航空电磁技术在冻土调查中的探测能力分析

孙思源，余学中，谢汝宽，何怡原，单希鹏，李诗珺

(中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083)

0 引言

冻土是指温度在0 ℃以下并含有冰的岩土，也包含0 ℃以下不含冰的寒冷岩土。我国多年冻土总面积约为215×104km2，约占国土面积的22.3%，多年冻土区主要分布在大、小兴安岭及西部高山和青藏高原，季节冻土和短时冻土则遍布大部分国土[1-4]。冻土对环境变化极为敏感，在区域水循环、气候调节等方面扮演重要角色。然而近几十年来，随着气候变暖和冻土地区人文活动的增加，多年冻土退化已十分显著，对我国气候、水资源、生态、水文和工程等方面的影响也日益凸显。因此评估我国冻土三维分布、监测冻土变化，对研究其引发的生态、水资源和环境效应具有重要意义，同时可为我国青藏高原和大小兴安岭生态修复提供科学支撑，为我国重大工程建设和资源开发战略提供数据保障。

地球物理勘探方法是评估冻土厚度的有效手段之一，冻土层与非冻土层或融土层间导电特征的差异是电磁法被应用于探测多年冻土的基础[5-8]。自20世纪70年代开始，北美、欧洲等学者开始将航空/地面电磁勘探技术应用于冻土层研究，以研究冻土层深度、范围、水含量、沉积物类型以及区域永久冻土含水层系统等。早在1975年，美国就同时利用地面和航空电磁法开展阿拉斯加地区冻土层分布研究，表明航空数据和地面数据的一致性[9]。瑞士学者利用频率域和时间域航空电磁共三种装置研究高山冻土层，其中频率域航空电磁主要用于浅部成像，时间域航空电磁用于确定300 m以浅冻土深度，研究成果与附近钻孔结果一致[10]。近年来，美国及加拿大学者在阿拉斯加地区和南极地区，先后开展过大量的地面电磁法、航空雷达、时间域和频率域航空电磁探测项目，以研究冻土层深度和分布范围，表明电磁法在冻土层研究中具有重要作用[11-14]。

我国冻土调查主要集中在青藏高原和东北地区，服务于交通和管道建设等重大工程和资源勘探项目。2005年至2008年，中科院开展了中俄输油管线沿线的冻土调查和研究工作[15]；自2008年以来，中国地质调查局和相关单位围绕青海木里地区天然气水合物开展冻土调查评价，方法包括地震、地面电法、探地雷达、化探、测井等[16]。2009年至2015年，中科院实施“青藏高原多年冻土本底调查”项目，对青藏高原开展系统性的多年冻土本底调查，建立了青藏高原多年冻土本底调查信息系统[17]。此外，一些学者对电磁法在冻土研究中的应用开展了大量工作：肖继涛等对三种典型冻土的电阻率特性进行对比，分析含水率、温度、干密度对电阻率的影响[18]；王显烈等利用电阻率测井曲线中电阻率的变化划分冻土层厚度[19]；裴发根等通过祁连冻土音频大地电磁正反演研究，分析音频大地电磁法在冻土厚度探测上的能力[20]；姚大为等利用可控源音频大地电磁法，结合地质和钻孔资料，分辨天然气水合物形成、运移所需要的冻土盖层和断裂构造[21];檀文慧等利用高密度电法探测永久冻土区的冻土层分布范围，结果与天然气水合物地层吻合[22];刘钊剡和韩德波利用电阻率测深法探测融化冻土厚度，研究表明在较密的点距和极距下，电阻率测深法具有探测融化层厚度变化的能力[23];韩江涛等采用拟地震成像法反演瞬变电磁数据，在漠河地区研究永久冻土层的分布规律[24]。与国外相比，中国以地面物探方法为主，同时冻土调查大多仅限于工程沿线及局部地区，数据分散，空白区较多；且现有数据资料老化，时效性差，难以真实反映冻土变化。

由于冻土分布海拔高、地理位置偏远、地形复杂、交通条件差，导致开展大范围地面地球物理勘探往往效率不高，时间和人力成本巨大。航空电磁法(频率域、时间域)则具有受地形条件限制少、探测效率高、可大面积覆盖、成本低等优点，有望实现我国冻土持续性监测。然而国内还没有航空电磁应用到冻土探测中的理论研究和实例，因此本文针对AeroTEM时间域和Impulse频率域航空电磁系统，结合青海祁连地区冻土相关信息，利用一维正演模拟分析航空电磁在确定冻土厚度和顶底界面上的探测能力，为今后航空电磁系统应用于我国冻土调查提供理论支撑。

