孫思源，余學(xué)中，謝汝寬，何怡原，單希鵬，李詩(shī)珺

(中國(guó)自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

凍土是指溫度在0 ℃以下并含有冰的巖土，也包含0 ℃以下不含冰的寒冷巖土。我國(guó)多年凍土總面積約為215×104km2，約占國(guó)土面積的22.3%，多年凍土區(qū)主要分布在大、小興安嶺及西部高山和青藏高原，季節(jié)凍土和短時(shí)凍土則遍布大部分國(guó)土[1-4]。凍土對(duì)環(huán)境變化極為敏感，在區(qū)域水循環(huán)、氣候調(diào)節(jié)等方面扮演重要角色。然而近幾十年來(lái)，隨著氣候變暖和凍土地區(qū)人文活動(dòng)的增加，多年凍土退化已十分顯著，對(duì)我國(guó)氣候、水資源、生態(tài)、水文和工程等方面的影響也日益凸顯。因此評(píng)估我國(guó)凍土三維分布、監(jiān)測(cè)凍土變化，對(duì)研究其引發(fā)的生態(tài)、水資源和環(huán)境效應(yīng)具有重要意義，同時(shí)可為我國(guó)青藏高原和大小興安嶺生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)支撐，為我國(guó)重大工程建設(shè)和資源開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略提供數(shù)據(jù)保障。

地球物理勘探方法是評(píng)估凍土厚度的有效手段之一，凍土層與非凍土層或融土層間導(dǎo)電特征的差異是電磁法被應(yīng)用于探測(cè)多年凍土的基礎(chǔ)[5-8]。自20世紀(jì)70年代開(kāi)始，北美、歐洲等學(xué)者開(kāi)始將航空/地面電磁勘探技術(shù)應(yīng)用于凍土層研究，以研究?jī)鐾翆由疃?、范圍、水含量、沉積物類型以及區(qū)域永久凍土含水層系統(tǒng)等。早在1975年，美國(guó)就同時(shí)利用地面和航空電磁法開(kāi)展阿拉斯加地區(qū)凍土層分布研究，表明航空數(shù)據(jù)和地面數(shù)據(jù)的一致性[9]。瑞士學(xué)者利用頻率域和時(shí)間域航空電磁共三種裝置研究高山凍土層，其中頻率域航空電磁主要用于淺部成像，時(shí)間域航空電磁用于確定300 m以淺凍土深度，研究成果與附近鉆孔結(jié)果一致[10]。近年來(lái)，美國(guó)及加拿大學(xué)者在阿拉斯加地區(qū)和南極地區(qū)，先后開(kāi)展過(guò)大量的地面電磁法、航空雷達(dá)、時(shí)間域和頻率域航空電磁探測(cè)項(xiàng)目，以研究?jī)鐾翆由疃群头植挤秶?，表明電磁法在凍土層研究中具有重要作用[11-14]。

我國(guó)凍土調(diào)查主要集中在青藏高原和東北地區(qū)，服務(wù)于交通和管道建設(shè)等重大工程和資源勘探項(xiàng)目。2005年至2008年，中科院開(kāi)展了中俄輸油管線沿線的凍土調(diào)查和研究工作[15]；自2008年以來(lái)，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局和相關(guān)單位圍繞青海木里地區(qū)天然氣水合物開(kāi)展凍土調(diào)查評(píng)價(jià)，方法包括地震、地面電法、探地雷達(dá)、化探、測(cè)井等[16]。2009年至2015年，中科院實(shí)施“青藏高原多年凍土本底調(diào)查”項(xiàng)目，對(duì)青藏高原開(kāi)展系統(tǒng)性的多年凍土本底調(diào)查，建立了青藏高原多年凍土本底調(diào)查信息系統(tǒng)[17]。此外，一些學(xué)者對(duì)電磁法在凍土研究中的應(yīng)用開(kāi)展了大量工作：肖繼濤等對(duì)三種典型凍土的電阻率特性進(jìn)行對(duì)比，分析含水率、溫度、干密度對(duì)電阻率的影響[18]；王顯烈等利用電阻率測(cè)井曲線中電阻率的變化劃分凍土層厚度[19]；裴發(fā)根等通過(guò)祁連凍土音頻大地電磁正反演研究，分析音頻大地電磁法在凍土厚度探測(cè)上的能力[20]；姚大為等利用可控源音頻大地電磁法，結(jié)合地質(zhì)和鉆孔資料，分辨天然氣水合物形成、運(yùn)移所需要的凍土蓋層和斷裂構(gòu)造[21];檀文慧等利用高密度電法探測(cè)永久凍土區(qū)的凍土層分布范圍，結(jié)果與天然氣水合物地層吻合[22];劉釗剡和韓德波利用電阻率測(cè)深法探測(cè)融化凍土厚度，研究表明在較密的點(diǎn)距和極距下，電阻率測(cè)深法具有探測(cè)融化層厚度變化的能力[23];韓江濤等采用擬地震成像法反演瞬變電磁數(shù)據(jù)，在漠河地區(qū)研究永久凍土層的分布規(guī)律[24]。與國(guó)外相比，中國(guó)以地面物探方法為主，同時(shí)凍土調(diào)查大多僅限于工程沿線及局部地區(qū)，數(shù)據(jù)分散，空白區(qū)較多；且現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料老化，時(shí)效性差，難以真實(shí)反映凍土變化。

