特殊地質條件下區域地質勘查中瞬變電磁法的應用研究

孟國旺

（河北省煤田地質局水文地質隊，河北 石家莊 050000）

開展地質勘查主要是為了解測區氣候變化、生態環境、水文特點，以及指導工程施工等提供了必要的信息支持。一直以來，鉆孔勘探是地質探測的主要方法，但是在實踐中存在操作復雜、效率不高，獲取信息有限等缺陷。近年來，物探技術發展迅速，探地雷達法、瞬變電磁法等得到了推廣應用。本文以瞬變電磁法為例，首先介紹了其探測原理和技術優勢，隨后選取一處特殊地質條件區域作為研究對象，分別從布設測點、數據采集、數據解釋等方面，總結了瞬變電磁法的技術要點，并對探測結果展開了簡要分析。

1 瞬變電磁法的探測原理

瞬變電磁法是以電磁感應原理為理論依據，利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，觀測一次磁場關斷期間地下良導體產生的二次渦流場的衰變來推算地下介質的電性分布情況，達到尋找相對高阻體或低阻體分布的目的。近年來，瞬變電磁法在實踐應用中不斷改良、創新，衍生出了適合不同情況的分支方法。其中，基于中心回線裝置的納米瞬變電磁法被廣泛運用在淺層探測領域，其核心裝置包括：高靈敏性電法接收機，快速關斷發送機，12V、60AH的電源，以及發射/接收線圈。在特殊地質條件下，納米瞬變電磁法的應用優勢在于裝置簡單、易于操作，同時探測精度高、獲取信息多，與目標探測體的耦合效果好等。

利用瞬變電磁法進行區域地質調查時，每個時間窗口分別獨立運行，依次接收感應電動勢、磁場、電場3項數據，采集到的數據會自動完成篩選，濾除受到電磁干擾或諧波干擾的數據，將剩余的數據在數據庫內分類存儲。需要注意的是，利用該方法所得的調查數據是斜階躍激發的瞬變，后期開展數據分析前，還必須借助于專門的軟件對斜階躍波進行后延改正。最后以瞬變電磁法探測所得數據為主，同時參考鉆探資料、地溫監測資料展開綜合分析，可以得到研究區域的電性特征與分布規律。

2 研究區信息概況

研究區（32°41′-33°15′N，74°28′-77°30′E）位于青藏高原的西北部，地表有1處長度為6.7km的河流，以及1處面積為6.7×104m2的湖泊融區。該區域平均海拔為5166m，年降水量低于100mm，年平均氣溫為-5℃。高寒草原與高寒荒漠相間分布。地表多碎石、砂土，淺層基巖以花崗巖為主，研究區的東南部有一處區域性活動斷裂帶，整體呈東南-西北走向。

3 基于瞬變電磁法的地層探測技術

3.1 布設測點和測網

在前期準備工作中，根據現場情況設計測點位置并做好現場布置，是瞬變電磁法調查地層的第一步。現場工作人員依靠全站儀完成精準布點。操作方法為：從基準點出發，以正東南為參考線，平行于該方向上每40m設一點，垂直于該方向上每20m設一點，整個研究區內共布設測點176個。將所有測點連接起來，形成橫縱交錯的測網。

另外，土壤中水的相態轉換（液-固），是導致地層電阻率波動變化的一個主要原因。地層地溫監測數據表明，該研究區內地溫在-0.4℃左。利用瞬變電磁法探測所得的電阻率值，更接近實際情況。

3.2 數據采集與處理

本次探測實驗使用的多功能電法工作站為Zonge公司生產的GDP-32II型號；中心回線裝置的發射線圈，采用規格為16m×16m的正方形單匝導線連接而成。接收線圈采用同樣材質和相同方法連接而成，其規格為8m×8m。將電流頻率設定為32Hz，完成上述布置后，啟動該系統進行地層數據采集。基本布置如圖1所示。

圖1 瞬變電磁法的中心回線布置示意圖

前端裝置采集到數據之后，所有數據暫時存儲到數據庫的臨時分區中。此時利用Stemnv軟件對這些數據進行初步處理。對于因為受到干擾導致數據不完整、失真的，一律清除；對于符合要求的數據，進行格式轉換，將其統一成標準格式。將處理后的數據轉移到數據庫的“Stemnv”文件夾下，方便該軟件進行數據調用，做進一步的處理。通過Stemnv軟件主頁面上的菜單欄，點擊“反演”選項啟動反演程序。在彈出的對話框中，設置反演參數。參數設置完畢，利用反演程序依次對每一個測點上采集到的磁場變化數據（dB/dt）進行處理，最終在所有測點數據反演結束后，由Stemnv軟件利用這些數據自動生成“視電阻率-深度曲線”的二維坐標系和視電阻率等值線圖。

3.3 數據解釋與分析

使用瞬變電磁法測得地層的電阻率，在水平方向與垂直方向上變化信息都能夠作為解釋特殊地形區地層細節信息的依據。在分析電阻率變化曲線時，應重點關注其中變化率較高的位置，即曲線圖上的“拐點”。將其作為特征點進行重點分析，能夠獲得研究區不同地層深度的電性變化情況。在數據解釋時，具體操作為：根據上一步驟處理得到的電阻率變化曲線，從中提取變化率較為明顯的“拐點”。為了進一步提升數據解釋結果的可靠性，還要綜合研究區內其他地質信息，包括沉積類型與巖性，以及地表植被和氣候特點等。以勘測數據為主，以地質資料、基礎地理信息為輔，對地層的發育規律有一個更為全面和準確地認識。

4 研究區探測結果

4.1 特殊地形區地層的電性特征

在研究區基巖埋藏較淺的地方，地層整體上表現出“低阻-高阻”的電性特征。結合瞬變電磁法的探測數據，研究區內地層最小電阻率只有440Ω?m，而最大電阻率則達到了2300Ω?m。除此之外，在研究區的一些特殊位置，地層的電性特征也表現出特殊性。例如研究區內有一處海拔高度為4966m的湖泊，湖底有10m～20m厚的黏土，其電性特征為“低阻-高阻-低阻”；其電阻率最高為1960Ω?m，最低僅為200Ω?m。另外一處坡積與沖積相地層上，則表現出了“低阻-高阻-低阻-高阻”的電性特征。該區域的最大電阻率只有850Ω?m，最小電阻率為40Ω?m。

4.2 地層的厚度與分布

根據瞬變電磁法探測所得數據，研究區內地層厚度的下限區間為16m～85m，平均厚度為61m。其中，在淺埋基巖區出現最大值，在湖泊邊緣的鹽沼地上出現最小值。而同一區域內采用鉆孔測溫方法，所得結果為63m，兩種探測方法得出的地層厚度均值十分接近。

5 結論

基于瞬變電磁法探測特殊地質條件下地層的分布特征，根據所得測點數據建立地層電阻率下限與測點地溫的回歸關系，表明兩者有著良好線性關系，從而驗證了這一研究結果。這說明使用瞬變電磁法判斷地層的厚度與分布特征時可行的。

在本次研究中，所選研究區的地層厚度分布存在較為明顯的空間差異。從整體上來看，地層厚度范圍在16m～85m，平均厚度為61m。其中，最大厚度出現在湖泊區，最小厚度出現在高山峽谷區。在特殊地形區內，個別地區因為局地小氣候、復雜地質條件等特殊因素的影響，地層的分布、厚度特征，可能會表現出異常，有待于進一步探究。