本文通过模拟冻土电阻率、厚度、低阻层、飞行高度和线圈角度变化，分析不同条件下时间域和频率域航空系统电磁响应差异，并根据系统噪声水平分析航空电磁系统的探测能力。模拟结果表明，在较低噪声干扰下，Impulse频率域航空电磁系统可以根据融化冻土厚度大致确定沼泽、湿地及湿润草甸覆盖下的冻土顶界面；AeroTEM时间域系统可以大致确定冻土底界面，而当冻土下存在低阻层时，底界面准确性将提高。因此，在研究冻土厚度中，可综合利用频率域和时间域航空电磁数据，共同确定多年冻土的顶底界面。

1 青海祁连地区冻土概况

青海祁连地区处于青藏高原东北缘，地形西高东低，海拔大多在3 000 m以上，年均气温-3.8～3.6 ℃，年均降水量一般为250～500 mm，年内最高、最低气温分别出现在7 月和1 月，1月平均气温低于-18 ℃，7月平均温度低于15 ℃。高海拔及较低年平均气温导致该地区多年冻土及季节冻土非常发育，面积约为10×104km2，属于典型的高山型冻土区[25-26]。

祁连山中东部地区多年冻土年平均地温、冻土厚度等基本特征参量与海拔具有明显的相关性：海拔越高, 地温越低,厚度越厚。该地区冻土层厚度为8.0～139.3 m，而连续多年冻土厚度大多在50～100 m范围内变化[25-27]，多年冻土电阻率一般在200 Ω·m以上，甚至超过500 Ω·m[6,20-21]。随着季节变化，表层冻土不断融冻，称为季节性冻土，厚度约1～2 m，电阻率随表层季节性冻土中水分的冻融和蒸发而发生变化[1,20-22]；7～9月，沼泽或湿地地区融化冻土电阻率约20～40 Ω·m，湿润草甸区融化冻土电阻率为40～100 Ω·m。另外，该区的部分多年冻土层下分布着低阻层。

在冻土地带，未融化冻土电阻率远高于融化冻土电阻率，二者之间存在明显的电阻率差异界面，通常冻土层电阻率高出围岩地层数倍至数十倍，且盆地冻土层的融冻界面一般呈水平或者缓倾斜渐变特征[22]，一维模拟具有一定合理性。

2 航空电磁系统

中国自然资源航空物探遥感中心于2003年从加拿大Scintrex公司引进了Impulse频率域航空电磁系统(图1a)，随后又于2010～2011年间从原加拿大Aeroquest公司(已被Geotech公司收购)引进了AeroTEM-IV时间域航空电磁系统(图1b)，这两个航空电磁系统在矿产和水工环勘查中发挥了重要作用。因此，本文主要针对这两套系统，进行一维正演模拟，并根据结果分析系统在冻土厚度调查中的探测能力。

图1 直升机航空电磁系统Fig.1 Helicopter airborne electromagnetic system

2.1 AeroTEM时间域电磁系统

该系统为直升机系统，收发装置悬挂于飞机下方60 m，发射波形为三角波(图1a)，同时记录X和Z分量数据，能够采集on-time 和早期off-time 数据，拥有较大发射功率，接收信号具有较高的信噪比，保证了较大的勘探深度(可达300 m)。系统具体参数见表1。

表1 AeroTEM IV时间域航空电磁系统参数[28]

2.2 Impulse频率域电磁系统

该系统是一种吊舱式直升机航空电磁、磁综合系统，由Impulse直升机频率域航空电磁系统、CS-3航空铯光泵磁力仪、收录系统、GPS导航定位系统、无线电高度计、气压高度计等组成。其吊舱呈圆筒型(图1b)，长9 m，内安装有航电线圈系统和磁探头，其线圈系统如图2所示，具有2种线圈对(水平共面和直立共轴)、发射6个频率，探测深度可达80 m。系统具体参数见表2。

表2 频率域航空电磁Impulse系统参数[29]

