等值反磁通瞬变电磁法在城市地质调查中的应用

doi:10.11720/wtyht.2023.1554

等值反磁通瞬变电磁法在城市地质调查中的应用

何胜^,¹^,²^,³^,⁴, 王万平⁵, 董高峰¹^,², 南秀加³, 魏丰丰³, 白勇勇³

1.青海省环境地质勘查局,青海西宁 810008

2.青海省环境地质重点实验室,青海西宁 810008

3.青海九零六工程勘察设计院有限责任公司,青海西宁 810007

4.青海省地质环境调查院,青海西宁 810008

5.青海省国土整治与生态修复中心,青海西宁 810008

Application of the opposing-coils transient electromagnetic method in urban geological surveys

HE Sheng^,¹^,²^,³^,⁴, WANG Wan-Ping⁵, DONG Gao-Feng¹^,², NAN Xiu-Jia³, WEI Feng-Feng³, BAI Yong-Yong³

1. Qinghai Bureau of Environmental Geology Exploration,Xining 810008,China

2. Key Laboratory of Environmental Geology of Qinghai Province,Xining 810008,China

3. Qinghai 906 Engineering Survey and Design Institute Co.,Ltd.,Xining 810007,China

4. Qinghai Institute of Geological Environment Survey,Xining 810008,China

5. Qinghai Provincial Land Remediation and Ecological Restoration Center,Xining 810008,China

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2022-11-24 修回日期: 2023-08-8

基金资助:

青海九零六工程勘察设计院有限责任公司科技项目“基于电震联合的深层卤水探测理论与识别方法研究”(2023-KJ-04)
青海省自然资源厅省基金项目“青海省海东市(平安区乐都区)城市地质调查评价”(2022012023sh003)

Received: 2022-11-24 Revised: 2023-08-8

作者简介 About authors

何胜(1988-),男,物化探高级工程师,本科,长期从事水文物探、工程物探、地热勘探与研究工作。Email:395579229@qq.com

摘要

随着城市基础建设的快速发展,对城市地质工作的需求日益增强,城市地质调查工作显得尤为重要。在城市中开展物探工作,因探测目的和工作环境的不同,与传统应用物探方法相比,城市地质调查所采用的物探方法具有干扰因素多、施工场地和时间有限、探测精度要求高等特点,而等值反磁通瞬变电磁法具有抗干扰能力强、施工方便、快捷、分辨率高等优点。本文采用该方法在海东市城市地质调查评价中进行试验剖面,该剖面横穿11条公路和铁路,穿过厂房、学校、物流园、村庄、生活小区、河流等干扰物,干扰源众多。结合电阻率测深点资料,等值反磁通瞬变电磁法探测结果与电测深单点结果、钻探揭露情况吻合较好,证明该方法对城市地质调查探测是行之有效的。

关键词： 等值反磁通瞬变电磁法; 城市地质; 干扰源; 电阻率测深

Abstract

With the rapid development of urban infrastructure,the demand for urban geological work is increasing,and urban geological surveys become particularly important.Urban geophysical exploration has different exploration purposes and working environments from conventional geophysical exploration.Accordingly,compared with conventional geophysical exploration methods,the geophysical exploration methods for urban geological surveys face the challenges of many interference factors,limited construction sites and time,and high requirements for exploration accuracy.The opposing-coils transient electromagnetic(OCTEM) method enjoys a strong anti-interference ability,convenient and efficient construction,and high resolution.Therefore,this study employed the OCTEM method to investigate the test profile in the urban geological survey and evaluation of Haidong City.This test profile was subjected to numerous interference sources since it crossed 11 highways and railways and passed through factories,schools,logistics parks,villages,living quarters,and rivers.Consequently,the OCTEM results agree well with the results of single-point resistivity sounding and drilling results.Therefore,the OCTEM method proposed in this study is effective for urban geological surveys.

