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| 地面瞬变电磁法在甘肃某矿内光伏区的试验分析 |
摘要：在光伏区附近进行地面瞬变电磁数据采集时，容易造成数据跳点，影响数据质量。为具体分析瞬变电磁法受光伏区的影响范围，本文结合近期在甘肃某矿采空积水区的电法勘探项目，利用加拿大V8多功能电法仪在已通电的光伏区范围内和光伏区范围外(以下简称“试验区”)均进行了瞬变电磁数据的采集工作，经数据处理分析，认为光伏区对瞬变电磁数据强干扰影响范围为0-40m。
关键词：地面瞬变电磁法；光伏区；自检；试验
引言
瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method，简称TEM)是一种利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用接收线圈或接地电极观测在一次磁场间歇期间由地下涡流产生的二次电磁场，由于二次场中包含地下地质体的丰富地电信息，因此可以通过观测二次场来提取和分析这些地电信息，从而达到勘探目的[1-5]。
其作为地球物理勘探的一种重要方法，凭借其对低阻体敏感、无高阻屏蔽、工作效率高等优点，在水文、地热、煤矿采空区探测等诸多领域得到广泛应用。由于瞬变电磁法的探测建立在电磁场基础之上，当遇到雷电等自然场干扰或者在通信电缆、高压输电线和光伏区等人文干扰附近工作时，会使得瞬变电磁的晚期信号甚至是中期信号发生畸变，导致瞬变电磁中晚期信号的信噪比降低甚至失真，因此，天电及人文噪声尤其是光伏区带来的电磁干扰日益受到人们的关注[6]。
1 试验区地质概况及地球物理特征
本次瞬变电磁试验位置位于本次甘肃某矿地面电法勘探项目的探测区内部，地质概况及地球物理特征如下：
试验区内多为大小不等、梁峁相间的黄土低山—丘陵区，表层多为黄土层所覆盖，树林较为发育，无高压线经过。
范围内地表未见第三纪以前地层出露，据钻孔揭露及地表所见地层从老到新有：上三叠统延长群(T3yn)、下侏罗统富县组(J1f)、中侏罗统延安组(J2y)、直罗组(J2z)与安定组(J2a)、上第三系甘肃群(Ngn)和第四系(Q)。其中，延安组第一段(J2y1)的中上部，K3标志层之上的煤5层为主要可采煤层，层位稳定，广泛分布，以特厚煤层为主，煤层中上部发育有夹矸2～3层，一般在0.2m～0.3m不等，夹矸多为灰黑色炭质泥岩、砂质泥岩；煤5层中下部发育一粉砂岩层，厚度变化0～8.8m。各地层沉积待征、厚度变化及物性规律由老到新详述如下：
(1)上三叠统廷长群(T3yn)
出露于井田北部策底河及井田外砚峡、殿沟一带。为煤系地层沉积基底，属一套巨厚层的陆相碎屑沉积。岩性主要以黄绿、灰绿、灰黄色长石砂岩为主，夹灰绿、灰、灰黑色粉砂岩、砂质泥岩、泥岩，含煤线，局部夹黄绿色中砾岩，顶部多见灰白色砂岩及深灰色泥岩、粉砂岩。碎屑成分主要为石英、长石、白云母等。砂岩胶结松散，含泥质包裹体。
其物性特征：伽玛与自然伽玛曲线呈低幅值；视电阻率电位曲线为高幅值，自然电位曲线无明显异常。呈“三低一高”状。最大钻厚152.77m(B1104号孔)。
(2)侏罗系(J)
仅在华亭煤田北部策底河北岸和煤田南部陇州沟等地零星出露，自下而上有：下侏罗统富县组、中侏罗统延安组、直罗组和安定组。
①下侏罗统富县组(J1f)
主要分布在井田外的南部范围。岩性岩相变化很大，系煤系沉积前的“填平补齐”的洼地或河床沉积。为氧化环境下的以粗碎屑为主的杂色砂岩、杂砂岩夹砂质泥岩、泥岩。砂(砾)岩百分比一般大于50%，反映了沉积时较强的水动力条件。垂向上常表现为多旋回向上变细层序。具有俗称的“似鲕状”结构。发育均匀层理、正向递变层理、板状交错层理和平行层理等。
其物性特征：地层物性为高密度、高电阻率、低放射性、强渗透性。曲线显示伽马～伽马幅值低，视电阻率幅值高，自然伽马幅值低，自然电位幅值高。本井田内只有28个钻孔见到本组地层，厚度0.5～56.86m，平均13.77m。
②中侏罗统延安组(J2y)
为含煤地层和探测目的层，是井田内唯一含煤地层，系一套扇前洪泛平原沉积、三角洲平原沉积和湖泊相沉积组合的碎屑岩系(约占81.4%)，夹有经济价值的可燃有机岩～煤、炭质泥岩、油页岩(约占18.6%)。岩性主要为灰白、灰、褐灰色砂岩、含砾砂岩与黑色泥岩、深灰及灰绿色粉砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤层、炭质泥岩和劣质油页岩。井田西部边缘或局部在煤系上部有浅紫红、紫褐色泥岩、砂质泥岩。煤系地层垂向上颜色色调从上到下为灰紫、灰绿、灰、深灰、灰黑～灰褐、灰白色变化；炭屑含量由下自上逐渐变少；砂岩的粒度向上趋于变细，圆度由棱角状、次棱角状到次圆状变化，分选性逐渐变好；泥质岩由下自上增多，主要矿物成分有高岭石、伊利石和石英等。