由于凍土分布海拔高、地理位置偏遠(yuǎn)、地形復(fù)雜、交通條件差，導(dǎo)致開(kāi)展大范圍地面地球物理勘探往往效率不高，時(shí)間和人力成本巨大。航空電磁法(頻率域、時(shí)間域)則具有受地形條件限制少、探測(cè)效率高、可大面積覆蓋、成本低等優(yōu)點(diǎn)，有望實(shí)現(xiàn)我國(guó)凍土持續(xù)性監(jiān)測(cè)。然而國(guó)內(nèi)還沒(méi)有航空電磁應(yīng)用到凍土探測(cè)中的理論研究和實(shí)例，因此本文針對(duì)AeroTEM時(shí)間域和Impulse頻率域航空電磁系統(tǒng)，結(jié)合青海祁連地區(qū)凍土相關(guān)信息，利用一維正演模擬分析航空電磁在確定凍土厚度和頂?shù)捉缑嫔系奶綔y(cè)能力，為今后航空電磁系統(tǒng)應(yīng)用于我國(guó)凍土調(diào)查提供理論支撐。

本文通過(guò)模擬凍土電阻率、厚度、低阻層、飛行高度和線圈角度變化，分析不同條件下時(shí)間域和頻率域航空系統(tǒng)電磁響應(yīng)差異，并根據(jù)系統(tǒng)噪聲水平分析航空電磁系統(tǒng)的探測(cè)能力。模擬結(jié)果表明，在較低噪聲干擾下，Impulse頻率域航空電磁系統(tǒng)可以根據(jù)融化凍土厚度大致確定沼澤、濕地及濕潤(rùn)草甸覆蓋下的凍土頂界面；AeroTEM時(shí)間域系統(tǒng)可以大致確定凍土底界面，而當(dāng)凍土下存在低阻層時(shí)，底界面準(zhǔn)確性將提高。因此，在研究?jī)鐾梁穸戎?，可綜合利用頻率域和時(shí)間域航空電磁數(shù)據(jù)，共同確定多年凍土的頂?shù)捉缑妗?/p>

1 青海祁連地區(qū)凍土概況

青海祁連地區(qū)處于青藏高原東北緣，地形西高東低，海拔大多在3 000 m以上，年均氣溫-3.8～3.6 ℃，年均降水量一般為250～500 mm，年內(nèi)最高、最低氣溫分別出現(xiàn)在7 月和1 月，1月平均氣溫低于-18 ℃，7月平均溫度低于15 ℃。高海拔及較低年平均氣溫導(dǎo)致該地區(qū)多年凍土及季節(jié)凍土非常發(fā)育，面積約為10×104km2，屬于典型的高山型凍土區(qū)[25-26]。