Keywords： opposing-coils transient electromagnetic method; urban geology; interference source; resistivity sounding

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本文引用格式

何胜, 王万平, 董高峰, 南秀加, 魏丰丰, 白勇勇. 等值反磁通瞬变电磁法在城市地质调查中的应用[J]. 物探与化探, 2023, 47(5): 1379-1386 doi:10.11720/wtyht.2023.1554

HE Sheng, WANG Wan-Ping, DONG Gao-Feng, NAN Xiu-Jia, WEI Feng-Feng, BAI Yong-Yong. Application of the opposing-coils transient electromagnetic method in urban geological surveys[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2023, 47(5): 1379-1386 doi:10.11720/wtyht.2023.1554

0 引言

海东市地处河湟谷地,是丝绸之路经济带和兰西城市群的中心腹地,是青海的东部门户,也是青海省功能优化的重要城市,高原现代农业的示范地区,东部城市群的重要支撑,全省科学发展的新增长极。随着近年来海东市撤地建市,城市发展对城市地质工作的需求日益增强。为破解海东城市发展面临的资源环境问题,充分发挥地质调查成果在本省城市规划、重大工程建设、城市地下空间资源和地质资源开发与环境保护决策中的作用,开展了本次城市地质调查物探工作。

目前,在城市地质调查中采用的物探方法有很多种,如地质雷达、地震反射、地震映像、主动源面波、微动探测法、高密度电阻率法、直流电测深法、音频大地电磁测深法、瞬变电磁法等^[1-2]。地质雷达对探测埋深5 m内的地质情况效果较好,但对埋深超过5 m的探测效果欠佳;地震反射、地震映像、主动源面波等主动源地震方法在城市中常受到严重的人为干扰,测线布置困难,施工不便;微动探测法观测时间较长,探测效率较低^[3-4]。因城市地面被建筑、植被、硬化路面高度覆盖,加之铁路、公路、河流造成接地条件不利及展布空间受限,制约了高密度电阻率法和直流电测深法的大规模应用,因此,本次工作只在3个易跑极点位进行了直流电测深验证工作。城市内民用电线、高压线、信号塔、铁路等来往穿梭,开展常规频率域电磁法或瞬变电磁法则无法避开工区内的电磁干扰,影响其探测效果,经过前期高密度电法探测试验结果(由于无法完整布极未能完成整条剖面探测)并多次讨论与研究,决定采用等值反磁通瞬变电磁法(opposing coils transient electromagnetics method,OCTEM)进行探测,采用接收一体的小回线装置,不受场地限制,发送和接收在各测点上均保持一致,OCTEM解决了瞬变电磁法早期信号受互感影响的问题,避免了浅层探测盲区,抗电磁干扰能力强,且施工便利,工作效率高^{[5⇓⇓⇓-9]}。

本文采用等值反磁通瞬变电磁法在海东市城市地质调查评价中进行试验剖面,物探剖面横穿11条公路和铁路,穿过厂房、学校、物流园、村庄、生活小区、河流等干扰物,干扰源众多。结合电阻率测深验证点和钻探资料查明了工区湟水河河谷地区第四系松散层地层岩性、厚度及新近系基底的起伏情况,为城市地质调查评价提供物探依据,从而减少钻探工作量,并证明了该方法在城市地质调查探测中的有效性和实用性。

1 地质概况及地球物理特征

1.1 地质概况

本次研究区主要位于湟水河中下游,新近—古近纪时期盆地强烈下降,沉积了巨厚的湖相碎屑岩层。在湟水河的长期强烈侵蚀作用下,形成了山间河谷地貌景观。依地貌成因及形态划分为低山丘陵区和河谷平原区两种类型。

研究区内出露的地层主要为第四系(Q)、新近系(N)、古近系(E)、白垩系(K)地层,但物探剖面线上只出露了第四系(Q)和新近系(N)。第四系全新统主要分布于河漫滩及Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级阶地,主要岩性为黄土状土和卵石、碎石。新近系中新统主要出露在盆地南北两侧一带,产状平缓,主要为湖泊和冲洪积扇相的泥岩及粗碎屑岩。新近系由谢家组、车头沟组及咸水河组组成,与下伏渐新统马哈拉沟组整合接触,上被第四系覆盖,本区内仅出露中新统谢家组(N₁x),工区地层分布情况如图1所示。

