特殊地质条件下区域地质勘查中瞬变电磁法的应用研究

孟国旺

（河北省煤田地质局水文地质队，河北 石家庄 050000）

开展地质勘查主要是为了解测区气候变化、生态环境、水文特点，以及指导工程施工等提供了必要的信息支持。一直以来，钻孔勘探是地质探测的主要方法，但是在实践中存在操作复杂、效率不高，获取信息有限等缺陷。近年来，物探技术发展迅速，探地雷达法、瞬变电磁法等得到了推广应用。本文以瞬变电磁法为例，首先介绍了其探测原理和技术优势，随后选取一处特殊地质条件区域作为研究对象，分别从布设测点、数据采集、数据解释等方面，总结了瞬变电磁法的技术要点，并对探测结果展开了简要分析。

1 瞬变电磁法的探测原理

瞬变电磁法是以电磁感应原理为理论依据，利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，观测一次磁场关断期间地下良导体产生的二次涡流场的衰变来推算地下介质的电性分布情况，达到寻找相对高阻体或低阻体分布的目的。近年来，瞬变电磁法在实践应用中不断改良、创新，衍生出了适合不同情况的分支方法。其中，基于中心回线装置的纳米瞬变电磁法被广泛运用在浅层探测领域，其核心装置包括：高灵敏性电法接收机，快速关断发送机，12V、60AH的电源，以及发射/接收线圈。在特殊地质条件下，纳米瞬变电磁法的应用优势在于装置简单、易于操作，同时探测精度高、获取信息多，与目标探测体的耦合效果好等。

利用瞬变电磁法进行区域地质调查时，每个时间窗口分别独立运行，依次接收感应电动势、磁场、电场3项数据，采集到的数据会自动完成筛选，滤除受到电磁干扰或谐波干扰的数据，将剩余的数据在数据库内分类存储。需要注意的是，利用该方法所得的调查数据是斜阶跃激发的瞬变，后期开展数据分析前，还必须借助于专门的软件对斜阶跃波进行后延改正。最后以瞬变电磁法探测所得数据为主，同时参考钻探资料、地温监测资料展开综合分析，可以得到研究区域的电性特征与分布规律。

2 研究区信息概况

研究区（32°41′-33°15′N，74°28′-77°30′E）位于青藏高原的西北部，地表有1处长度为6.7km的河流，以及1处面积为6.7×104m2的湖泊融区。该区域平均海拔为5166m，年降水量低于100mm，年平均气温为-5℃。高寒草原与高寒荒漠相间分布。地表多碎石、砂土，浅层基岩以花岗岩为主，研究区的东南部有一处区域性活动断裂带，整体呈东南-西北走向。

3 基于瞬变电磁法的地层探测技术

3.1 布设测点和测网

在前期准备工作中，根据现场情况设计测点位置并做好现场布置，是瞬变电磁法调查地层的第一步。现场工作人员依靠全站仪完成精准布点。操作方法为：从基准点出发，以正东南为参考线，平行于该方向上每40m设一点，垂直于该方向上每20m设一点，整个研究区内共布设测点176个。将所有测点连接起来，形成横纵交错的测网。

另外，土壤中水的相态转换（液-固），是导致地层电阻率波动变化的一个主要原因。地层地温监测数据表明，该研究区内地温在-0.4℃左。利用瞬变电磁法探测所得的电阻率值，更接近实际情况。

3.2 数据采集与处理

本次探测实验使用的多功能电法工作站为Zonge公司生产的GDP-32II型号；中心回线装置的发射线圈，采用规格为16m×16m的正方形单匝导线连接而成。接收线圈采用同样材质和相同方法连接而成，其规格为8m×8m。将电流频率设定为32Hz，完成上述布置后，启动该系统进行地层数据采集。基本布置如图1所示。

图1 瞬变电磁法的中心回线布置示意图

前端装置采集到数据之后，所有数据暂时存储到数据库的临时分区中。此时利用Stemnv软件对这些数据进行初步处理。对于因为受到干扰导致数据不完整、失真的，一律清除；对于符合要求的数据，进行格式转换，将其统一成标准格式。将处理后的数据转移到数据库的“Stemnv”文件夹下，方便该软件进行数据调用，做进一步的处理。通过Stemnv软件主页面上的菜单栏，点击“反演”选项启动反演程序。在弹出的对话框中，设置反演参数。参数设置完毕，利用反演程序依次对每一个测点上采集到的磁场变化数据（dB/dt）进行处理，最终在所有测点数据反演结束后，由Stemnv软件利用这些数据自动生成“视电阻率-深度曲线”的二维坐标系和视电阻率等值线图。

3.3 数据解释与分析

使用瞬变电磁法测得地层的电阻率，在水平方向与垂直方向上变化信息都能够作为解释特殊地形区地层细节信息的依据。在分析电阻率变化曲线时，应重点关注其中变化率较高的位置，即曲线图上的“拐点”。将其作为特征点进行重点分析，能够获得研究区不同地层深度的电性变化情况。在数据解释时，具体操作为：根据上一步骤处理得到的电阻率变化曲线，从中提取变化率较为明显的“拐点”。为了进一步提升数据解释结果的可靠性，还要综合研究区内其他地质信息，包括沉积类型与岩性，以及地表植被和气候特点等。以勘测数据为主，以地质资料、基础地理信息为辅，对地层的发育规律有一个更为全面和准确地认识。

4 研究区探测结果

4.1 特殊地形区地层的电性特征

在研究区基岩埋藏较浅的地方，地层整体上表现出“低阻-高阻”的电性特征。结合瞬变电磁法的探测数据，研究区内地层最小电阻率只有440Ω▪m，而最大电阻率则达到了2300Ω▪m。除此之外，在研究区的一些特殊位置，地层的电性特征也表现出特殊性。例如研究区内有一处海拔高度为4966m的湖泊，湖底有10m～20m厚的黏土，其电性特征为“低阻-高阻-低阻”；其电阻率最高为1960Ω▪m，最低仅为200Ω▪m。另外一处坡积与冲积相地层上，则表现出了“低阻-高阻-低阻-高阻”的电性特征。该区域的最大电阻率只有850Ω▪m，最小电阻率为40Ω▪m。

4.2 地层的厚度与分布

根据瞬变电磁法探测所得数据，研究区内地层厚度的下限区间为16m～85m，平均厚度为61m。其中，在浅埋基岩区出现最大值，在湖泊边缘的盐沼地上出现最小值。而同一区域内采用钻孔测温方法，所得结果为63m，两种探测方法得出的地层厚度均值十分接近。

5 结论

基于瞬变电磁法探测特殊地质条件下地层的分布特征，根据所得测点数据建立地层电阻率下限与测点地温的回归关系，表明两者有着良好线性关系，从而验证了这一研究结果。这说明使用瞬变电磁法判断地层的厚度与分布特征时可行的。

在本次研究中，所选研究区的地层厚度分布存在较为明显的空间差异。从整体上来看，地层厚度范围在16m～85m，平均厚度为61m。其中，最大厚度出现在湖泊区，最小厚度出现在高山峡谷区。在特殊地形区内，个别地区因为局地小气候、复杂地质条件等特殊因素的影响，地层的分布、厚度特征，可能会表现出异常，有待于进一步探究。