瞬变电磁法在城市地质调查应用中有关问题的探讨

刘永生 龙桃城 刘仁义

（湖北省地质局第六地质大队，湖北孝感 432100）

0 引言

近年来，随着我国经济社会的快速发展和工业化、城市化进程的不断加快，大量人口涌向城市，由此而带来的人口资源环境问题日益凸显，尤其是土地利用方式粗放、发展空间不足及环境污染、交通拥堵、地质灾害、城市安全等系列问题，严重制约着城市的可持续发展。立足当前城市发展过程中所面临的突出问题，开展空间、资源、环境、灾害等多要素城市地质调查与评价工作刻不容缓[1-3]。然而，城市地质工作与其它地质工作最大的区别在于城市原始地形地貌改变较大，除可见的湖泊水域、公园绿地外，大部分地面被建（构）筑物和道路所覆盖，加之人、车流量大，单一的地质调查或勘探方法受时空条件限制难以发挥作用。如何运用经济、快速、高效的勘查技术手段探明城市地下区域地壳的稳定性、岩土工程地质条件、地下水对工程的影响、垃圾填埋渗水对环境的破坏等，及时开展地下空间可利用性评价，为城市规划布局、建设管理、安全运行及转型升级等至关重要。本文围绕全国正在加快推进的城市地质工作，对重力、磁法、电法在城市地质调查中的局限性和瞬变电磁法的适宜性、有效性进行了探讨。

1 城市地质调查的目的、内容与方法

城市地质是一项服务于城市规划、建设与管理的基础性、先行性地质工作。城市地质调查是城市地质工作的基础和前提，其主要目的是查明城市范围内的地质、资源和环境基本状况，评价城市发展的资源与环境承载力，为城市可持续发展提供技术支撑。城市地质调查的主要内容有城市三维地质结构调查、地质灾害调查、水土地球化学调查与环境质量评价、地质资源调查、城市地质信息管理与服务系统建设、地质资源环境承载力综合评价[4]。城市地质调查涉及多学科、多专业，地面调查、遥感、钻探、物探、化探是城市地质调查中常用的勘查技术手段，但各种手段的适宜性和效果各不相同。这主要是由城市地质工作环境与条件的复杂性和各种勘查技术方法的局限性所致，特别是500 m深度以下，各种勘查技术方法的局限性暴露无遗。在众多勘查技术手段中，物探以其作业速度快、勘探深度大、反映地质信息丰富且勘查成本低等优点在城市地质调查中备受重视。

2 物探方法的适宜性评价

物探是以岩矿石（或地层）与围岩的物性（密度、磁性、导电性、速度、放射性等）差异为基础，采用专用仪器观测和研究天然存在或人工形成的物理场的变化规律，从而达到查明地质构造、寻找矿产资源和解决水工环地质问题的目的[5]。理论上讲，重力、磁法、电法、地震等物探方法均适用于城市地质调查工作，重力、磁法既可以做面积性勘探、也可以做剖面探测；电法、地震多以剖面探测为主。但是，由于城市空间内存在着大量的固定源（地下管网及附属设施、地面工业与民用建筑、架空电缆及微波发射塔等）、移动源（地铁、人流、车辆等）及随机干扰源（电源不定时开启、关闭所产生的干扰），特别是市区内大量的工业游散电流及居民用电的干扰，会导致磁法、电法（CSAMT法、SIP法）实测数据离散度大、曲线不圆滑、探测效果不理想，见图1、图2、图3。相比磁法、电法而言，重力勘探虽受电磁干扰较小，但室内资料处理中常会遇到如下困扰：一是由于人文影响，地形变化较大，地形标高资料难以满足重力地改精度要求；二是物性标本的数量与精度难以满足重力资料处理要求。地震勘探受市内人流、车流和建（构）筑物影响较大，加之市内大深度地震勘探震源使用受限，所以在城市地质调查中应用也不多。

图1 磁法日变观测曲线图

图3 SIP法在无干扰和有干扰情况下的试验观测对比曲线图

3 城市地质调查TEM法有效性探讨

3.1 TEM的方法原理

瞬变电磁法（TEM）属于时间域电磁感应法，是利用接地或不接地回线向地下发送一次脉冲电磁波（多为矩形波），在其间歇期间，观测二次涡流场。当地下存在电性不均匀地质体时，能观测到不均匀体的涡流场（即异常二次场）。通过对异常场的解析，转换为ρs参数，进行推断解释，从而达到解决地质问题的目的。由于TEM所产生的电磁场在地下介质中的传播随时间延长而呈47°倾斜锥面向深部扩散，通常用吹出来的“烟圈”来形象地表达这种效应，即“烟圈效应”。它表明瞬变场随时间呈有规律的变化，这正是它能进行测深勘探的理论基础[6]。

