瞬變電磁法在城市地質調查應用中有關問題的探討

劉永生 龍桃城 劉仁義

（湖北省地質局第六地質大隊，湖北孝感 432100）

0 引言

近年來，隨著我國經濟社會的快速發展和工業化、城市化進程的不斷加快，大量人口涌向城市，由此而帶來的人口資源環境問題日益凸顯，尤其是土地利用方式粗放、發展空間不足及環境污染、交通擁堵、地質災害、城市安全等系列問題，嚴重制約著城市的可持續發展。立足當前城市發展過程中所面臨的突出問題，開展空間、資源、環境、災害等多要素城市地質調查與評價工作刻不容緩[1-3]。然而，城市地質工作與其它地質工作最大的區別在于城市原始地形地貌改變較大，除可見的湖泊水域、公園綠地外，大部分地面被建（構）筑物和道路所覆蓋，加之人、車流量大，單一的地質調查或勘探方法受時空條件限制難以發揮作用。如何運用經濟、快速、高效的勘查技術手段探明城市地下區域地殼的穩定性、巖土工程地質條件、地下水對工程的影響、垃圾填埋滲水對環境的破壞等，及時開展地下空間可利用性評價，為城市規劃布局、建設管理、安全運行及轉型升級等至關重要。本文圍繞全國正在加快推進的城市地質工作，對重力、磁法、電法在城市地質調查中的局限性和瞬變電磁法的適宜性、有效性進行了探討。

1 城市地質調查的目的、內容與方法

城市地質是一項服務于城市規劃、建設與管理的基礎性、先行性地質工作。城市地質調查是城市地質工作的基礎和前提，其主要目的是查明城市范圍內的地質、資源和環境基本狀況，評價城市發展的資源與環境承載力，為城市可持續發展提供技術支撐。城市地質調查的主要內容有城市三維地質結構調查、地質災害調查、水土地球化學調查與環境質量評價、地質資源調查、城市地質信息管理與服務系統建設、地質資源環境承載力綜合評價[4]。城市地質調查涉及多學科、多專業，地面調查、遙感、鉆探、物探、化探是城市地質調查中常用的勘查技術手段，但各種手段的適宜性和效果各不相同。這主要是由城市地質工作環境與條件的復雜性和各種勘查技術方法的局限性所致，特別是500 m深度以下，各種勘查技術方法的局限性暴露無遺。在眾多勘查技術手段中，物探以其作業速度快、勘探深度大、反映地質信息豐富且勘查成本低等優點在城市地質調查中備受重視。

2 物探方法的適宜性評價

物探是以巖礦石（或地層）與圍巖的物性（密度、磁性、導電性、速度、放射性等）差異為基礎，采用專用儀器觀測和研究天然存在或人工形成的物理場的變化規律，從而達到查明地質構造、尋找礦產資源和解決水工環地質問題的目的[5]。理論上講，重力、磁法、電法、地震等物探方法均適用于城市地質調查工作，重力、磁法既可以做面積性勘探、也可以做剖面探測；電法、地震多以剖面探測為主。但是，由于城市空間內存在著大量的固定源（地下管網及附屬設施、地面工業與民用建筑、架空電纜及微波發射塔等）、移動源（地鐵、人流、車輛等）及隨機干擾源（電源不定時開啟、關閉所產生的干擾），特別是市區內大量的工業游散電流及居民用電的干擾，會導致磁法、電法（CSAMT法、SIP法）實測數據離散度大、曲線不圓滑、探測效果不理想，見圖1、圖2、圖3。相比磁法、電法而言，重力勘探雖受電磁干擾較小，但室內資料處理中常會遇到如下困擾：一是由于人文影響，地形變化較大，地形標高資料難以滿足重力地改精度要求；二是物性標本的數量與精度難以滿足重力資料處理要求。地震勘探受市內人流、車流和建（構）筑物影響較大，加之市內大深度地震勘探震源使用受限，所以在城市地質調查中應用也不多。

圖1 磁法日變觀測曲線圖

圖3 SIP法在無干擾和有干擾情況下的試驗觀測對比曲線圖

3 城市地質調查TEM法有效性探討

3.1 TEM的方法原理

瞬變電磁法（TEM）屬于時間域電磁感應法，是利用接地或不接地回線向地下發送一次脈沖電磁波（多為矩形波），在其間歇期間，觀測二次渦流場。當地下存在電性不均勻地質體時，能觀測到不均勻體的渦流場（即異常二次場）。通過對異常場的解析，轉換為ρs參數，進行推斷解釋，從而達到解決地質問題的目的。由于TEM所產生的電磁場在地下介質中的傳播隨時間延長而呈47°傾斜錐面向深部擴散，通常用吹出來的“煙圈”來形象地表達這種效應，即“煙圈效應”。它表明瞬變場隨時間呈有規律的變化，這正是它能進行測深勘探的理論基礎[6]。

