航空瞬变电磁法探测地下隐蔽洞体的前景浅析

刘 伟

(中国人民武装警察部队黄金第二支队, 呼和浩特 010010)



【基础理论与应用研究】

航空瞬变电磁法探测地下隐蔽洞体的前景浅析

刘 伟

(中国人民武装警察部队黄金第二支队, 呼和浩特 010010)

以瞬变电磁的电磁场理论和磁法勘探原理为基础，在充分分析地下隐蔽洞体电磁特征的前提下，结合地面瞬变电磁法对地下隐蔽洞体(采空区、岩溶洞穴、防空洞)探测的实例，介绍了航空瞬变电磁法在特殊复杂环境下探测地下隐蔽洞体的典型事例。

航空瞬变地磁法；地下隐蔽洞体；军事侦察

地下隐蔽洞体是一类特殊的地质现象，埋藏于地表以下不同深度，根据其形成原因，可分为两种：一种天然形成，如岩溶洞、土洞、地下暗河、陷落柱等；另一种由人为作用形成，如采空区、坑道、洞库、隧道、防空洞、地下军事指挥所等[1]。地下隐蔽洞体具有分布多呈孤立状、大小不等、形状不规则等特点，多数埋藏于地下或多被植被覆盖，而且地下洞体的体积较小较难探测[2]。目前虽然地面瞬变电磁法对地下隐蔽洞体的探测取得了良好的应用效果，但是由于受自然环境、地理位置、地形条件等复杂因素等影响，其使用有严重的局限性。而航空瞬变电磁法速度快、效率高、成本低、覆盖面广、信息量大，较短时间内可获取海域和陆域等大面积区域勘测资料，且受地形地貌影响较小，能够进入山区、原始森林、海洋、湖泊、沼泽、沙漠等地形复杂人员无法到达或者工作难以开展区域进行地球物理勘查，能收到一般探勘手段难以达到的效果[3-5]。

航空瞬变电磁法(ATEM,Airborne Transion electromagnetic)又称时间域航空电磁法(Airborne Time-domain electromagnetic)，是一种以飞机为运载工具进行地下目标体探测的方法。它通过测量大地的二次磁场分析地层沿水平和垂直方向的电性差异，描述地电断面的电性特征，从而了解地质构造情况[6]。Doll认为航空勘查技术的性能已接近地面装置[2,7]。航空电磁法作为勘探地球物理的一个重要分支，是航空物探常用的测量方法之一，能实现普通物探方法难以完成的任务，它具有独特的优势和广阔的发展前景，已成为当前国内外很受欢迎的物探方法之一。尤其是最近几十年，航空瞬变电磁法从理论到应用都取得了较大发展。在理论方面，不少学者进行了一维、二维、三维正演模拟[8-15]和一维反演方面的工作[16-18]，同时还发展了2.5维和三维正反演技术[19-21]，提高了对实测数据的解释水平。在应用方面，国内外区域地质调查、多金属和非金属矿勘查、石油天然气勘查等领域都得到广泛的应用，并拓展到地下水勘查、环境监测、城市环境基础调查、国家重要设施建设的选址调查、农业生态地质调查和环境调查等方面[4,22-30]。而利用航空瞬变电磁法对地下隐蔽洞体探测的研究报道极少，有代表性的仅有Hodges提出利用直升机电磁法对地下管道进行规划和检测[31]；Ogilvy R D对不同时间和不同观测位置的地下洞体的瞬变电磁响应做了物理模拟[32]。方涛等采用无人机地空瞬变电磁系统，开展了南京六合区地下巷道探测实验，采用三维矢量有限元法对地下巷道进行了三维数值模拟，绘制了地下巷道的视电阻率分布断面图，实验结果与数值模拟结果吻合度较高[33]。

国内学者在研究瞬变电磁法探测洞体方面开展了大量的工作。我国煤炭、金属等固体矿产经过长期高强度开采后，形成了许多分布不明的采空区或老窑，许多学者尝试使用瞬变电磁法探测采空区，取得了良好效果[34-49]。在公路、铁路、城市等建设场地中，采用瞬变电磁法对岩溶洞穴进行了勘查取得了较好的效果[50-53]。郭宁宁等采用瞬变电磁法对某城区地下掩体工程防空洞进行了探测，证实了瞬变电磁法在探测地下空洞中的有效性[54]。牛之琏给出了球体的瞬变电磁响应的计算公式[55]；闫述[1]和薛国强等[56]从理论和实际应用分析了瞬变电磁法探测洞体的有效性及其电磁响应特征。李成等采用高阻球体作为研究目标，通过球体电磁响应的计算，对低阻围岩中高阻球体模型电磁响应测量结果进行了分析，获得了高阻球体的异常特征，并在高阻空洞的实际探测中取得较好的效果[57]。李新均等运用瞬变电磁法测量地下高阻空腔取得了良好的效果[58]。

