半航空瞬变电磁法在某滑坡探测中的应用研究

赵思为， 尹小康， 张振雄, 吕 菲

(1. 中国中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031;2. 成都理工大学 地球勘探与信息技术教育部重点实验室,成都 610059;3.中国铁路设计集团有限公司，天津 300308;4.川藏铁路技术创新中心有限公司，成都 610000)

0 引言

半航空瞬变电磁法(SATEM)工作原理与地面瞬变电磁相似，利用发射源向大地激发一次场，通过无人机装载的接收传感器(如空心线圈)观测断电时地下二次涡流场在空中的二次瞬变磁场响应，进而达到探测地下介质电阻率的目的。

半航空瞬变电磁系统在上世纪50年代已经初具雏形，而后进入高速发展阶段。Elliott[1]为了解决大深度勘探问题，提出了Flairtem系统，该系统采用大回线源作为激发源;Mogi[2]在日本东北部福岛县磐梯山地区，GREATEM系统通过直升机搭载在该地区进行了火山温泉探测，探测深度达到了800 m;Allah[3-4]等进一步完善了GREATEM系统的数据处理流程，在日本东南部九十九里滨地区浅海域的应用结果表明该方法可以描绘出地下的电阻率构造, 显示出该法在浅海域具有良好的发展前景。相较于国外对半航空系统和方法的研究,国内的起步较晚，嵇艳鞠[5]等对半航空电磁正演响应结果与接收线圈高度的关系和半航空模式发射边长的变化规律做了理论研究；朱凯光[6]等提出了通过神经网络来进行时间域直升机电磁数据的CDI成像研究；陈小红等[7]进行了时间域航空电磁快速成像研究，分析了快速一阶与二阶近似成像方法在航空物探应用中的优缺点；杨聪[8]进行了半航空自适应正则化-阻尼最小二乘算法的研究，得出了联合反演算法对高阻层探测较敏感的结论。

虽然SATEM的理论研究一致是国内、外电磁勘探研究的热点之一，然而目前应用这些理论解决实际地学问题的相关研究仍相对较少。笔者通过一维正演模拟了长导线电性源半航空瞬变电磁响应的特征，探讨了K、H型模型覆盖层和中间层厚度对电磁响应值的影响，讨论了SATEM针对高低阻目标层的探测敏感区域，最后将半航空瞬变电磁法应用到某滑坡工区的探测中，取得了较好的效果，填补了半航空实际应用方面的内容。

1 正演模拟研究

1.1 层状介质一维正演响应公式

长导线源的频率域水平层状介质的垂直磁场响应可参照Nabighian[9]给出的计算公式为式(1)。

(1)

对式(1)进行Hankle变换和Gauss积分，再通过频-时转换得到时间域感应电动势。通过余弦变换将半航空瞬变电磁频率域响应转化为时间域响应得式(2)。

(2)

式中：Vz(t)为感应电动势，V；S为线圈有效接收面积,m2；Re[Hz(ω)]表示取Hz(ω)的实部。

1.2 K、H地电断面正演算例

以K、H型地电模型为例，定量的讨论地层厚度对响应特征的影响，进而分析地层厚度对探测高低阻目标层的影响。设置长导线线源长度为1 000 m，接收线圈高度为50 m，电流为20 A，接收点位置(0,500,50)，定义相对异常为：

(3)

式中：Vrms为相对异常大小；VT为改变地层参数时的电磁响应值；VA为固定模型参数为d1=50 m(K、H型覆盖层变化)和d2=50 m(K、H型中间层变化)、的电磁响应值。

由图1可以得出，K、H型地电模型覆盖层的增加对响应值的影响主要集中在前中期(0.01 ms～1 ms)，对于晚期(1 ms～10 ms)的电磁响应值影响相对较小。从相对异常曲线中可以得出，覆盖层的增加对相对异常曲线的影响主要集中在前中期(0.01 ms～1 ms)，对K型地电模型的影响最大约为1.8%，对H型地电模型的影响最大约2.8%。

中国管理科学研究院研究员吴兴杰从中美贸易战的背景切入，以《基于中美贸易战的乡村振兴战略的思想创新》为题，重点对乡村振兴战略的思想创新进行了研究，提出：乡村振兴战略的重点和难点在中西部落后乡村，东部特别是沿海乡村要实现从富起来到强起来再到美起来。乡村振兴战略要从政治诉求转化为发展的内在逻辑进而落地的关键是思想的创新，即哲学创新。规避乡村振兴“上热下冷→外热内冷→表热实冷”的关键，是解决谁来干和怎么干这两大核心问题，防止样板化、错位化与非农化而偏离其正轨。

图1 覆盖层变化电磁响应及相对异常变化曲线Fig.1 Overburden change electromagnetic correspondence and relative anomaly change curve(a)K型覆盖层变化响应;(b)K型相对异常变化曲线;(c)H型覆盖层变化响应;(d)H型相对异常变化曲线

表1 覆盖层变化模型参数

表2 中间层变化模型参数

从图2的电磁响应曲线可以得出，K、H型地电模型中间层的变化对响应值的影响在全期(0.01 ms～10 ms)均有体现，相较于H型地电模型，对K型地电模型影响较大。同样的，中间层的变化对相对异常曲线的影响在全期(0.01 ms～10 ms)也均有体现，相较于K型模型最大相对异常的0.25%，H型模型达到了约1.75%。

