航空電磁技術(shù)在凍土調(diào)查中的探測能力分析

孫思源，余學中，謝汝寬，何怡原，單希鵬，李詩珺

(中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

凍土是指溫度在0 ℃以下并含有冰的巖土，也包含0 ℃以下不含冰的寒冷巖土。我國多年凍土總面積約為215×104km2，約占國土面積的22.3%，多年凍土區(qū)主要分布在大、小興安嶺及西部高山和青藏高原，季節(jié)凍土和短時凍土則遍布大部分國土[1-4]。凍土對環(huán)境變化極為敏感，在區(qū)域水循環(huán)、氣候調(diào)節(jié)等方面扮演重要角色。然而近幾十年來，隨著氣候變暖和凍土地區(qū)人文活動的增加，多年凍土退化已十分顯著，對我國氣候、水資源、生態(tài)、水文和工程等方面的影響也日益凸顯。因此評估我國凍土三維分布、監(jiān)測凍土變化，對研究其引發(fā)的生態(tài)、水資源和環(huán)境效應具有重要意義，同時可為我國青藏高原和大小興安嶺生態(tài)修復提供科學支撐，為我國重大工程建設(shè)和資源開發(fā)戰(zhàn)略提供數(shù)據(jù)保障。

地球物理勘探方法是評估凍土厚度的有效手段之一，凍土層與非凍土層或融土層間導電特征的差異是電磁法被應用于探測多年凍土的基礎(chǔ)[5-8]。自20世紀70年代開始，北美、歐洲等學者開始將航空/地面電磁勘探技術(shù)應用于凍土層研究，以研究凍土層深度、范圍、水含量、沉積物類型以及區(qū)域永久凍土含水層系統(tǒng)等。早在1975年，美國就同時利用地面和航空電磁法開展阿拉斯加地區(qū)凍土層分布研究，表明航空數(shù)據(jù)和地面數(shù)據(jù)的一致性[9]。瑞士學者利用頻率域和時間域航空電磁共三種裝置研究高山凍土層，其中頻率域航空電磁主要用于淺部成像，時間域航空電磁用于確定300 m以淺凍土深度，研究成果與附近鉆孔結(jié)果一致[10]。近年來，美國及加拿大學者在阿拉斯加地區(qū)和南極地區(qū)，先后開展過大量的地面電磁法、航空雷達、時間域和頻率域航空電磁探測項目，以研究凍土層深度和分布范圍，表明電磁法在凍土層研究中具有重要作用[11-14]。

我國凍土調(diào)查主要集中在青藏高原和東北地區(qū)，服務于交通和管道建設(shè)等重大工程和資源勘探項目。2005年至2008年，中科院開展了中俄輸油管線沿線的凍土調(diào)查和研究工作[15]；自2008年以來，中國地質(zhì)調(diào)查局和相關(guān)單位圍繞青海木里地區(qū)天然氣水合物開展凍土調(diào)查評價，方法包括地震、地面電法、探地雷達、化探、測井等[16]。2009年至2015年，中科院實施“青藏高原多年凍土本底調(diào)查”項目，對青藏高原開展系統(tǒng)性的多年凍土本底調(diào)查，建立了青藏高原多年凍土本底調(diào)查信息系統(tǒng)[17]。此外，一些學者對電磁法在凍土研究中的應用開展了大量工作：肖繼濤等對三種典型凍土的電阻率特性進行對比，分析含水率、溫度、干密度對電阻率的影響[18]；王顯烈等利用電阻率測井曲線中電阻率的變化劃分凍土層厚度[19]；裴發(fā)根等通過祁連凍土音頻大地電磁正反演研究，分析音頻大地電磁法在凍土厚度探測上的能力[20]；姚大為等利用可控源音頻大地電磁法，結(jié)合地質(zhì)和鉆孔資料，分辨天然氣水合物形成、運移所需要的凍土蓋層和斷裂構(gòu)造[21];檀文慧等利用高密度電法探測永久凍土區(qū)的凍土層分布范圍，結(jié)果與天然氣水合物地層吻合[22];劉釗剡和韓德波利用電阻率測深法探測融化凍土厚度，研究表明在較密的點距和極距下，電阻率測深法具有探測融化層厚度變化的能力[23];韓江濤等采用擬地震成像法反演瞬變電磁數(shù)據(jù)，在漠河地區(qū)研究永久凍土層的分布規(guī)律[24]。與國外相比，中國以地面物探方法為主，同時凍土調(diào)查大多僅限于工程沿線及局部地區(qū)，數(shù)據(jù)分散，空白區(qū)較多；且現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料老化，時效性差，難以真實反映凍土變化。

