基于MTM技術的復雜地質特征分析

徐 巖 付艷紅 肖福民

（1．白城市水資源管理中心，吉林 白城 137000；2．吉林省水文水資源局白城分局，吉林 白城 137000；3．通榆縣水政水資源管理中心，吉林 白城 137200）

地表以下的地質探測是一項非常重要的工作，對于地下水資源勘探、地下油氣資源勘探、環境治理與保護都具有十分重要的意義。在很多地區，地表下的地質結構都非常復雜，這給常規的探測分析方法增加了難度[1]。MTM技術通過向地下發送電磁信號，進而接收并觀測反饋電流和反饋電壓信號，可以完成復雜地質特征的探測和分析[2]。MTM技術不僅避免了鉆孔挖掘探測的大量人力消耗，還可以提供更為準確的地質探測和分析結果，是復雜地質特征分析的未來發展方向[3]。該文對MTM技術的探測原理進行分析，進而通過實際的探測試驗來觀察MTM技術對于復雜地質特征的分析結果。

1 MTM方法的探測原理及分析過程

采用電磁分析的方法進行地質特征探測和分析，是一種無破壞、低人工消耗的測量技術。MTM是電磁分析技術中一種比較新穎的方法，屬于時間域上的電磁分析方法。通過接地電偶，MTM方法可以實現同被探測地點地下的連接。通過該電偶，電流被注入探測區域的各地質層并形成電磁場。探測信號發送完畢后，可以借助接收電偶或者磁場傳感器接收反饋回來的電信號或者磁信號。MTM方法發射和接收電磁信號的形式如圖1所示。

從圖1可以看出，地質結構呈現出分層的形態，從地表延伸到地下形成各個層次。Z表示地質層的深度演變方向，X表示水平方向，Y表示垂直水平的方向。

得到電磁信號圖譜后，對于視覺異常的區域可以采用積分方程法進行數學層面上的特征分析。該方法針對性強，處理的特定區域小，不僅處理速度快，而且可以分析更準確，是MTM方法完成后續分析的核心。

地質層分布建模包括一維建模方式、二維建模方式、三維建模方式以及多維建模方式。其中，一維建模方式配合簡單的解析表達式即可以完成地質各層特征分析；二維和三維建模方式，可以構建簡單數學模型或采用解析的方法來進行地質分析。對于三維及以上的建模方式，就需要配合數值分析的方法，使用積分方程。對于該文的三維復雜地質構造來說，采用積分方程完成MTM分析是合理和恰當的。根據電磁波傳播和電磁場理論，地質結構中的電磁場一般都相伴發生并存在，從而形成電場和磁場的交互作用。這種形式的電磁場如公式（1）所示。

式中：E代表了電場強度的大小，H代表了磁場強度大小，B代表了電場和磁場之間的感應強度，D代表了電位移的大小。

根據電磁場模型引入一個反饋參數A以后，可以得到MTM測量的方程，如公式（2）所示。

式中：A表示反饋參數，k表示電磁波參數，P表示電場產生的功率，u0表示電場電壓初值，i表示電流強度，φ表示電導率函數，ω表示角頻率，σ表示電導率。

根據上述公式，可以建立MTM發射的電磁信號到接收的電磁信號之間的關聯，而其中涉及的變化表征了電磁信號傳播過程中所受到的地質各層的影響，從而可以判定地質結構的特征。

2 潛水層復雜地質結構的MTM分析

MTM技術可以用于地質結構的特征探測與分析。如果在地質層的常規分布層次中，存在一個潛水層，可以通過MTM技術探測定位并確定其范圍。特殊物質層的分布區域遠遠大于MTM方法的探測寬度范圍，與特殊物質層的分布縱深遠遠大于MTM方法的探測深度范圍這兩種情況下，MTM方法會有不同的特征反饋。

為了驗證MTM技術對特殊層的探測和特征分析能力，首先針對一個含有潛水層物質的地質層進行探測試驗，試驗過程及結果如下。

用參數h表示潛水層在地質結構中的深度，其Z方向上的潛水層結構厚度達到了80m，X方向延展長度達到了2000m，Y方向上延展長度達到了1000m。在采用MTM技術進行分析時，按照20m邊長的立方格單元進行劃分。在MTM電磁波的探測范圍從1000m逐步增至10000m的情況下，觀察MTM的反饋結果。在該試驗中，地質層的平均電阻率為100Ω，潛水層物質的電阻率為50Ω。

首先來觀察潛水層位于h=3m深度下的情況，用MTM方法測量得到的電磁波圖譜如圖2所示。

圖2中，橫軸為X方向上的測量長度，縱軸為電磁波反饋的時間。從圖2中可以看出，MTM方法測量得到的電磁波圖譜中，不同地質結構的層次呈現出不同的顏色特征。各層次除了頂層的水平排布外，其他地質層發生了垂直向翻轉，表明這一區域可能遭遇過較強的地質運動影響。

圖2中，方框區域，圈定的就是MTM方法檢測到的潛水層物質。其在X方向上的位置大致位于1000m～2000m，在MTM反饋時間為10-2s時呈現出最為明顯的特征。其次來觀察潛水層位于h=12m深度下的情況，MTM方法測量得到的電磁波圖譜如圖3所示。

圖3中方框區域圈定的是MTM方法檢測到的潛水層物質。其在X方向上的位置位于2500m～3000m，在MTM反饋時間為10-2s～10-1s時呈現出最為明顯的特征。

上述試驗過程，表明MTM方法可以準確地檢測到潛水層物質在地質結構中的分布，并以可視化的形態展示其位置和特征。

3 承壓水層復雜地質結構的MTM分析

為了驗證MTM技術對不同水層探測和特征分析能力的魯棒性，進一步對一含有承壓水層物質的地質層進行探測試驗，試驗過程及結果如下。

用參數h表示承壓水層在地質結構中的深度，其Z方向上的承壓水層結構厚度達到了200m，X方向延展長度達到了2000m，Y方向上延展長度達到了1000m。在MTM技術的分析處理下，按照20m邊長的立方格單元進行劃分。在MTM電磁波的探測范圍從1000m增至10000m的情況下，觀察MTM的反饋結果。在該試驗中，地質層的平均電阻率為100Ω，承壓水層物質的電阻率為60Ω。

首先來觀察承壓水層位于h=30m深度下的情況，MTM方法測量得到的電磁波圖譜如圖4所示。

圖4中左側中間位置處的深藍色的層次，就是MTM方法檢測到的承壓水層物質。其在X方向上的位置大致位于1400m～2000m，在MTM反饋時間為10-2s時呈現出最為明顯的特征。

其次來觀察承壓水層位于h=60m深度下的情況，MTM方法測量得到的電磁波圖譜如圖5所示。

圖5中中間偏左位置處的深藍色層次，就是MTM方法檢測到的承壓水層物質。其在X方向上的位置大致位于2500m～3000m，在MTM反饋時間為10-2s時呈現出最為明顯的特征。

4 結論

地質結構的準確勘探和特征分析，對于地下水資源、地下各類能源物質的發現和采掘具有重要意義。該文采用一種基于電磁波發射和收集完成測量的MTM方法，用于地質結構特征的分析。首先介紹MTM方法的工作原理和測量過程。其次，分別針對地質結構中含有潛水層和承壓水層的情況進行特征分析試驗。試驗結果表明：MTM方法可以準確地探測出地質結構中不同水層的存在，并根據電磁波圖譜可以清晰地觀察到不同水層所在的區域和位置。