等值反磁通瞬变电磁法在成都市地下空间资源地质调查中的应用

成都市钙芒硝、富水砂砾卵石层等不良岩土体以及隐伏断裂构造对地下空间的利用形成严重制约。据现有钻孔资料显示钙芒硝层多分布在30～150m深度、砂砾卵石层多分布在10～100m深度,属于等值反磁通瞬变电磁法的有效探测范围。首先对城区电磁干扰源进行了调查,总结了提高数据采集质量的具体措施;然后布置了过已知钻孔的等值反磁通瞬变电磁法试验剖面,过井剖面反演视电阻率值与不同深度的测井视电阻率值吻合较好,说明反演初始模型参数选取正确,定量反演精度较高;最后布置了三条等值反磁通瞬变电磁法试验剖面,试验结果表明等值反磁通瞬变电磁法结合钻探和其它物探手段,能有效划分出不良地质体的分布范围和对隐伏断裂进行识别。     

隧道瞬变电磁多点阵列式探测方法研究

 针对传统的隧道瞬变电磁探测与解释仅主要依靠二维视电阻率断面图的不足,借鉴地面大回线中心装置瞬变电磁的观测方式,提出隧道瞬变电磁多点阵列式探测方法。研究瞬变电磁非中心点垂直分量频率域响应双重贝塞尔函数强振荡型积分的计算方法,以中心点频率域响应多项式为基函数,定义多项式形式的非中心点频率域响应表达式,通过最小二乘拟合的方法得到多项式系数。推导瞬变电磁非中心点时间域响应公式,在瞬变电磁场晚期近似条件下,给出非中心点垂直分量晚期视电阻率公式,实现隧道瞬变电磁探测时观测回线内非中心点垂直分量响应能够转换为视电阻率图像进行解释,为隧道瞬变电磁多点阵列式探测提供理论基础,提出利用隧道瞬变电磁阵列式探测响应数据进行三维视电阻率综合解释的方法。在理论研究的基础上,结合现场试验,开展隧道瞬变电磁多点阵列式实际探测研究,对隧道底板下方含水构造进行多点阵列式探测,对探测结果进行对比和解释,形成三维视电阻率图,分析得到含水构造的三维空间展布规律。     

瞬变电磁法在城市岩溶探测中的应用

城市地下水的分布影响着城市的规划和工程建设,山东省济南市城区泉水广泛发育,查明地下水分布和岩溶发育特征有利于减少地质灾害,对指导城市工程建设意义重大。通过对泉群集中区三个路段进行瞬变电磁法探测,根据反演视电阻率断面图反映的测区地电特征,推断出富水部位,查明了地下岩溶发育特征及深度。结果表明,经十路、大明湖路、历山路地层成层性明显,第四系隔水层厚度大于15m,岩溶发育平均深度在20~40m之间,城市地下工程建设应避开地层薄弱和岩溶发育区。瞬变电磁法探测的应用,可以很好地解决工程地质问题。     

三维电阻率空间结构约束反演成像方法

 反演的多解性是三维电阻率探测的固有问题,极易造成地质解释的误差甚至错误。针对该问题,提出利用其他勘探地球物理方法(如地震反射方法、地质雷达方法等)获得的异常体的空间结构和形态信息作为电阻率反演先验约束的学术思路。首先,提出空间结构约束这一新约束的构制方法,将已知异常区域(由其他勘探地球物理方法得到)映射到三维反演模型中,使得对应区域的各网格之间的电阻率差异极小,建立一种表达简单、易于实现的空间结构约束矩阵,可表征常见典型构造,特别是形态或结构较复杂的地质构造。在此基础上,构造携带空间结构约束的三维电阻率探测反演目标函数及其反演成像方程,形成三维电阻率探测空间约束反演成像方法。然后,基于上述反演方法,开展数值试验和工程应用,将地质雷达和地质分析获得的空间结构约束施加到三维电阻率反演中,发现利用三维电阻率空间结构约束反演方法大大增加了异常区域的先验信息,可有效去除反演成像中的假异常和多余构造,对异常体的定位精度和界面分辨效果较传统的电阻率反演方法有了很大的提高,使得反演结果与地质原型较为一致,显著压制了电阻率探测反演的多解性问题,证明三维电阻率探测空间结构约束反演成像方法是抑制多解性、改善定位精度和界面分辨效果的可行途径。     

