瞬變電磁法在城市地質(zhì)調(diào)查應(yīng)用中有關(guān)問(wèn)題的探討

劉永生 龍?zhí)页?劉仁義

（湖北省地質(zhì)局第六地質(zhì)大隊(duì)，湖北孝感 432100）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和工業(yè)化、城市化進(jìn)程的不斷加快，大量人口涌向城市，由此而帶來(lái)的人口資源環(huán)境問(wèn)題日益凸顯，尤其是土地利用方式粗放、發(fā)展空間不足及環(huán)境污染、交通擁堵、地質(zhì)災(zāi)害、城市安全等系列問(wèn)題，嚴(yán)重制約著城市的可持續(xù)發(fā)展。立足當(dāng)前城市發(fā)展過(guò)程中所面臨的突出問(wèn)題，開展空間、資源、環(huán)境、災(zāi)害等多要素城市地質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià)工作刻不容緩[1-3]。然而，城市地質(zhì)工作與其它地質(zhì)工作最大的區(qū)別在于城市原始地形地貌改變較大，除可見(jiàn)的湖泊水域、公園綠地外，大部分地面被建（構(gòu)）筑物和道路所覆蓋，加之人、車流量大，單一的地質(zhì)調(diào)查或勘探方法受時(shí)空條件限制難以發(fā)揮作用。如何運(yùn)用經(jīng)濟(jì)、快速、高效的勘查技術(shù)手段探明城市地下區(qū)域地殼的穩(wěn)定性、巖土工程地質(zhì)條件、地下水對(duì)工程的影響、垃圾填埋滲水對(duì)環(huán)境的破壞等，及時(shí)開展地下空間可利用性評(píng)價(jià)，為城市規(guī)劃布局、建設(shè)管理、安全運(yùn)行及轉(zhuǎn)型升級(jí)等至關(guān)重要。本文圍繞全國(guó)正在加快推進(jìn)的城市地質(zhì)工作，對(duì)重力、磁法、電法在城市地質(zhì)調(diào)查中的局限性和瞬變電磁法的適宜性、有效性進(jìn)行了探討。

1 城市地質(zhì)調(diào)查的目的、內(nèi)容與方法

城市地質(zhì)是一項(xiàng)服務(wù)于城市規(guī)劃、建設(shè)與管理的基礎(chǔ)性、先行性地質(zhì)工作。城市地質(zhì)調(diào)查是城市地質(zhì)工作的基礎(chǔ)和前提，其主要目的是查明城市范圍內(nèi)的地質(zhì)、資源和環(huán)境基本狀況，評(píng)價(jià)城市發(fā)展的資源與環(huán)境承載力，為城市可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。城市地質(zhì)調(diào)查的主要內(nèi)容有城市三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、水土地球化學(xué)調(diào)查與環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、地質(zhì)資源調(diào)查、城市地質(zhì)信息管理與服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)、地質(zhì)資源環(huán)境承載力綜合評(píng)價(jià)[4]。城市地質(zhì)調(diào)查涉及多學(xué)科、多專業(yè)，地面調(diào)查、遙感、鉆探、物探、化探是城市地質(zhì)調(diào)查中常用的勘查技術(shù)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(zhì)工作環(huán)境與條件的復(fù)雜性和各種勘查技術(shù)方法的局限性所致，特別是500 m深度以下，各種勘查技術(shù)方法的局限性暴露無(wú)遺。在眾多勘查技術(shù)手段中，物探以其作業(yè)速度快、勘探深度大、反映地質(zhì)信息豐富且勘查成本低等優(yōu)點(diǎn)在城市地質(zhì)調(diào)查中備受重視。

2 物探方法的適宜性評(píng)價(jià)

