半航空瞬變電磁法在某滑坡探測中的應用研究

趙思為， 尹小康， 張振雄, 呂 菲

(1. 中國中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031;2. 成都理工大學 地球勘探與信息技術教育部重點實驗室,成都 610059;3.中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308;4.川藏鐵路技術創新中心有限公司，成都 610000)

0 引言

半航空瞬變電磁法(SATEM)工作原理與地面瞬變電磁相似，利用發射源向大地激發一次場，通過無人機裝載的接收傳感器(如空心線圈)觀測斷電時地下二次渦流場在空中的二次瞬變磁場響應，進而達到探測地下介質電阻率的目的。

半航空瞬變電磁系統在上世紀50年代已經初具雛形，而后進入高速發展階段。Elliott[1]為了解決大深度勘探問題，提出了Flairtem系統，該系統采用大回線源作為激發源;Mogi[2]在日本東北部福島縣磐梯山地區，GREATEM系統通過直升機搭載在該地區進行了火山溫泉探測，探測深度達到了800 m;Allah[3-4]等進一步完善了GREATEM系統的數據處理流程，在日本東南部九十九里濱地區淺海域的應用結果表明該方法可以描繪出地下的電阻率構造, 顯示出該法在淺海域具有良好的發展前景。相較于國外對半航空系統和方法的研究,國內的起步較晚，嵇艷鞠[5]等對半航空電磁正演響應結果與接收線圈高度的關系和半航空模式發射邊長的變化規律做了理論研究；朱凱光[6]等提出了通過神經網絡來進行時間域直升機電磁數據的CDI成像研究；陳小紅等[7]進行了時間域航空電磁快速成像研究，分析了快速一階與二階近似成像方法在航空物探應用中的優缺點；楊聰[8]進行了半航空自適應正則化-阻尼最小二乘算法的研究，得出了聯合反演算法對高阻層探測較敏感的結論。

雖然SATEM的理論研究一致是國內、外電磁勘探研究的熱點之一，然而目前應用這些理論解決實際地學問題的相關研究仍相對較少。筆者通過一維正演模擬了長導線電性源半航空瞬變電磁響應的特征，探討了K、H型模型覆蓋層和中間層厚度對電磁響應值的影響，討論了SATEM針對高低阻目標層的探測敏感區域，最后將半航空瞬變電磁法應用到某滑坡工區的探測中，取得了較好的效果，填補了半航空實際應用方面的內容。

1 正演模擬研究

1.1 層狀介質一維正演響應公式

長導線源的頻率域水平層狀介質的垂直磁場響應可參照Nabighian[9]給出的計算公式為式(1)。

(1)

對式(1)進行Hankle變換和Gauss積分，再通過頻-時轉換得到時間域感應電動勢。通過余弦變換將半航空瞬變電磁頻率域響應轉化為時間域響應得式(2)。

(2)

式中：Vz(t)為感應電動勢，V；S為線圈有效接收面積,m2；Re[Hz(ω)]表示取Hz(ω)的實部。

1.2 K、H地電斷面正演算例

以K、H型地電模型為例，定量的討論地層厚度對響應特征的影響，進而分析地層厚度對探測高低阻目標層的影響。設置長導線線源長度為1 000 m，接收線圈高度為50 m，電流為20 A，接收點位置(0,500,50)，定義相對異常為：

(3)

式中：Vrms為相對異常大小；VT為改變地層參數時的電磁響應值；VA為固定模型參數為d1=50 m(K、H型覆蓋層變化)和d2=50 m(K、H型中間層變化)、的電磁響應值。

由圖1可以得出，K、H型地電模型覆蓋層的增加對響應值的影響主要集中在前中期(0.01 ms～1 ms)，對于晚期(1 ms～10 ms)的電磁響應值影響相對較小。從相對異常曲線中可以得出，覆蓋層的增加對相對異常曲線的影響主要集中在前中期(0.01 ms～1 ms)，對K型地電模型的影響最大約為1.8%，對H型地電模型的影響最大約2.8%。

中國管理科學研究院研究員吳興杰從中美貿易戰的背景切入，以《基于中美貿易戰的鄉村振興戰略的思想創新》為題，重點對鄉村振興戰略的思想創新進行了研究，提出：鄉村振興戰略的重點和難點在中西部落后鄉村，東部特別是沿海鄉村要實現從富起來到強起來再到美起來。鄉村振興戰略要從政治訴求轉化為發展的內在邏輯進而落地的關鍵是思想的創新，即哲學創新。規避鄉村振興“上熱下冷→外熱內冷→表熱實冷”的關鍵，是解決誰來干和怎么干這兩大核心問題，防止樣板化、錯位化與非農化而偏離其正軌。

圖1 覆蓋層變化電磁響應及相對異常變化曲線Fig.1 Overburden change electromagnetic correspondence and relative anomaly change curve(a)K型覆蓋層變化響應;(b)K型相對異常變化曲線;(c)H型覆蓋層變化響應;(d)H型相對異常變化曲線

表1 覆蓋層變化模型參數

表2 中間層變化模型參數

從圖2的電磁響應曲線可以得出，K、H型地電模型中間層的變化對響應值的影響在全期(0.01 ms～10 ms)均有體現，相較于H型地電模型，對K型地電模型影響較大。同樣的，中間層的變化對相對異常曲線的影響在全期(0.01 ms～10 ms)也均有體現，相較于K型模型最大相對異常的0.25%，H型模型達到了約1.75%。