本文主要介绍地下隐蔽洞体电磁特征和地面瞬变电磁法应用实例。

1 工作原理

航空瞬变电磁法是利用机载线圈发射脉冲电磁波，通过接收线圈测量二次感应电磁场的航空物探方法(图1)。其探测原理与地面瞬变电磁法相同，均属于时间域电磁感应方法，它主要遵循电磁感应原理。利用接地回线(电偶源)或者是不接地回线(电磁源)向地下发射一次脉冲场。当发射线圈中的一次场突然断电后,则一次磁场会急剧衰减,这就使处于该磁场中的导体内部由于磁通量Φ的变化而产生感应电动势ε=-dΦ/dt，感应电动势在良导地质体中产生二次涡流，该涡流场并不能立即消失，有一个衰减过程，二次涡流由于焦耳热消耗而衰减又会产生一个衰减的二次磁场。二次磁场向地表传播，再由地面的接收线圈来接收二次磁场。由于二次场的衰变规律与地下地质体的导电性有关，导电性越好，二次场衰减越慢；导电性越差，二次场衰减越快。M.N.Nabighan研究指出：断电后，产生二次电磁场的涡流以等效电流环向下并向外扩散，形如“烟圈”。随着时间的推移，烟圈的传播与分布受到地下介质的影响[59]。根据烟圈效应，认为早期瞬变电磁场是近地表感应电流产生的，反映浅部电性分布。晚期瞬变电磁场主要是由深部的感应电流产生的，反映深部的电性分布。所以，瞬变电磁法测得的二次场含有地下地质体丰富的地电信息，通过对这些相应信息的提取，分析瞬变电场随时间的变化规律，即可探测地下地质体的分布情况。

图1 航空瞬变电磁法工作原理示意图

2 地下洞体地球物理特征

瞬变电磁法以岩矿石的导电性、导磁性差异为物质基础，以地下目标体与围岩的电性差异为探测对象及解释依据，探测目标体与围岩电性差异大小、明显与否将直接影响探测目标体的探测精确度。由于人类活动和自然原因，在地下岩层中某一部位形成空洞，破坏了原有岩层的完整性和连续性，导致空洞与围岩存在明显的电性差异。当地下空洞规模较小、采空率较低，或者受到人为的加固支护，空洞上部岩体完整，不会引起坍塌；当地下空洞规模较大、采空率较高，其原有的应力平衡状态被破坏，导致空洞上覆岩体发生变形，形成冒落带、断裂带、弯曲带，这些地质因素的变化导致空洞附近岩体的地球物理特征发生明显的变化[35,39,42]。地下空洞未发生塌陷且内部没有充水，充满空气，使得其导电性降低，在电性上表现为局部特高阻异常；空洞中有大量积水或墙壁有大量的钢铁支撑物，使得传播于其中的导电性提高，在电性上可能表现为低阻异常[60]。地下空洞发生塌陷，其充填物为散体状和碎裂形态岩石，其导电性变差，岩石的电阻率明显变大；如果充填物为水、泥沙或者其他较软杂质，在电性上表现为低电阻率[36]。

实际测量中，二次场的衰减速度与地下目标体的电阻率有关。电阻率越高，二次场衰减越快；电阻率低，二次场衰减越慢。对于地下空洞来说，若内部充填水、含水性较强物质或大量钢铁等，二次场衰减较慢，在视电阻率断面图上表现为低阻异常。若不充水则二次场衰减快，在视电阻率断面图上表现为高阻异常[42,61]。所以不论是高阻异常还是低阻异常，地下洞体与围岩视电阻率存在明显差别，据此把洞体从地质背景中区分出来，这也是应用瞬变电磁法于地下洞体探测时的地球物理前提条件。

3 应用实例

目前，瞬变电磁法已成功应用于多种不同类型地下隐蔽洞体。这里介绍探测不同类型的地下隐蔽洞体的部分典型实例。

3.1 采空区探测

采空区是地下固体矿产开采后的空间及其围岩失稳而产生位移、开裂、破碎垮塌，直到上覆岩层整体下沉、弯曲所引起的地表变形和破坏的地区或范围。采空区及其影响区岩层完整性被破坏，从而改变了其密度、电性、磁性等物性特征。这里介绍利用瞬变电磁法在新疆某地区探测地下采空区的实例[39]。