图2 中间层变化电磁响应及相对异常变化曲线Fig.2 Overburden change electromagnetic correspondence and relative anomaly change curve(a)K型中间层变化响应;(b)K型相对异常变化曲线;(c)H型中间层变化响应;(d)H型相对异常变化曲线

1.3 SATEM观测敏感区域研究

为了定量的研究Vz分量对不同地层敏感区域的分布特征，我们以表3所示中间薄层模型为例，计算了薄层相对围岩分别为低阻和高阻时的电磁响应，为了对相对异常定量研究，定义相对异常公式：

表3 薄层模型参数

(4)

图3中黑色实线表示线源位置及长度，可以看出，Vz对低阻目标层(最高达520%)的敏感程度要远远高于对高阻目标层(20%)的敏感程度，对于高低阻目标层的敏感区域均集中在发射源附近，随着线源在一定范围内的增加，敏感区域也会相应的增加。所以在实际探测中，无论是针对高阻目标层抑或是低阻目标层，探测区域应当适当的控制在线源附近。

图3 最大相对异常平面分布图Fig.3 Distribution of relative anomaly maximum (a)1 000 m线源Vz对低阻薄层相对异常分布;(b)1 000 m线源Vz对高阻薄层相对异常分布;(c)2 000 m线源Vz对低阻薄层相对异常分布;(d)2 000 m线源Vz对高阻薄层相对异常分布

2 自适应正则化反演

反演方法采用的是毛立峰[10]提出的自适应正则化一维反演方法。正则化反演目标函数可表示为式(5)～式(7)。

φ(M)=φd(M)+λφm(M)

(5)

(6)

(7)

(8)

2.1 反演模型试算

为了验证自适应正则化反演程序的准确性，笔者以典型三层H型地电模型和K型模型为例进行了自适应正则化反演计算。设置发射电流为15 A，线源长度为1 000 m，接收点坐标为(0，500，50)。在时间为0.01 ms～10 ms内等对数间隔取24个采样点，迭代次数为10次。采用多个小层反演，每层厚度均为5 m，反演初始模型均为100 Ω·m的均匀半空间模型。反演模型参数如表4所示。模型反演所得结果如图4、图5所示：

图4 H型模型反演结果图Fig.4 H model inversion results

图5 HK型模型反演结果Fig.5 HK model inversion results

表4 模型参数

用理论反演对多层模型进行检验可以发现，自适应正则化反演方法能够比较真实的还原拟定的地电模型。另外，从反演结果图中可以看出，该方法对模型低阻的反映能力相较于高阻要好。

3 应用实例

3.1 工区概况及测线布置

目前，半航空在滑坡的应用较少，我们在某滑坡工区进行了半航空瞬变电磁法的工作，取得了信噪比较高的数据，具体情况如下：

本次半航空瞬变电磁测线布置如图6所示，从西北到东南海拔逐渐降低。其中红色线条表示线源布置，长度为900 m，黄色线条为测线布置，共计15条测线。测线长度设置均为700 m，每条测线间距为50 m，测线与线源相互平行。本次半航空工作参数如表5。

图6 测线布置图Fig.6 Geomorphologic map of line layout

表5 半航空工作参数

3.2 反演结果及解释

如图7所示，为工区测线2的单点衰减曲线及多时间道剖面图，从电磁响应剖面可以初步判定信号的强度和质量。

图7 工区典型SATEM单点衰减曲线及多时间道剖面图Fig.7 Single point and single profile electromagnetic response curves of Line2(a)测点2 dB/dt衰减曲线图;(b)测线2多时间道剖面

从图7可以看出，单点衰减曲线的衰减规律与理论正演所得衰减曲线规律相似，且多时间道剖面的幅值较高，前中期(0.02 ms～1 ms)幅值最高达到了60 000 nT，满足反演需求。采用自适应正则化反演方法对测线2所有测点进行反演工作，每个测点的拟合效果都较好，得到反演结果和地质解释推断图如图8所示。

图8 测线2数据反演结果及地质解释Fig.8 Inversion results of Line2 measured data

由图8可以看出，测线-250 m～0 m整体地层电阻率自上而下呈现先降低再升高的特征。结合电阻率数值和工区地质资料，将该测线断面分为三层。第一层表层对应填土和粘土，呈现相对高阻反映，第二层电阻率相对较低，大致分为浅-深两个滑面，其中(墨绿-深蓝界面)为浅层滑面，推测该层为软弱岩体，较易滑动；(深蓝-墨绿界面)为深部滑面，推测该层同为软弱岩体。第三层电阻率相对升高，推测为较完整基岩。

两个滑坡面从测线约-50 m处检出，到测线约0 m～130 m位置，表层黄色-红色区域电阻率相对较高区域推测为部分抗滑桩桩体。至测线130 m～400 m到达水域，整体电阻率呈现相对低阻的电阻率特征。结合高密度和钻探等资料，发现该滑坡区域确实有一深一浅两个滑坡面，从而验证了本次半航空探测的准确性。

4 结论

对于H、K地电模型，覆盖层厚度的变化对K、H模型的前中期电磁响应影响较大，对晚期响应的影响较小。中间层厚度的变化对电磁响应的前中晚期均有较大影响。垂直分量Vz对低阻目标层的敏感程度要远远高于对高阻目标层的敏感程度，高低阻目标层的敏感区域均集中在发射源附近，随着线源的增加，敏感区域也会相应的增加。最后半航空应用于某滑坡区域的结果表明，将半航空应用于滑坡区域是有效的，为今后类似的探测问题提供了案例。