用瞬变电磁法探测灰岩溶洞

用瞬变电磁法探测灰岩溶洞

第!"卷第!期!(()年*月

长安大学学报（地球科学版）

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用瞬变电磁法探测灰岩溶洞

薛国强?，宋建平?，马

宇!，全红娟!

（?&西安交通大学电子与信息工程学院，陕西西安@?((AB；陕西西安@?(("A）!&长安大学地质工程与测绘工程学院，

［摘要］为了查明高速公路设计段地下灰岩溶洞的发育情况，运用大回线源瞬变电磁法在指定场地进行了探测。采用线性数字滤波技术进行正演模拟，采用改进的阻尼最小二乘可行方向法对资料进行反演计算，经过资料处理，查出地下灰岩溶洞的赋存位置，所解释的结果得到钻孔验证，效果很好。瞬变电磁探测技术的成功应用，很好地解决了高速公路设计中遇到的疑难地质问题。［关键词］瞬变电磁法；探测；灰岩溶洞［中图分类号］C*)?电磁信号处理工作。

［文献标识码］D

［文章编号］?((@EBB""（!(()）(!E(("(E(A

［作者简介］薛国强（?B**E）男，山西临猗人，博士研究生，现从事勘探地球物理的理论和应用研究及

设计中的青岛至银川国道主干线经过山西省境内的吕梁地区，而汾阳至离石段D线薛公岭一带灰

岩溶洞的赋存直接影响公路线路的设计和隧道的开挖，因此，需要在设计前采用地面物探方法迅速准确查明该区地下灰岩溶洞的范围和大小。由于测区内地形复杂，条件恶劣，其他地球物理勘探方法不易开展，此前进行的地震反射法勘探效果不好，于是采用瞬变电磁法进行工作。大回线源瞬变电磁法探测技术在这一灰岩地区的应用，成功地解决了问题，并且

方法具有装置轻便、快速扫描、工作效率高、分辨能力强，在高阻地区探测不受围岩屏蔽等特点。

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探测效果

测区内地球物理特征

据以往工作经验及其他类似工作区资料处理解

释情况可知：地下空洞塌陷区电阻率值呈低值反映，灰岩电阻率呈高阻。灰岩溶洞若充水则电阻率值稍映。根据所收集的区域地质资料可知，本地区情况

若灰岩溶洞不充水则电阻率值呈高高阻反解释成果得到了钻孔验证，取得了很好的经济效益。低一些，

?技术简介

属于最后一种，所以这一情况构成本测区的地球物理前提。

仪器及方法

考虑到工区的实际情况，采用大回线瞬变电磁法进行工作。使用的仪器为中南工业大学研制的是一种便携式宽时窗范<JE?型瞬变电磁测深仪，

围智能化的通用型仪器。仪器性能指标为：发射波

瞬变电磁法（F-/.857.97%7=9-$G/H.795=I792$>!&!简称F;I）是一种时间域电磁测量方法，是在没有

一次场背景的情况下观测研究二次场，大大地简化了对地质对象所产生的异常的研究。以其分辨能力强、工作效率高等特点，广泛应用于资源勘探与工程

分发射机最大输出电流为?(D；勘查领域，成为引人注目的地球物理勘探手段之一。形为双极性双波；

最大发射电压为AK#；仪器存贮量大回线源瞬变电磁法是在地面大回线作为发射回辨率为(&"!#；线，在回线一定范围内布设接收回线进行观测，这一

［收稿日期］!((!E(AE!!

［基金项目］国家自然科学基金项目（ABB@A(!*）万方数据

为!A(个观测点数据。

本次工作采用：发射线圈?"(GL?((G，接收

选用!"MN基频进行工线圈为"GL"GL?(匝；

作，共!(道，时窗范围为：(&(K@O@&(AG8。

用瞬变电磁法探测灰岩溶洞

第#期薛国强等：用瞬变电磁法探测灰岩溶洞

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!!"室内工作

室内工作的基本内容包括资料处理、定性图件

其中

的绘制及解释、定量解释"项内容。#!"!$资料解释

资料解释流程如图$

所示。

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*且，5$4$##$$"’*

分别为归一化频率和归一化时间。

然后利用晚期视电阻率定义式：

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得到晚期视电阻率曲线。

上式中的积分核随#增加而单调增加，因此在对上式汉克尔变换中，要求有很多滤波系数和褶积计算次数，影响了计算速度。在实际计算中，为了保证上式积分的收敛速度和减少褶积计算次数，将积分核形变为：

’#’(’0#

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于是汉克尔变换式变为

’）)（.（7&**）&$0(##"$#’$(’’##*

’由于#｛［’$（］0（$6#）｝随#增加表6’$(’’）现为有限宽度的单峰曲线，故计算时只需在积分核不为零的有限宽度内进行褶积计算，可大大减少滤

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图#

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资料处理流程

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［$%"］

#!"!#定量解释方法

（$）正演方法。对于水平层状大地，在大回线发

提高计算速度。同时为了进一步射谐变电流激发下，回线中心处频率域磁场响应为：波系数和褶积次数，

(提高计算速度，将三次样条插值函数引入计算中。即$&!（"）%"’&’)（*）&$!#先用线性数字滤波法计算出足够数量的.（，然$#$"4）&#’’(’’

