0 引言
电磁法是评估冻土层厚度的有效手段之一,冻土层与非冻土层的电性差异是电磁法探测多年冻土的基础[8⇓⇓-11]。自20世纪70年代以来,北美、欧洲等学者将航空/地面电磁勘探技术应用于冻土层调查研究,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。例如,美国学者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[12];瑞士学者利用频率域和时间域航空电磁法研究高山冻土层,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[13]。近年来,美国及加拿大学者在阿拉斯加地区和南极地区,先后开展了大量地面电磁法、航空探地雷达、时间域和频率域航空电磁探测研究,结果表明电磁法在冻土层调查研究中可发挥重要作用[14⇓⇓-17]。
我国以青藏高原为重点的多年冻土研究已有近50年历史。在多年冻土空间分布调查方面,通常采用地面物探结合测井的探测方法获得局部点上或线上数据;或者采用不同的遥感模型,模拟估算区域性多年冻土层厚度。中国自然资源航空物探遥感中心于2021年在青藏高原东北部祁连山中东段大通河上游完成了国内首次航空电磁法多年冻土空间分布调查,以岩土与冻土层电性差异为基础,利用时间域航空电磁数据反演得到的电阻率—深度信息,推断多年冻土层厚度及分布信息。与已知测井资料对比分析表明,时间域航空电磁推断的多年冻土厚度与测井结果的平均误差为18.5%,因此,时间域航空电磁技术调查多年冻土厚度及分布是有效、可信的。该方法具有效率高、探测深度大、受地形影响小等技术优势,可为全国大面积多年冻土空间分布调查提供新的技术解决方案。
1 研究区概况
研究区位于大通河上游江仓煤矿附近,海拔3 800~3 950 m,面积约200 km2,属于典型的高山冻土发育区。受祁连山地形地貌和气候条件共同影响,区内多年冻土广泛分布。本区多年冻土具有区带分布特征,自西向东可分为多年冻土连续分布区、多年冻土片状分布区和多年冻土岛状分布区(图1)。
图1
2 数据获取及处理
2.1 时间域航空电磁法原理
图2
图2
时间域航空电磁法工作原理示意
Fig.2
Sketch map of airborne time-domain electromagnetic method
2.2 航空电磁数据获取及处理
中国自然资源航空物探遥感中心于2021年11月在祁连山大通河上游江仓煤矿附近开展了时间域航空电磁法冻土调查试验工作,这是国内首次采用航空电磁技术开展冻土调查研究。本次试验所用时间域航空电磁测量系统为加拿大AeroTEM IV型系统。该系统发射电流为三角波形,基频75 Hz,最大发射电流400 A。按照测线间距500 m、平均飞行高度42 m完成研究区航空电磁测量,研究区面积约200 km2。
采集的数据处理主要使用原加拿大Aeroqust公司(已被Geotech公司收购)的ATP软件和加拿大Geosoft公司的Oasis Montaj两个软件完成。主要处理步骤包括:原始数据叠加、抽道处理、滤波、高空背景场校正、滞后校正、干扰数据剔除等。处理完的原始数据使用丹麦奥胡斯大学的Aarhus Workbench软件进行反演。
2.3 土壤/岩石物性数据
研究区西北侧木里煤矿的测井结果表明[23]冻土层电阻率特征明显,其原因主要是冻土层岩石孔隙水呈冻结状态,导电能力明显下降,造成电阻率的高异常反映:多年冻土层平均电阻率为455.8 Ω·m,而非冻土层为163 Ω·m,冻土层的电阻率明显高于非冻土层的电阻率。
研究区内的土壤电阻率测量结果(表1)显示:冻结土壤电阻率一般在200~400 Ω·m,个别大于500 Ω·m,平均值为306 Ω·m;非冻结土壤电阻率一般小于100 Ω·m,其中潮湿土壤电阻率最低,多在50~70 Ω·m,平均值为94 Ω·m。地表冻结与非冻结土壤的实测物性差异与木里煤矿测井结果较吻合。土壤的融化与冻结后的电阻率差异明显,为电磁资料地质解释奠定良好的物性基础。
表1 研究区地面实测土壤电阻率统计
Table 1
| 土壤/岩 性类型 | 采样数 量/件 | 电阻率/(Ω·m) | 采样深 度/m | |
|---|---|---|---|---|
| 范围 | 平均值 | |||
| 非冻结土壤 | 24 | 48~163 | 94 | <1 |
| 冻结土壤 | 12 | 228~564 | 306 | <1 |
3 航空电磁推断结果有效性分析
对获取的时间域航空电磁数据开展数据转换处理,对每一条测量剖面开展钻孔约束的精细反演,得到电阻率—深度剖面;使用钻孔岩性、岩石土壤物性数据,对电阻率—深度剖面进行地质解释。根据电阻率值大小,圈定多年冻土分布及厚度,了解不同岩性层的空间分布特征。通过重点对比分析航空电磁推断多年冻土层厚度与已知钻孔数据,证明时间域航空电磁反演结果推断多年冻土层厚度的有效性和准确性。
