c e sV 0 1 1 7，N o 4T o t a lN o 4 60引言小框瞬变电磁法(T E M)的勘探深度陈易玖(广东省地质勘查局)摘要T E M 实际工作往往遵循极限探深的理论，采用要探多深就用多大回线边框的做法，限制了T E M 应用的发展。本文先通过几个实例说明小框T E M 可以实现较大的劫查深度，然后着重从理论土论证之，并探讨了影响极限探深的有关问题。文章曩后介绍了小框T E M 工作方法技术，供勘查者参考。关键词小框T E M 极限探深展开法N a n o 直接展开法中图分类号P 3 1 8 6+3作者简介陈易玖，男，1 9 4 7 年生，高级工程师(教授级)。1 9 7 0 年毕业于北京地质学院物探系。长期从事物探工作。通讯地址：广州市东风东路7 3 9 号，广东省地勘局。邮政编码：5 l 0 0 8 0。在瞬变电磁法(T E M)勘查中，小框发射较大框发射的优势在于便于施工、增强分辨率和提高抗干扰能力。根据传统的认识，要探多深，一般就用多大回线边框。广东省地质勘查局等单位近年在找矿与岩土勘察实践中，初步体会到T E M 法事实上可以实现比原认为的勘探深度要大。适当缩小回线的边框尺寸，仍然可以满足一定深度的勘查要求。1 极限勘探深度的传统理论与实践的冲突传统勘探深度的理论研究多以简单的导电球体为例，考虑半空间导电介质的地质噪声和随机干扰噪声，通过设定信噪比和简化条件，得出极限勘探深度。设中心回线或重叠回线边长为b，相同面积的圆回线半径为R，导电球体半径为a，极限探深(球心)为d，导电球体与围岩电阻率分别为P 球、P 圈，则有：d=O 9 a(p 圈p 茸)1 4那么，信噪比最佳时b 一1 1 d(中心回线)b o 7 d(重叠回线)收稿日期；2 0 0 3 1 1 一0 4这就是说，极限探深与回线边长大体相当，此与勘查实践有较大“出入”，现举3 个例子说明。(1)罗定市新榕(铁)锰矿T E M 普查(国产仪器)，采用3 5m 边长的重叠回线扫面3 4 5k m 2，1 号主矿的T E M 异常在7 线受F 9 断层影响，向北偏移，按上述物探理论的探深原则，推测矿体埋深7 0m(该矿为板状体，所以用2 倍边框大小估算)。Z K 7 0 1 普查钻孔仍按矿体原走向布设而落空，后按T E M 异常布设Z K 7 0 2 钻孔，在1 3 0 多米见到十余米矿体。工程查证表明，勘探深度达边框长度的4倍。(2)高明市长坑大型卡林型金矿区主矿体4 线剖面T E M 试验(G D P 一3 2 仪器)，采用重叠回线装置，发射边框长2 0、4 0、6 0m 三种。该矿产于砂岩与灰岩界面的硅化破碎带中，上部为金，下部为银。金主矿体呈大透镜状，中部厚3 7m，埋深1 0 0 1 5 0m。金矿延深部位为银矿，两层似层状，第一层厚7m，中心埋深1 8 0m；第二层厚8m，中心埋深2 0 5m。对比表明，4 0m 边框的T E M 数据作的电阻率反演结果，与金矿、银矿矿体形态较相似，重叠回线对大透镜状金矿体勘探深度达边框长度的3 7 倍，对厚层状银矿体(包括黄铁矿化硅化破碎带)勘探深度达边框长度的5 倍。万方数据第4 期小框瞬变电磁法(T E M)的勘探深度3 9(3)周安昌研究员在广东清远北江桥梁工程进行N a n oT E M 勘查，目的是查明江底岩溶分布，采用边框为2 0m 的中心回线(G D P 一3 2 仪器)，经已知2 2 剖面Z K 6 号钻孔(孔深6 7 9m)对比，在江边岸上第四系达3 0m 覆盖条件下，基岩面下数米处及钻孔下部均发现与钻探结果相符的小岩溶，说明在低阻屏蔽下，勘探深度仍分别达边框长度的1 7 倍和3 倍。2 导电球体极限探深理论的初步探讨2 1 导电球体的极限探深公式导电球体、半空间、瞬时噪声、导电覆盖层的T E M 电压效应球、地、8 _、噩的表达式如下：8 璋一O 1 2 p 7 c I a 3R 4t 一1 中(a t)(d 2+R 2)一3(1)地一O 0 5 p 5 7 2 丁c 1 7 2 I R 4 P 圈一3 7 2 t 一5 7 2(2)6 臻=耳R 2 1(3)8 噩一O 1 8 8 肛47 c I R 4h 爱3 P 覆一3 t 一4(4)式中：l，(a t)一2 5 a t e x p(一7 c k)2 a t)a P 球(p a 2)求和，K=1 至无穷大的整数。