物探是以巖礦石（或地層）與圍巖的物性（密度、磁性、導(dǎo)電性、速度、放射性等）差異為基礎(chǔ)，采用專用儀器觀測(cè)和研究天然存在或人工形成的物理場(chǎng)的變化規(guī)律，從而達(dá)到查明地質(zhì)構(gòu)造、尋找礦產(chǎn)資源和解決水工環(huán)地質(zhì)問(wèn)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(zhì)調(diào)查工作，重力、磁法既可以做面積性勘探、也可以做剖面探測(cè)；電法、地震多以剖面探測(cè)為主。但是，由于城市空間內(nèi)存在著大量的固定源（地下管網(wǎng)及附屬設(shè)施、地面工業(yè)與民用建筑、架空電纜及微波發(fā)射塔等）、移動(dòng)源（地鐵、人流、車輛等）及隨機(jī)干擾源（電源不定時(shí)開啟、關(guān)閉所產(chǎn)生的干擾），特別是市區(qū)內(nèi)大量的工業(yè)游散電流及居民用電的干擾，會(huì)導(dǎo)致磁法、電法（CSAMT法、SIP法）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)離散度大、曲線不圓滑、探測(cè)效果不理想，見(jiàn)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(nèi)資料處理中常會(huì)遇到如下困擾：一是由于人文影響，地形變化較大，地形標(biāo)高資料難以滿足重力地改精度要求；二是物性標(biāo)本的數(shù)量與精度難以滿足重力資料處理要求。地震勘探受市內(nèi)人流、車流和建（構(gòu)）筑物影響較大，加之市內(nèi)大深度地震勘探震源使用受限，所以在城市地質(zhì)調(diào)查中應(yīng)用也不多。

圖1 磁法日變觀測(cè)曲線圖

圖3 SIP法在無(wú)干擾和有干擾情況下的試驗(yàn)觀測(cè)對(duì)比曲線圖

3 城市地質(zhì)調(diào)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(shí)間域電磁感應(yīng)法，是利用接地或不接地回線向地下發(fā)送一次脈沖電磁波（多為矩形波），在其間歇期間，觀測(cè)二次渦流場(chǎng)。當(dāng)?shù)叵麓嬖陔娦圆痪鶆虻刭|(zhì)體時(shí)，能觀測(cè)到不均勻體的渦流場(chǎng)（即異常二次場(chǎng)）。通過(guò)對(duì)異常場(chǎng)的解析，轉(zhuǎn)換為ρs參數(shù)，進(jìn)行推斷解釋，從而達(dá)到解決地質(zhì)問(wèn)題的目的。由于TEM所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)在地下介質(zhì)中的傳播隨時(shí)間延長(zhǎng)而呈47°傾斜錐面向深部擴(kuò)散，通常用吹出來(lái)的“煙圈”來(lái)形象地表達(dá)這種效應(yīng)，即“煙圈效應(yīng)”。它表明瞬變場(chǎng)隨時(shí)間呈有規(guī)律的變化，這正是它能進(jìn)行測(cè)深勘探的理論基礎(chǔ)[6]。

3.2 TEM的優(yōu)缺點(diǎn)

TEM依激勵(lì)場(chǎng)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(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：

（1）橫向分辨率高?？墒褂冒l(fā)送與接收回線中心同點(diǎn)的裝置工作，使與欲探測(cè)的地質(zhì)體達(dá)到最佳的耦合狀態(tài)，所得異常的幅度大、形態(tài)簡(jiǎn)單及受旁側(cè)影響小，大大提高了地質(zhì)體橫向分辨能力，尤其是對(duì)產(chǎn)狀較陡的局部異常地質(zhì)體較為“敏感”。

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

（3）受地形影響小。在高阻圍巖條件下，沒(méi)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(qū)施工，野外施工方法簡(jiǎn)單，工效高、成本低。

（5）探測(cè)深度大。通過(guò)不同的參數(shù)組合選擇，可以靈活地改變探測(cè)深度，可從十幾米到近千米探測(cè)不同深度的目標(biāo)物。

正是由于TEM具備這些優(yōu)點(diǎn)，所以在巖溶調(diào)查、尋找構(gòu)造破碎帶、找水等方面得以廣泛應(yīng)用。當(dāng)然，瞬變電磁場(chǎng)對(duì)高壓線、地面鐵磁性物體、工業(yè)游散電流等也比較“敏感”，故在野外施工時(shí)要盡量避開上述干擾源[7]。