坑道掘进瞬变电磁超前探水解释方法的改进研究

瞬变电磁方法已在坑道超前探水中发挥重要作用。因实际测试时存在电流关断时间,激励场不再满足阶跃关断条件。以水平电偶极子瞬变场响应为基础,给出坑道瞬变电磁多匝小回线中心阶跃瞬变场表达式。通过对3种非阶跃关断瞬变场的响应计算,确定了关断时间的影响范围,指出关断时间的影响对于坑道掘进前方浅部含水体的探测不可忽略。推导了全空间线性关断条件下全程视电阻率算法,从而改进坑道超前探水解释方法。物理模型实验和实例应用结果表明,该方法对于坑道掘进前方浅部含水体的空间划分更好,增强了瞬变电磁法对岩层富水特性的判定能力。     

隧道掌子面前方低阻夹层的瞬变电磁探测研究

 实践表明,隧道掌子面前方含水、充泥等不良地质体对隧道施工构成潜在的危险和障碍,严重影响隧道施工速度。由于瞬变电磁法对低阻体反应灵敏,在进行瞬变电磁隧道超前地质预报时,这些含水、充泥等不良地质体通常又可以近似当成一种低阻夹层来处理,因此,利用瞬变电磁法对掌子面前方低阻夹层的探测研究就显得很有意义。采用建立在全空间理论上的瞬变电磁等效导电平面法,利用遗传算法进行计算,并结合视纵向电导及其微分成像对隧道掌子面前方低阻夹层展开相应的正演模拟及应用研究,重点讨论视纵向电导微分成像的电性界面响应特点及其与视电阻率断面等值线联合解释方法,总结出相应的结论和规律,以此来指导瞬变电磁法在隧道内的超前地质预报工作,不断提高瞬变电磁探测的精度及准确度。     

电阻率二维反演方法以及在工程中的应用

采用基于光滑约束的最小二乘二维电阻率反演成像方法,提出反演方程快速求解算法,显著改善了二维电阻率勘探反演成像的效果与效率,在滑坡体勘探和城市地铁勘探应用中,能够清楚、直观地探测出溶洞、断层等地下异常体的形态以及空间位置。     

瞬变电磁法在沉积型铁矿采空区探测中的应用

以山西省平型关某沉积型铁矿采空区的探测试验为例,介绍了地面瞬变电磁法在低品位铁矿采空区探测中的效果。通过岩样电性测试,获得了矿区电阻率参数,综合分析铁矿采空区的瞬变电磁电阻率异常特征,选择发射线框边长为50m,接收线框为20m的中心回线装置对已知采空区进行探测试验。通过试验证实,采空区在瞬变电磁中心回线衰减曲线响应、电阻率测深曲线、感应电压多测道曲线及电阻率断面图上均有明显的特征,最终通过电阻率断面图解释了高阻矿体中的不充水采空区边界,为采空区治理提供依据。     

隧道瞬变电磁超前探测去噪方法试验研究与应用

隧道等地下工程在施工过程中常面临突水突泥等地质灾害,瞬变电磁法能够基于介质间的电阻率差异对掌子面前方的含水构造进行探测和定位。但由于隧道环境存在较多的干扰,实际探测获取的中晚期数据质量相对较差而无法使用。设计均匀半空间模型和三层经典模型研究瞬变电磁法探测的感应电动势转化成视电阻率的适用性,发现在无干扰时晚期数据转化效果良好,在强干扰情况下晚期数据转化效果较差。使用这2种模型,分别对比3种滤波算法改善晚期数据质量,改善瞬变电磁场强干扰环境下晚期衰减曲线的信噪比,提高瞬变电磁探测深度。现场试验发现,采用滤波算法与传统直接截断方法对比后,晚期数据可以使用,有效提高了探测深度,早期数据成像结果与直接截断方式成像结果相同,滤波算法不影响早期数据。     

