0 引 言

随着社会经济和城市建设的发展，人们对工程和环境地质问题的关注，需要对近地表进行高分辨率探测与评价(嵇艳鞠，2004；于省宝等，2006；马国财等，2013).电磁方法是浅部环境与工程探测的重要方法，包括频率域和时间域电磁方法.近地表目标探测对于电磁方法来说是个难题，而这一范围却与人类活动极为密切.对于频率域来说，地下介质一定时，探测深度由频率决定，要达到探测浅层目标体的目的，必须提高观测信号的频率.当频率非常高时，其主要表现为波的直线传播，这就是探测雷达的设计原理.探地雷达是浅表地球物理科学技术中的一项重要手段，应用十分广泛(刘澜波和钱荣毅，2015).但其频率范围一般为几十兆赫兹至数千兆赫兹，探测范围可从几厘米至几十米，而且分辨率很高.而实际在城市道路上探地雷达的最佳探测范围只有不到十米，特别在低阻覆盖层下探测深度更小，主要原因有两种：

(1) 低阻覆盖层的屏蔽作用，高频成分迅速衰减，只有低频成分才有可能到达下层.

(2) 穿过低阻层到达下层的低频成分波的绕射和感应特性增强，使探测能力降低.地下2~100 m左右的深度范围是频率域方法的一个弱视区(或半盲区).对于时间域来说，探测深度是由观测时间的早晚决定的，要探测浅层目标体，只需缩短最早取样时间(嵇艳鞠，2004).这也是当今浅部探测中人们主要研究并采用时间域电磁法的原因.

时间域电磁法的最小探测深度不仅与接收机的采样速率、噪声性能等因素有关，还与发射机的关断时间(包乃利等，2013)、关断波形以及关断之后的第一次采样时刻等因素有关(嵇艳鞠，2004；嵇艳鞠等，2006).目前常用的加拿大TEM仪器EM-47的最小探测深度约为18 m，俄罗斯TEM-FAST仪器最小探测深度7 m，还是达不到浅层探测的要求，主要原因在于仪器的最早取样时间“太晚”，在0~10 μs之间.由于理论和技术方面的许多困难，问题一直没有得到解决.20世纪90年代，由于环境和工程探测的迫切需要，浅层地球物理方法得到快速发展，这一问题受到重视.90年代中后期，美国国家自然基金会的VETEM(Pellerin，2000)计划取得了突破性进展，发射机的关断时间小于10纳秒，接收范围10~1000纳秒，可以探测0~5 m内的非导电体和导电体两者的差异.近年来国内吉林大学林君、中南大学席振铢等人在浅层TEM仪器研制上取得了重要进展.值得一提的是，中南大学针对地下0~100 m地质目标体勘探而设计制造的高精度瞬变电磁系统.该系统采用统一标准垂直发射磁源、磁感应接收传感器、高速24位采集卡以及高密度测量等技术实现了浅层高精度瞬变电磁勘探，这是与常规的瞬变电磁法仪器的不同之处.

本文首先阐述了瞬变电磁法的基本原理，然后介绍了该浅层瞬变电磁仪方法技术特点，采用的工作装置，接着简要地分析了基于“烟圈”理论的一维快速反演解释，最后结合工程实例，探讨浅层瞬变电磁法的应用效果.

1 方法要点

瞬变电磁法(李貅，2002；牛之琏，2007)(Transient electromagnetic methods)或称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)，它是利用不接地回线或接地线源TX向地下发送一次脉冲电磁场H1，以激励探测目的物感应二次电流，在脉冲间隙测量二次场H2随时间变化的响应.探测原理示意图如图 1所示.

1.1 浅层瞬变电磁仪

本节主要介绍浅层瞬变电磁仪(席振铢，2014)的特性.该套系统发送机采用高度集成的电路结构和高速的开关器件，保证了每次关断的一致性，形成稳定的一次磁场和涡流，同时有效缩短了关断时间，减少了浅层数据的失真.采用统一标准的微线圈对偶磁源、高灵敏磁感应接收传感器，提高了系统的动态范围，高采样率保证了数据精度和信号带宽；传感器采用超低噪声放大器，降低了系统噪声，有效压制外界干扰.

该系统通过Wi-Fi外接平板电脑或PC实现数据采集显示控制，也可以通过移动网络信号实现远距离数据传输及采集控制，整套系统轻便小巧、实用高效，便于野外作业.

1.2 工作装置

瞬变电磁探测中常采用中心回线和重叠回线装置：中心回线装置可以使发射回线与地质体耦合最大，体积效应最小，分辨率高，点位准确，数据质量高，能更好的反应地下地质体的电性特性；重叠回线装置探测精度及异常重现性都较好，观测质量有保证(马国财，2013).