图2 Impulse频率域系统吊舱内装置示意Fig.2 Bird sketch of Impulse system

3 频率域和时间域航空电磁一维正演

目前频率域航空电磁系统主要采用水平共面装置(HCP)和直立共轴装置(VCX)，测量磁场水平和垂直分量Hz和Hx，而在实际数据处理和解释中，以Hz分量应用最为广泛；时间域航空电磁系统主要采用吊舱或回线装置，在接收线圈中测量二次场变化率dBz/dt。在极坐标(r,φ,z)下，垂直磁偶极子产生的垂直分量Hz为[30]

(1)

负阶跃电流时间域航空电磁响应可根据反傅里叶变换，利用

(3)

计算得到。式中：BS(t)是负阶跃电流下的时间域电磁响应，B(ω)为频率域响应。任意发射波形的电磁响应可通过电流I与BS(t)的卷积获得：

(4)

因此，通过波形数据和频率域电磁响应，可计算相应波形下的时间域电磁响应。

4 正演模拟与分析

4.1 冻土厚度影响分析

根据祁连地区地下冻土相关信息，设置如图3所示地电模型，其中冻土电阻率300 Ω·m，基底500 Ω·m，冻土下地层电阻率100 Ω·m，基底上方地层总厚度为500 m，设置冻土厚度分别为50、60、70、100 m。实际飞行中，受电线、高压塔、房屋等人文干扰影响，为保证飞行安全，飞行高度通常在40～60 m之间变化，本文正演默认飞行高度为50 m，分别得到AeroTEM系统中17个时间道的dBz/dt和Impulse系统水平共面装置中3个频率的Hz实虚分量，如图4所示。

图3 冻土地电模型1Fig.3 Geoelectric model 1 of frozen soil

图4 不同厚度冻土模型的电磁响应Fig.4 Response of permafrost models withdifferent thickness

图4显示：冻土厚度每变化10 m，AeroTEM系统第一道变化约30 nT/s，第三道变化约19 nT/s,第五道变化约12 nT/s，在信号早期具有一定差异，而质量较好的实际数据测线噪声水平一般不超过±8 nT/s，具备一定底界面探测能力；对于Impulse系统，厚度变化造成的Hz实、虚分量变化较小，不同频率间均不超过5×10-6，与系统噪声水平接近，因此由冻土厚度引起的差异基本被噪声淹没，Impulse系统无法区分冻土底界面。

4.2 冻土电阻率影响分析

冻土电阻率与水的冻结程度和冻土岩性有关，识别冻土电阻率的变化可以有助于了解地下温度和岩性变化。设置如图5所示的地电模型，其中冻土电阻率分别选取200、300、500、1 000 Ω·m，厚度固定为50 m，冻土下地层电阻率100 Ω·m，厚度为450 m，基底500 Ω·m，正演计算时间域和频率域航空电磁响应，结果见图6。

图5 冻土地电模型2Fig.5 Geoelectric model 2 of frozen soil

图6 不同电阻率冻土模型的电磁响应Fig.6 Response of permafrost models with different resistivities

图6显示，高阻冻土电阻率的变化对频率域和时间域响应均有较明显影响。频率域高频响应差异约在20×10-6，中频响应的虚分量变化比实分量大，但随着电阻率的升高，这种影响逐渐减弱，同时，随着电阻率的升高，频率域和时间域响应幅值整体减弱，尤其是频率域响应，当电阻率达1 000 Ω·m时，Hz实、虚分量均低于45×10-6，低频下Hz分量甚至低于10×10-6，整体响应极易受噪声影响，时间域响应的影响超过25 nT/s左右；因此，时间域和频率域航空电磁均能够识别冻土电阻率变化，但随着电阻率的增加，这种识别能力逐渐减弱，且易受噪声干扰。

4.3 融化冻土影响分析

7～10月，随着温度变化，祁连地区表层季节性冻土融化，形成低阻层，厚度一般在1～2 m。为了分析融化冻土厚度和电阻率变化的影响，设计了如图7所示的地电模型：多年冻土电阻率为300 Ω·m；融化冻土电阻率为50 Ω·m，代表湿地及湿润草甸；多年冻土和表层融化冻土厚度共50 m，融化冻土厚度随温度和海拔变化，分别设置为0、1、2、4 m；冻土下地层电阻率100 Ω·m，厚度为450 m；基底电阻率500 Ω·m。正演计算时间域和频率域航空电磁响应，结果如图8所示。