祁連山中東部地區(qū)多年凍土年平均地溫、凍土厚度等基本特征參量與海拔具有明顯的相關(guān)性：海拔越高, 地溫越低,厚度越厚。該地區(qū)凍土層厚度為8.0～139.3 m，而連續(xù)多年凍土厚度大多在50～100 m范圍內(nèi)變化[25-27]，多年凍土電阻率一般在200 Ω·m以上，甚至超過(guò)500 Ω·m[6,20-21]。隨著季節(jié)變化，表層凍土不斷融凍，稱為季節(jié)性凍土，厚度約1～2 m，電阻率隨表層季節(jié)性凍土中水分的凍融和蒸發(fā)而發(fā)生變化[1,20-22]；7～9月，沼澤或濕地地區(qū)融化凍土電阻率約20～40 Ω·m，濕潤(rùn)草甸區(qū)融化凍土電阻率為40～100 Ω·m。另外，該區(qū)的部分多年凍土層下分布著低阻層。

在凍土地帶，未融化凍土電阻率遠(yuǎn)高于融化凍土電阻率，二者之間存在明顯的電阻率差異界面，通常凍土層電阻率高出圍巖地層數(shù)倍至數(shù)十倍，且盆地凍土層的融凍界面一般呈水平或者緩傾斜漸變特征[22]，一維模擬具有一定合理性。

2 航空電磁系統(tǒng)

中國(guó)自然資源航空物探遙感中心于2003年從加拿大Scintrex公司引進(jìn)了Impulse頻率域航空電磁系統(tǒng)(圖1a)，隨后又于2010～2011年間從原加拿大Aeroquest公司(已被Geotech公司收購(gòu))引進(jìn)了AeroTEM-IV時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)(圖1b)，這兩個(gè)航空電磁系統(tǒng)在礦產(chǎn)和水工環(huán)勘查中發(fā)揮了重要作用。因此，本文主要針對(duì)這兩套系統(tǒng)，進(jìn)行一維正演模擬，并根據(jù)結(jié)果分析系統(tǒng)在凍土厚度調(diào)查中的探測(cè)能力。

圖1 直升機(jī)航空電磁系統(tǒng)Fig.1 Helicopter airborne electromagnetic system

2.1 AeroTEM時(shí)間域電磁系統(tǒng)

該系統(tǒng)為直升機(jī)系統(tǒng)，收發(fā)裝置懸掛于飛機(jī)下方60 m，發(fā)射波形為三角波(圖1a)，同時(shí)記錄X和Z分量數(shù)據(jù)，能夠采集on-time 和早期off-time 數(shù)據(jù)，擁有較大發(fā)射功率，接收信號(hào)具有較高的信噪比，保證了較大的勘探深度(可達(dá)300 m)。系統(tǒng)具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 AeroTEM IV時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)參數(shù)[28]

2.2 Impulse頻率域電磁系統(tǒng)

該系統(tǒng)是一種吊艙式直升機(jī)航空電磁、磁綜合系統(tǒng)，由Impulse直升機(jī)頻率域航空電磁系統(tǒng)、CS-3航空銫光泵磁力儀、收錄系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)、無(wú)線電高度計(jì)、氣壓高度計(jì)等組成。其吊艙呈圓筒型(圖1b)，長(zhǎng)9 m，內(nèi)安裝有航電線圈系統(tǒng)和磁探頭，其線圈系統(tǒng)如圖2所示，具有2種線圈對(duì)(水平共面和直立共軸)、發(fā)射6個(gè)頻率，探測(cè)深度可達(dá)80 m。系統(tǒng)具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 頻率域航空電磁Impulse系統(tǒng)參數(shù)[29]

圖2 Impulse頻率域系統(tǒng)吊艙內(nèi)裝置示意Fig.2 Bird sketch of Impulse system

3 頻率域和時(shí)間域航空電磁一維正演

目前頻率域航空電磁系統(tǒng)主要采用水平共面裝置(HCP)和直立共軸裝置(VCX)，測(cè)量磁場(chǎng)水平和垂直分量Hz和Hx，而在實(shí)際數(shù)據(jù)處理和解釋中，以Hz分量應(yīng)用最為廣泛；時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)主要采用吊艙或回線裝置，在接收線圈中測(cè)量二次場(chǎng)變化率dBz/dt。在極坐標(biāo)(r,φ,z)下，垂直磁偶極子產(chǎn)生的垂直分量Hz為[30]