3.2 TEM的优缺点

TEM依激励场源不同，分为使用不接地回线的垂直磁偶源法和使用接地电极的电偶源法。与其它电磁法相比，TEM具有以下特点和优点：

（1）横向分辨率高。可使用发送与接收回线中心同点的装置工作，使与欲探测的地质体达到最佳的耦合状态，所得异常的幅度大、形态简单及受旁侧影响小，大大提高了地质体横向分辨能力，尤其是对产状较陡的局部异常地质体较为“敏感”。

（2）抗干扰能力强。由于观测的是纯二次场异常，自动消除了频率域方法中来自天电及人文电磁干扰的主要噪声源——装置耦合噪声，观测精度较高。

（3）受地形影响小。在高阻围岩条件下，没有地形引起的假异常。

（4）工作效率高。采用不接地回线工作，特别适宜于接地条件困难的地区施工，野外施工方法简单，工效高、成本低。

（5）探测深度大。通过不同的参数组合选择，可以灵活地改变探测深度，可从十几米到近千米探测不同深度的目标物。

正是由于TEM具备这些优点，所以在岩溶调查、寻找构造破碎带、找水等方面得以广泛应用。当然，瞬变电磁场对高压线、地面铁磁性物体、工业游散电流等也比较“敏感”，故在野外施工时要尽量避开上述干扰源[7]。

3.3 TEM 的应用实例

（1）TEM在探测岩溶破碎带、地下水评价中的应用①湖北省地质局第六地质大队.天门市佛孙镇水井物探工程勘探报告[R]，2014.。图4为TEM在天门市城区探查岩溶破碎带时的视电阻率剖面图。蓝色代表低阻，为覆盖层反映；红色代表高阻，为灰岩层反映。覆盖层厚度推测在100 m左右，在剖面240 m至440m段垂深250 m以下出现有一低阻条带，推测该处岩溶发育，其含水性较好；而剖面600 m至1080 m段的大片低阻区域因地表为居民聚集区，采集数据受地电干扰因素影响较大，故不能简单地认为此处为岩溶发育地带。

图4 TEM在探查岩溶破碎带的视电阻率剖面图

（2）TEM在探查地面塌陷成因、圈定塌陷范围中的应用[8]。图5为TEM在应城市城区圈定塌陷区范围时的视电阻率剖面图。由图可知，视电阻率在深度20 m以上有一层相对高阻层，推测上部地层因塌陷使得地层松动、裂缝、扰动形成高阻特征。视电阻率在深度20 m以下均为低阻，显示出低阻异常，推测为富含卤水区域。测线100～140 m下部的高阻，为现场铁架物质形成的干扰“异常”所致。

图5 TEM在圈定塌陷区范围的视电阻率剖面图

3.4 TEM在城市地质调查应用中有关问题的探讨

由于城市范围内高楼林立、地下管线错综复杂、道路交通拥挤、工业与民用游散电流大量存在等特殊原因，重力、磁法、电法、地震均难以满足城市地质面积性调查工作，相比而言只有TEM比较适合。在具体实施中，可将城市地质工作区划分成若干个“回字型”地质—地球物理单元逐一开展TEM探测工作[9]，但在方法技术试验、野外数据采集、资料处理与解释方面应注意以下问题：

3.4.1 方法技术试验是前提

在城市地质调查中，为摸清各种干扰源和“干扰异常”的形态和规律，保证物探方法的适宜性和有效性，必须要进行野外方法技术试验，并重点解决好以下问题。

（1）选择出合适的工作装置。TEM虽有多种装置可供选择，但以重叠回线和中心回线应用居多。重叠回线指发射与接收为相同线圈；中心回线则指正方形线框发射，接收则为小型多匝回线置于发射装置中心观测。实际上，两种装置所得异常形态基本相同，都具有异常幅度大、形态简单、受旁侧影响小、横向分辨率高等优点。具体选择哪种装置，要结合方法技术试验结果和工程实际来确定。

