半航空瞬變電磁法在某滑坡探測(cè)中的應(yīng)用研究

趙思為， 尹小康， 張振雄, 呂 菲

(1. 中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031;2. 成都理工大學(xué) 地球勘探與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059;3.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308;4.川藏鐵路技術(shù)創(chuàng)新中心有限公司，成都 610000)

0 引言

半航空瞬變電磁法(SATEM)工作原理與地面瞬變電磁相似，利用發(fā)射源向大地激發(fā)一次場(chǎng)，通過無人機(jī)裝載的接收傳感器(如空心線圈)觀測(cè)斷電時(shí)地下二次渦流場(chǎng)在空中的二次瞬變磁場(chǎng)響應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到探測(cè)地下介質(zhì)電阻率的目的。

半航空瞬變電磁系統(tǒng)在上世紀(jì)50年代已經(jīng)初具雛形，而后進(jìn)入高速發(fā)展階段。Elliott[1]為了解決大深度勘探問題，提出了Flairtem系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用大回線源作為激發(fā)源;Mogi[2]在日本東北部福島縣磐梯山地區(qū)，GREATEM系統(tǒng)通過直升機(jī)搭載在該地區(qū)進(jìn)行了火山溫泉探測(cè)，探測(cè)深度達(dá)到了800 m;Allah[3-4]等進(jìn)一步完善了GREATEM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程，在日本東南部九十九里濱地區(qū)淺海域的應(yīng)用結(jié)果表明該方法可以描繪出地下的電阻率構(gòu)造, 顯示出該法在淺海域具有良好的發(fā)展前景。相較于國(guó)外對(duì)半航空系統(tǒng)和方法的研究,國(guó)內(nèi)的起步較晚，嵇艷鞠[5]等對(duì)半航空電磁正演響應(yīng)結(jié)果與接收線圈高度的關(guān)系和半航空模式發(fā)射邊長(zhǎng)的變化規(guī)律做了理論研究；朱凱光[6]等提出了通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行時(shí)間域直升機(jī)電磁數(shù)據(jù)的CDI成像研究；陳小紅等[7]進(jìn)行了時(shí)間域航空電磁快速成像研究，分析了快速一階與二階近似成像方法在航空物探應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)；楊聰[8]進(jìn)行了半航空自適應(yīng)正則化-阻尼最小二乘算法的研究，得出了聯(lián)合反演算法對(duì)高阻層探測(cè)較敏感的結(jié)論。

雖然SATEM的理論研究一致是國(guó)內(nèi)、外電磁勘探研究的熱點(diǎn)之一，然而目前應(yīng)用這些理論解決實(shí)際地學(xué)問題的相關(guān)研究仍相對(duì)較少。筆者通過一維正演模擬了長(zhǎng)導(dǎo)線電性源半航空瞬變電磁響應(yīng)的特征，探討了K、H型模型覆蓋層和中間層厚度對(duì)電磁響應(yīng)值的影響，討論了SATEM針對(duì)高低阻目標(biāo)層的探測(cè)敏感區(qū)域，最后將半航空瞬變電磁法應(yīng)用到某滑坡工區(qū)的探測(cè)中，取得了較好的效果，填補(bǔ)了半航空實(shí)際應(yīng)用方面的內(nèi)容。

1 正演模擬研究

1.1 層狀介質(zhì)一維正演響應(yīng)公式

長(zhǎng)導(dǎo)線源的頻率域水平層狀介質(zhì)的垂直磁場(chǎng)響應(yīng)可參照Nabighian[9]給出的計(jì)算公式為式(1)。

(1)

對(duì)式(1)進(jìn)行Hankle變換和Gauss積分，再通過頻-時(shí)轉(zhuǎn)換得到時(shí)間域感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。通過余弦變換將半航空瞬變電磁頻率域響應(yīng)轉(zhuǎn)化為時(shí)間域響應(yīng)得式(2)。

(2)

式中：Vz(t)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，V；S為線圈有效接收面積,m2；Re[Hz(ω)]表示取Hz(ω)的實(shí)部。

1.2 K、H地電斷面正演算例

以K、H型地電模型為例，定量的討論地層厚度對(duì)響應(yīng)特征的影響，進(jìn)而分析地層厚度對(duì)探測(cè)高低阻目標(biāo)層的影響。設(shè)置長(zhǎng)導(dǎo)線線源長(zhǎng)度為1 000 m，接收線圈高度為50 m，電流為20 A，接收點(diǎn)位置(0,500,50)，定義相對(duì)異常為：

(3)

式中：Vrms為相對(duì)異常大小；VT為改變地層參數(shù)時(shí)的電磁響應(yīng)值；VA為固定模型參數(shù)為d1=50 m(K、H型覆蓋層變化)和d2=50 m(K、H型中間層變化)、的電磁響應(yīng)值。

