基于MTM技術(shù)的復(fù)雜地質(zhì)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(zhì)探測是一項(xiàng)非常重要的工作，對(duì)于地下水資源勘探、地下油氣資源勘探、環(huán)境治理與保護(hù)都具有十分重要的意義。在很多地區(qū)，地表下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)都非常復(fù)雜，這給常規(guī)的探測分析方法增加了難度[1]。MTM技術(shù)通過向地下發(fā)送電磁信號(hào)，進(jìn)而接收并觀測反饋電流和反饋電壓信號(hào)，可以完成復(fù)雜地質(zhì)特征的探測和分析[2]。MTM技術(shù)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(zhǔn)確的地質(zhì)探測和分析結(jié)果，是復(fù)雜地質(zhì)特征分析的未來發(fā)展方向[3]。該文對(duì)MTM技術(shù)的探測原理進(jìn)行分析，進(jìn)而通過實(shí)際的探測試驗(yàn)來觀察MTM技術(shù)對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)特征的分析結(jié)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(jìn)行地質(zhì)特征探測和分析，是一種無破壞、低人工消耗的測量技術(shù)。MTM是電磁分析技術(shù)中一種比較新穎的方法，屬于時(shí)間域上的電磁分析方法。通過接地電偶，MTM方法可以實(shí)現(xiàn)同被探測地點(diǎn)地下的連接。通過該電偶，電流被注入探測區(qū)域的各地質(zhì)層并形成電磁場。探測信號(hào)發(fā)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(hào)或者磁信號(hào)。MTM方法發(fā)射和接收電磁信號(hào)的形式如圖1所示。

從圖1可以看出，地質(zhì)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出分層的形態(tài)，從地表延伸到地下形成各個(gè)層次。Z表示地質(zhì)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(hào)圖譜后，對(duì)于視覺異常的區(qū)域可以采用積分方程法進(jìn)行數(shù)學(xué)層面上的特征分析。該方法針對(duì)性強(qiáng)，處理的特定區(qū)域小，不僅處理速度快，而且可以分析更準(zhǔn)確，是MTM方法完成后續(xù)分析的核心。

地質(zhì)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(dá)式即可以完成地質(zhì)各層特征分析；二維和三維建模方式，可以構(gòu)建簡單數(shù)學(xué)模型或采用解析的方法來進(jìn)行地質(zhì)分析。對(duì)于三維及以上的建模方式，就需要配合數(shù)值分析的方法，使用積分方程。對(duì)于該文的三維復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造來說，采用積分方程完成MTM分析是合理和恰當(dāng)?shù)摹８鶕?jù)電磁波傳播和電磁場理論，地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的電磁場一般都相伴發(fā)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(qiáng)度的大小，H代表了磁場強(qiáng)度大小，B代表了電場和磁場之間的感應(yīng)強(qiáng)度，D代表了電位移的大小。

根據(jù)電磁場模型引入一個(gè)反饋參數(shù)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(shù)，k表示電磁波參數(shù)，P表示電場產(chǎn)生的功率，u0表示電場電壓初值，i表示電流強(qiáng)度，φ表示電導(dǎo)率函數(shù)，ω表示角頻率，σ表示電導(dǎo)率。

根據(jù)上述公式，可以建立MTM發(fā)射的電磁信號(hào)到接收的電磁信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)，而其中涉及的變化表征了電磁信號(hào)傳播過程中所受到的地質(zhì)各層的影響，從而可以判定地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特征。

2 潛水層復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的MTM分析

MTM技術(shù)可以用于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特征探測與分析。如果在地質(zhì)層的常規(guī)分布層次中，存在一個(gè)潛水層，可以通過MTM技術(shù)探測定位并確定其范圍。特殊物質(zhì)層的分布區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于MTM方法的探測寬度范圍，與特殊物質(zhì)層的分布縱深遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于MTM方法的探測深度范圍這兩種情況下，MTM方法會(huì)有不同的特征反饋。

為了驗(yàn)證MTM技術(shù)對(duì)特殊層的探測和特征分析能力，首先針對(duì)一個(gè)含有潛水層物質(zhì)的地質(zhì)層進(jìn)行探測試驗(yàn)，試驗(yàn)過程及結(jié)果如下。

用參數(shù)h表示潛水層在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的深度，其Z方向上的潛水層結(jié)構(gòu)厚度達(dá)到了80m，X方向延展長度達(dá)到了2000m，Y方向上延展長度達(dá)到了1000m。在采用MTM技術(shù)進(jìn)行分析時(shí)，按照20m邊長的立方格單元進(jìn)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(jié)果。在該試驗(yàn)中，地質(zhì)層的平均電阻率為100Ω，潛水層物質(zhì)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(shí)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(zhì)結(jié)構(gòu)的層次呈現(xiàn)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(zhì)層發(fā)生了垂直向翻轉(zhuǎn)，表明這一區(qū)域可能遭遇過較強(qiáng)的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)影響。

圖2中，方框區(qū)域，圈定的就是MTM方法檢測到的潛水層物質(zhì)。其在X方向上的位置大致位于1000m～2000m，在MTM反饋時(shí)間為10-2s時(shí)呈現(xiàn)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(qū)域圈定的是MTM方法檢測到的潛水層物質(zhì)。其在X方向上的位置位于2500m～3000m，在MTM反饋時(shí)間為10-2s～10-1s時(shí)呈現(xiàn)出最為明顯的特征。

上述試驗(yàn)過程，表明MTM方法可以準(zhǔn)確地檢測到潛水層物質(zhì)在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的分布，并以可視化的形態(tài)展示其位置和特征。

3 承壓水層復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的MTM分析

為了驗(yàn)證MTM技術(shù)對(duì)不同水層探測和特征分析能力的魯棒性，進(jìn)一步對(duì)一含有承壓水層物質(zhì)的地質(zhì)層進(jìn)行探測試驗(yàn)，試驗(yàn)過程及結(jié)果如下。

用參數(shù)h表示承壓水層在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的深度，其Z方向上的承壓水層結(jié)構(gòu)厚度達(dá)到了200m，X方向延展長度達(dá)到了2000m，Y方向上延展長度達(dá)到了1000m。在MTM技術(shù)的分析處理下，按照20m邊長的立方格單元進(jìn)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(jié)果。在該試驗(yàn)中，地質(zhì)層的平均電阻率為100Ω，承壓水層物質(zhì)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(cè)中間位置處的深藍(lán)色的層次，就是MTM方法檢測到的承壓水層物質(zhì)。其在X方向上的位置大致位于1400m～2000m，在MTM反饋時(shí)間為10-2s時(shí)呈現(xiàn)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(lán)色層次，就是MTM方法檢測到的承壓水層物質(zhì)。其在X方向上的位置大致位于2500m～3000m，在MTM反饋時(shí)間為10-2s時(shí)呈現(xiàn)出最為明顯的特征。

4 結(jié)論

地質(zhì)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確勘探和特征分析，對(duì)于地下水資源、地下各類能源物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和采掘具有重要意義。該文采用一種基于電磁波發(fā)射和收集完成測量的MTM方法，用于地質(zhì)結(jié)構(gòu)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(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)中含有潛水層和承壓水層的情況進(jìn)行特征分析試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：MTM方法可以準(zhǔn)確地探測出地質(zhì)結(jié)構(gòu)中不同水層的存在，并根據(jù)電磁波圖譜可以清晰地觀察到不同水層所在的區(qū)域和位置。