(1)

負(fù)階躍電流時(shí)間域航空電磁響應(yīng)可根據(jù)反傅里葉變換，利用

(3)

計(jì)算得到。式中：BS(t)是負(fù)階躍電流下的時(shí)間域電磁響應(yīng)，B(ω)為頻率域響應(yīng)。任意發(fā)射波形的電磁響應(yīng)可通過(guò)電流I與BS(t)的卷積獲得：

(4)

因此，通過(guò)波形數(shù)據(jù)和頻率域電磁響應(yīng)，可計(jì)算相應(yīng)波形下的時(shí)間域電磁響應(yīng)。

4 正演模擬與分析

4.1 凍土厚度影響分析

根據(jù)祁連地區(qū)地下凍土相關(guān)信息，設(shè)置如圖3所示地電模型，其中凍土電阻率300 Ω·m，基底500 Ω·m，凍土下地層電阻率100 Ω·m，基底上方地層總厚度為500 m，設(shè)置凍土厚度分別為50、60、70、100 m。實(shí)際飛行中，受電線、高壓塔、房屋等人文干擾影響，為保證飛行安全，飛行高度通常在40～60 m之間變化，本文正演默認(rèn)飛行高度為50 m，分別得到AeroTEM系統(tǒng)中17個(gè)時(shí)間道的dBz/dt和Impulse系統(tǒng)水平共面裝置中3個(gè)頻率的Hz實(shí)虛分量，如圖4所示。

圖3 凍土地電模型1Fig.3 Geoelectric model 1 of frozen soil

圖4 不同厚度凍土模型的電磁響應(yīng)Fig.4 Response of permafrost models withdifferent thickness

圖4顯示：凍土厚度每變化10 m，AeroTEM系統(tǒng)第一道變化約30 nT/s，第三道變化約19 nT/s,第五道變化約12 nT/s，在信號(hào)早期具有一定差異，而質(zhì)量較好的實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)線噪聲水平一般不超過(guò)±8 nT/s，具備一定底界面探測(cè)能力；對(duì)于Impulse系統(tǒng)，厚度變化造成的Hz實(shí)、虛分量變化較小，不同頻率間均不超過(guò)5×10-6，與系統(tǒng)噪聲水平接近，因此由凍土厚度引起的差異基本被噪聲淹沒(méi)，Impulse系統(tǒng)無(wú)法區(qū)分凍土底界面。

4.2 凍土電阻率影響分析

凍土電阻率與水的凍結(jié)程度和凍土巖性有關(guān)，識(shí)別凍土電阻率的變化可以有助于了解地下溫度和巖性變化。設(shè)置如圖5所示的地電模型，其中凍土電阻率分別選取200、300、500、1 000 Ω·m，厚度固定為50 m，凍土下地層電阻率100 Ω·m，厚度為450 m，基底500 Ω·m，正演計(jì)算時(shí)間域和頻率域航空電磁響應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖5 凍土地電模型2Fig.5 Geoelectric model 2 of frozen soil

圖6 不同電阻率凍土模型的電磁響應(yīng)Fig.6 Response of permafrost models with different resistivities

圖6顯示，高阻凍土電阻率的變化對(duì)頻率域和時(shí)間域響應(yīng)均有較明顯影響。頻率域高頻響應(yīng)差異約在20×10-6，中頻響應(yīng)的虛分量變化比實(shí)分量大，但隨著電阻率的升高，這種影響逐漸減弱，同時(shí)，隨著電阻率的升高，頻率域和時(shí)間域響應(yīng)幅值整體減弱，尤其是頻率域響應(yīng)，當(dāng)電阻率達(dá)1 000 Ω·m時(shí)，Hz實(shí)、虛分量均低于45×10-6，低頻下Hz分量甚至低于10×10-6，整體響應(yīng)極易受噪聲影響，時(shí)間域響應(yīng)的影響超過(guò)25 nT/s左右；因此，時(shí)間域和頻率域航空電磁均能夠識(shí)別凍土電阻率變化，但隨著電阻率的增加，這種識(shí)別能力逐漸減弱，且易受噪聲干擾。