由圖1可以得出，K、H型地電模型覆蓋層的增加對(duì)響應(yīng)值的影響主要集中在前中期(0.01 ms～1 ms)，對(duì)于晚期(1 ms～10 ms)的電磁響應(yīng)值影響相對(duì)較小。從相對(duì)異常曲線中可以得出，覆蓋層的增加對(duì)相對(duì)異常曲線的影響主要集中在前中期(0.01 ms～1 ms)，對(duì)K型地電模型的影響最大約為1.8%，對(duì)H型地電模型的影響最大約2.8%。

中國(guó)管理科學(xué)研究院研究員吳興杰從中美貿(mào)易戰(zhàn)的背景切入，以《基于中美貿(mào)易戰(zhàn)的鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的思想創(chuàng)新》為題，重點(diǎn)對(duì)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的思想創(chuàng)新進(jìn)行了研究，提出：鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重點(diǎn)和難點(diǎn)在中西部落后鄉(xiāng)村，東部特別是沿海鄉(xiāng)村要實(shí)現(xiàn)從富起來到強(qiáng)起來再到美起來。鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略要從政治訴求轉(zhuǎn)化為發(fā)展的內(nèi)在邏輯進(jìn)而落地的關(guān)鍵是思想的創(chuàng)新，即哲學(xué)創(chuàng)新。規(guī)避鄉(xiāng)村振興“上熱下冷→外熱內(nèi)冷→表熱實(shí)冷”的關(guān)鍵，是解決誰來干和怎么干這兩大核心問題，防止樣板化、錯(cuò)位化與非農(nóng)化而偏離其正軌。

圖1 覆蓋層變化電磁響應(yīng)及相對(duì)異常變化曲線Fig.1 Overburden change electromagnetic correspondence and relative anomaly change curve(a)K型覆蓋層變化響應(yīng);(b)K型相對(duì)異常變化曲線;(c)H型覆蓋層變化響應(yīng);(d)H型相對(duì)異常變化曲線

表1 覆蓋層變化模型參數(shù)

表2 中間層變化模型參數(shù)

從圖2的電磁響應(yīng)曲線可以得出，K、H型地電模型中間層的變化對(duì)響應(yīng)值的影響在全期(0.01 ms～10 ms)均有體現(xiàn)，相較于H型地電模型，對(duì)K型地電模型影響較大。同樣的，中間層的變化對(duì)相對(duì)異常曲線的影響在全期(0.01 ms～10 ms)也均有體現(xiàn)，相較于K型模型最大相對(duì)異常的0.25%，H型模型達(dá)到了約1.75%。

圖2 中間層變化電磁響應(yīng)及相對(duì)異常變化曲線Fig.2 Overburden change electromagnetic correspondence and relative anomaly change curve(a)K型中間層變化響應(yīng);(b)K型相對(duì)異常變化曲線;(c)H型中間層變化響應(yīng);(d)H型相對(duì)異常變化曲線

1.3 SATEM觀測(cè)敏感區(qū)域研究

為了定量的研究Vz分量對(duì)不同地層敏感區(qū)域的分布特征，我們以表3所示中間薄層模型為例，計(jì)算了薄層相對(duì)圍巖分別為低阻和高阻時(shí)的電磁響應(yīng)，為了對(duì)相對(duì)異常定量研究，定義相對(duì)異常公式：

表3 薄層模型參數(shù)

(4)

圖3中黑色實(shí)線表示線源位置及長(zhǎng)度，可以看出，Vz對(duì)低阻目標(biāo)層(最高達(dá)520%)的敏感程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)高阻目標(biāo)層(20%)的敏感程度，對(duì)于高低阻目標(biāo)層的敏感區(qū)域均集中在發(fā)射源附近，隨著線源在一定范圍內(nèi)的增加，敏感區(qū)域也會(huì)相應(yīng)的增加。所以在實(shí)際探測(cè)中，無論是針對(duì)高阻目標(biāo)層抑或是低阻目標(biāo)層，探測(cè)區(qū)域應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)目刂圃诰€源附近。

圖3 最大相對(duì)異常平面分布圖Fig.3 Distribution of relative anomaly maximum (a)1 000 m線源Vz對(duì)低阻薄層相對(duì)異常分布;(b)1 000 m線源Vz對(duì)高阻薄層相對(duì)異常分布;(c)2 000 m線源Vz對(duì)低阻薄層相對(duì)異常分布;(d)2 000 m線源Vz對(duì)高阻薄層相對(duì)異常分布

2 自適應(yīng)正則化反演

反演方法采用的是毛立峰[10]提出的自適應(yīng)正則化一維反演方法。正則化反演目標(biāo)函數(shù)可表示為式(5)～式(7)。

φ(M)=φd(M)+λφm(M)

(5)

(6)

(7)

(8)

2.1 反演模型試算

為了驗(yàn)證自適應(yīng)正則化反演程序的準(zhǔn)確性，筆者以典型三層H型地電模型和K型模型為例進(jìn)行了自適應(yīng)正則化反演計(jì)算。設(shè)置發(fā)射電流為15 A，線源長(zhǎng)度為1 000 m，接收點(diǎn)坐標(biāo)為(0，500，50)。在時(shí)間為0.01 ms～10 ms內(nèi)等對(duì)數(shù)間隔取24個(gè)采樣點(diǎn)，迭代次數(shù)為10次。采用多個(gè)小層反演，每層厚度均為5 m，反演初始模型均為100 Ω·m的均勻半空間模型。反演模型參數(shù)如表4所示。模型反演所得結(jié)果如圖4、圖5所示：