3.2 TEM的優缺點

TEM依激勵場源不同，分為使用不接地回線的垂直磁偶源法和使用接地電極的電偶源法。與其它電磁法相比，TEM具有以下特點和優點：

（1）橫向分辨率高。可使用發送與接收回線中心同點的裝置工作，使與欲探測的地質體達到最佳的耦合狀態，所得異常的幅度大、形態簡單及受旁側影響小，大大提高了地質體橫向分辨能力，尤其是對產狀較陡的局部異常地質體較為“敏感”。

（2）抗干擾能力強。由于觀測的是純二次場異常，自動消除了頻率域方法中來自天電及人文電磁干擾的主要噪聲源——裝置耦合噪聲，觀測精度較高。

（3）受地形影響小。在高阻圍巖條件下，沒有地形引起的假異常。

（4）工作效率高。采用不接地回線工作，特別適宜于接地條件困難的地區施工，野外施工方法簡單，工效高、成本低。

（5）探測深度大。通過不同的參數組合選擇，可以靈活地改變探測深度，可從十幾米到近千米探測不同深度的目標物。

正是由于TEM具備這些優點，所以在巖溶調查、尋找構造破碎帶、找水等方面得以廣泛應用。當然，瞬變電磁場對高壓線、地面鐵磁性物體、工業游散電流等也比較“敏感”，故在野外施工時要盡量避開上述干擾源[7]。

3.3 TEM 的應用實例

（1）TEM在探測巖溶破碎帶、地下水評價中的應用①湖北省地質局第六地質大隊.天門市佛孫鎮水井物探工程勘探報告[R]，2014.。圖4為TEM在天門市城區探查巖溶破碎帶時的視電阻率剖面圖。藍色代表低阻，為覆蓋層反映；紅色代表高阻，為灰巖層反映。覆蓋層厚度推測在100 m左右，在剖面240 m至440m段垂深250 m以下出現有一低阻條帶，推測該處巖溶發育，其含水性較好；而剖面600 m至1080 m段的大片低阻區域因地表為居民聚集區，采集數據受地電干擾因素影響較大，故不能簡單地認為此處為巖溶發育地帶。

圖4 TEM在探查巖溶破碎帶的視電阻率剖面圖

（2）TEM在探查地面塌陷成因、圈定塌陷范圍中的應用[8]。圖5為TEM在應城市城區圈定塌陷區范圍時的視電阻率剖面圖。由圖可知，視電阻率在深度20 m以上有一層相對高阻層，推測上部地層因塌陷使得地層松動、裂縫、擾動形成高阻特征。視電阻率在深度20 m以下均為低阻，顯示出低阻異常，推測為富含鹵水區域。測線100～140 m下部的高阻，為現場鐵架物質形成的干擾“異常”所致。

圖5 TEM在圈定塌陷區范圍的視電阻率剖面圖

3.4 TEM在城市地質調查應用中有關問題的探討

由于城市范圍內高樓林立、地下管線錯綜復雜、道路交通擁擠、工業與民用游散電流大量存在等特殊原因，重力、磁法、電法、地震均難以滿足城市地質面積性調查工作，相比而言只有TEM比較適合。在具體實施中，可將城市地質工作區劃分成若干個“回字型”地質—地球物理單元逐一開展TEM探測工作[9]，但在方法技術試驗、野外數據采集、資料處理與解釋方面應注意以下問題：

3.4.1 方法技術試驗是前提

在城市地質調查中，為摸清各種干擾源和“干擾異常”的形態和規律，保證物探方法的適宜性和有效性，必須要進行野外方法技術試驗，并重點解決好以下問題。

（1）選擇出合適的工作裝置。TEM雖有多種裝置可供選擇，但以重疊回線和中心回線應用居多。重疊回線指發射與接收為相同線圈；中心回線則指正方形線框發射，接收則為小型多匝回線置于發射裝置中心觀測。實際上，兩種裝置所得異常形態基本相同，都具有異常幅度大、形態簡單、受旁側影響小、橫向分辨率高等優點。具體選擇哪種裝置，要結合方法技術試驗結果和工程實際來確定。

