孟國(guó)旺

（河北省煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊(duì)，河北 石家莊 050000）

開(kāi)展地質(zhì)勘查主要是為了解測(cè)區(qū)氣候變化、生態(tài)環(huán)境、水文特點(diǎn)，以及指導(dǎo)工程施工等提供了必要的信息支持。一直以來(lái)，鉆孔勘探是地質(zhì)探測(cè)的主要方法，但是在實(shí)踐中存在操作復(fù)雜、效率不高，獲取信息有限等缺陷。近年來(lái)，物探技術(shù)發(fā)展迅速，探地雷達(dá)法、瞬變電磁法等得到了推廣應(yīng)用。本文以瞬變電磁法為例，首先介紹了其探測(cè)原理和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，隨后選取一處特殊地質(zhì)條件區(qū)域作為研究對(duì)象，分別從布設(shè)測(cè)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解釋等方面，總結(jié)了瞬變電磁法的技術(shù)要點(diǎn)，并對(duì)探測(cè)結(jié)果展開(kāi)了簡(jiǎn)要分析。

1 瞬變電磁法的探測(cè)原理

瞬變電磁法是以電磁感應(yīng)原理為理論依據(jù)，利用不接地回線(xiàn)或接地線(xiàn)源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，觀測(cè)一次磁場(chǎng)關(guān)斷期間地下良導(dǎo)體產(chǎn)生的二次渦流場(chǎng)的衰變來(lái)推算地下介質(zhì)的電性分布情況，達(dá)到尋找相對(duì)高阻體或低阻體分布的目的。近年來(lái)，瞬變電磁法在實(shí)踐應(yīng)用中不斷改良、創(chuàng)新，衍生出了適合不同情況的分支方法。其中，基于中心回線(xiàn)裝置的納米瞬變電磁法被廣泛運(yùn)用在淺層探測(cè)領(lǐng)域，其核心裝置包括：高靈敏性電法接收機(jī)，快速關(guān)斷發(fā)送機(jī)，12V、60AH的電源，以及發(fā)射/接收線(xiàn)圈。在特殊地質(zhì)條件下，納米瞬變電磁法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于裝置簡(jiǎn)單、易于操作，同時(shí)探測(cè)精度高、獲取信息多，與目標(biāo)探測(cè)體的耦合效果好等。

利用瞬變電磁法進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)調(diào)查時(shí)，每個(gè)時(shí)間窗口分別獨(dú)立運(yùn)行，依次接收感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、磁場(chǎng)、電場(chǎng)3項(xiàng)數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)完成篩選，濾除受到電磁干擾或諧波干擾的數(shù)據(jù)，將剩余的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)分類(lèi)存儲(chǔ)。需要注意的是，利用該方法所得的調(diào)查數(shù)據(jù)是斜階躍激發(fā)的瞬變，后期開(kāi)展數(shù)據(jù)分析前，還必須借助于專(zhuān)門(mén)的軟件對(duì)斜階躍波進(jìn)行后延改正。最后以瞬變電磁法探測(cè)所得數(shù)據(jù)為主，同時(shí)參考鉆探資料、地溫監(jiān)測(cè)資料展開(kāi)綜合分析，可以得到研究區(qū)域的電性特征與分布規(guī)律。

2 研究區(qū)信息概況

研究區(qū)（32°41′-33°15′N(xiāo)，74°28′-77°30′E）位于青藏高原的西北部，地表有1處長(zhǎng)度為6.7km的河流，以及1處面積為6.7×104m2的湖泊融區(qū)。該區(qū)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(qū)的東南部有一處區(qū)域性活動(dòng)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(cè)技術(shù)

3.1 布設(shè)測(cè)點(diǎn)和測(cè)網(wǎng)

在前期準(zhǔn)備工作中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)位置并做好現(xiàn)場(chǎng)布置，是瞬變電磁法調(diào)查地層的第一步?，F(xiàn)場(chǎng)工作人員依靠全站儀完成精準(zhǔn)布點(diǎn)。操作方法為：從基準(zhǔn)點(diǎn)出發(fā)，以正東南為參考線(xiàn)，平行于該方向上每40m設(shè)一點(diǎn)，垂直于該方向上每20m設(shè)一點(diǎn)，整個(gè)研究區(qū)內(nèi)共布設(shè)測(cè)點(diǎn)176個(gè)。將所有測(cè)點(diǎn)連接起來(lái)，形成橫縱交錯(cuò)的測(cè)網(wǎng)。

另外，土壤中水的相態(tài)轉(zhuǎn)換（液-固），是導(dǎo)致地層電阻率波動(dòng)變化的一個(gè)主要原因。地層地溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該研究區(qū)內(nèi)地溫在-0.4℃左。利用瞬變電磁法探測(cè)所得的電阻率值，更接近實(shí)際情況。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