由于K 2，e _ 4 是个很小的数(可略)，所以K=1 即可。p 为空气导磁率，t 为延时时间，T l 为瞬时噪声，I为发射电流，h I、P 覆分别为导电覆盖层厚度、电阻率。2 1 1 传统方法求极限探深公式(1)半空间地质噪声求极限探深，取l；I(a t)=1(极大)，a t o 1，信噪比为2(本文设定)的条件下，得：d=(O 4 a 2 P 圈1 7 2 p 球一1 7 2 R 2)1 7 2(5)(2)瞬时噪声求极限探深，取瞬时噪声为5 0 n V m 2(本文设定值，是传统公式瞬时噪声的1 0 0 倍，所以公式(6)的系数与传统不同)，R d=o 7 0 7，信噪比为3，其它条件同(1)，得：d=3 2 4(aI P 球)“4(6)(3)导电覆盖层噪声求极限探深，条件同(1)，得：d=O 5 0 8a 3 7 2 P 覆1 7 2 p 球一1 7 2 h 疆一1 7 2(7)2 1 2 直接展开法求极限探深公式考察(1)式，妒(a t)为极大，t“2 妒(a t)不一定极大，而且实际勘查一般不会在a t=o 1 的时间上，因此有必要将(1)式直接展开，求不同时间的极限探深，本文将此计算方法称为“直接展开法”。为便于计算，t 单位已化为p s。(1)半空间地质噪声求极限探深(信噪比为2)d=(3 1 a 1 7 3 p 圈1 7 2 p 球1 7 3t 5 邝e x p(一2 6 1 P 球t a 2)一R 2)1 2(8)(2)瞬时噪声求极限探深(信噪比一3，瞬时噪声T l=5 0 n V m 2)d 一(aIR 3 7 2P 球1 7 31 一1 7 3e x p(一2 6 1 P 球t a 2)一R 2)1 2(9)(3)导电覆盖层噪声求极限探深(信噪比一2)d 一(O 0 1 7 5 3a 1 7 3P 覆h 覆一1P 球1 7 3t 4 7 3e x p(一2 6 1 P 球t a 2)一R 2)1 7 2(1 0)2 2 导电球体极限探深有关问题的探讨分别导电围岩、瞬时噪声、导电覆盖层三种情况，在不同条件下的传统方法与直接展开法求极限探深的M A T L A B 计算结果见表1、表2、表3。由公式(8)、(9)、(1 0)和表1、表2、表3 的直接展开法数据可以看出：(1)极限探深一般都可达发射边长的数倍，此为采用小框勘查在理论上找到了依据。(2)导电围岩、瞬时噪声、导电覆盖层三类对探深影响最大的是半空间地质噪声。但是，这里忽略了显现异常不仅体现在异常与地质噪声在量的方面差异(表中设定信噪比为2)，更重要的是体现在二者空间分布规律性的差异。T E M 勘查实践表明，除复杂区除外，地质噪声常表现为有规律的缓慢的变化，有的表现为近似常量，在单个测深曲线中虽难识别异常，但在剖面中，尤其是(多)剖面平面图中，一般是容易被识别的。因此一般说来，实际勘查深度受地质噪声的影响要小，即勘查极限探深要比表所列大得多。另外，并不是框越大探深越大，实际上1 0 m 与2 0 m 框，在表1 条件下，探深差不多。仅从围岩、矿体这一个条件看，甚至l o m 框探深还大于2 0 m 框的探深。对于表1 所列的围岩、矿体条件，可供观测的时间都在几十微秒以内，其中咖(a t)极大法的最佳延时时间仅为数微秒，不是现有仪器所能观测得到的。按直接展开法数据，在现有仪器条件下，在最佳延时之后，可供勘查的时间区间较大。至于国产仪器，都工作在大延时区，为何还能对小地质体产生仪器可接收的异常，此应另辟专题研究。(3)在小延时勘查时区，瞬时噪声对勘查深度的影响不大。增加电流和适当加大边长都有可能增大探深，电流加大2 倍效果，大致相当于边框增一倍。由于加大电流(或匝数)比加大边框容易得多，所以压制瞬时噪声一般宜先考虑采用增大电流(或匝数)万方数据4 0湖北地矿的办法。但是，并不会是电流越大(匝数越多)越好，更不是电流越大(匝数越多)，探得越深，深度与电流、匝数不是简单的正比关系。