4.3 融化凍土影響分析

7～10月，隨著溫度變化，祁連地區(qū)表層季節(jié)性凍土融化，形成低阻層，厚度一般在1～2 m。為了分析融化凍土厚度和電阻率變化的影響，設(shè)計(jì)了如圖7所示的地電模型：多年凍土電阻率為300 Ω·m；融化凍土電阻率為50 Ω·m，代表濕地及濕潤(rùn)草甸；多年凍土和表層融化凍土厚度共50 m，融化凍土厚度隨溫度和海拔變化，分別設(shè)置為0、1、2、4 m；凍土下地層電阻率100 Ω·m，厚度為450 m；基底電阻率500 Ω·m。正演計(jì)算時(shí)間域和頻率域航空電磁響應(yīng)，結(jié)果如圖8所示。

圖7 凍土地電模型3Fig.7 Geoelectric model 3 of frozen soil

圖8 不同厚度融化凍土模型的電磁響應(yīng)Fig.8 Response of melting permafrost models with different thickness

圖8顯示：在1～4 m范圍內(nèi)，AeroTEM時(shí)間域系統(tǒng)對(duì)融化凍土厚度變化不敏感，每增加1 m引起的早期第一道響應(yīng)變化不超過(guò)10 nT/s；Impulse系統(tǒng)高頻信號(hào)對(duì)融化凍土厚度反應(yīng)較敏感，其中虛分量比實(shí)分量變化更大，平均增加1 m引起的高頻響應(yīng)差異實(shí)分量約為12×10-6，虛分量約為16×10-6，虛分量大于理論高頻噪聲水平的3倍。因此，相對(duì)于時(shí)間域系統(tǒng)，頻率域系統(tǒng)更容易確定融化凍土厚度，進(jìn)而辨別多年凍土頂界面變化，但噪聲不能過(guò)大。當(dāng)然，隨著水分蒸發(fā)，融化凍土電阻率增加，Impulse系統(tǒng)對(duì)融化凍土厚度的敏感性也將大幅降低。

4.4 凍土層下低阻層影響分析

由于祁連部分地區(qū)凍土層下有低阻層存在，而航空電磁對(duì)低阻層敏感，因此有必要分析低阻層對(duì)確定凍土厚度的影響。設(shè)計(jì)如圖9所示的模型4：基底以上地層厚度共500 m，其中凍土電阻率300 Ω·m，厚度50 m或80 m，常規(guī)地層電阻率100 Ω·m，低阻層電阻率取25 Ω·m或50 Ω·m。模擬不同情形下低阻層對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，對(duì)比2個(gè)系統(tǒng)，凍土下低阻層對(duì)AeroTEM系統(tǒng)影響更大。當(dāng)凍土厚度50 m時(shí)，不同情形下，前五道早期道響應(yīng)差異均大于25 nT/s，而頻率域系統(tǒng)下，中頻響應(yīng)差異最大，但仍不超過(guò)8×10-6，無(wú)法從噪聲中區(qū)分。當(dāng)凍土厚度達(dá)80 m時(shí)，低阻層的影響減弱，時(shí)間域系統(tǒng)下已很難與無(wú)低阻層且凍土厚50 m時(shí)進(jìn)行區(qū)分，且此時(shí)無(wú)論是頻率域響應(yīng)還是時(shí)間域響應(yīng)，均小于無(wú)低阻層時(shí)的響應(yīng)。這一情況也對(duì)應(yīng)了反演中的多解性問(wèn)題，需要增加約束信息，如鉆孔信息或橫向約束來(lái)區(qū)分。本次模擬表明，在凍土厚度一定時(shí)，凍土下低阻層的存在可幫助AeroTEM系統(tǒng)識(shí)別凍土層的底界面，且低阻層的電阻率越低、厚度越厚，系統(tǒng)的識(shí)別能力越強(qiáng)。

4.5 飛行高度影響分析

以圖7中的模型3為例，分析飛行高度對(duì)Impulse系統(tǒng)識(shí)別融化凍土能力的影響。首先固定融化凍土厚度為2 m，計(jì)算飛行高度分別為40、45、50 m時(shí)的頻率域電磁響應(yīng)。另外在飛行高度為40 m時(shí)，分別計(jì)算表層融化凍土厚度為0、1、2、4 m時(shí)的電磁響應(yīng)，結(jié)果如圖11所示。