隧道含水构造三维瞬变电磁场响应特征及突水灾害源预报研究

针对隧道含水构造的瞬变电磁场响应特征和隧道突水灾害瞬变电磁探测与预报问题进行了两方面的研究:第一,采用时域有限差分法实现了针对任意复杂模型瞬变电磁探测的三维正演,完成了隧道含水构造瞬变电磁场响应的三维建模,并针对典型含水构造进行了响应特征分析;第二,提出了隧道突水灾害瞬变电磁三维多分量阵列式探测方法,并就其解释技术进行了探索。具体研究内容如下:(1)地面和航空瞬变电磁的三维正反演技术在欧美、澳洲等发达国家已经开始应用于工业生产,然而,隧道内的瞬变电磁探测存在一个复杂的伪均匀全空间环境,现有的正演技术均不适用于隧道内的瞬变电磁探测,其主要原因是采用现有方法对隧道探测施加激励源存在难度。针对这一问题,同时考虑有源和无源区域的Maxwell方程组,引入激励源电流密度项到安培定理中,从而实现回线激励源的注入。理论上,这种施加激励源的方法适用于任意复杂的三维模型,但其缺点是增加了计算成本。为了提高计算效率,采用了CPU+GPU异构并行计算方案。为了验证所给出的新激励源施加方法的正确性,首先采用均匀半空间模型解析解与三维FDTD解进行对比,结果显示衰减曲线误差小于5%,视电阻率误差小于3.5%;然后采用四类三层模型(A,H,K,Q)的线性数字滤波解与三维FDTD计算结果进行对比;之后采用均匀半空间包含低阻块体的模型进行计算并与相关研究中的FDTD解和积分方程解进行对比。以地面验证的理论为基础,针对隧道探测进行了专门改进,提出了隧道超前探测瞬变电磁三维正演建模方法,针对直立断层、倾斜断层、充水溶洞等隧道开挖过程中可能遇到的典型含水构造进行了正演模拟,考察了含水构造与掌子面的距离、含水构造规模、含水构造与背景围岩电阻率差异等参数对瞬变电磁响应的影响,得到了部分典型含水构造的瞬变电磁响应特征。针对TBM开挖的隧道,计算和分析了TBM机对瞬变电磁超前探测的影响规律,为隧道瞬变电磁超前地质预报用于TBM施工的隧道进行了数值的探索。分析数值算例后,新发现隧道超前地质预报中尚未采用的水平感应电动势响应对含水构造具有明显的反应,对于判识大规模含水构造具有重要作用。(2)现有的隧道瞬变电磁超前探测一般采用中心回线的方式并在掌子面布置1条测线,得到电阻率断面的二维分布,对含水构造的空间形态与分布规律反映较差。借鉴地面大回线中心装置的工作方式,提出了隧道突水灾害瞬变电磁三维多分量阵列式探测方法,给出了详细的装置布置形式与观测方法。以一维瞬变电磁基本理论为基础,研究了小回线半径下瞬变电磁回线内带偏移距观测点的水平和垂直磁场频率域响应中双重贝塞尔函数强振荡型积分的计算方法,以中心点频率域响应多项式为基函数,定义多项式形式的带偏移距观测点频率域响应表达式,通过最小二乘拟合获得多项式系数。将得到的频率域响应方程按照反傅里叶变换转换到时间域,得到瞬变电磁回线内带偏移距观测点水平和垂直感应电动势响应的时间域方程,在瞬变电磁场晚期近似条件下,给出了与隧道多点阵列式探测方法配套的水平和垂直感应电动势响应晚期视电阻率公式,从而使隧道多分量阵列式瞬变电磁探测采集的数据能够转换为视电阻率图像进行解释。以层状地层的横向和纵向电阻率合成方法给出了综合利用水平和垂直响应的电阻率矢量合成方法。采用均匀半空间模型和四类三层模型(A,H,K,Q)进行对比验证,并采用现场实测数据进行分析,结果得到了钻孔验证。上述两部分研究工作为瞬变电磁正演理论提供了研究基础,尤其是隧道突水灾害瞬变电磁探测的响应特征研究提供了基础。建立的隧道三维探测方法能够获得三维数据体,连同正演理论为进一步的三维反演提供了研究基础。     

小回线瞬变电磁法的探测深度

瞬变电磁法的探测深度主要取决于二次场衰减时。对于阶跃源激励的平面电磁波,可在均匀全空间的条件下导出给定时间内阶跃脉冲到达深度的解析公式,此式只与观测时间和大地电磁参数有关。数值模拟的结果表明,当配备大功率的发射机和较大等效面积的接收线圈时,小回线装置也能达到与大回线装置相当的探测深度。     

瞬变电磁法探测大坝裂缝试验研究

介绍了瞬变电磁法的工作原理,通过纳米瞬变电磁仪,对某大坝裂缝进行了探测,并论述了中心回线和偶极两种装置的试验参数,对比了两种装置的试验结果,指出内框1 m,外框4 m的中心回线装置探测均质土坝裂缝效果较好。     

高密度电法与音频大地电磁法在工程勘察中的应用

为了找出地下空间的不良地质条件,采用高密度电法与大地电磁法相结合的方法对项目区进行了探测研究。通过对高密度电法和大地电磁法反演结果图中低电阻率异常区域进行分析,推断可能的断层发育区域或断裂带与地质资料相吻合。结果表明,高密度电法具有较高的精度和较浅的探测深度,而大地电磁法探测深度大,精度略差。两者结合起来,可以相互印证,更好地确定断层的位置。因此,在地下空间地质调查中,两种方法相结合,可精准确定不良地质体的位置,具有很好的应用前景。     

不同电磁探测方式在城市地下管线探测中的适用性分析

随着城市地下空间的发展,对城市地下空间的利用逐渐加重,而城市密布的地下管线如何准确定位也成为制约城市地下空间利用重要原因.电磁法是目前应用广泛的探测方法,其能达到快速高效的探测效果,常规管线探测时使用管线探测仪即可,但对远距离或大深度的管线精度会有较大误差,为此开展相关探测方法对比实验研究,评估探测方法的优缺点,以提高地下管线的探测定位精度.     