测区主要由第四系覆盖层、煤层、煤田采空区及破坏区、基岩等四个主要地质单元组成。第四系覆盖层，厚度35～55 m，其上部为2～12 m黄土，下伏为砾石层。含煤地层岩层为陡倾，走向80°，倾角45°～50°。本次工作设置1条测线(TEM-1)，因受高压输电线、公路等场地影响，测线斜交于煤层走向，从南向北分别穿过42#、43#、45#煤层(图2)。

图2 测线示意图(据文献[39]修改)

图3为TEM-1剖面视电阻率断面等值线图，300～580 m测点下方110～270 m深度为高阻异常区，其具有三个高阻异常中心，推断为采空区。根据煤矿地质资料，在测线360～440 m测点附近和560 m测点以东25 m为采空塌陷坑，以西20 m ZK1钻孔验证116 m为采空区。因此，推断500～570 m测点下伏髙阻异常为45#煤层采空区，其采空顶面深度110～140 m，向南最大采深210～240 m；360～440 m测点附近采空塌陷坑(图2)表明该段深部为采空区，300～460 m测点间下伏高阻推断为42#和43#煤层采空区，采空顶面深度110～140 m，向南最大采深240～280 m。TEM-1剖面电阻率断面等值线图高阻异常反映了地下采空区空间位置特征，瞬变电磁法能达到有效勘察煤田深部采空区的目的。

3.2 防空洞探测

防空洞用于战备，是为了躲避敌人炮火的轰炸，用来保护人身、财物的安全而挖掘的洞穴。通常外壁由水泥、钢筋、砖块或石块组成。其与天然岩层之间的物性差异较大，导电性差异明显。下面分析一个利用瞬变电磁法探测某中心城区地下掩体工程防空洞的事例[54]。

图3 TEM-1剖面视电阻率断面等值线图(引自文献[39])

在某城区地表调查中，城区建筑基坑中出现了一处巷洞和一处小型塌方，为了了解建筑基坑地下空洞延伸情况，以及废旧人防工程的分布情况，开展地球物理勘探。共设计了两条平行测线(点位平面布置示意图中的1号线和2号线)，各14个点，共计28个测点(图4)。在防空洞(巷洞)的西地表面，设计两条平行测线(点位平面布置示意图中3号线和4号线)各个点11，共计22个测点。图5、图6、图7、图8分别为1号、2号、3号、4号测线的视电阻率断面等值线图(纵向为深度，横向为距离，单位：m)。

图4 瞬变电磁法勘探平面布置示意(引自文献[54])

图5和图6为视电阻率拟断面图，在水平位置20～25 m，发现一相对的高阻带，1号线和2号线是平行布置的。根据现场观测，在这个区域位置，刚好中间有一塌方的空洞，由此可以准确判断1号线和2号线在水平位置20～25 m处的高阻异常是由于空洞所引起的，表明资料是准确可信的。在图6上，在水平位置10 m处，发现一夹带的细长低阻带，推断此区域可能为一含水的巷洞，可能与已发现巷洞相连通。在图7上第3号线上，在水平位置7.5～10 m之间，发现一相对低阻带，从测线位置看，刚好和2号线图中的低阻带在同一区域。在水平位置12.5 m左右发现一高阻带，经过现场实地勘查，初步推断可能由水泥空洞所处地段引起。在图8第4号线上，视电阻率由浅变深逐步降低，初步判断下面的低阻带是由含水层所引起的，点号由小到大，即由北向南，水位面由高向低。

图5 第1号线视电阻率拟断面(引自文献[54])

图6 第2号线视电阻率拟断面(引自文献[54])

图7 第3号线视电阻率拟断面(引自文献[54])

图8 第4号线视电阻率拟断面(引自文献[54])

针对以上探测异常，综合考虑各种因素后，进行了钻孔工程验证，在第3号线上的12.5 m处见到了空洞，在第2号测线7.5～10 m和第3号测线上10 m左右相交区域见到了潜水，且证明了与巷洞水相连通。

3.3 岩溶洞穴探测

岩溶是一种复杂的地质现象，是水对可溶性岩石进行以化学溶蚀作用为主，并包含水的物理侵蚀，崩塌作用，以及物质的携出“转移”再沉积的综合作用及由此所产生的现象的统称。由岩溶作用所形成的地下空间称为岩溶洞穴。隐伏的溶洞、岩溶化岩体或节理基岩、土层、岩溶洞穴、岩溶裂隙、岩溶充填物等之间存在着明显的电性差异。下面分析利用瞬变电磁法在张花高速公路某段段岩溶探测的具体事例[50]。