物性特征：伽马～伽马曲线上高下低；自然伽马曲线上部起伏较大，而下部趋于平缓，在底界与下伏地层形成明显台阶。
延安组自下而上可分为三个岩段，四个旋回，五个煤层(组)。与下伏下侏罗统富县组(J1f)或上三叠统延长群(T3yn)地层呈平行不整合接触。
③直罗组(J2z)
属半干旱气候下的河湖相沉积。上部岩性为紫红、浅紫、灰黄、浅灰绿等杂色砂质泥岩、泥岩夹紫红、灰绿色砂岩；下部灰白、灰绿夹紫红色粉砂岩、细砂岩与泥岩、砂质泥岩呈互层状，局部底层可见厚层状灰白、灰绿色含砾粗砂岩。垂向上上部以紫杂色的彩色岩段为主，而下部以灰绿色为特征。总体上以泥质沉积为主。发育均匀层理、小型波状层理、变型层理及小型交错层理。其地层厚度变化：南部厚于北部，向斜部位厚于背斜处。厚11.3～236.61m，平均107.78m。与延安组地层为平行不整合接触。
物性特征：曲线显示伽马～伽马幅值低，视电阻率幅值高，自然伽马幅值高，自然电位幅值低，即“二高二低”状。
④中侏罗统安定组(J2a)
该组地层主要见于向斜附近的深孔中，其它地段均剥蚀殆尽。本井田大面积分布。为一套半干旱～干旱气候下的湖相沉积物。主要岩性为紫褐、灰褐、浅紫红色及灰绿色等杂色砂质泥岩和粉砂岩夹紫红、黄绿、灰绿色砂岩。底部一般可见紫红色含砾粗砂岩。多见钙质结核及兰绿色还原斑。以均匀层理为主，化石稀少。见及厚度24.21(B1201孔)～343.96m(B1301孔)，平均114.97m。与下伏直罗统地层呈整合接触关系。
物性特征：曲线反映伽马～伽马幅值高、视电阻率幅值低、自然电位幅值低、自然伽马幅值介于上覆与下伏地层之间形成明显台阶。
(3)上第三系甘肃群(Ngn)
区内普遍出露，与下伏地层呈角度不整合接触。据岩性特征可分为二段。
(1)第二段(Ngn2)：岩性以黄褐、浅黄、紫红色砂质泥岩为主、夹同色砂岩或中砾岩，含钙质结核，局部含石英细砾。井田内北厚南薄，西厚东薄。厚11.72～287.39m，平均厚170.65m。
(2)第一段(Ngn1)：属干旱气候下的河床相沉积。主要岩性以浅紫红、黄褐、浅黄、灰白色厚层状粗砂岩、砂岩、砂质砾岩为主，夹紫红、浅灰色砂质泥岩。砾岩胶结疏松，砂泥质充填；成分复杂，多以变质岩砾、石英岩砾、灰岩砾和花岗岩砾为主。见大型交错层理和均匀层理。局部见钙质结核和炭屑。厚度变化大，为2.31～220.75m，平均厚47.02m。
物性特征：Ngn2段曲线伽马～伽马幅值高、视电阻率幅值低、自然伽马幅值高、自然电位幅值低；Ngn1段曲线伽马～伽马幅值由高渐低，视电阻率幅值、自然电位幅值由低变高，且幅值增大，自然伽马幅值为低值反映。
(4)第四系(Q)
广泛布露，不整合于一切老地层之上，井田内普遍见到本组地层，厚度0～33.72m，平均9.03m。
①上更新统马兰组(Q3m)
分布较广，构成黄土丘陵的表层。岩性为浅黄、灰白色粉砂质黄土。含大量白云母片和少量钙质结核，疏松多孔，垂直裂隙发育。厚0～15m，一般厚8m左右。
②全新统(Q4)
区内厚度小，成因类型复杂，主要为耕植土层、坡积物和冲积物。耕植土层和坡积物广泛分布于山顶和山坡，多为土黄色或红色土壤，垦为农田，部分为杂草灌木丛地。厚度一般0～7.96m。冲积层主要分布于河谷及其两侧阶地，由砾石、砂砾石层、亚砂土组成，厚度一般3m左右，不整合于一切地层之上。
试验区内存在大面积光伏区(已通电状态)，本次试验在光伏区内和光伏区范围外均进行瞬变电磁数据的采集工作，以此来进行对比分析。
2 工作设备及工作布置
2.1 工作设备
本次地面瞬变电磁法工作选用的设备为加拿大凤凰公司生产的V8电法工作站。主机(V8-Reciever)可以对辅助接收机和发射控制器进行操作；利用GPS卫星时间达到时钟同步，选择不同的滤波参数以达到抗干扰的功能。
 图2-1 加拿大V8多功能电法仪
灵活，配置可选择；
接收系统或者发射机之间为无线连接；
发射机和局域网络均通过GPS实现同步；
发电机可根据用户需要在国内采购；
(2)主要技术指标
发射供电系统
工作环境：仪器工作环境-20°C到+60°C，仪器存放环境-35°C到+50°C
