等值反磁通瞬变电磁法及其在探测海水入侵中的应用

1.引言

等值反磁通瞬变电磁法(OCTEM)是一种新的探测地下二次场的方法，方法采用上下平行共轴的两个相同线圈通以反向电流作为发射源（双线圈源），并在双线圈源的中间平面接收地下二次场．由于接收面为上下两线圈的等值反磁通平面，其一次场磁通始终为零，而地下空间却仍然存在一次场，因此一次场关断时，接收线圈测量的是地下的纯二次场响应．方法采用的两个发射线圈相同，但它们电流大小相等方向相反，因而我们译之为Opposing Coils TEM,简称OCTEM．该方法比传统瞬变电磁法采用的单线圈源对地中心耦合场能量更集中，更有利于减少旁侧影响、提高探测的横向分辨率，具备在浅层探测精度、横向分辨率和探测速度等方面提升海水入侵识别精度和效率的潜在能力。近年来，基于等值反磁通原理的瞬变电磁法在岩溶病害探测、浅部采空区探测、薄地层探测、矿产探测和隧道内超前探测等方面得到越来越多的应用（王银等，2017；龙霞等，2020；刘黎东等，2021）。

2.等值反磁通探测原理

OCTEM的装置如图１：反向串联上下平行共轴的线圈TX^（＋）和TX^（－），两线圈相同但电流Ｉ同步且等值反向．接收线圈RX置于双线圈源正中间一次场零磁通平面，与双线圈源共轴（席振铢等，2016）．

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图1 OCTEM装置示意图

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图2 OCTEM双线圈源合成的一次场磁力线

等值反磁通瞬变电磁法测深原理遵循1979年美国地球物理学家Nabighian（1991）提出的“烟圈扩散”理论，即在发射关断后，地下感应涡流随着延时增加不断向下向外扩散，地表在不同延时观测到的电磁场是地下不同深度范围所有涡流产生的总场。早期瞬变电磁场由近地表感应电流产生，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场主要由深部感应电流产生，反映深部的电性分布，从平面位置上看，扩散场会随着时间面状扩散。由海水入侵的特征可知，含水层中存在水平方向和垂直方向的入侵，瞬变电磁法二次场的向下向外扩散可以更好探测海水入侵区水平方向和垂直方向上的电性差异。

3.等值反磁通瞬变电磁法在海水入侵中的应用

山东省龙口市的海水入侵始发于上世纪70年代，近年来受连续干旱影响，地表水的缺乏导致地下水开发利用的需求依然居高不下，在西海岸仍然存在地下水负值区，引发海水入侵问题。选择该研究区，应用等值反磁通瞬变电磁法在典型剖面上进行海水入侵快速探测试验，将地面地球物理反演结果与地下水水化学分析和电导率测定结果进行对比，综合判定不同程度海水入侵的距离、深度以及视电阻率指标。

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