1.3 “烟圈”理论

发射回线中通以阶跃变化的电流，当电流突然断开时，在其周围产生急剧变化的磁场和电场，急剧变化的磁场形成涡流以维持在断开电流以前存在的磁场，此瞬间的电流集中于发射线圈(Tx)附近的地表，并按r^-4规律衰减(r为Tx中心至观测点的距离).随后，电磁能量从场源所在地传播到地下，激发的电流就像“烟圈”(“环带”形)(m纳比吉安，1992； Nabighian，1994；李金铭，2005)一样随时间扩散到大地深处，如图 2所示.

M. N. Nabighian(Nabighian，1994)指出，感应涡流场在地表引起的磁场为整个“环带”各个涡流层的总效应，这种效应可以近似地用向下传播的电流环来等效.电流环好像是发射回线吹出来的“烟圈”，其形状与发射回线相同，随着时间的增加而向外扩大，向下变深.对某一时刻t_i(采样时间)可用一个电流环的响应来等效地表上t_i时刻的瞬变响应值，该时刻的电流环就是镜像源的位置(深度)，通过改变镜像源的深度位置就可以得到整个延时时间的瞬变响应.

2 应用实例 2.1 北京万寿路试验

为了验证浅层TEM在城市道路探测中的有效性，在北京万寿路某段路面进行试验.该段道路位于城市繁华地段，周边布满电力传输线，地下15 m左右有地铁运行.本次测试采用中心回线装置，发射线圈为半径0.6 m的圆形线圈(与常规矩形线圈本质相同)，接收回线的等效面积为100 m²，发送电流2 A，发射频率25 Hz，关断时间为2 μs.沿道路由北向南布设一条测线，线长50.0 m，点距1.0 m，点号由小到大，共50个测点，测试现场如图 3所示.测线28.0 m和37.0 m处分别布有37^#和36^#钻孔，具体岩性如表 1所示.

图 4给出了浅层瞬变电磁解释结果，从视电阻率断面图中可以看出：整条测线地下2.5 m以上的视电阻率小于150 Ω·m，由于路基较浅，分别为0.9 m和1.1 m，电磁波很快穿透这层，浅部低电阻率主要反映粘粉土和细砂，这和钻孔揭示填土区域相符；地下2.5~9.5 m电阻率分布不均，形成一些闭合的高阻异常区和低阻异常区.其中，实线圈-相对高阻异常区，虚线圈-相对低阻异常区.图中高阻区可以推断为脱空、空洞病害(陈昌彦等，2012)，有些可能为回填的建筑垃圾形成的空隙造成的结果；低阻区推断为疏松病害或富水异常；最小异常尺寸为0.5 m×0.5 m，分辨率较高.为了验证以上推断，在钻孔37^#采用钻孔电视成像技术摄像，由于石头卡孔，测线只放到地面以下4.18 m处，成果如图 5所示.从图中可以看出，从地面以下4.1 m开始出现空洞，这和图 4中异常位置A相符合.在这种强电磁噪声的情况下，浅层瞬变电磁并没有出现常见的“挂面条”现象，这说明该浅层瞬变电磁仪具有很强的抗干扰能力，测得数据质量可靠.

2.2 北京门头沟道路采空区探测

北京市门头沟区历史悠久，煤窑众多，由私企、私人盗采的小煤窑留下大量的采空区，对地面安全造成重大隐患.为了测试该仪器的性能，在已知采空区路段布设一条长50.0 m的测线，点距1.0 m.测线周边环境复杂，电力线较多，四周有居民房屋.仪器参数与上面试验相同.

经过相同的一维反演处理，得到图 6的视电阻率断面图，从图可以看出：整体电阻率值较高，这和该地砂岩性质有关；在地下16 m左右存在长条低阻异常带，这和该处钻孔揭示的煤层相符，而且瞬变电磁不受该处低阻屏蔽的影响，电磁波继续向下传播；图中左下角存在一低阻异常区，经验证该处为采空区；由于场地限制，不然低阻异常区可以看得更明显.同样可以看出，仪器具有较强的抗干扰性，数据影响较小.

3 结 论

瞬变电磁法在地下中深部勘探中得到广泛的应用，但在城市道路地下病害检测上的研究与应用才刚刚开始.本次将浅层瞬变电磁法引入到城市道路地下病害的检测工作中，测试效果较好.只要仪器具有足够早的采样时间、较强的抗干扰性以及合适的处理解释方法，那么浅层瞬变电磁法将在道路检测中发挥越来越重要的作用.

致谢 感谢湖南五维地质科技有限公司为本次实验提供的测试设备及技术指导.