最大输出功率：30千瓦(-25°C，海平面)
工作周期：100%，可调节
效率：85%(全功率)
输出电流范围：0.5-10A，0.5-20A，最大20A
输出电压范围：20-500V，50-1000V
输入电压：208V或380V(50/60HZ)，208V(400HZ)
频率范围：直流-10000HZ
时间控制：GPS同步误差为正负0.2微秒
用户界面：整体的控制面板或可选的远程控制面板
错误保护：输入电压超出范围，输入电流过高,输出电压超出范围,电源温度过高。
接收系统
工作环境：-20°C到+50°C
信号道数：V8主机有3个电道，3个磁道，RXU辅助机有3个电道
频率范围：9600～0.00390625Hz(256s)
数据存储：可移动闪存卡(CF卡)，512MB(可升级)
ADC：每通道24bits，每秒96000个采样数
键盘：完全ASCII
显示器：640×480真彩阳光下可读LCD
接口：多针军用高速电道磁道I/O接口，GPS，电瓶和接地接口
输入电源：12V DC；损耗功率：约15W
处理器：586处理器和协处理器
2.2 工作装置
根据本次试验的目的，采用中心回线装置进行野外数据采集。
2.3 测线布置
试验区选择在1#工区33号测线19-27#测点，其中19-23#测点位于光伏区范围外，24#测点位于光伏区边界，25-27#测点位于光伏区范围内(图2-2)。点距为20m，测线长160m，采用的工作频率为5Hz，发射电流为10A，发射框边长为720m。
图2-2 测线布置图 3 数据处理与分析
3.1 数据处理
V8型宽带多通道数字电磁接收机将野外观测的测点数据存储于仪器内的CF卡中，在野外或室内把观测数据传输到计算机后，即可在计算机上进行资料处理。
数据处理之前先要对原始数据进行逐点检查，验证其有效性并统计误差，之后进行滤波处理，后把野外观测到的dB/dt值按远区的晚期计算公式、视深度的计算公式经过反演转换为ρτ(t)和Hτ(t)等参数，在此基础上绘制出相应视电阻率ρτ(t)断面与平面等值线图。
3.2 数据分析
3.2.1 设备自检
在进行试验工作之前，首先进行仪器的自检，以保证采集数据的可靠性(图3-2-1,图3-2-2)。
 图3-2-1 V8 5058主机磁接收道自检曲线  图3-2-2 电流记录仪器5054自检曲线 以上各成果图表明此次试验的各仪器，包括主机、发射机、电流记录仪自检曲线光滑，无任何跳点出现，仪器各项性能指标良好，可以用于野外生产。
3.2.2 光伏区影响试验
光伏区影响试验选择1#工区33号测线19-27#测点，其中19-23#测点位于光伏区范围外，24#测点位于光伏区边界，25-27#测点位于光伏区范围内。各测点处瞬变电磁电压衰减曲线见图3-2-3。
图3-2-3 光伏区影响范围试验测点衰减曲线 4 结论
本次采用地面瞬变电磁法对试验区进行试验与分析，得出以下结论：
(1)在光伏区范围内测点(25-27#测点)的电压衰减曲线在中、晚期整体电压值偏高，衰减较慢，在光伏区范围较远的测点(19-21#测点)的电压衰减曲线在中、晚期整体电压值偏低，衰减较快，在22-24#测点的电压衰减曲线，随着距离光伏区的距离越远，电压衰减曲线在中、晚期整体衰减加快。即在距离光伏区0-40m范围内，采集数据受光伏区运行的影响较强，整体信号衰减较慢，在距离光伏区40m范围外，采集数据受光伏区运行的影响较小，整体信号衰减较快。因此，认为光伏区对瞬变电磁数据强干扰影响范围为0-40m范围。
(2)在探测深度和发射参数相同的条件下，低阻地质体需要观测的时间较长，对应的整体信噪比较低，而高阻地质体需要观测的时间较短，对应的整体信噪比也较高。
参考文献
[1]侯彦威等,地空瞬变电磁在积水采空区探测中的应用.煤炭工程,2021.53(10):第61-66页.
[2]地空瞬变电磁法研究进展_张莹莹.
[3]煤矿采空区地面探测技术与方法优化_李文.
[4]张庆辉等,时域电性源地空电磁系统在煤炭采空积水区勘查中的应用.煤炭学报,2019.44(08):第2509-2515页.
[5]薛国强与于景邨,瞬变电磁法在煤炭领域的研究与应用新进展.地球物理学进展,2017.32(01):第319-326页.
[6]李风明,高压输电线在瞬变电磁法探测中的影响效果分析,2014,太原理工大学.
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