由于凍土分布海拔高、地理位置偏遠、地形復雜、交通條件差，導致開展大范圍地面地球物理勘探往往效率不高，時間和人力成本巨大。航空電磁法(頻率域、時間域)則具有受地形條件限制少、探測效率高、可大面積覆蓋、成本低等優(yōu)點，有望實現(xiàn)我國凍土持續(xù)性監(jiān)測。然而國內(nèi)還沒有航空電磁應用到凍土探測中的理論研究和實例，因此本文針對AeroTEM時間域和Impulse頻率域航空電磁系統(tǒng)，結(jié)合青海祁連地區(qū)凍土相關(guān)信息，利用一維正演模擬分析航空電磁在確定凍土厚度和頂?shù)捉缑嫔系奶綔y能力，為今后航空電磁系統(tǒng)應用于我國凍土調(diào)查提供理論支撐。

本文通過模擬凍土電阻率、厚度、低阻層、飛行高度和線圈角度變化，分析不同條件下時間域和頻率域航空系統(tǒng)電磁響應差異，并根據(jù)系統(tǒng)噪聲水平分析航空電磁系統(tǒng)的探測能力。模擬結(jié)果表明，在較低噪聲干擾下，Impulse頻率域航空電磁系統(tǒng)可以根據(jù)融化凍土厚度大致確定沼澤、濕地及濕潤草甸覆蓋下的凍土頂界面；AeroTEM時間域系統(tǒng)可以大致確定凍土底界面，而當凍土下存在低阻層時，底界面準確性將提高。因此，在研究凍土厚度中，可綜合利用頻率域和時間域航空電磁數(shù)據(jù)，共同確定多年凍土的頂?shù)捉缑妗?/p>

1 青海祁連地區(qū)凍土概況

青海祁連地區(qū)處于青藏高原東北緣，地形西高東低，海拔大多在3 000 m以上，年均氣溫-3.8～3.6 ℃，年均降水量一般為250～500 mm，年內(nèi)最高、最低氣溫分別出現(xiàn)在7 月和1 月，1月平均氣溫低于-18 ℃，7月平均溫度低于15 ℃。高海拔及較低年平均氣溫導致該地區(qū)多年凍土及季節(jié)凍土非常發(fā)育，面積約為10×104km2，屬于典型的高山型凍土區(qū)[25-26]。

祁連山中東部地區(qū)多年凍土年平均地溫、凍土厚度等基本特征參量與海拔具有明顯的相關(guān)性：海拔越高, 地溫越低,厚度越厚。該地區(qū)凍土層厚度為8.0～139.3 m，而連續(xù)多年凍土厚度大多在50～100 m范圍內(nèi)變化[25-27]，多年凍土電阻率一般在200 Ω·m以上，甚至超過500 Ω·m[6,20-21]。隨著季節(jié)變化，表層凍土不斷融凍，稱為季節(jié)性凍土，厚度約1～2 m，電阻率隨表層季節(jié)性凍土中水分的凍融和蒸發(fā)而發(fā)生變化[1,20-22]；7～9月，沼澤或濕地地區(qū)融化凍土電阻率約20～40 Ω·m，濕潤草甸區(qū)融化凍土電阻率為40～100 Ω·m。另外，該區(qū)的部分多年凍土層下分布著低阻層。

在凍土地帶，未融化凍土電阻率遠高于融化凍土電阻率，二者之間存在明顯的電阻率差異界面，通常凍土層電阻率高出圍巖地層數(shù)倍至數(shù)十倍，且盆地凍土層的融凍界面一般呈水平或者緩傾斜漸變特征[22]，一維模擬具有一定合理性。

2 航空電磁系統(tǒng)