（2）確定好合理的技術參數。技術參數的選定，應在開工之初通過野外現場試驗來確定。

①記錄時間范圍可由下式確定：

理論上，記錄的時間寬度越大越好，但太早期道或太晚期道都無法保證信號質量，故必須利用上式求取最小、最大延遲時間。

②供電電流強度可由下式確定：

③疊加次數可根據工區噪聲水平選定，既要保證觀測質量又要兼顧觀測速度和工效。

3.4.2 野外數據采集是基礎

（1）關于野外干擾的壓制問題。瞬變電磁儀硬件自身抗干擾性差，主要是不能選頻和濾波，采用野外作業避開干擾源時段（在城市內幾乎不可能）或多次疊加方式，雖然可以將隨機誤差降低到，但會大大降低工效，所以宜采用正反向間歇方波觀測來壓制穩定和工頻干擾。

（2）關于增加勘探深度的問題。鑒于解決城市中深部地質問題的需要，TEM法必須要加大勘探深度。通常有兩種做法，一種是加大發射回線尺寸；另一種是采用小回線、大電流（50～200 A）方式。若采用小回線、大電流雖然施工方便，分辨能力較好，但由于早期道信息失真，導致起始探測深度相當大，會造成十分明顯的信息缺失區，故宜選擇加大發射回線尺寸的方式。

3.4.3 資料整理解釋是核心

（1）實測數據的預處理問題。為保證實測數據的準確性，對于密集采樣獲得的瞬變電磁響應實測數據，必須要通過數據預處理來進一步壓制隨機干擾和工頻干擾，提取弱信號（有用信息）。數據預處理的方式是剔除壞數據，進行數字濾波（陷波、低通和相關濾波）和多項式擬合。

（2）關于異常形態的認識問題。由于瞬變電磁測深橫向分辨率高，在觀測信息可靠的前提下，可以利用所得異常的形態特征大致判斷地質體的基本形態。如圈閉異常一般表現了目標地質體的“囊狀”特征，梯級帶異常指示了巖性界面的存在，“線狀”異常和“對角狀”低阻異常往往反映了陡產狀的線狀構造—斷裂、構造破碎帶等[10]。

（3）關于異常的解釋問題。與所有的地球物理反演問題求解一樣，如何克服異常的多解性也是TEM所面臨的一個重要問題。首先應注重地質與物探的結合，認真地分析工區地質—地球物理特征。應注重地質、鉆探、水工環等資料的收集、分析、研究和必要的物性測定工作，為方法應用、異常識別與資料解釋提供科學依據。其次在克服異常多解性方面，應依據工區已知的地質構造演化規律并結合物探異常自身某些特征進行綜合解釋，才會取得較好的地質效果。應當指出的是：地面地形地物詳細調查不容忽視，對于異常的解釋尤為關鍵。當然，在條件允許的情況下，開展多方法綜合物探工作，無疑會大大提高資料推斷解釋的準確性。

4 結語

城市化是一個國家現代化的重要標志，事關經濟社會可持續發展大局。城市作為人類經濟社會活動最活躍、最集中的區域，是資源環境承載強度最大、對地質資源環境擾動最強烈的地區；為此，我國提出了到2025年全面完成338個地級以上城市的地質調查工作。以武漢為例，編制的《多要素城市地質調查總體實施方案》將工作區劃分為一般調查區、重點調查區、深化調查區和示范調查區，擬采用多參數鉆探、綜合物探、化探、遙感、綜合監測、三維建模等技術手段，統籌開展國土空間開發利用與多門類自然資源綜合調查、生態環境質量與地質安全調查評價、資源環境承載力評價與監測預警體系建設等九項工作任務。城市地質工作環境的復雜性，導致許多城市地質調查方法難以達到預期的效果。瞬變電磁法具有橫向分辨率高、對接地條件要求低、抗干擾能力強、工效高、探測深度大等優點，在城市地質調查中有著廣闊的應用前景。近年來，隨著地質工作的轉型發展，許多地勘單位紛紛涉足城市地質工作，為滿足中深部探測要求，相繼引進了一批以terraTEM24、V8、EH4為代表的國外高、精、尖物探儀器和軟件，探測深度和精細化程度得到了進一步提升，特別是近年來隨著大深度三維電磁探測技術的研發與推廣應用以及計算機、“3S”技術的飛速發展，數據處理與推斷解釋更加精準，為城市三維空間信息化建設和城市地下空間科學開發與利用提供了有力的技術支撐。