预计在较大延时勘查时区，瞬时噪声对勘查深度的影响会明显增大，甚至成为增大勘探深度的主要矛盾，因此必须适当增大电流，但是增大电流，同时会增加地质噪声，这就要现场试验确定增大电流的幅度。在增大电流方面，目前国产仪器优势明显。(4)低阻覆盖层(包括水)的影响较小，说明T E M 穿透低阻覆盖层的能力较强。加大边框无助于增加穿透能力。2 3 影响极限探深的其它应考虑的问题(1)二次场有被“发现”与被“分辨”之分。理论公式指的是后者，勘查实践指的是前者。“发现”异常，是指被探目的物异常不一定很完整，异常强度可较小，能识别就行。T E M 勘查的“发现”异常要比“分辨”异常的深度大较多，这一点与弹性波勘查有点类似。在实际勘查中，“发现”异常是最重要的。(2)信噪比未必一定要达到最佳。典型的例子如N a n oT E M 尾部虽然信噪比(噪声主要是瞬时噪声)低一些，但通过滤波，可利用时间区间将延长1 4 一l 3，较大地增加了勘探深度。(3)所探讨的球体为三度体。勘查常见的二度体(如板状体)要比三度体极限探深大得多，且场衰减得慢。3 小框T E M 的勘查一般工作方法技术3 1小框T E M 勘查深度估计的一般思路目前，T E M 的勘查实践与直流电法、电化学法相比，显得微不足道。在这种实践很少的情况下，用下面两条综合估计勘探深度是可行的。(1)首先看一下在相当于二次场有效窗口时间内，半空间一次场极值能否扩散到探测目的物的深度。这是必须条件。由场的一维扩散方程，在忽略位移电流情况下，可求出场的极值深度。这是必须条件。由场的一维扩散方程，在忽略位移电流情况下，可求出场的极值深度。Z 一1 2 6 2(P 圈t)1 7 2(1 1)式中：t 为场传播的时间，此值用实测的二次场有效窗口时间替代。如p 嘲=5 0 0Q m，t=1 0 0p s，则Z。=2 8 3m。由(1 1)式可知，如果半空间介质电阻率为已知时，要增大勘探深度，就是要增加有效窗口时间t。所谓有效窗口时间，是指单点测深嗌线符合场的下降规律的时间区间。在此区间内，对于等对数间隔T E M 来说，要求不出现负值；对于N a n oT E M 来说，尾部允许出现跳动的负值，但尾部下降趋势，应符合场的下降规律。(2)如果一次场极值能扩散到探测目的物的深度，还要再看一下探测目的物被激励后二次场，是否能在地面被检测到，即出现局部异常。由于有限形体探测目的物的二次场极值传播距离，要小于按公式(1 1)计算的一次场传播的距离，再加上地质噪声、瞬时噪声、低阻覆盖层的干扰，二次场极值传播的距离还要减小，所以不能用公式(1 1)估计深度，但可以用试验测线是否有异常出现来初步检验。方法是通过试验测线的电位多道剖面图或多测线某道(一般为晚期道)电位平面等值线图上(加色阶、地质背景)，在有效时间t 内，有无符合被探目的物深度的局部异常出现。出现了异常，并不等于该异常就是被探目的物。如果该区有钻探资料或已有T E M 工作效果对比的话，一般可以做出正确的判断，但如果在T E M 工作经验不多的地区，一般说来，还需要现场已知条件(如钻探资料、地质观测、或其它方法等)的对比，方可得出肯定的结论。3 2小框T E M 勘查的装置与一般工作方法技术(1)在找矿勘查中一般采用重叠回线，回线边长1 0 m 至4 0 m；等对数间隔采样或等算术间隔(N a n oT E M)采样；根据探测目的物的深度区间，设置发射匝数与电流强度。一般说来，山区可探深2 0 0 一3 0 0 m，难点在于往往深、浅难以都顾及，解决办法之一是增减匝数，变换发射电流强度，两种采样间隔都同时测量。G D P 一3 2 仪器的等算术间隔为3 0 5 p s(实际上前6 个采样点为3 0 5 p s 算术间隔，计1 8 3 p s)，电流可达十几安培，断电时间小于5 0 p s，山区一般有效窗口要达2 0 0 一3 0 0 p s 就行了。G D P 一3 2 仪器的N a n oT E M 采样间隔为1 64 8 p s，断电时间小于1 0 p s，供电电流被限制在3安培以内，一般有效窗口要达数十至1 0 0 肛s，已可实现浅层详细勘查。