瞬变电磁法(Transient electromagnetic method 简称TEM法)是一种利用不接地回线向地下发送脉冲式一次电磁场，用接收线圈观测该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场(牛之琏，2007)的空间和时间分布，从而解决有关地质问题的时间域电磁方法.由于TEM的许多显著优点，使得TEM法在近几十年得到了迅速的发展(薛国强，等，2004;2008; 2011a. 2011b，2013; 李永兴等，2010;陈曙东等，2012;陈晓东等，2012;丁艳飞等，2012;李貅等，2012; 孟庆鑫和潘和平，2012;邱稚鹏等，2013;张爽等，2014)，然而TEM的使用会受到许多干扰的影响.

本文针对上述问题并结合实际情况，应用中心回线法并基于均匀半空间(李貅，2002)的模型进行了初步的模拟和计算，并给出了在假定情况下工业输电线对瞬变电磁探测结果的影响及其影响因子.如果对影响因子有足够深的认识，那么可以在生产过程中慎重的选择发射和接收参数，以最大程度降低工业输电线对探测结果的影响，从而提高工作效率和探测精度.

1 工业输电线干扰和TEM二次场的计算1.1 均匀半空间模型的建立和中心回线法的求解

假设均匀半空间介质的电阻率为ρ，磁导率为μ，介电常数为ε.中心回线发射线框Tx为一水平放置在地面上圆形线框，线框的半径为a，接收线框Rx位于圆线框圆心，线圈中通一阶跃电流(薛国强，2004)

为了方便求解，以发射线圈的中心为坐标原点建立柱坐标系，z轴方向向下，r方向由圆心指向外(如图 1)，在忽略位移电流的情况下，则标量赫兹位F满足亥姆霍兹方程(谢处方，2008)：

图 1 均匀半空间与柱坐标系的建立Fig. 1 Establishment between half-space model and cylindrical coordinates

相对通常线框的大小，工业输电线可看作是无限长通电长直导线，假定工业输电线为单回路三相电(西安电力学校，1981)，三相电距地面的高均为h，线间距为l，距输电线水平距离为d的P点的磁感应强度 B 为三相电产生的磁场强度的矢量和(如图 2)，则三相电各相的电流为

图 2 工业输电线模型Fig. 2 Model of industrial transmission line

由毕奥-萨伐尔定律(谢处方，2008)可得：

为了能具体的说明工业输电线对瞬变电磁二次场的影响，模型将取如下表 1、表 2中的参数.

表 1(Table 1)

表 1 工业输电线模型参数(以220 kV工业线为例) Tab.1 Model parameter of industrial transmission line (set 220 kV industrial power lines as an example) 参数 电流振幅Im/(A) 高度h/(m) 线间距l/(m) 观测时间t/(s) 水平距离d/(m) 大小 300 20 2.5 0~0.02 0~90

表 1 工业输电线模型参数(以220 kV工业线为例) Tab.1 Model parameter of industrial transmission line (set 220 kV industrial power lines as an example)

表 2(Table 2)

表 2 均匀半空间模型及中心回线的参数 Tab.2 Parameter of uniform half-space model and center loop 参数 电阻率ρ/(Ω·m) 磁导率μ/(H/m) 发射回线半径a/(m) 发射电流I/(A) 观测时间t/(s) 大小 120 μ0 200；300；400 10 1×10-6～1.2×10-4 注：表中μ0=4π×10－7 H/m.

表 2 均匀半空间模型及中心回线的参数 Tab.2Parameter of uniform half-space model and center loop

为了能直观看到工业输电线对地面上每一点的影响，由(12)式绘制出工业输电线产生的与d，t的曲线关系图如图 3.

图 3 工业输电线产生的 与d，t的关系曲线图Fig. 3 Graph showing relationship among d，t and generated by industrial transmission line

经计算工业输电线产生的干扰幅值(在无特别说明的情况下，本文所述的干扰均指工业输电线在竖直方向上的磁场变化率并不是简单随着水平距离d的增大而减小，而是随着d的增大其幅值出现四个极值，两个极大值和两个极小值. 1.3.2 TEM二次场的计算

根据瞬变电磁的理论，大地中电流密度最大处的深度与时间的关系(牛之琏，2007)为

假如要探测地下200 m左右的地电特性，根据(13)式可以粗略算出需要的观测时间(在理想阶跃关断条件下的观测时间).

根据表 2的参数，由(3)式绘制出的不同发射框半径条件下的瞬变电磁二次磁场变化率与时间的关系曲线见图 4，从图中可看出，在相同发射电流条件下，半径为200 m线框的二次场变化率前期数据较大，但由于衰减较快，后期数据又变得较小；半径为300 m的线框相对于半径为200 m的线框其二次场变化率整体衰减较慢，数据较平缓，且后期二次场变化率值已高于半径为200 m的线框；同样，半径为400 m线框的二次场变化率更平缓，后期二次场变化率值已高于半径为300 m的线框，即后期大线框二次场变化率值较大.