圖2 中間層變化電磁響應及相對異常變化曲線Fig.2 Overburden change electromagnetic correspondence and relative anomaly change curve(a)K型中間層變化響應;(b)K型相對異常變化曲線;(c)H型中間層變化響應;(d)H型相對異常變化曲線

1.3 SATEM觀測敏感區域研究

為了定量的研究Vz分量對不同地層敏感區域的分布特征，我們以表3所示中間薄層模型為例，計算了薄層相對圍巖分別為低阻和高阻時的電磁響應，為了對相對異常定量研究，定義相對異常公式：

表3 薄層模型參數

(4)

圖3中黑色實線表示線源位置及長度，可以看出，Vz對低阻目標層(最高達520%)的敏感程度要遠遠高于對高阻目標層(20%)的敏感程度，對于高低阻目標層的敏感區域均集中在發射源附近，隨著線源在一定范圍內的增加，敏感區域也會相應的增加。所以在實際探測中，無論是針對高阻目標層抑或是低阻目標層，探測區域應當適當的控制在線源附近。

圖3 最大相對異常平面分布圖Fig.3 Distribution of relative anomaly maximum (a)1 000 m線源Vz對低阻薄層相對異常分布;(b)1 000 m線源Vz對高阻薄層相對異常分布;(c)2 000 m線源Vz對低阻薄層相對異常分布;(d)2 000 m線源Vz對高阻薄層相對異常分布

2 自適應正則化反演

反演方法采用的是毛立峰[10]提出的自適應正則化一維反演方法。正則化反演目標函數可表示為式(5)～式(7)。

φ(M)=φd(M)+λφm(M)

(5)

(6)

(7)

(8)

2.1 反演模型試算

為了驗證自適應正則化反演程序的準確性，筆者以典型三層H型地電模型和K型模型為例進行了自適應正則化反演計算。設置發射電流為15 A，線源長度為1 000 m，接收點坐標為(0，500，50)。在時間為0.01 ms～10 ms內等對數間隔取24個采樣點，迭代次數為10次。采用多個小層反演，每層厚度均為5 m，反演初始模型均為100 Ω·m的均勻半空間模型。反演模型參數如表4所示。模型反演所得結果如圖4、圖5所示：

圖4 H型模型反演結果圖Fig.4 H model inversion results

圖5 HK型模型反演結果Fig.5 HK model inversion results

表4 模型參數

用理論反演對多層模型進行檢驗可以發現，自適應正則化反演方法能夠比較真實的還原擬定的地電模型。另外，從反演結果圖中可以看出，該方法對模型低阻的反映能力相較于高阻要好。

3 應用實例

3.1 工區概況及測線布置

目前，半航空在滑坡的應用較少，我們在某滑坡工區進行了半航空瞬變電磁法的工作，取得了信噪比較高的數據，具體情況如下：

本次半航空瞬變電磁測線布置如圖6所示，從西北到東南海拔逐漸降低。其中紅色線條表示線源布置，長度為900 m，黃色線條為測線布置，共計15條測線。測線長度設置均為700 m，每條測線間距為50 m，測線與線源相互平行。本次半航空工作參數如表5。

圖6 測線布置圖Fig.6 Geomorphologic map of line layout

表5 半航空工作參數

3.2 反演結果及解釋

如圖7所示，為工區測線2的單點衰減曲線及多時間道剖面圖，從電磁響應剖面可以初步判定信號的強度和質量。

圖7 工區典型SATEM單點衰減曲線及多時間道剖面圖Fig.7 Single point and single profile electromagnetic response curves of Line2(a)測點2 dB/dt衰減曲線圖;(b)測線2多時間道剖面

從圖7可以看出，單點衰減曲線的衰減規律與理論正演所得衰減曲線規律相似，且多時間道剖面的幅值較高，前中期(0.02 ms～1 ms)幅值最高達到了60 000 nT，滿足反演需求。采用自適應正則化反演方法對測線2所有測點進行反演工作，每個測點的擬合效果都較好，得到反演結果和地質解釋推斷圖如圖8所示。

圖8 測線2數據反演結果及地質解釋Fig.8 Inversion results of Line2 measured data

由圖8可以看出，測線-250 m～0 m整體地層電阻率自上而下呈現先降低再升高的特征。結合電阻率數值和工區地質資料，將該測線斷面分為三層。第一層表層對應填土和粘土，呈現相對高阻反映，第二層電阻率相對較低，大致分為淺-深兩個滑面，其中(墨綠-深藍界面)為淺層滑面，推測該層為軟弱巖體，較易滑動；(深藍-墨綠界面)為深部滑面，推測該層同為軟弱巖體。第三層電阻率相對升高，推測為較完整基巖。

兩個滑坡面從測線約-50 m處檢出，到測線約0 m～130 m位置，表層黃色-紅色區域電阻率相對較高區域推測為部分抗滑樁樁體。至測線130 m～400 m到達水域，整體電阻率呈現相對低阻的電阻率特征。結合高密度和鉆探等資料，發現該滑坡區域確實有一深一淺兩個滑坡面，從而驗證了本次半航空探測的準確性。

4 結論

對于H、K地電模型，覆蓋層厚度的變化對K、H模型的前中期電磁響應影響較大，對晚期響應的影響較小。中間層厚度的變化對電磁響應的前中晚期均有較大影響。垂直分量Vz對低阻目標層的敏感程度要遠遠高于對高阻目標層的敏感程度，高低阻目標層的敏感區域均集中在發射源附近，隨著線源的增加，敏感區域也會相應的增加。最后半航空應用于某滑坡區域的結果表明，將半航空應用于滑坡區域是有效的，為今后類似的探測問題提供了案例。