图7 冻土地电模型3Fig.7 Geoelectric model 3 of frozen soil

图8 不同厚度融化冻土模型的电磁响应Fig.8 Response of melting permafrost models with different thickness

图8显示：在1～4 m范围内，AeroTEM时间域系统对融化冻土厚度变化不敏感，每增加1 m引起的早期第一道响应变化不超过10 nT/s；Impulse系统高频信号对融化冻土厚度反应较敏感，其中虚分量比实分量变化更大，平均增加1 m引起的高频响应差异实分量约为12×10-6，虚分量约为16×10-6，虚分量大于理论高频噪声水平的3倍。因此，相对于时间域系统，频率域系统更容易确定融化冻土厚度，进而辨别多年冻土顶界面变化，但噪声不能过大。当然，随着水分蒸发，融化冻土电阻率增加，Impulse系统对融化冻土厚度的敏感性也将大幅降低。

4.4 冻土层下低阻层影响分析

由于祁连部分地区冻土层下有低阻层存在，而航空电磁对低阻层敏感，因此有必要分析低阻层对确定冻土厚度的影响。设计如图9所示的模型4：基底以上地层厚度共500 m，其中冻土电阻率300 Ω·m，厚度50 m或80 m，常规地层电阻率100 Ω·m，低阻层电阻率取25 Ω·m或50 Ω·m。模拟不同情形下低阻层对系统响应的影响，结果如图10所示。

由图10可知，对比2个系统，冻土下低阻层对AeroTEM系统影响更大。当冻土厚度50 m时，不同情形下，前五道早期道响应差异均大于25 nT/s，而频率域系统下，中频响应差异最大，但仍不超过8×10-6，无法从噪声中区分。当冻土厚度达80 m时，低阻层的影响减弱，时间域系统下已很难与无低阻层且冻土厚50 m时进行区分，且此时无论是频率域响应还是时间域响应，均小于无低阻层时的响应。这一情况也对应了反演中的多解性问题，需要增加约束信息，如钻孔信息或横向约束来区分。本次模拟表明，在冻土厚度一定时，冻土下低阻层的存在可帮助AeroTEM系统识别冻土层的底界面，且低阻层的电阻率越低、厚度越厚，系统的识别能力越强。

4.5 飞行高度影响分析

以图7中的模型3为例，分析飞行高度对Impulse系统识别融化冻土能力的影响。首先固定融化冻土厚度为2 m，计算飞行高度分别为40、45、50 m时的频率域电磁响应。另外在飞行高度为40 m时，分别计算表层融化冻土厚度为0、1、2、4 m时的电磁响应，结果如图11所示。

图9 冻土地电模型4Fig.9 Geoelectric model 4 of frozen soil

图10 不同低阻层的电磁响应Fig.10 Response of permafrost models with different Low resistivity layers

图11显示，随着飞行高度降低，高频的电磁响应强度大幅增加，尤其是虚分量，因此飞行高度越低，有用信号越强。此外，当飞行高度固定为40 m时，融化冻土每米变化引起的高频响应差异实分量约为16×10-6，虚分量约为30×10-6，与图8飞行高度50 m响应相比，高频响应差异进一步增大，识别融化冻土能力进一步增强。

图11 模型3不同飞行高度的Impulse系统Hz分量响应Fig.11 Hz response of Model 3 with different flight altitudes

以图3中的模型1为例，分析飞行高度对AeroTEM系统识别冻土厚度变化识别能力的影响。首先固定冻土厚度为70 m，计算飞行高度分别为40、45、50 m时的时间域电磁响应，另外在飞行高度为40 m时，分别计算多年冻土厚度为50、60、70、100 m时的电磁响应，计算结果如图12所示。

图12 模型1不同飞行高度的AeroTEM系统dBz/dt响应Fig.12 dBz/dt response of Model 1 with different flight altitudes

由图12可知，随着飞行高度降低，电磁响应强度一定程度增加，每5 m变化约22 nT/s，有用信号增强。此外，当飞行高度固定为40 m时，平均多年冻土每10 m变化引起的第一道响应差异约为33 nT/s，第三道响应差异约为21 nT/s，第五道响应差异约为12 nT/s；与图4中飞行高度50 m响应相比，电磁响应差异变化不大，识别冻土厚度能力受飞行高度影响较低，但信噪比可进一步提升。