中國自然資源航空物探遙感中心于2003年從加拿大Scintrex公司引進了Impulse頻率域航空電磁系統(tǒng)(圖1a)，隨后又于2010～2011年間從原加拿大Aeroquest公司(已被Geotech公司收購)引進了AeroTEM-IV時間域航空電磁系統(tǒng)(圖1b)，這兩個航空電磁系統(tǒng)在礦產(chǎn)和水工環(huán)勘查中發(fā)揮了重要作用。因此，本文主要針對這兩套系統(tǒng)，進行一維正演模擬，并根據(jù)結(jié)果分析系統(tǒng)在凍土厚度調(diào)查中的探測能力。

圖1 直升機航空電磁系統(tǒng)Fig.1 Helicopter airborne electromagnetic system

2.1 AeroTEM時間域電磁系統(tǒng)

該系統(tǒng)為直升機系統(tǒng)，收發(fā)裝置懸掛于飛機下方60 m，發(fā)射波形為三角波(圖1a)，同時記錄X和Z分量數(shù)據(jù)，能夠采集on-time 和早期off-time 數(shù)據(jù)，擁有較大發(fā)射功率，接收信號具有較高的信噪比，保證了較大的勘探深度(可達300 m)。系統(tǒng)具體參數(shù)見表1。

表1 AeroTEM IV時間域航空電磁系統(tǒng)參數(shù)[28]

2.2 Impulse頻率域電磁系統(tǒng)

該系統(tǒng)是一種吊艙式直升機航空電磁、磁綜合系統(tǒng)，由Impulse直升機頻率域航空電磁系統(tǒng)、CS-3航空銫光泵磁力儀、收錄系統(tǒng)、GPS導航定位系統(tǒng)、無線電高度計、氣壓高度計等組成。其吊艙呈圓筒型(圖1b)，長9 m，內(nèi)安裝有航電線圈系統(tǒng)和磁探頭，其線圈系統(tǒng)如圖2所示，具有2種線圈對(水平共面和直立共軸)、發(fā)射6個頻率，探測深度可達80 m。系統(tǒng)具體參數(shù)見表2。

表2 頻率域航空電磁Impulse系統(tǒng)參數(shù)[29]

圖2 Impulse頻率域系統(tǒng)吊艙內(nèi)裝置示意Fig.2 Bird sketch of Impulse system

3 頻率域和時間域航空電磁一維正演

目前頻率域航空電磁系統(tǒng)主要采用水平共面裝置(HCP)和直立共軸裝置(VCX)，測量磁場水平和垂直分量Hz和Hx，而在實際數(shù)據(jù)處理和解釋中，以Hz分量應用最為廣泛；時間域航空電磁系統(tǒng)主要采用吊艙或回線裝置，在接收線圈中測量二次場變化率dBz/dt。在極坐標(r,φ,z)下，垂直磁偶極子產(chǎn)生的垂直分量Hz為[30]

(1)

負階躍電流時間域航空電磁響應可根據(jù)反傅里葉變換，利用

(3)

計算得到。式中：BS(t)是負階躍電流下的時間域電磁響應，B(ω)為頻率域響應。任意發(fā)射波形的電磁響應可通過電流I與BS(t)的卷積獲得：

(4)

因此，通過波形數(shù)據(jù)和頻率域電磁響應，可計算相應波形下的時間域電磁響應。

4 正演模擬與分析

4.1 凍土厚度影響分析

根據(jù)祁連地區(qū)地下凍土相關(guān)信息，設(shè)置如圖3所示地電模型，其中凍土電阻率300 Ω·m，基底500 Ω·m，凍土下地層電阻率100 Ω·m，基底上方地層總厚度為500 m，設(shè)置凍土厚度分別為50、60、70、100 m。實際飛行中，受電線、高壓塔、房屋等人文干擾影響，為保證飛行安全，飛行高度通常在40～60 m之間變化，本文正演默認飛行高度為50 m，分別得到AeroTEM系統(tǒng)中17個時間道的dBz/dt和Impulse系統(tǒng)水平共面裝置中3個頻率的Hz實虛分量，如圖4所示。

