基于MTM技术的复杂地质特征分析

徐 岩 付艳红 肖福民

（1．白城市水资源管理中心，吉林 白城 137000；2．吉林省水文水资源局白城分局，吉林 白城 137000；3．通榆县水政水资源管理中心，吉林 白城 137200）

地表以下的地质探测是一项非常重要的工作，对于地下水资源勘探、地下油气资源勘探、环境治理与保护都具有十分重要的意义。在很多地区，地表下的地质结构都非常复杂，这给常规的探测分析方法增加了难度[1]。MTM技术通过向地下发送电磁信号，进而接收并观测反馈电流和反馈电压信号，可以完成复杂地质特征的探测和分析[2]。MTM技术不仅避免了钻孔挖掘探测的大量人力消耗，还可以提供更为准确的地质探测和分析结果，是复杂地质特征分析的未来发展方向[3]。该文对MTM技术的探测原理进行分析，进而通过实际的探测试验来观察MTM技术对于复杂地质特征的分析结果。

1 MTM方法的探测原理及分析过程

采用电磁分析的方法进行地质特征探测和分析，是一种无破坏、低人工消耗的测量技术。MTM是电磁分析技术中一种比较新颖的方法，属于时间域上的电磁分析方法。通过接地电偶，MTM方法可以实现同被探测地点地下的连接。通过该电偶，电流被注入探测区域的各地质层并形成电磁场。探测信号发送完毕后，可以借助接收电偶或者磁场传感器接收反馈回来的电信号或者磁信号。MTM方法发射和接收电磁信号的形式如图1所示。

从图1可以看出，地质结构呈现出分层的形态，从地表延伸到地下形成各个层次。Z表示地质层的深度演变方向，X表示水平方向，Y表示垂直水平的方向。

得到电磁信号图谱后，对于视觉异常的区域可以采用积分方程法进行数学层面上的特征分析。该方法针对性强，处理的特定区域小，不仅处理速度快，而且可以分析更准确，是MTM方法完成后续分析的核心。

地质层分布建模包括一维建模方式、二维建模方式、三维建模方式以及多维建模方式。其中，一维建模方式配合简单的解析表达式即可以完成地质各层特征分析；二维和三维建模方式，可以构建简单数学模型或采用解析的方法来进行地质分析。对于三维及以上的建模方式，就需要配合数值分析的方法，使用积分方程。对于该文的三维复杂地质构造来说，采用积分方程完成MTM分析是合理和恰当的。根据电磁波传播和电磁场理论，地质结构中的电磁场一般都相伴发生并存在，从而形成电场和磁场的交互作用。这种形式的电磁场如公式（1）所示。

式中：E代表了电场强度的大小，H代表了磁场强度大小，B代表了电场和磁场之间的感应强度，D代表了电位移的大小。

根据电磁场模型引入一个反馈参数A以后，可以得到MTM测量的方程，如公式（2）所示。

式中：A表示反馈参数，k表示电磁波参数，P表示电场产生的功率，u0表示电场电压初值，i表示电流强度，φ表示电导率函数，ω表示角频率，σ表示电导率。

根据上述公式，可以建立MTM发射的电磁信号到接收的电磁信号之间的关联，而其中涉及的变化表征了电磁信号传播过程中所受到的地质各层的影响，从而可以判定地质结构的特征。

2 潜水层复杂地质结构的MTM分析

MTM技术可以用于地质结构的特征探测与分析。如果在地质层的常规分布层次中，存在一个潜水层，可以通过MTM技术探测定位并确定其范围。特殊物质层的分布区域远远大于MTM方法的探测宽度范围，与特殊物质层的分布纵深远远大于MTM方法的探测深度范围这两种情况下，MTM方法会有不同的特征反馈。

为了验证MTM技术对特殊层的探测和特征分析能力，首先针对一个含有潜水层物质的地质层进行探测试验，试验过程及结果如下。

用参数h表示潜水层在地质结构中的深度，其Z方向上的潜水层结构厚度达到了80m，X方向延展长度达到了2000m，Y方向上延展长度达到了1000m。在采用MTM技术进行分析时，按照20m边长的立方格单元进行划分。在MTM电磁波的探测范围从1000m逐步增至10000m的情况下，观察MTM的反馈结果。在该试验中，地质层的平均电阻率为100Ω，潜水层物质的电阻率为50Ω。

首先来观察潜水层位于h=3m深度下的情况，用MTM方法测量得到的电磁波图谱如图2所示。

图2中，横轴为X方向上的测量长度，纵轴为电磁波反馈的时间。从图2中可以看出，MTM方法测量得到的电磁波图谱中，不同地质结构的层次呈现出不同的颜色特征。各层次除了顶层的水平排布外，其他地质层发生了垂直向翻转，表明这一区域可能遭遇过较强的地质运动影响。

图2中，方框区域，圈定的就是MTM方法检测到的潜水层物质。其在X方向上的位置大致位于1000m～2000m，在MTM反馈时间为10-2s时呈现出最为明显的特征。其次来观察潜水层位于h=12m深度下的情况，MTM方法测量得到的电磁波图谱如图3所示。

图3中方框区域圈定的是MTM方法检测到的潜水层物质。其在X方向上的位置位于2500m～3000m，在MTM反馈时间为10-2s～10-1s时呈现出最为明显的特征。

上述试验过程，表明MTM方法可以准确地检测到潜水层物质在地质结构中的分布，并以可视化的形态展示其位置和特征。

3 承压水层复杂地质结构的MTM分析

为了验证MTM技术对不同水层探测和特征分析能力的鲁棒性，进一步对一含有承压水层物质的地质层进行探测试验，试验过程及结果如下。

用参数h表示承压水层在地质结构中的深度，其Z方向上的承压水层结构厚度达到了200m，X方向延展长度达到了2000m，Y方向上延展长度达到了1000m。在MTM技术的分析处理下，按照20m边长的立方格单元进行划分。在MTM电磁波的探测范围从1000m增至10000m的情况下，观察MTM的反馈结果。在该试验中，地质层的平均电阻率为100Ω，承压水层物质的电阻率为60Ω。

首先来观察承压水层位于h=30m深度下的情况，MTM方法测量得到的电磁波图谱如图4所示。

图4中左侧中间位置处的深蓝色的层次，就是MTM方法检测到的承压水层物质。其在X方向上的位置大致位于1400m～2000m，在MTM反馈时间为10-2s时呈现出最为明显的特征。

其次来观察承压水层位于h=60m深度下的情况，MTM方法测量得到的电磁波图谱如图5所示。

图5中中间偏左位置处的深蓝色层次，就是MTM方法检测到的承压水层物质。其在X方向上的位置大致位于2500m～3000m，在MTM反馈时间为10-2s时呈现出最为明显的特征。

4 结论

地质结构的准确勘探和特征分析，对于地下水资源、地下各类能源物质的发现和采掘具有重要意义。该文采用一种基于电磁波发射和收集完成测量的MTM方法，用于地质结构特征的分析。首先介绍MTM方法的工作原理和测量过程。其次，分别针对地质结构中含有潜水层和承压水层的情况进行特征分析试验。试验结果表明：MTM方法可以准确地探测出地质结构中不同水层的存在，并根据电磁波图谱可以清晰地观察到不同水层所在的区域和位置。