4.6 线圈俯仰角影响分析

实际飞行中，风速、飞行速度的变化会导致吊舱或线圈与水平方向呈现一定角度，对接收线圈中观测的电磁响应产生影响。飞行姿态一般用俯仰角、翻滚角和方位角等3个角度来描述，在实际飞行中，俯仰角受风速和飞行速度的影响最大，因此本文只讨论俯仰角对冻土探测能力的影响。

以图7中的模型3为例，分析俯仰角对Impulse系统识别融化冻土能力的影响。首先固定融化冻土厚度为2 m，飞行高度50 m，计算俯仰角为0°、5°、10°和15°时的频率域电磁响应，结果如图13所示。

图13 模型3不同线圈俯仰角的Impulse系统Hz分量响应Fig.13 Hz response of Model 3 with different coil pitch Angles

图13显示，随着俯仰角的增大，高频电磁响应强度逐渐增加，其中5°俯仰角引起的变化不大，但当俯仰角达到10°和15°时，高频响应差异超过10×10-6，与融化冻土厚度变化引起的响应差异相当。因此，由俯仰角引起的差异对融化冻土识别能力影响较大，需要在飞行前注意风向和风速的变化，飞行中对飞行速度进行控制，确保俯仰角不超过5°。

以图3中的模型1为例，分析俯仰角对AeroTEM系统识别冻土厚度变化识别能力的影响。首先固定多年冻土厚度为70 m，飞行高度50 m，计算俯仰角为0°、5°、10°和15°时的频率域电磁响应，结果见图14。

图14 不同线圈俯仰角模型1的AeroTEM系统dBz/dt响应Fig.14 dBz/dt response of Model 1 with different coil pitch Angles

图14显示，随着俯仰角的增大，电磁响应强度逐渐减弱，但不同俯仰角间响应差异不大，其中10°引起的响应差异约为6 nT/s，小于噪声水平。因此，俯仰角对AeroTEM系统冻土厚度探测能力的影响有限，但仍需要在飞行前注意风速和飞行中对飞行速度进行控制，确保俯仰角不超过10°。

5 结论

针对AeroTEM和Impulse航空电磁系统，通过一维正演模拟不同条件下冻土地区时间域和频率域响应，分析航空电磁技术对祁连地区冻土厚度和顶底界面探测能力。分析结果表明：

1)Impulse系统可分辨表层低阻融化冻土厚度变化，确定湿地及湿润草甸地区多年冻土顶界面，但对底界面变化敏感度较弱；AeroTEM系统对表层融化冻土敏感度较弱；

2)AeroTEM系统对冻土厚度的变化比Impulse系统敏感，可用于确定多年冻土的底界面，但对表层融化冻土厚度变化敏感度较弱；

3)冻土层下的低阻层可以提高AeroTEM系统对冻土底界面的识别能力，且随着低阻层厚度增加、电阻率降低，识别能力越强；

4)Impulse系统和AeroTEM系统对多年冻土电阻率变化均较敏感，Impulse系统更易区分，但随着电阻率的增加，两个系统的整体响应也越来越弱，低频响应和晚期响应容易被噪声淹没；

5)飞行高度越低，2个系统的响应越强，信噪比越高，同时能够提升Impulse系统的融化冻土探测能力，但对AeroTEM系统探测能力提升有限，因此有必要尽量保持较低的飞行高度；

6)由于风速和飞行速度，线圈或吊舱而存在俯仰角对Impulse系统冻土探测能力影响较大，对AeroTEM系统冻土探测能力影响较小，因此需要保证Impulse系统飞行平稳，保持吊舱水平。

根据以上结论，综合利用高质量的AeroTEM和Impulse航空电磁数据，可以识别冻土层的顶底界面变化，但冻土厚度准确性受飞行高度、飞行平稳性和系统噪声影响较大，实际应用效果有待验证。此外，航空电磁法受人文干扰严重，数据处理技术对结果影响较大；同时时间域航空电磁系统质量较大，在高海拔地区对飞机起降点的高度、温度和风速要求较高，这些不足之处也应在冻土调查中引起足够重视。