3.3 TEM 的應(yīng)用實(shí)例

（1）TEM在探測(cè)巖溶破碎帶、地下水評(píng)價(jià)中的應(yīng)用①湖北省地質(zhì)局第六地質(zhì)大隊(duì).天門市佛孫鎮(zhèn)水井物探工程勘探報(bào)告[R]，2014.。圖4為TEM在天門市城區(qū)探查巖溶破碎帶時(shí)的視電阻率剖面圖。藍(lán)色代表低阻，為覆蓋層反映；紅色代表高阻，為灰?guī)r層反映。覆蓋層厚度推測(cè)在100 m左右，在剖面240 m至440m段垂深250 m以下出現(xiàn)有一低阻條帶，推測(cè)該處巖溶發(fā)育，其含水性較好；而剖面600 m至1080 m段的大片低阻區(qū)域因地表為居民聚集區(qū)，采集數(shù)據(jù)受地電干擾因素影響較大，故不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為此處為巖溶發(fā)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(yīng)用[8]。圖5為TEM在應(yīng)城市城區(qū)圈定塌陷區(qū)范圍時(shí)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(duì)高阻層，推測(cè)上部地層因塌陷使得地層松動(dòng)、裂縫、擾動(dòng)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(cè)為富含鹵水區(qū)域。測(cè)線100～140 m下部的高阻，為現(xiàn)場(chǎng)鐵架物質(zhì)形成的干擾“異?！彼隆?/p>

圖5 TEM在圈定塌陷區(qū)范圍的視電阻率剖面圖

3.4 TEM在城市地質(zhì)調(diào)查應(yīng)用中有關(guān)問(wèn)題的探討

由于城市范圍內(nèi)高樓林立、地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜、道路交通擁擠、工業(yè)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(zhì)面積性調(diào)查工作，相比而言只有TEM比較適合。在具體實(shí)施中，可將城市地質(zhì)工作區(qū)劃分成若干個(gè)“回字型”地質(zhì)—地球物理單元逐一開展TEM探測(cè)工作[9]，但在方法技術(shù)試驗(yàn)、野外數(shù)據(jù)采集、資料處理與解釋方面應(yīng)注意以下問(wèn)題：

3.4.1 方法技術(shù)試驗(yàn)是前提

在城市地質(zhì)調(diào)查中，為摸清各種干擾源和“干擾異常”的形態(tài)和規(guī)律，保證物探方法的適宜性和有效性，必須要進(jìn)行野外方法技術(shù)試驗(yàn)，并重點(diǎn)解決好以下問(wèn)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(yīng)用居多。重疊回線指發(fā)射與接收為相同線圈；中心回線則指正方形線框發(fā)射，接收則為小型多匝回線置于發(fā)射裝置中心觀測(cè)。實(shí)際上，兩種裝置所得異常形態(tài)基本相同，都具有異常幅度大、形態(tài)簡(jiǎn)單、受旁側(cè)影響小、橫向分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。具體選擇哪種裝置，要結(jié)合方法技術(shù)試驗(yàn)結(jié)果和工程實(shí)際來(lái)確定。

（2）確定好合理的技術(shù)參數(shù)。技術(shù)參數(shù)的選定，應(yīng)在開工之初通過(guò)野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)確定。

①記錄時(shí)間范圍可由下式確定：

理論上，記錄的時(shí)間寬度越大越好，但太早期道或太晚期道都無(wú)法保證信號(hào)質(zhì)量，故必須利用上式求取最小、最大延遲時(shí)間。

②供電電流強(qiáng)度可由下式確定：

③疊加次數(shù)可根據(jù)工區(qū)噪聲水平選定，既要保證觀測(cè)質(zhì)量又要兼顧觀測(cè)速度和工效。

3.4.2 野外數(shù)據(jù)采集是基礎(chǔ)

（1）關(guān)于野外干擾的壓制問(wèn)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(yè)避開干擾源時(shí)段（在城市內(nèi)幾乎不可能）或多次疊加方式，雖然可以將隨機(jī)誤差降低到，但會(huì)大大降低工效，所以宜采用正反向間歇方波觀測(cè)來(lái)壓制穩(wěn)定和工頻干擾。

（2）關(guān)于增加勘探深度的問(wèn)題。鑒于解決城市中深部地質(zhì)問(wèn)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(fā)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(dǎo)致起始探測(cè)深度相當(dāng)大，會(huì)造成十分明顯的信息缺失區(qū)，故宜選擇加大發(fā)射回線尺寸的方式。

3.4.3 資料整理解釋是核心

（1）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理問(wèn)題。為保證實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)于密集采樣獲得的瞬變電磁響應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，必須要通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理來(lái)進(jìn)一步壓制隨機(jī)干擾和工頻干擾，提取弱信號(hào)（有用信息）。數(shù)據(jù)預(yù)處理的方式是剔除壞數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字濾波（陷波、低通和相關(guān)濾波）和多項(xiàng)式擬合。