大回线源瞬变电磁法最小探测深度的分析与估算

由于线圈的自感耦合作用 ,使瞬变电磁早期时间道信号严重失真。为研究瞬变电磁早期信号的特性 ,分析了瞬变电磁线圈等效回路的暂态过程 ,得出线圈自感信号振幅的理论表达式 ,计算了不同大小线圈的自感信号的幅值和衰减时间范围 ,得出了瞬变电磁测深法对地探测时存在一个不可分辨的“盲深度”。作者提出了不同线框大小和不同介质电阻率情况下 ,估算瞬变电磁能探测的最小深度的方法并给出了估算结果。所研究成果对进一步研究瞬变电磁早期场的附加效应打下了基础。同时得出的瞬变电磁最小探测深度的结论对野外生产工作具有指导意义     

隧道地质预报中的瞬变电磁视纵向电导解释方法研究

瞬变电磁隧道超前地质预报最常用到的成果解释图为视电阻率等值线图,但由于视纵向电导相对于视电阻率等值线图具有更好的电性界面识别特征,因此,研究隧道超前地质预报中的瞬变电磁视纵向电导解释方法就显得很有意义。通过建立在全空间条件下的等效导电平面法来计算视纵向电导参数,并且详细阐述了视纵向电导曲线及其一次、二次微分曲线之间的关系。然后,通过建立隧道正演夹层模型和实际应用实例对视纵向电导的解释特点和效果进行较为全面的分析研究,并深入讨论了视电阻率等值线图与视纵向电导二次微分成像联合解释方法。最后,总结和归纳出视纵向电导在瞬变电磁超前地质预报解释中的一些方法特点和规律,以此指导瞬变电磁法在隧道内的超前地质预报工作,不断提高瞬变电磁隧道超前地质预报的精度及准确度。     

基于跨孔电阻率CT的地铁盾构区间孤石探测方法及物理模型试验研究

跨孔电阻率CT方法在地铁盾构区间孤石探测方面具有一定优势,但仍然存在孤石定位精度低、小尺寸孤石难以识别等工程实际难题。首先,提出了电阻率CT不等式约束反演成像方法和偏导数矩阵的并行解析快速求解方法,从施加先验信息约束和提高反演精度两个方面共同改善了电阻率CT反演的多解性与成像效果。在此基础上,通过大量常规观测模式的成像效果对比试验,提出了一种组合式观测模式,可以综合多种常规观测模式的探测优势并增加采集的数据量,从而提高对异常体的识别能力。针对影响探测效果的两个因素——孔距和电极间距进行了数值模拟试验研究,获得了在组合式观测模式下的有效孔距范围和合理的电极间距参数,并进一步检验了对小粒径孤石的识别效果。在此基础上,提出了地面物探普查与电阻率CT详查相结合的孤石探测方案。最后,开展了物理模型试验研究进行验证,探测结果与实际情况比较一致,具有较好的应用前景。     

瞬变电磁法数据滤波方法对比研究

瞬变电磁法在煤矿地质调查中应用广泛,它是利用二次场来探测地质体的一种方法。在各种噪声的影响下,地质目标的瞬变电磁响应(二次场信号)被淹没在噪声之中,直接影响了瞬变电磁信号的质量以及后期的数据处理和视电阻率的计算等。本文在实例研究的基础上,分析对比了瞬变电磁数据处理中常用的多项式滤波、三点滤波、无相移滤波和卡尔曼滤波方法对所探测地质体的数据处理效果,研究结果表明,多项式滤波、三点滤波和无相移滤波具有相似的数据处理效果,均能够很好地反映地层的产状特征,而三点滤波和无相移滤波能较好地反映较小地质体和断层,表现出了良好的空间分辨效果。     

瞬变电磁勘探技术在某采空区探测中的应用

当地下存在电性不均匀体时,通过瞬变电磁法会观测到电性不均匀体的涡流异常场,进而推断矿体、地下水、采空区等地下盲体的存在和部位。应用瞬变电磁勘探方法对大湾锌钼矿采空区进行勘查,介绍瞬变电磁法野外数据采集技术并对采空区的瞬变电磁法视电阻率异常特征进行了分析。     

瞬变电磁法在复杂构造背景下深部找矿中的应用

大电流大定源回线瞬变电磁法具有装置简单,探测深度大,工作效率高,对低阻目标体分辨力高等优点;通过应用实例,介绍了该方法在云南某高海拔高起伏复杂构造地区的应用,说明了该方法的切实有效性。