本次探測(cè)實(shí)驗(yàn)使用的多功能電法工作站為Zonge公司生產(chǎn)的GDP-32II型號(hào)；中心回線(xiàn)裝置的發(fā)射線(xiàn)圈，采用規(guī)格為16m×16m的正方形單匝導(dǎo)線(xiàn)連接而成。接收線(xiàn)圈采用同樣材質(zhì)和相同方法連接而成，其規(guī)格為8m×8m。將電流頻率設(shè)定為32Hz，完成上述布置后，啟動(dòng)該系統(tǒng)進(jìn)行地層數(shù)據(jù)采集?；静贾萌鐖D1所示。

圖1 瞬變電磁法的中心回線(xiàn)布置示意圖

前端裝置采集到數(shù)據(jù)之后，所有數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)的臨時(shí)分區(qū)中。此時(shí)利用Stemnv軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。對(duì)于因?yàn)槭艿礁蓴_導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整、失真的，一律清除；對(duì)于符合要求的數(shù)據(jù)，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，將其統(tǒng)一成標(biāo)準(zhǔn)格式。將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)庫(kù)的“Stemnv”文件夾下，方便該軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用，做進(jìn)一步的處理。通過(guò)Stemnv軟件主頁(yè)面上的菜單欄，點(diǎn)擊“反演”選項(xiàng)啟動(dòng)反演程序。在彈出的對(duì)話(huà)框中，設(shè)置反演參數(shù)。參數(shù)設(shè)置完畢，利用反演程序依次對(duì)每一個(gè)測(cè)點(diǎn)上采集到的磁場(chǎng)變化數(shù)據(jù)（dB/dt）進(jìn)行處理，最終在所有測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)反演結(jié)束后，由Stemnv軟件利用這些數(shù)據(jù)自動(dòng)生成“視電阻率-深度曲線(xiàn)”的二維坐標(biāo)系和視電阻率等值線(xiàn)圖。

3.3 數(shù)據(jù)解釋與分析

使用瞬變電磁法測(cè)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(qū)地層細(xì)節(jié)信息的依據(jù)。在分析電阻率變化曲線(xiàn)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其中變化率較高的位置，即曲線(xiàn)圖上的“拐點(diǎn)”。將其作為特征點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析，能夠獲得研究區(qū)不同地層深度的電性變化情況。在數(shù)據(jù)解釋時(shí)，具體操作為：根據(jù)上一步驟處理得到的電阻率變化曲線(xiàn)，從中提取變化率較為明顯的“拐點(diǎn)”。為了進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)解釋結(jié)果的可靠性，還要綜合研究區(qū)內(nèi)其他地質(zhì)信息，包括沉積類(lèi)型與巖性，以及地表植被和氣候特點(diǎn)等。以勘測(cè)數(shù)據(jù)為主，以地質(zhì)資料、基礎(chǔ)地理信息為輔，對(duì)地層的發(fā)育規(guī)律有一個(gè)更為全面和準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)。

4 研究區(qū)探測(cè)結(jié)果

4.1 特殊地形區(qū)地層的電性特征

在研究區(qū)基巖埋藏較淺的地方，地層整體上表現(xiàn)出“低阻-高阻”的電性特征。結(jié)合瞬變電磁法的探測(cè)數(shù)據(jù)，研究區(qū)內(nèi)地層最小電阻率只有440Ω?m，而最大電阻率則達(dá)到了2300Ω?m。除此之外，在研究區(qū)的一些特殊位置，地層的電性特征也表現(xiàn)出特殊性。例如研究區(qū)內(nèi)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(xiàn)出了“低阻-高阻-低阻-高阻”的電性特征。該區(qū)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(jù)瞬變電磁法探測(cè)所得數(shù)據(jù)，研究區(qū)內(nèi)地層厚度的下限區(qū)間為16m～85m，平均厚度為61m。其中，在淺埋基巖區(qū)出現(xiàn)最大值，在湖泊邊緣的鹽沼地上出現(xiàn)最小值。而同一區(qū)域內(nèi)采用鉆孔測(cè)溫方法，所得結(jié)果為63m，兩種探測(cè)方法得出的地層厚度均值十分接近。

5 結(jié)論

基于瞬變電磁法探測(cè)特殊地質(zhì)條件下地層的分布特征，根據(jù)所得測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)建立地層電阻率下限與測(cè)點(diǎn)地溫的回歸關(guān)系，表明兩者有著良好線(xiàn)性關(guān)系，從而驗(yàn)證了這一研究結(jié)果。這說(shuō)明使用瞬變電磁法判斷地層的厚度與分布特征時(shí)可行的。

在本次研究中，所選研究區(qū)的地層厚度分布存在較為明顯的空間差異。從整體上來(lái)看，地層厚度范圍在16m～85m，平均厚度為61m。其中，最大厚度出現(xiàn)在湖泊區(qū)，最小厚度出現(xiàn)在高山峽谷區(qū)。在特殊地形區(qū)內(nèi)，個(gè)別地區(qū)因?yàn)榫值匦夂?、?fù)雜地質(zhì)條件等特殊因素的影響，地層的分布、厚度特征，可能會(huì)表現(xiàn)出異常，有待于進(jìn)一步探究。