圖9 凍土地電模型4Fig.9 Geoelectric model 4 of frozen soil

圖10 不同低阻層的電磁響應(yīng)Fig.10 Response of permafrost models with different Low resistivity layers

圖11顯示，隨著飛行高度降低，高頻的電磁響應(yīng)強(qiáng)度大幅增加，尤其是虛分量，因此飛行高度越低，有用信號(hào)越強(qiáng)。此外，當(dāng)飛行高度固定為40 m時(shí)，融化凍土每米變化引起的高頻響應(yīng)差異實(shí)分量約為16×10-6，虛分量約為30×10-6，與圖8飛行高度50 m響應(yīng)相比，高頻響應(yīng)差異進(jìn)一步增大，識(shí)別融化凍土能力進(jìn)一步增強(qiáng)。

圖11 模型3不同飛行高度的Impulse系統(tǒng)Hz分量響應(yīng)Fig.11 Hz response of Model 3 with different flight altitudes

以圖3中的模型1為例，分析飛行高度對(duì)AeroTEM系統(tǒng)識(shí)別凍土厚度變化識(shí)別能力的影響。首先固定凍土厚度為70 m，計(jì)算飛行高度分別為40、45、50 m時(shí)的時(shí)間域電磁響應(yīng)，另外在飛行高度為40 m時(shí)，分別計(jì)算多年凍土厚度為50、60、70、100 m時(shí)的電磁響應(yīng)，計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

圖12 模型1不同飛行高度的AeroTEM系統(tǒng)dBz/dt響應(yīng)Fig.12 dBz/dt response of Model 1 with different flight altitudes

由圖12可知，隨著飛行高度降低，電磁響應(yīng)強(qiáng)度一定程度增加，每5 m變化約22 nT/s，有用信號(hào)增強(qiáng)。此外，當(dāng)飛行高度固定為40 m時(shí)，平均多年凍土每10 m變化引起的第一道響應(yīng)差異約為33 nT/s，第三道響應(yīng)差異約為21 nT/s，第五道響應(yīng)差異約為12 nT/s；與圖4中飛行高度50 m響應(yīng)相比，電磁響應(yīng)差異變化不大，識(shí)別凍土厚度能力受飛行高度影響較低，但信噪比可進(jìn)一步提升。

4.6 線圈俯仰角影響分析

實(shí)際飛行中，風(fēng)速、飛行速度的變化會(huì)導(dǎo)致吊艙或線圈與水平方向呈現(xiàn)一定角度，對(duì)接收線圈中觀測(cè)的電磁響應(yīng)產(chǎn)生影響。飛行姿態(tài)一般用俯仰角、翻滾角和方位角等3個(gè)角度來(lái)描述，在實(shí)際飛行中，俯仰角受風(fēng)速和飛行速度的影響最大，因此本文只討論俯仰角對(duì)凍土探測(cè)能力的影響。

以圖7中的模型3為例，分析俯仰角對(duì)Impulse系統(tǒng)識(shí)別融化凍土能力的影響。首先固定融化凍土厚度為2 m，飛行高度50 m，計(jì)算俯仰角為0°、5°、10°和15°時(shí)的頻率域電磁響應(yīng)，結(jié)果如圖13所示。

圖13 模型3不同線圈俯仰角的Impulse系統(tǒng)Hz分量響應(yīng)Fig.13 Hz response of Model 3 with different coil pitch Angles

圖13顯示，隨著俯仰角的增大，高頻電磁響應(yīng)強(qiáng)度逐漸增加，其中5°俯仰角引起的變化不大，但當(dāng)俯仰角達(dá)到10°和15°時(shí)，高頻響應(yīng)差異超過(guò)10×10-6，與融化凍土厚度變化引起的響應(yīng)差異相當(dāng)。因此，由俯仰角引起的差異對(duì)融化凍土識(shí)別能力影響較大，需要在飛行前注意風(fēng)向和風(fēng)速的變化，飛行中對(duì)飛行速度進(jìn)行控制，確保俯仰角不超過(guò)5°。