图 4 二次磁场变化率与时间的关系Fig. 4 Relationship of the changing rate of second magnetic field and time

2.1 工业输电线产生干扰的计算

由(12)式计算得出的工业输电线产生的干扰见表 3，从表中可得出干扰幅值随水平距离d的变化规律：在d=0.7 m时干扰幅值出现一极小值9.896×10^-5 T/s，在d=2.5 m时干扰幅值出现一极大值;在d=20.25 m时干扰幅值为一极小值；在d=35.25 m时干扰幅值又为一极大值，然后又随着d的增大干扰幅值又逐渐变小(见图 5).但是无论d为何值，工业输电线在每一点产生的干扰均呈正弦曲线变化(因为(12)式在任一点总能表示成某一三角函数Acos(ωt+φ)，其中A和φ为某一常数).

表 3(Table 3)

表 3 工业输电线附近干扰值 Tab.3 Interference value in the neighborhood of industrial transmission line 水平距离d/(m) 干扰值dBz/dt/(10-5T/s) 水平距离d/(m) 干扰值dBz/dt/(10-5T/s) 0 11.6 23 1.185 0.5 11.001 30 2.394 0.7 9.896 35.25 2.54 2.5 19.2 40 2.445 5 16.78 50 2.039 8 12.77 70 1.309 10 9.902 80 1.06 12 7.21 90 0.870 14 4.859 120 0.5219 17 2.086 150 0.344 20.25 0.3605 200 0.198

表 3 工业输电线附近干扰值 Tab.3Interference value in the neighborhood of industrial transmission line

图 5 工业输电线干扰振幅与水平距离的关系Fig. 5 The relationship between the amplitude and horizontal distance of industrial power lines interference

由(3)式计算得出的二次磁场变化率值见表 4.

表 4(Table 4)

表 4 在某一发射框半径下，观测时间对应的二次场变化率的大小 Table 4 The size of the changing rate of second magnetic field correspongding with observing time under a certain transmitting loop semidiameter 观测时间t/(10-5s) 二次场变化率dBz/dt/(10-5T/s) 0.1 45 13.33333333333333 1 44.96264775405773 13.33333326186059 2 42.16884121611974 13.32982007681330 3 35.00849257323045 13.23027666246416 4 27.55061610905382 12.82779477278740 5 21.48446486110649 12.08967573835576 6 16.88392870244178 11.14041714177684 7 13.44508402271552 10.11535824532283 9 8.897503706657776 8.163145513793723 12 5.258687207311555 5.867003510695848 注：表 4中第二列为框半径a=200 m时二次场变化率的值，第三列为框半径a=300 m时二次场变化率的值

表 4 在某一发射框半径下，观测时间对应的二次场变化率的大小 Table 4 The size of the changing rate of second magnetic field correspongding with observing time under a certain transmitting loop semidiameter

由表 3数据可以看出输电线边缘(比如表 3中d=2.5 m 时)干扰是最大的，它会使得小框深部信号(比如表 4中a=200 m，t大于等于6×10^-5 s时)的信噪比小于1 1，而使得大框信号(比如表 4中a=300 m时)全部失真，这样的干扰会使得反演结果出现柱状的低阻或者高阻的假异常，并以山西娄烦某220 kV高压线下的试验为例来说明此问题. 综合比较图 4中的三条曲线和表 4中的数据可以看出，在发射电流相同和保证最后几道信噪比的同时，小线框的前期数据整体信噪比较高.

表 5(Table 5)

表 5 发射框半径、信噪比与距工业输电线水平距离的关系 Table 5 Relationships among transmitting loop semidiameter，signal-to-noise ratio and horizontal distance from the industrial power lines 发射框半径a/m 最低信噪比 水平距离d/(m) 200 3 1 58 4 1 70 300 3 1 52 4 1 65 400 3 1 66 4 1 80

表 5 发射框半径、信噪比与距工业输电线水平距离的关系 Table 5 Relationships among transmitting loop semidiameter，signal-to-noise ratio and horizontal distance from the industrial power lines

由公式(3)、(12)和表 3、4，如果取最低信噪比为3 1或4 1，则可得出相应的距工业电线最小水平距离.

2.2 试验过程与分析

本次试验区范围内只有一条220 kV高压线，距城市村庄较远，试验当天天气晴朗可排除人文及天电影响，采用的仪器为美国Zonge公司生产的GDP-32^Ⅱ多功能电法仪，采用固定回线的测量方式，试验的工作参数为：发射框半径分别选用a等于200 m和300 m，发射电流为10 A，接收线圈采用H_Z垂直分量接收探头，等效面积为10000 m²，试验选定同一条测线，测点数为10个，点距为10 m，且测线的方向垂直于工业输电线方向，试验成果见图 6(图中横坐标x表示距工业输电线的水平距离).