图1

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图1 物探工作布置示意

Fig.1 Schematic diagram of geophysical prospecting work layout

1.2 地球物理特征

地层、岩石物性是物探解释的依据和基础,其特征变化是引起视电阻率曲线特征变化的主要因素^[10-11]。工区地层主要分为两大层三小层,即第四系覆盖层和新近系基底层;第四系(Q)地层中主要由黄土状土、卵石、碎石组成,新近系(N)地层主要由泥岩、砂岩组成。通过收集以往物性资料及本次孔旁测深资料统计工区电物性见表1。

表1 研究区地层电物性统计

Table 1 Statistical of formation electrical and physical properties in the study area

序号	地层	岩性	电阻率/ (Ω·m)	常见值/ (Ω·m)
1	Q	黄土状土	45~90	55
2	Q	卵石、碎石	80~260	150
3	N	泥岩	5~90	15
4	N	砂岩	80~150	110

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由研究区地层电性参数统计表1可知,第四系卵石电阻率相对较高,为工区目标地层最高阻电性特征,当含水时其电阻率降低,亦为工区主要赋水岩层;第四系黄土状土电阻率为工区次低阻电性特征,为基本不赋水地层。新近系泥岩层为工区最低阻地层,为相对隔水层;新近系砂岩为工区次高阻岩性层,可作为碎屑岩类孔隙裂隙赋水层。上述各岩层电阻率大小差异明显,利用等值反磁通瞬变电磁法探测工区湟水河河谷地区第四系松散层地层岩性、厚度及新近系基底的起伏情况具有较好的物性前提。

2 工作方法及布置

2.1 方法原理

等值反磁通瞬变电磁法方法原理与传统回线瞬变电磁法相同,即由人工源向发射回线供入电流产生一次场,然后瞬间关断电流,激发大地感应出二次涡流场,再通过感应线圈接收随时间衰减变化的二次场,根据其幅值和变化规律,获得地下电阻率分布信息。

OCTEM与传统瞬变电磁法不同之处在于其采用反向对偶磁源小型中心回线装置(图2),上下两个发射线圈相同且平行共轴,二者电流同步且等值反向,接收线圈在距上下线圈相等的中间平面,在该平面上下两磁性源产生的垂向磁场大小相等方向相反,矢量叠加后垂向磁场恒为0,磁力线呈水平状,在该平面一次场总磁通始终为0,根据法拉第电磁感应定律,在发射电流关断前后接收线圈中将不产生一次场感应电动势,等效于消除了一次场的影响。在瞬态脉冲断电瞬间,近地表的磁场最强,感应涡流的极值圆环聚焦于近地表,随着关断间歇的延时,又产生新的涡流极值圆环,并逐渐向远离发射源的方向扩散,扩散速度和极值的衰减幅度与介质电阻率有关,随着衰减时间的增加探测深度增大,从而达到测深的目的。在接收面以外的大地区域,关断电流前后一次场磁通发生变化激发感应涡流,被感应线圈接收,从而OCTEM在早期不受一次场影响,将接收到大地纯二次场响应,可减小浅层探测盲区。对等值反磁通进行场源分析,建立以水平电流环中心为原点的柱坐标系(单位向量分别为 $u_{ρ} 、 u_{θ} 、 u_{z}$ ),采用矢量叠加原理得到等值反磁通瞬变电磁法一次场的计算公式:

(1)$\begin{array}{c}B_{\text {primary }}(\rho, z)=\left[B_{\rho}(\rho, z-d)+B_{\rho}(\rho, z+d)\right] u_{\rho}+ \\{\left[B_{z}(\rho, z-d)-B_{z}(\rho, z+d)\right] u_{z},}\end{array}$

图2

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图2 OCTEM 线圈及其径切面一次场磁力线

Fig.2 OCTEM coils and its primary magnetic field line on the diametric plane

式中:d为发射线圈和接收线圈之间的距离;B为磁感应强度。OCTEM二次场也可以通过叠加原理进行计算,从Maxwell旋度方程出发:

(2)$\nabla × H=\varepsilon \frac{\partial E}{\partial t}+\sigma E+J_{e},$

考虑边界条件:

(3)$n×(H^{1}-H^{2})I_{\Gamma}=0,$

(4)$J_{e}=P_{e}\omega (t)\delta(x)\delta(y)\delta(z),$

(5)$\omega(t)=\left\{\begin{matrix} 0, (t < 0)\\ 0, (t \ge 0)\end{matrix}\right.$

式中:H为磁场强度;E为电场强度;J_e为电流密度;ε为介电常数;μ为磁导率;t为时间;δ(x)、δ(y)、δ(z)为脉冲函数;P_e为电场或磁场的磁矩;ω(t)为源电流波形,利用有限元法求解磁场则可获得任意地电模型的瞬变电磁响应^[12-13]。

本次施工中等值反磁通瞬变电磁法采用湖南五维地质科技术有限公司生产的HPTEM-18型高精度瞬变电磁系统。测量模式为定点测量,发射频率6.25 Hz,叠加次数为300次。补充直流电测深验证点采用重庆奔腾数控技术研究所生产的WDJD-3型多功能数字电法仪,选定对称四极电阻率测深法,测量装置(AB/2)∶(MN/2)=5∶1,最小AB/2=1.5 m,最大AB/2=220 m,供电电源为铅酸电池,最大供电电压为432 V。

2.2 工作布置

在海东市平安区以35°方位垂直于湟水河布置了一条具有代表性的剖面W1进行等值反磁通瞬变电磁法试验,剖面W1横穿11条公路和铁路,穿过厂房、学校、物流园、村庄、生活小区、河流等干扰物,剖面两端均延伸至新近系地层;剖面总长3 760 m,点距20 m,布置物理点189点。根据等值反磁通瞬变电磁法探测结果及现场地形条件(适合电测深跑极),在该剖面780、2 080、3 080 m分别布置了D1、D2、D3共3个直流电阻率测深点,跑极方向为垂直于W1剖面。根据工作需要在机场东侧及主城区增加了两条OCTEM剖面,分别为W2、W3剖面,点距均为20 m,剖面长度分别为2 420、3 760 m。

3 资料解释及成果验证

3.1 资料解释

OCTEM采用系统自带的HPTEM DataProcess数据处理软件对野外采集数据进行处理。首先对野外数据剔飞值、去噪,然后通过参数分析、曲线类型分析和视电阻率分析等确定合适的反演参数,采用瞬态驰豫法进行反演,导出反演成果数据,并采用Surfer 软件绘制二维视电阻率反演成果。最后根据绘制的电阻率反演成果,结合电测深单点曲线和已知地质资料,进行综合解释。

从W1剖面二维反演电阻率断面(图3)可知,剔除剖面两端基岩出露地段,河谷平原区大致可分为3层结构,曲线类型为K型(ρ₁<ρ₂>ρ₃)(图4和图6)。其中河漫滩与Ⅰ级阶地前缘为两层结构,曲线类型为D型(ρ₁>ρ₂)(图5)。由图3可知,电阻率等值线纵、横向差异都较明显,电阻率值整体不高,其原因一方面是地层岩性本身引起,一方面是高阻地层岩性富含地下水。在剖面0~200 m之间电阻率纵向差异较小,且电阻率呈低阻特性,均小于20 Ω·m,根据地面地层出露情况,该处低阻为新近系(N)泥岩层,并为该区最低电阻率值地层。剖面距400~1 700 m和2 200~3 300 m是曲线类型为K型(ρ₁<ρ₂>ρ₃)的3层结构,表层电阻率较低,其值为45~90 Ω·m,为工区次低阻电性层,在湟水河南岸电阻率低于北岸,这是由于北岸的表层含有部分填土、碎石所致,结合直流电测深结果(图4、图6)推测表层黄土状土厚度在4~8 m;中部为高阻电性层,为第四系卵石层,厚度在5~30 m;深部为低阻或相对低阻,为新近系地层,第四系卵石层与新近系地层界线在其高阻极值点位置,深部低阻为新近系泥岩,次高阻为砂岩。剖面距1 700~2 200 m是曲线类型为D型(ρ₁>ρ₂)的两层结构(图5),第1层(表层)为第四系卵石层,厚度在10~13 m;第2层为新近系泥岩,为隔水层。