国产仪器供电电流达1 0 0 2 0 0 A，因此可以较大地提高瞬时噪声的信噪比。大电流是实现小框勘探的重要技术措施。由于采用大电流使得断电延时较大，因此不适宜浅层岩土勘察，适合于目的勘查层深度大一些的勘查。万方数据第4 期小框瞬变电磁法(T E M)的勘探深度4 lg。霎o 1、L 疗he q 十寸螳莲连塞卜N 一d气一o。o墩HH一N，-、皑桨鲻8。霎t 十a，寸卜oN1、o odL f HHo、一dH卜 硼逞逵奏t，N一I l筮姒斗g。霎划聪o 1、o o按o莲连垂卜撼0H鲁媳8。霎琳oN1、螺逞造奏“卜U 迎8。集o 1、oo o卜吲N中卜媳垂连奏中卜十N卜一t 十o。o卜N NN飞一十H，、散桨皑V，-、8。霎桨鲻oN1、价卜卜 一o。o勺、佃逞迭奏oHo o 寸 寸U N卜卜HHo o2N 一HoU)气一避|鬣辎姒长g。霎斛辎o 1、。醛杂o莘连塞弋一N划0q辎号瘀g。霎琳oN1、卜o蟋荽逵塞o。逆喜昌集一HH一N卜卜瘀逞迭垂Ha o吲d弋一H HH糸HNNH一N，、噗桨鲻2。霎oN1、N。oo。oN。ooo卜、_，捆莲迭垂N N H弋一o寸H卜。oo qNmNH 十 中N价o寸I l幺姒斗H鲁L f)HNN1 1燃卜一Noo oHHt DNmo o旧N瑙隶I IHNH嘿H扭、噗鏊*鲻。H 一、-，oHoN涮I IHHt oH卜H|H幺业斟嵌，oN杂HN卜l|甘 中越琳壹H一螺；c、ddon啦ot No dNHooooooooooo兰一蠢HHN弋rHI D。“H血：v蕃逼集oooH昧种。僻隧鞲隆肇*蠼来皑糍悃，懊镰螺啦譬卜壮搬叵悻博兹锄砷震弧瞪富罄忙N 懈 万方数据第4 期小框瞬变电磁法(T E M)的勘探深度4 3毯型媳悉蓍弋一、寸o HI Da L noL na o散榈生H卜弋一H卜NHHH、噬懈。倒*辎蹬；Voo。L nHmo。ooou o。c Y 3捌黯重L r)NH十Nd卜、l I郦筐姒瑙型*斓媳套暾銮卜o杂静噬呙H。袭划琳e鬻上H落一髓a 0o蟋S坠桨Noh黯量卜Nc v 1 1迦昌醚獬。也瑙业僻燃跤变-一N蹬啮戈t 十HN卜o卜、，、哥敲稍生c、心Ho。争N 十oHHHhL r)N*兹噗麟。V翘、魁屯m 管桨鲻蹬*VI 叩o气rNhho)Hol DHo2蜘捆生o十Hn一NNHH隧|螂筐鞲*业越业斟媳套酸变卜醛欺杂赞啮高oH。q犏生d餐越琳S腻。爨。一螺号趟c Y 毗*N群o。黯羔卜o卜一迎岛N。聪槲盛魁业脚媳酸銮U dN口】l 岗No卜oo。蹬傲捆生NHo。t NHL oo卜t 中NHd H涮群。踯，、皑oo a申N脚*辎釜 I 卜o。dHo o“o卜曲一，器重争十弋一弋十e 寸o。L r)埘HHNHH“匣鄹妪蜊业鼎媳套韪雾ho操蕾do。q相生H粼琳专喇一蟋3瑙a 殴 I o卜、迎S骀蔓hNo群ooooo ooooo ooo兰+一蠢l 力HHNt 巾N中ho o口：铺母翘靼*oooNd髓井Vc它j丑ku。c口u，q口。u-。可口jpo工p。H葛_矗o嚣A。一uQ_uuvq唧矗时u口。_薯工名-哥一日c。召一勺日hd葛o岛留一叠。h-u上A凹口=uj可皇。u_。竹工_A。qu一时H葛口一j廿上卜u一卫日卜琳隧鞲醛鼙梃蠼朱皑撼删，蠼琳蠕啦S卜壮蜷匿降惮酱脚蹄卜噬棚麒廿帅搽 万方数据4 4湖北地矿2 0 0 3 阜(2)岩土工程勘察除隧道外，一般均为浅层精细勘查，应以N a n oT E M 工作方法为主，采用中心回线装置，以增强分辨率，回线边长一般不要超过1 0 m。难点在于，广东地区的工程勘察往往涉及低阻覆盖层(包括河水)。当低阻覆盖层较厚，目的物介质电阻率也不高时，须考虑场的扩散速度慢的问题，可采用对数采样间隔(G D P 一3 2 仪器)工作方法。山区隧道工程，即使勘察目的深度达1 0 0 3 0 0m，由于低阻覆盖层簿、基岩电阻率高，场的扩散速度极快，也应采用N a n oT E M 工作方法，或两种方法同时使用。