圖4 H型模型反演結(jié)果圖Fig.4 H model inversion results

圖5 HK型模型反演結(jié)果Fig.5 HK model inversion results

表4 模型參數(shù)

用理論反演對(duì)多層模型進(jìn)行檢驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)正則化反演方法能夠比較真實(shí)的還原擬定的地電模型。另外，從反演結(jié)果圖中可以看出，該方法對(duì)模型低阻的反映能力相較于高阻要好。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工區(qū)概況及測(cè)線布置

目前，半航空在滑坡的應(yīng)用較少，我們?cè)谀郴鹿^(qū)進(jìn)行了半航空瞬變電磁法的工作，取得了信噪比較高的數(shù)據(jù)，具體情況如下：

本次半航空瞬變電磁測(cè)線布置如圖6所示，從西北到東南海拔逐漸降低。其中紅色線條表示線源布置，長(zhǎng)度為900 m，黃色線條為測(cè)線布置，共計(jì)15條測(cè)線。測(cè)線長(zhǎng)度設(shè)置均為700 m，每條測(cè)線間距為50 m，測(cè)線與線源相互平行。本次半航空工作參數(shù)如表5。

圖6 測(cè)線布置圖Fig.6 Geomorphologic map of line layout

表5 半航空工作參數(shù)

3.2 反演結(jié)果及解釋

如圖7所示，為工區(qū)測(cè)線2的單點(diǎn)衰減曲線及多時(shí)間道剖面圖，從電磁響應(yīng)剖面可以初步判定信號(hào)的強(qiáng)度和質(zhì)量。

圖7 工區(qū)典型SATEM單點(diǎn)衰減曲線及多時(shí)間道剖面圖Fig.7 Single point and single profile electromagnetic response curves of Line2(a)測(cè)點(diǎn)2 dB/dt衰減曲線圖;(b)測(cè)線2多時(shí)間道剖面

從圖7可以看出，單點(diǎn)衰減曲線的衰減規(guī)律與理論正演所得衰減曲線規(guī)律相似，且多時(shí)間道剖面的幅值較高，前中期(0.02 ms～1 ms)幅值最高達(dá)到了60 000 nT，滿足反演需求。采用自適應(yīng)正則化反演方法對(duì)測(cè)線2所有測(cè)點(diǎn)進(jìn)行反演工作，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的擬合效果都較好，得到反演結(jié)果和地質(zhì)解釋推斷圖如圖8所示。

圖8 測(cè)線2數(shù)據(jù)反演結(jié)果及地質(zhì)解釋Fig.8 Inversion results of Line2 measured data

由圖8可以看出，測(cè)線-250 m～0 m整體地層電阻率自上而下呈現(xiàn)先降低再升高的特征。結(jié)合電阻率數(shù)值和工區(qū)地質(zhì)資料，將該測(cè)線斷面分為三層。第一層表層對(duì)應(yīng)填土和粘土，呈現(xiàn)相對(duì)高阻反映，第二層電阻率相對(duì)較低，大致分為淺-深兩個(gè)滑面，其中(墨綠-深藍(lán)界面)為淺層滑面，推測(cè)該層為軟弱巖體，較易滑動(dòng)；(深藍(lán)-墨綠界面)為深部滑面，推測(cè)該層同為軟弱巖體。第三層電阻率相對(duì)升高，推測(cè)為較完整基巖。

兩個(gè)滑坡面從測(cè)線約-50 m處檢出，到測(cè)線約0 m～130 m位置，表層黃色-紅色區(qū)域電阻率相對(duì)較高區(qū)域推測(cè)為部分抗滑樁樁體。至測(cè)線130 m～400 m到達(dá)水域，整體電阻率呈現(xiàn)相對(duì)低阻的電阻率特征。結(jié)合高密度和鉆探等資料，發(fā)現(xiàn)該滑坡區(qū)域確實(shí)有一深一淺兩個(gè)滑坡面，從而驗(yàn)證了本次半航空探測(cè)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

對(duì)于H、K地電模型，覆蓋層厚度的變化對(duì)K、H模型的前中期電磁響應(yīng)影響較大，對(duì)晚期響應(yīng)的影響較小。中間層厚度的變化對(duì)電磁響應(yīng)的前中晚期均有較大影響。垂直分量Vz對(duì)低阻目標(biāo)層的敏感程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)高阻目標(biāo)層的敏感程度，高低阻目標(biāo)層的敏感區(qū)域均集中在發(fā)射源附近，隨著線源的增加，敏感區(qū)域也會(huì)相應(yīng)的增加。最后半航空應(yīng)用于某滑坡區(qū)域的結(jié)果表明，將半航空應(yīng)用于滑坡區(qū)域是有效的，為今后類似的探測(cè)問題提供了案例。