（2）關(guān)于異常形態(tài)的認(rèn)識(shí)問(wèn)題。由于瞬變電磁測(cè)深橫向分辨率高，在觀測(cè)信息可靠的前提下，可以利用所得異常的形態(tài)特征大致判斷地質(zhì)體的基本形態(tài)。如圈閉異常一般表現(xiàn)了目標(biāo)地質(zhì)體的“囊狀”特征，梯級(jí)帶異常指示了巖性界面的存在，“線狀”異常和“對(duì)角狀”低阻異常往往反映了陡產(chǎn)狀的線狀構(gòu)造—斷裂、構(gòu)造破碎帶等[10]。

（3）關(guān)于異常的解釋問(wèn)題。與所有的地球物理反演問(wèn)題求解一樣，如何克服異常的多解性也是TEM所面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。首先應(yīng)注重地質(zhì)與物探的結(jié)合，認(rèn)真地分析工區(qū)地質(zhì)—地球物理特征。應(yīng)注重地質(zhì)、鉆探、水工環(huán)等資料的收集、分析、研究和必要的物性測(cè)定工作，為方法應(yīng)用、異常識(shí)別與資料解釋提供科學(xué)依據(jù)。其次在克服異常多解性方面，應(yīng)依據(jù)工區(qū)已知的地質(zhì)構(gòu)造演化規(guī)律并結(jié)合物探異常自身某些特征進(jìn)行綜合解釋，才會(huì)取得較好的地質(zhì)效果。應(yīng)當(dāng)指出的是：地面地形地物詳細(xì)調(diào)查不容忽視，對(duì)于異常的解釋尤為關(guān)鍵。當(dāng)然，在條件允許的情況下，開展多方法綜合物探工作，無(wú)疑會(huì)大大提高資料推斷解釋的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

城市化是一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，事關(guān)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展大局。城市作為人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)最活躍、最集中的區(qū)域，是資源環(huán)境承載強(qiáng)度最大、對(duì)地質(zhì)資源環(huán)境擾動(dòng)最強(qiáng)烈的地區(qū)；為此，我國(guó)提出了到2025年全面完成338個(gè)地級(jí)以上城市的地質(zhì)調(diào)查工作。以武漢為例，編制的《多要素城市地質(zhì)調(diào)查總體實(shí)施方案》將工作區(qū)劃分為一般調(diào)查區(qū)、重點(diǎn)調(diào)查區(qū)、深化調(diào)查區(qū)和示范調(diào)查區(qū)，擬采用多參數(shù)鉆探、綜合物探、化探、遙感、綜合監(jiān)測(cè)、三維建模等技術(shù)手段，統(tǒng)籌開展國(guó)土空間開發(fā)利用與多門類自然資源綜合調(diào)查、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與地質(zhì)安全調(diào)查評(píng)價(jià)、資源環(huán)境承載力評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)預(yù)警體系建設(shè)等九項(xiàng)工作任務(wù)。城市地質(zhì)工作環(huán)境的復(fù)雜性，導(dǎo)致許多城市地質(zhì)調(diào)查方法難以達(dá)到預(yù)期的效果。瞬變電磁法具有橫向分辨率高、對(duì)接地條件要求低、抗干擾能力強(qiáng)、工效高、探測(cè)深度大等優(yōu)點(diǎn)，在城市地質(zhì)調(diào)查中有著廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)，隨著地質(zhì)工作的轉(zhuǎn)型發(fā)展，許多地勘單位紛紛涉足城市地質(zhì)工作，為滿足中深部探測(cè)要求，相繼引進(jìn)了一批以terraTEM24、V8、EH4為代表的國(guó)外高、精、尖物探儀器和軟件，探測(cè)深度和精細(xì)化程度得到了進(jìn)一步提升，特別是近年來(lái)隨著大深度三維電磁探測(cè)技術(shù)的研發(fā)與推廣應(yīng)用以及計(jì)算機(jī)、“3S”技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)處理與推斷解釋更加精準(zhǔn)，為城市三維空間信息化建設(shè)和城市地下空間科學(xué)開發(fā)與利用提供了有力的技術(shù)支撐。