T H EP E N E T R A T I o ND E P T Ho FT R A N S I E N T E L E C T R o M A G N E T I CM E T H o D(T E M)W I T HS M A L L S I Z ES Q U A R EL o o PC h e nY i j i u(G 甜n 挖g d o，z gB“，口“o 厂G P D Z o g i c 口Z 王I r 户Z o，口i o 行)A b s t r a c tT h ep e n e t r a t i o nd e p t ho fT E Mc o m m o n l yf o U o w st h eu l t i m a t ed e p t ht h e o r yi np r a c t i c et h a tt h ed e p t ha p p r o)【i m a t e l ye q u a l st ot h el e n g t ho ft h es q u a r el o o p I th a sb e e np r e v e n t i n gT E Mf r o mw i d ea p p l i c a t i o n W i t hs o m ee x a m p l e sp r a c t i c a l l yc o n d u c t e d，t h i sp a p e ri l l u s t r a t e si t i sp o s s i b l et or e a c hd e e p e w i t hs m a l l e rs q u a r el o o pa n dv e r i f i e si tt h e o r e t i c a l l y F u r t h e r m o r e，t h ei n f l u e n c ef a c t o r so fu l t i m a t ed e p t ha n dt h et e c h n i q u e so fT E Mw i t hs m a l l s i z es q u a r el o o pa r ed i s c u s s e d K e yw o r d sT E MS q u a r e1 0 0 pU l t i m a t ed e p t hM e t h o do fd e v e l o p m e n tN a n o(上接2 5 页)F U Z Z YR E L I A B I L I T I E SD E S I G No FD R I L L I N GM A C H I N EP A R T SW a nX i l i n g(E，z g i，2 P P r Z”gD 已夕口，f，玎P，2，C 矗i 以以U 矗f z，P r s i 砂(I，G P o s c i P，z f P 5，W“口，z)F e n gY u g u o(S 口起d o 挖gG P o P c l，l i c 口ZE 咒g f，2 P e r i 挖gJ 托勘P s f g 口i o，lC o L d)A b s t r a c tT h eo r d i n a r yd e s i g nm e t h o df o rd r i l l i n gm a c h i n ep a r t s s a f ec o e f f i c i e n tm e t h o dc a n n o te n s u r et h es a f e t yo ft h ep r o d u c t I tw i l lb er e a s o n a b l et ou s er e l i a b i l i t i e sd e s i g ni ft h eu n c e r t a i n t ya n dr a n d o m n e s sa r ec o n s i d e r e d B u t，t h e r ei sy e ta n o t h e rk i n do fu n c e r t a i n t yi nd r 订l i n gm a c h i n ep a r t sd e s 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