（2）确定好合理的技术参数。技术参数的选定，应在开工之初通过野外现场试验来确定。

①记录时间范围可由下式确定：

理论上，记录的时间宽度越大越好，但太早期道或太晚期道都无法保证信号质量，故必须利用上式求取最小、最大延迟时间。

②供电电流强度可由下式确定：

③叠加次数可根据工区噪声水平选定，既要保证观测质量又要兼顾观测速度和工效。

3.4.2 野外数据采集是基础

（1）关于野外干扰的压制问题。瞬变电磁仪硬件自身抗干扰性差，主要是不能选频和滤波，采用野外作业避开干扰源时段（在城市内几乎不可能）或多次叠加方式，虽然可以将随机误差降低到，但会大大降低工效，所以宜采用正反向间歇方波观测来压制稳定和工频干扰。

（2）关于增加勘探深度的问题。鉴于解决城市中深部地质问题的需要，TEM法必须要加大勘探深度。通常有两种做法，一种是加大发射回线尺寸；另一种是采用小回线、大电流（50～200 A）方式。若采用小回线、大电流虽然施工方便，分辨能力较好，但由于早期道信息失真，导致起始探测深度相当大，会造成十分明显的信息缺失区，故宜选择加大发射回线尺寸的方式。

3.4.3 资料整理解释是核心

（1）实测数据的预处理问题。为保证实测数据的准确性，对于密集采样获得的瞬变电磁响应实测数据，必须要通过数据预处理来进一步压制随机干扰和工频干扰，提取弱信号（有用信息）。数据预处理的方式是剔除坏数据，进行数字滤波（陷波、低通和相关滤波）和多项式拟合。

（2）关于异常形态的认识问题。由于瞬变电磁测深横向分辨率高，在观测信息可靠的前提下，可以利用所得异常的形态特征大致判断地质体的基本形态。如圈闭异常一般表现了目标地质体的“囊状”特征，梯级带异常指示了岩性界面的存在，“线状”异常和“对角状”低阻异常往往反映了陡产状的线状构造—断裂、构造破碎带等[10]。

（3）关于异常的解释问题。与所有的地球物理反演问题求解一样，如何克服异常的多解性也是TEM所面临的一个重要问题。首先应注重地质与物探的结合，认真地分析工区地质—地球物理特征。应注重地质、钻探、水工环等资料的收集、分析、研究和必要的物性测定工作，为方法应用、异常识别与资料解释提供科学依据。其次在克服异常多解性方面，应依据工区已知的地质构造演化规律并结合物探异常自身某些特征进行综合解释，才会取得较好的地质效果。应当指出的是：地面地形地物详细调查不容忽视，对于异常的解释尤为关键。当然，在条件允许的情况下，开展多方法综合物探工作，无疑会大大提高资料推断解释的准确性。

4 结语

城市化是一个国家现代化的重要标志，事关经济社会可持续发展大局。城市作为人类经济社会活动最活跃、最集中的区域，是资源环境承载强度最大、对地质资源环境扰动最强烈的地区；为此，我国提出了到2025年全面完成338个地级以上城市的地质调查工作。以武汉为例，编制的《多要素城市地质调查总体实施方案》将工作区划分为一般调查区、重点调查区、深化调查区和示范调查区，拟采用多参数钻探、综合物探、化探、遥感、综合监测、三维建模等技术手段，统筹开展国土空间开发利用与多门类自然资源综合调查、生态环境质量与地质安全调查评价、资源环境承载力评价与监测预警体系建设等九项工作任务。城市地质工作环境的复杂性，导致许多城市地质调查方法难以达到预期的效果。瞬变电磁法具有横向分辨率高、对接地条件要求低、抗干扰能力强、工效高、探测深度大等优点，在城市地质调查中有着广阔的应用前景。近年来，随着地质工作的转型发展，许多地勘单位纷纷涉足城市地质工作，为满足中深部探测要求，相继引进了一批以terraTEM24、V8、EH4为代表的国外高、精、尖物探仪器和软件，探测深度和精细化程度得到了进一步提升，特别是近年来随着大深度三维电磁探测技术的研发与推广应用以及计算机、“3S”技术的飞速发展，数据处理与推断解释更加精准，为城市三维空间信息化建设和城市地下空间科学开发与利用提供了有力的技术支撑。