图3

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图3 等值反磁通瞬变电磁法W1剖面原始二次场剖面(a)及综合成果(b)

Fig.3 Original secondary field profile(a) and comprehensive result map(b) of OCTEM W1 section

图4

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图4 电测深D1(ZK6)单点曲线

Fig.4 Resistivity sounding D1(ZK6) single point curve

图5

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图5 电测深D2(ZK4)单点曲线

Fig.5 Resistivity sounding D2(ZK4) single point curve

图6

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图6 电测深D3(ZK3)单点曲线

Fig.6 Resistivity sounding D3(ZK3) single point curve

综上所述,整个剖面第四系地层均较薄,最厚处在国佐大街附近,厚33 m,主要富水层为第四系卵石层,富水地段在剖面距700~3 100 m,其中剖面距2 100~3 100 m卵石层相对较厚,结合地下水补给方向,推测该段为该剖面最为富水地段。基底埋深为中间和北段深、两端逐渐抬升,埋深在4~33 m。在剖面距3 600 m附近电阻率等值线出现陡立密集,且往南侧呈逐渐降低异常趋势,结合地面调查和前人资料推测该处发育有一往南倾斜的正断层F₁,倾角在45°左右,在新近系砂岩中错断,断距不明显,F₁断层周边电阻率值在90~110 Ω·m,推测该断层富水性一般。

鉴于OCTEM在该地区探测的有效性,并根据工作需要在机场东侧及主城区增加了两条OCTEM探测剖面(图7、图8),结合W1剖面建立了三维探测成果图(图9),W2和W3剖面均实施了钻探验证。

图7

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图7 等值反磁通瞬变电磁法W2剖面原始二次场剖面(a)及综合成果(b)

Fig.7 Original secondary field profile(a) and comprehensive result map(b) of OCTEM W2 section

图8

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图8 等值反磁通瞬变电磁法W3剖面原始二次场剖面(a)及综合成果(b)

Fig.8 Original secondary field profile(a) and comprehensive result map(b) of OCTEM W3 section

图9

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图9 等值反磁通瞬变电磁法探测三维切片成果

Fig.9 Three-dimensional slice result of OCTEM

3.2 成果验证

为了更好地查明上述地段第四系松散层地层岩性、厚度及新近系基底的起伏情况,并验证物探成果,在W1剖面780、1 720、2 080、3 080 m分别布置了ZK6、ZK5、ZK4、ZK3共4个钻孔;在W2剖面250、1 220 m分别布置了ZK34、ZK33两个钻孔;在W3剖面2 310、3 080 m分别布置了ZK17和ZK16钻孔。其中ZK6、ZK4、ZK3分别对应D1、D2、D3这3个直流电阻率测深点。通过地质钻探成果(表2)可知,物探推测成果基本与其吻合。综合研究表明:该研究区范围内Ⅱ、Ⅲ级阶地较连续、完整且第四系比Ⅰ级阶地厚,除W1剖面北端以砂岩为主外,研究区新近系基底岩性以泥岩为主,第四系主要富水层为卵石层。