圖3 凍土地電模型1Fig.3 Geoelectric model 1 of frozen soil

圖4 不同厚度凍土模型的電磁響應Fig.4 Response of permafrost models withdifferent thickness

圖4顯示：凍土厚度每變化10 m，AeroTEM系統(tǒng)第一道變化約30 nT/s，第三道變化約19 nT/s,第五道變化約12 nT/s，在信號早期具有一定差異，而質(zhì)量較好的實際數(shù)據(jù)測線噪聲水平一般不超過±8 nT/s，具備一定底界面探測能力；對于Impulse系統(tǒng)，厚度變化造成的Hz實、虛分量變化較小，不同頻率間均不超過5×10-6，與系統(tǒng)噪聲水平接近，因此由凍土厚度引起的差異基本被噪聲淹沒，Impulse系統(tǒng)無法區(qū)分凍土底界面。

4.2 凍土電阻率影響分析

凍土電阻率與水的凍結(jié)程度和凍土巖性有關(guān)，識別凍土電阻率的變化可以有助于了解地下溫度和巖性變化。設(shè)置如圖5所示的地電模型，其中凍土電阻率分別選取200、300、500、1 000 Ω·m，厚度固定為50 m，凍土下地層電阻率100 Ω·m，厚度為450 m，基底500 Ω·m，正演計算時間域和頻率域航空電磁響應，結(jié)果見圖6。

圖5 凍土地電模型2Fig.5 Geoelectric model 2 of frozen soil

圖6 不同電阻率凍土模型的電磁響應Fig.6 Response of permafrost models with different resistivities

圖6顯示，高阻凍土電阻率的變化對頻率域和時間域響應均有較明顯影響。頻率域高頻響應差異約在20×10-6，中頻響應的虛分量變化比實分量大，但隨著電阻率的升高，這種影響逐漸減弱，同時，隨著電阻率的升高，頻率域和時間域響應幅值整體減弱，尤其是頻率域響應，當電阻率達1 000 Ω·m時，Hz實、虛分量均低于45×10-6，低頻下Hz分量甚至低于10×10-6，整體響應極易受噪聲影響，時間域響應的影響超過25 nT/s左右；因此，時間域和頻率域航空電磁均能夠識別凍土電阻率變化，但隨著電阻率的增加，這種識別能力逐漸減弱，且易受噪聲干擾。

4.3 融化凍土影響分析

7～10月，隨著溫度變化，祁連地區(qū)表層季節(jié)性凍土融化，形成低阻層，厚度一般在1～2 m。為了分析融化凍土厚度和電阻率變化的影響，設(shè)計了如圖7所示的地電模型：多年凍土電阻率為300 Ω·m；融化凍土電阻率為50 Ω·m，代表濕地及濕潤草甸；多年凍土和表層融化凍土厚度共50 m，融化凍土厚度隨溫度和海拔變化，分別設(shè)置為0、1、2、4 m；凍土下地層電阻率100 Ω·m，厚度為450 m；基底電阻率500 Ω·m。正演計算時間域和頻率域航空電磁響應，結(jié)果如圖8所示。

圖7 凍土地電模型3Fig.7 Geoelectric model 3 of frozen soil

圖8 不同厚度融化凍土模型的電磁響應Fig.8 Response of melting permafrost models with different thickness

圖8顯示：在1～4 m范圍內(nèi)，AeroTEM時間域系統(tǒng)對融化凍土厚度變化不敏感，每增加1 m引起的早期第一道響應變化不超過10 nT/s；Impulse系統(tǒng)高頻信號對融化凍土厚度反應較敏感，其中虛分量比實分量變化更大，平均增加1 m引起的高頻響應差異實分量約為12×10-6，虛分量約為16×10-6，虛分量大于理論高頻噪聲水平的3倍。因此，相對于時間域系統(tǒng)，頻率域系統(tǒng)更容易確定融化凍土厚度，進而辨別多年凍土頂界面變化，但噪聲不能過大。當然，隨著水分蒸發(fā)，融化凍土電阻率增加，Impulse系統(tǒng)對融化凍土厚度的敏感性也將大幅降低。