后利用三次样条插值函数法求出所需的核函数值，

式中：*为回线半径；&为发射电流；’’为自由空间

以此来代替线性数学滤波法直接计算核函数

的特征波阻抗；’$为地面接收的层状介质的综合波

，这就大大加快了计算速度。.（"4）阻抗；为空气中的磁#为积分变量；!为圆频率；’"

（#）反演计算。反演中为了尽量减少多解性的

导率；)（*）为一阶贝塞尔函数。$#

影响，采用改进的阻尼最小二乘可行方向法。并将

’$由下列公式求得：

这一方法成功地应用于瞬变电磁测深资料的反演+($（）’’#,-.(’$$’+中。其最优化问题归结为求解下列法方程：

（-+.+）’+(’+($#,

5

（858(*&）"9$8!

%’0’/$’/，’+$式中：8称为雅可比矩阵；&为单位阵；*为阻尼-

+

%$$0!+’"!!6应用效果

+$$，#，"，…，/图#%.中，点距-/，线距为-/，视电阻率的

式中：$+为电导率。?/。$%0测道所对应的时间延迟为单位为#

根据频谱分析理论，由上式可得瞬变（时间域）

’!’1234)，’!$’134)，’!$"134)，’!$2)34)，

电磁响应：

’!#$.34)，’!#2234)，’!"-"34)，’!))$34)，

(

&!（单位/,。#）’!-.$34)，［（）］（）2.4*+,45&$#3"#&#!$在图#所示的剖面上，"’*’$%"测道的视电阻率值

-+$

，1#+

因子。

用瞬变电磁法探测灰岩溶洞

(*

长安大学学报（地球科学版）第*(卷

图;

图!

"##线视电阻率等值线断

$%&’;

$%&’!())*+,-.+,/%/.%0%.123-.34+2+3//5/,2.%3-367%-,

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"##线推断解释断面

<-.,+)+,.,9&,373&%22+3//5/,2.%3-367%-,

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图=$%&’=

>?8=线第8测道视电阻率等值线平面

@:,.:%+9&*.,*))*+,-.+,/%/.%0%.123-.34+)7*-,

点的位置展布于平面图上（图(），分别对各测点上所对应的第&测道视电阻率值按照三次样条插值的

图8

$%&’8

"##线视深度等值线断面

())*+,-.9,).:23-.34+2+3//5/,2.%3-367%-,"##

办法，绘制各测点第&测道的视电阻率等值线图。

从这两个图上看，根据视电阻率值的变化情况可以看出，视电阻率值较高的部位有三处，第一处位于第二处位于*"线’"号点附近，’"线&号点附近，

第三处位于&"#&(线的$号点附近。前两者被认中间是山脊，两边是山坡的地质情况的反映。根据把地"#&(线视电阻率等值线剖面图的解释结果，质目标体展布于平面图上（图!）。在此图上可明显看出有两处地下溶洞。

横向变化大，局部有电阻率值偏高的现象，其视电阻率变化范围为!"#$"!?%。在图&中，视深度等值线在’#&测道也有明显的向上弯曲现象。这两定性解释为灰岩溶洞。把等值线为!(!?%的线围

成的圈闭定性解释为溶洞的赋存范围。结合综合解释成果（图)）可知，溶洞的顶部深度为*"#*(%，溶洞高度小于!#+%。

钻孔在该测线!号点附近的揭示情况为：地下溶洞顶部深度*"%，溶洞高!%，完全与资料解释一致。本次工作对,’’线以外的其他地段进行了扫面探测，现仅展示"#&(线的成果：把"#&(

线各测

种情况都解释为地下此段位置存在一相对高阻体，为是地下溶洞赋存的显示，后者被认为是由地形上

&结语

瞬变电磁法是探测地下灰岩溶洞的得力的物探

万方数据

用瞬变电磁法探测灰岩溶洞

第&期薛国强等：用瞬变电磁法探测灰岩溶洞B%

方法。通过资料的正反演计算处理，解释出的成果

对于溶洞有很好的控制，并得到钻孔的验证。瞬变

电磁探测结果给公路设计提供重要的参考和带来便

利，具有很好的经济效益。本次勘查共查出两处溶

洞，并准确地确定其赋存状态，获得满意的地质

效果。

［参考文献］

［!］方文藻，李予国，李貅"瞬变电磁测深法原理［#］西安：西北工

图!

&’()!"#$%线第$测道推断解释平面*+,-+’./-’0,(1-,’2-,.3.,-,/

3412,5,6-’7278"#$%4’2,5业大学出版社，!$$%"［&］薛国强"瞬变电磁法成像技术研究［’］长安大学，"西安：&((&"［%］考夫曼))，凯勒*+"频率域和时间域电磁测深［#］"王建谋

译"北京：地质出版社，!$$("

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万方数据