表2 研究区地质钻孔资料统计

Table 2 Statistical of geological drilling well data in study area

序号	钻孔编号	孔深/m	地层埋深/m	岩性	地下水位/m
1	ZK3	45.1	0~3.0	黄土状土:灰黄色、黄褐色,稍湿稍密—中密,主要成分为粉土,手搓着砂感,干强度低韧性低,可搓成2~3 mm的土体	11.4
			3.0~9.0	碎石:灰白色,稍湿,稍密,一般粒径30~40 mm,碎成分主要为石英岩、砂岩、花岗岩及少量浅色变质岩等
			9.0~33.7	卵石:青灰色、灰白色,稍湿—湿,中密,一般粒径20~30 mm,成分主要为石英岩、砂岩、花岗岩及少量浅色变质岩等
			33.7~45.1	砂岩:33.7~36.4 m为强风化砂岩,36.4~41.4 m为中风化砂岩,41.4~45.1 m为微风化砂岩
2	ZK4	22.5	0~9.8	卵石:青灰色、灰黄色,稍湿,松散,一般粒径0.2~6 cm,最大7 cm,成分以石英岩、花岗岩为主	2.1
2	ZK4	22.5	9.8~22.5	泥岩:9.8~12.5 m为强风化泥岩,12.5~20.2 m为中风化泥岩,20.2~22.5 m为微风化泥岩	2.1
3	ZK5	31.2	0~13.5	卵石:青灰色,稍湿—饱水,稍密—中密,砾石约占20%,卵石约占70%,余为中粗砂,成分以砂岩、石英岩、花岗岩为主	无
3	ZK5	31.2	13.5~31.2	泥岩:13.5~19.4 m为强风化泥岩,19.4~27.7 m为中风化砂岩,27.7~31.2 m为微风化泥岩	无
4	ZK6	30.1	0~6.6	黄土状土:黄褐色,稍湿,稍密,手搓有砂感,刀切面粗糙,无光泽反应,强度低,手掰易碎,成分以粉土为主	11.1
			6.6~15.2	卵石:青灰色,湿,密实,一般粒径0.2~4 cm,最大5 cm,卵砾石成分以石英岩、花岗岩为主
			15.2~30.1	泥岩:15.2~18.1 m为强风化泥岩,18.1~24.5 m为中风化泥岩,24.5~30.1 m为微风化泥岩
5	ZK16	31.0	0~5.4	黄土状土:黄褐色,稍湿,松散,手版易碎,干强度低,成分以粉土为主
			5.4~10.5	卵石:青灰色,稍湿,稍密—密实,含砂及圆砾,一般粒径0.5~8 cm,最大11 cm
			10.5~31.0	泥岩:10.5~12.3 m为强风化,12.3~27.5 m为中风化,27.5~31.0 m为微风化
6	ZK17	33.4	0~2.0	黄土状土:黄褐色,稍湿,稍密,成分主要为粉土,具孔隙,土质较均匀
			2.0~10.8	卵石:青灰色、灰白色,稍湿—饱和,稍密—密实,最大粒径110 mm,分选性一般
			10.8~33.4	泥岩:10.8~15.2 m为强风化,15.2~27.3 m为中风化,27.3~33.4 m为微风化
7	ZK33	24.4	0~2.4	黄土状土:红褐色,稍湿,松散,成分以粉土为主
			2.4~10.0	卵石:青灰色,稍湿,稍密—密实,含砂及圆砾,一般粒径0.5~8 cm,卵石磨圆度一般
			10.0~24.4	泥岩:10.0~18.1 m为强风化,18.1~22.3 m为中风化,22.3~24.4 m为微风化
8	ZK34	49.95	0~5.3	黄土状土:灰黄色、黄褐色,稍湿,主要成分为粉土
			5.3~34.0	卵石:青灰色,稍湿—饱水,主要成分为石英、长石
			34.0~49.95	泥岩:34.0~41.6 m为强风化,41.6~47.3 m为中风化,47.3~49.95 m为微风化

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4 结论

1)基于研究区地质和城市干扰特征,采用等值反磁通瞬变电磁法探测,查明了研究区地下水分布特征及第四系松散层地层岩性、厚度,新近系基底的起伏情况,断层分布,为城市地质调查评价提供了地球物理依据。

2)通过直流电测深曲线、地质钻探对比验证,分析成果显示,基于等值反磁通瞬变电磁法勘探较为准确地揭示了研究区地层岩性厚度及地下水相对富水地段,但需要指出的是在推断解释时不能完全依据电阻率大小来划分地层界线,这样解释地层深度与实际地层相比偏深,需要结合曲线类型找准拐点来判断。

3)等值反磁通瞬变电磁法具有抗干扰能力强、成本低、受施工场地影响小、工作效率高,可获得较丰富的关于地电断面结构特征的二维地质信息等特点,能够适应复杂的城市环境,在城市地质调查中具有良好的应用效果。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

孙怀凤, 李凯, 陈儒军, 等.

浅层岩溶瞬变电磁响应规律试验研究

[J]. 岩石力学与工程学报, 2018, 37(3):652-661.