4.4 凍土層下低阻層影響分析

由于祁連部分地區(qū)凍土層下有低阻層存在，而航空電磁對低阻層敏感，因此有必要分析低阻層對確定凍土厚度的影響。設(shè)計如圖9所示的模型4：基底以上地層厚度共500 m，其中凍土電阻率300 Ω·m，厚度50 m或80 m，常規(guī)地層電阻率100 Ω·m，低阻層電阻率取25 Ω·m或50 Ω·m。模擬不同情形下低阻層對系統(tǒng)響應的影響，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，對比2個系統(tǒng)，凍土下低阻層對AeroTEM系統(tǒng)影響更大。當凍土厚度50 m時，不同情形下，前五道早期道響應差異均大于25 nT/s，而頻率域系統(tǒng)下，中頻響應差異最大，但仍不超過8×10-6，無法從噪聲中區(qū)分。當凍土厚度達80 m時，低阻層的影響減弱，時間域系統(tǒng)下已很難與無低阻層且凍土厚50 m時進行區(qū)分，且此時無論是頻率域響應還是時間域響應，均小于無低阻層時的響應。這一情況也對應了反演中的多解性問題，需要增加約束信息，如鉆孔信息或橫向約束來區(qū)分。本次模擬表明，在凍土厚度一定時，凍土下低阻層的存在可幫助AeroTEM系統(tǒng)識別凍土層的底界面，且低阻層的電阻率越低、厚度越厚，系統(tǒng)的識別能力越強。

4.5 飛行高度影響分析

以圖7中的模型3為例，分析飛行高度對Impulse系統(tǒng)識別融化凍土能力的影響。首先固定融化凍土厚度為2 m，計算飛行高度分別為40、45、50 m時的頻率域電磁響應。另外在飛行高度為40 m時，分別計算表層融化凍土厚度為0、1、2、4 m時的電磁響應，結(jié)果如圖11所示。

圖9 凍土地電模型4Fig.9 Geoelectric model 4 of frozen soil

圖10 不同低阻層的電磁響應Fig.10 Response of permafrost models with different Low resistivity layers

圖11顯示，隨著飛行高度降低，高頻的電磁響應強度大幅增加，尤其是虛分量，因此飛行高度越低，有用信號越強。此外，當飛行高度固定為40 m時，融化凍土每米變化引起的高頻響應差異實分量約為16×10-6，虛分量約為30×10-6，與圖8飛行高度50 m響應相比，高頻響應差異進一步增大，識別融化凍土能力進一步增強。

圖11 模型3不同飛行高度的Impulse系統(tǒng)Hz分量響應Fig.11 Hz response of Model 3 with different flight altitudes

以圖3中的模型1為例，分析飛行高度對AeroTEM系統(tǒng)識別凍土厚度變化識別能力的影響。首先固定凍土厚度為70 m，計算飛行高度分別為40、45、50 m時的時間域電磁響應，另外在飛行高度為40 m時，分別計算多年凍土厚度為50、60、70、100 m時的電磁響應，計算結(jié)果如圖12所示。

圖12 模型1不同飛行高度的AeroTEM系統(tǒng)dBz/dt響應Fig.12 dBz/dt response of Model 1 with different flight altitudes

由圖12可知，隨著飛行高度降低，電磁響應強度一定程度增加，每5 m變化約22 nT/s，有用信號增強。此外，當飛行高度固定為40 m時，平均多年凍土每10 m變化引起的第一道響應差異約為33 nT/s，第三道響應差異約為21 nT/s，第五道響應差異約為12 nT/s；與圖4中飛行高度50 m響應相比，電磁響應差異變化不大，識別凍土厚度能力受飛行高度影響較低，但信噪比可進一步提升。

4.6 線圈俯仰角影響分析

實際飛行中，風速、飛行速度的變化會導致吊艙或線圈與水平方向呈現(xiàn)一定角度，對接收線圈中觀測的電磁響應產(chǎn)生影響。飛行姿態(tài)一般用俯仰角、翻滾角和方位角等3個角度來描述，在實際飛行中，俯仰角受風速和飛行速度的影響最大，因此本文只討論俯仰角對凍土探測能力的影響。

以圖7中的模型3為例，分析俯仰角對Impulse系統(tǒng)識別融化凍土能力的影響。首先固定融化凍土厚度為2 m，飛行高度50 m，計算俯仰角為0°、5°、10°和15°時的頻率域電磁響應，結(jié)果如圖13所示。