以圖3中的模型1為例，分析俯仰角對(duì)AeroTEM系統(tǒng)識(shí)別凍土厚度變化識(shí)別能力的影響。首先固定多年凍土厚度為70 m，飛行高度50 m，計(jì)算俯仰角為0°、5°、10°和15°時(shí)的頻率域電磁響應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)圖14。

圖14 不同線圈俯仰角模型1的AeroTEM系統(tǒng)dBz/dt響應(yīng)Fig.14 dBz/dt response of Model 1 with different coil pitch Angles

圖14顯示，隨著俯仰角的增大，電磁響應(yīng)強(qiáng)度逐漸減弱，但不同俯仰角間響應(yīng)差異不大，其中10°引起的響應(yīng)差異約為6 nT/s，小于噪聲水平。因此，俯仰角對(duì)AeroTEM系統(tǒng)凍土厚度探測(cè)能力的影響有限，但仍需要在飛行前注意風(fēng)速和飛行中對(duì)飛行速度進(jìn)行控制，確保俯仰角不超過(guò)10°。

5 結(jié)論

針對(duì)AeroTEM和Impulse航空電磁系統(tǒng)，通過(guò)一維正演模擬不同條件下凍土地區(qū)時(shí)間域和頻率域響應(yīng)，分析航空電磁技術(shù)對(duì)祁連地區(qū)凍土厚度和頂?shù)捉缑嫣綔y(cè)能力。分析結(jié)果表明：

1)Impulse系統(tǒng)可分辨表層低阻融化凍土厚度變化，確定濕地及濕潤(rùn)草甸地區(qū)多年凍土頂界面，但對(duì)底界面變化敏感度較弱；AeroTEM系統(tǒng)對(duì)表層融化凍土敏感度較弱；

2)AeroTEM系統(tǒng)對(duì)凍土厚度的變化比Impulse系統(tǒng)敏感，可用于確定多年凍土的底界面，但對(duì)表層融化凍土厚度變化敏感度較弱；

3)凍土層下的低阻層可以提高AeroTEM系統(tǒng)對(duì)凍土底界面的識(shí)別能力，且隨著低阻層厚度增加、電阻率降低，識(shí)別能力越強(qiáng)；

4)Impulse系統(tǒng)和AeroTEM系統(tǒng)對(duì)多年凍土電阻率變化均較敏感，Impulse系統(tǒng)更易區(qū)分，但隨著電阻率的增加，兩個(gè)系統(tǒng)的整體響應(yīng)也越來(lái)越弱，低頻響應(yīng)和晚期響應(yīng)容易被噪聲淹沒(méi)；

5)飛行高度越低，2個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)越強(qiáng)，信噪比越高，同時(shí)能夠提升Impulse系統(tǒng)的融化凍土探測(cè)能力，但對(duì)AeroTEM系統(tǒng)探測(cè)能力提升有限，因此有必要盡量保持較低的飛行高度；

6)由于風(fēng)速和飛行速度，線圈或吊艙而存在俯仰角對(duì)Impulse系統(tǒng)凍土探測(cè)能力影響較大，對(duì)AeroTEM系統(tǒng)凍土探測(cè)能力影響較小，因此需要保證Impulse系統(tǒng)飛行平穩(wěn)，保持吊艙水平。

根據(jù)以上結(jié)論，綜合利用高質(zhì)量的AeroTEM和Impulse航空電磁數(shù)據(jù)，可以識(shí)別凍土層的頂?shù)捉缑孀兓?，但凍土厚度?zhǔn)確性受飛行高度、飛行平穩(wěn)性和系統(tǒng)噪聲影響較大，實(shí)際應(yīng)用效果有待驗(yàn)證。此外，航空電磁法受人文干擾嚴(yán)重，數(shù)據(jù)處理技術(shù)對(duì)結(jié)果影響較大；同時(shí)時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)質(zhì)量較大，在高海拔地區(qū)對(duì)飛機(jī)起降點(diǎn)的高度、溫度和風(fēng)速要求較高，這些不足之處也應(yīng)在凍土調(diào)查中引起足夠重視。