图 6(a)发射框半径为200 ｍ的视电阻率剖面图；(b)发射框半径为300 ｍ的视电阻率剖面图.Fig. 6(a)Profile map of apparent resistivity with 200 meters semidiameter emission frame;(b)Profile map of apparent resistivity with 300 meters semidiameter emission frame.

分析图 6，在a图标高为+1098 m～+990 m(即浅部信息)时，整个视电阻率剖面图曲线平缓光滑，地层分层明显，且又与当地的地层电阻率基本吻合，看不出有明显的工业输电线干扰；但是当标高范围为+990 m～+900 m，水平距离为10 m~50 m左右时，图中明显出现了范围比较大的高阻异常区，其电阻率值是周围电阻率的2倍，且明显高于当地已知地层的电阻率，由此断定该“异常区”受到了高压线的影响，使其出现了假异常，随着水平距离x的增大，干扰又逐渐消失，到x为60 m左右时基本趋于正常.

在图 6b x为10 m～55 m，标高为+1090 m～+900 m的范围内，基本上整个视电阻率剖面图呈现出高阻异常，异常区整体呈柱状，其电阻率值明显高于周围电阻率且与当地的地层电阻率不吻合，由此本文断定该“异常区”受到了工业输电线的干扰，并非真正的异常，随着水平距离x的增大，干扰又逐渐消失，到x为55 m左右时基本上也趋于正常.

综合图 6，在工业输电线附近工作时，如果发射电流及其它条件都相同，高压线可能会使小框深部的勘探信息失真而使大框的深部及浅部信息全部失真，从而出现因受干扰出现的假异常，但是随着距高压线水平距离的增大，干扰又慢慢消失，基本上在x大于60 m左右时以满足勘探的信噪比.所以在野外工作时尽量使用大电流适合的发射框，测线的布置尽量避开或者垂直高压线，已使工业输电线的干扰降到最低，提高信噪比.

本次试验区的选则与本文假定的模型相似，试验的结果基本上与本文的结论相符，验证了本文结论正确性. 2.3 干扰的处理

根据已建立的工业输电线模型可得出结论：由于工业输电线产生的干扰在每一点都呈正弦曲线变化的且居有稳定的频率，据此提出了在工业输电线附近工作时消除干扰的方法：

1 )一次场供电之前，测量工业输电线在竖直方向上的磁场变化率，拟合为时间-磁场变化率正弦曲线.

2)一次场供电以后，测量工业输电线影响下的二次场的磁场变化率，拟合出时间-磁场变化率曲线.

3 )根据第一步拟合出的时间-工业电磁场变化率正弦曲线，预测在二次场测量期间的时间-工业输电线磁场变化率正弦曲线，并将其反向.

4)将第二步拟合出的时间-二次场磁场变化率曲线和和第三步拟合出的反向的时间-工业输电线磁场变化率曲线叠加到一起，然后再拟合出新的时间-二次场磁场变化率曲线，并输出.

通过以上四步，只要工业输电线具有稳定的功率或者功率相差不大，那么在理论上就可以消除工业输电线对二次场产生的干扰，并以图 6b的干扰为例，对1~5号测点的数据按照本方法的思想进行了处理，使靠近工业输电线的物理测点的电阻率到得了还原，处理前后对比图见图 7.

图 7 干扰处理前后对比图(a)干扰处理前；(a)干扰处理前. Fig. 7 Comparative graph before and after the treatment of interference(a)Before the treatment of interference;(b)After the treatment of interference.

3 结 论

3.1    工业输电线的干扰在地面上的干扰是呈正弦变化的，其幅值的大小与电流强度、电线高度和距工业电线的距离有关.

3.2    瞬变电磁二次场的变化率与发射电流成正比，而与发射线框(本文只讨论圆形框)的关系较复杂：小框的前期数据较大，但由于其衰减较快，后期数据反而变小，即后期大框数据较大；所以在发射条件允许的情况下，为提高信噪比应选择较大的发射电流，而发射框的选择应根据实际勘探深度及地质条件来决定，既要考虑前期数据大小，又得顾虑后期的数据的信噪比，从而提高数据的整体信噪比.

3.3    除在特高压工业输电线外，一般在距高压线60~70 m左右时就已经满足其信噪比要求，如果在测量时再增加叠加次数，可能在更近的距离上就已经满足了信噪比.

3.4    对干扰的处理，本文选择了娄烦县某高压线附近的一条剖面，经过处理取得了明显的效果，使采集到的带有干扰的信号得到了还原，同时也说明了本文所提出的消燥方法的可行性.

致 谢    感谢刘鸿福老师，张新军老师和王闻贵师兄等在本文撰写期间给予的帮助与指导，同时也感谢审稿专家所提的宝贵意见及编辑部的热心帮助.