圖13 模型3不同線圈俯仰角的Impulse系統(tǒng)Hz分量響應Fig.13 Hz response of Model 3 with different coil pitch Angles

圖13顯示，隨著俯仰角的增大，高頻電磁響應強度逐漸增加，其中5°俯仰角引起的變化不大，但當俯仰角達到10°和15°時，高頻響應差異超過10×10-6，與融化凍土厚度變化引起的響應差異相當。因此，由俯仰角引起的差異對融化凍土識別能力影響較大，需要在飛行前注意風向和風速的變化，飛行中對飛行速度進行控制，確保俯仰角不超過5°。

以圖3中的模型1為例，分析俯仰角對AeroTEM系統(tǒng)識別凍土厚度變化識別能力的影響。首先固定多年凍土厚度為70 m，飛行高度50 m，計算俯仰角為0°、5°、10°和15°時的頻率域電磁響應，結(jié)果見圖14。

圖14 不同線圈俯仰角模型1的AeroTEM系統(tǒng)dBz/dt響應Fig.14 dBz/dt response of Model 1 with different coil pitch Angles

圖14顯示，隨著俯仰角的增大，電磁響應強度逐漸減弱，但不同俯仰角間響應差異不大，其中10°引起的響應差異約為6 nT/s，小于噪聲水平。因此，俯仰角對AeroTEM系統(tǒng)凍土厚度探測能力的影響有限，但仍需要在飛行前注意風速和飛行中對飛行速度進行控制，確保俯仰角不超過10°。

5 結(jié)論

針對AeroTEM和Impulse航空電磁系統(tǒng)，通過一維正演模擬不同條件下凍土地區(qū)時間域和頻率域響應，分析航空電磁技術(shù)對祁連地區(qū)凍土厚度和頂?shù)捉缑嫣綔y能力。分析結(jié)果表明：

1)Impulse系統(tǒng)可分辨表層低阻融化凍土厚度變化，確定濕地及濕潤草甸地區(qū)多年凍土頂界面，但對底界面變化敏感度較弱；AeroTEM系統(tǒng)對表層融化凍土敏感度較弱；

2)AeroTEM系統(tǒng)對凍土厚度的變化比Impulse系統(tǒng)敏感，可用于確定多年凍土的底界面，但對表層融化凍土厚度變化敏感度較弱；

3)凍土層下的低阻層可以提高AeroTEM系統(tǒng)對凍土底界面的識別能力，且隨著低阻層厚度增加、電阻率降低，識別能力越強；

4)Impulse系統(tǒng)和AeroTEM系統(tǒng)對多年凍土電阻率變化均較敏感，Impulse系統(tǒng)更易區(qū)分，但隨著電阻率的增加，兩個系統(tǒng)的整體響應也越來越弱，低頻響應和晚期響應容易被噪聲淹沒；

5)飛行高度越低，2個系統(tǒng)的響應越強，信噪比越高，同時能夠提升Impulse系統(tǒng)的融化凍土探測能力，但對AeroTEM系統(tǒng)探測能力提升有限，因此有必要盡量保持較低的飛行高度；

6)由于風速和飛行速度，線圈或吊艙而存在俯仰角對Impulse系統(tǒng)凍土探測能力影響較大，對AeroTEM系統(tǒng)凍土探測能力影響較小，因此需要保證Impulse系統(tǒng)飛行平穩(wěn)，保持吊艙水平。

根據(jù)以上結(jié)論，綜合利用高質(zhì)量的AeroTEM和Impulse航空電磁數(shù)據(jù)，可以識別凍土層的頂?shù)捉缑孀兓?，但凍土厚度準確性受飛行高度、飛行平穩(wěn)性和系統(tǒng)噪聲影響較大，實際應用效果有待驗證。此外，航空電磁法受人文干擾嚴重，數(shù)據(jù)處理技術(shù)對結(jié)果影響較大；同時時間域航空電磁系統(tǒng)質(zhì)量較大，在高海拔地區(qū)對飛機起降點的高度、溫度和風速要求較高，這些不足之處也應在凍土調(diào)查中引起足夠重視。