该区地面起伏相对较小，地层分布简单，地表主要为第四系覆盖，厚度较小，且分布不匀。基岩为奥陶纪中厚层泥质灰岩，裂隙较发育，岩质较软。该地段地下水垂直循环与水平循环较活跃，同时受构造地质作用岩石破碎强烈，为岩溶的形成提供了有利条件。根据前期资料，在工程影响深度内(勘察深度内)，场地存在溶洞、溶沟和溶蚀裂隙等岩溶不良地质体，局部溶洞呈多层状，对桥基的稳定不利。共布置物探验证剖面2条，剖面编号为R6-R6′和R7-R7′。剖面R6-R6，起点位于K75+345.4左7.4 m，终点位于K75+368.3右18.3 m。剖面R7-R7′，起点位于K75+347.3右18.2 m，终点位于K75+355.4右8.4 m。

图9分别是利用瞬变电磁法资料反演的R6-R6′和R7-R7′剖面视电阻率断面等值线图，图9(a)中，高低阻分层明显，于K75+367右12 m处深24-52 m存在一处视电阻率高阻闭合圈，等值线较为密集，推断为无充填溶洞。由图9(b)上，在垂直方向视电阻率变化梯度较大，在K75+351右12.2 m处深17-54 m，存在一处视电阻率高阻闭合圈，等值线较为密集，推断为无充填溶洞。

对剖面抽样钻孔验证，在K75+350.5右11.77 m处，钻孔资料显示，在基岩为泥质灰岩中孔深24.5-31.0 m和33.2-65.5 m相应见到两处无充填溶洞，后经验证该异常确为溶洞。

图9 视电阻率断面等值线图(引自文献[50])

3.4 地下巷道探测

地下巷道是用于地下采矿而挖掘的通道(可模拟作为军事地下工事)。分析利用无人机地空瞬变电磁系统在冶山地下巷道探测的事例[33]。

地下巷道主要位于花岗闪长岩与白云岩接触带上。依据已有资料可知，采掘巷道共有四层，由地表向下依次为海拔标高+7 m，0 m，-10 m，-25 m，南北长约300 m，东西宽约200 m。地面最高海拔230 m，平均海拔90～100 m，地下巷道埋藏深度为地下70～150 m之间．根据测区实地情况，特别是已知巷道的分布位置，测线布设在矿山公园的东部位置，测线为东西走向，穿越已知巷道。测区范围350 m×300 m，布置地空TEM 3条测线，线距10 m，点距5 m，飞行高度控制在50 m左右，发射源长230 m。

图10为测线布置图，在图10中可见完成的3条测线跨越巷道上方。在图11视电阻率断面图上，可见明显的高阻异常特征，这些异常特征反映了巷道的空间位置。图12为不同海拔标高下视电阻率切平面与实际巷道对比，显示了高阻异常区域与地下巷道的空间位置吻合较好，证明了无人机地空瞬变电磁系统探测的有效性和准确性。

图10 测线布置图(引自文献[33])

图11 实测测线视电阻率断面图(引自文献[33])

图12 不同海拔标高下视电阻率切平面与实际巷道对比(引自文献[33])

4 结论

1) 利用航空瞬变电磁法探测地下隐蔽洞体不论是成本上，技术上都是最合适的方法，且具有很大的发展潜力。

2)与军事上传统的侦察手段相比，航空瞬变地磁法成本低、速度快、通行性好、环境适应性强且能有效抑制复杂地形影响、面积覆盖大，尤其适合于森林、沙漠、沼泽、湖泊和厂房居民社区及植被发育区，且能够穿透地表物质和地下岩体发现隐蔽的天然的和人为的地下空洞，如岩溶溶洞、土洞、地下工事等。具有一些传统军事侦察手段无法比拟的特点。

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(责任编辑 杨继森)

Prospection for Airborne TEM Systems to Prospecting Shelter Caves in the Subsurface

LIU Wei

(No.2 Gold Geological Team of CAPF, Huhhot 010010, China)

Following the principle of transient electromagnetic and magnetic exploration, we can study geophysical feature of underground caves. Together with some examples for TEM to prospecting shelter caves (Mined-out Area, Karst, Air-raid shelter and so on) in the subsurface, and applicability of Airborne Airborne TEM methods were summed up.

ATEM; underground cave; military reconnaissance

2017-02-15；

2017-03-20

中国地质调查局项目“沿边及重点地区军事地质调查”(201704010203)

刘伟(1989—),硕士研究生，工程师,主要从事勘查工程及地质调查研究。

10.11809/scbgxb2017.06.037

format:LIU Wei.Prospection for Airborne TEM Systems to Prospecting Shelter Caves in the Subsurface[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):169-175.

P631

A

2096-2304(2017)06-0169-07

本文引用格式：刘伟.航空瞬变电磁法探测地下隐蔽洞体的前景浅析[J].兵器装备工程学报，2017(6):169-175.