图3
图3
L1140测线反演电阻率—深度剖面(a)及推断解释成果(b)
Fig.3
Profile of L1140 survey line resistivity-depth profile(a) and interpretation result (b)
表2 航空电磁推断解释结果与钻孔数据对比
Table 2
| 钻孔 | 对比项目 | 钻孔结果 | 反演推断结果 | 对比误差/% |
|---|---|---|---|---|
| ZK9-5 | 岩性及厚度 | 0~73 m:以中粒砂岩为主,夹粉砂岩、细砂岩 | 0~70 m:异常高阻体,视电阻率1 000~2 000 Ω·m;为富冰冻土引起 | 4 |
| 73~149 m:以细砂岩、粉砂岩为主,夹泥岩、砂质泥岩 | 70~135 m:高阻体,视电阻率600~1 000 Ω·m;为细砂岩、粉砂岩引起 | 10.4 | ||
| 149~240 m:以中粒砂岩为主,夹细粒砂岩、粉砂岩 | 135~230 m:低阻体,视电阻率50~200 Ω·m;明显低阻层对应含水较多中粒砂岩层 | 4 | ||
| 冻土层厚度 | 119 m | 135 m | 13.4 | |
| ZK16-3 | 岩性及厚度 | 0~112 m:以中粒砂岩为主,夹细粒砂岩、粉砂岩 | 0~130 m:异常高阻体,视电阻率1000~1 500 Ω·m;为富冰冻土引起 | 16 |
| 112~177 m:以细粒砂岩为主,夹粉砂岩 | 130~160 m:高阻体,视电阻率700~1 000 Ω·m;高阻体为细砂岩、粉砂岩引起 | 10 | ||
| 冻土层厚度 | 104 m | 136 m | 23.5 |
1)时间域航空电磁推断的多年冻土层厚度与钻孔测井测温确定的多年冻土层厚度误差在不同条件下相差较大:当多年冻土层(高阻层)下面分布有较明显的低阻层时,如ZK9-5所在位置,两者误差相对较小,为13.4%;当多年冻土层下面无明显低阻层时,如ZK16-3所在位置,则两者误差相对较大,为23.5%。推断的多年冻土层厚度与已知测井测温确定的结果平均误差为18.5%。
2)时间域航空电磁推断的地层岩性与钻孔岩心揭示的岩性层非常吻合,两者深度误差大部分在10%以下。
因此,利用时间域航空电磁技术能够对多年冻土空间分布、不同岩性分层等开展有效而可靠的调查,其推断解释结果准确度较高。
4 多年冻土调查结果及讨论
4.1 三维电阻率建模
在研究区所有测线完成反演得到电阻率—深度剖面后,对测量剖面间的电阻率—深度进行插值,构建研究区三维电阻率—深度模型(图4)。三维模型显示:调查区东边块状高阻体近SN向分布,中间被1条窄低阻带分开;调查区中部的高阻体成NE向分布;西部相对高阻体成不连续分布,高阻体之间分布的低阻区总体呈NE向展布。对比研究区遥感影像图可以清晰看出:东部近SN向分布的窄低阻带与甲日果曲位置吻合,西部相对高阻体中一NE向分布的较宽低阻带与江仓曲位置吻合。因此,推断2处低阻带是由河流及其支流引起。
图4
图4
研究区三维电阻率模型结构
Fig.4
Three-dimensional resistivity structure of the study area
4.2 多年冻土空间分布
图5
图5
研究区多年冻土及富冰冻土三维空间分布
Fig.5
Three-dimensional spatial distribution of permafrost and ice-rich permafrost in the study area
研究区内共圈定出7处呈岛状分布的富冰冻土层,其中沿甲日果曲两侧存在3处狭长的富冰冻土,均呈纺锤形分布,反演电阻率大于2 000 Ω·m,单处最大分布面积约11 km2;在江仓南侧以及可可赛曲两侧存在4处漏斗状富冰冻土,反演电阻率大于1 000 Ω·m,单处最大分布面积约2 km2。研究区多年冻土及富冰冻土的圈定为大通河流域上游多年冻土调查研究积累了重要基础资料。
5 结论
首次在青藏高原利用时间域航空电磁法调查多年冻土空间分布的结果表明:
1)时间域航空电磁方法调查结果可反映300 m以浅地层电性结构,可对多年冻土层分布及厚度进行有效圈定。
2)当多年冻土层下面存在明显低阻层时,时间域航空电磁推断的多年冻土层厚度具有很高的准确度,与钻孔测井确定的多年冻土层厚度平均误差为18.5%。
3)研究区内多年冻土层呈不连续状,受构造融区(断裂)及侵蚀融区(河流)影响,河床两侧冻土层最薄,山前平原沼泽冻土层最厚。
4)研究区内存在7处富冰冻土层,其中甲日果曲附近3处,江仓曲附近4处。
时间域航空电磁技术可有效应用于多年冻土调查研究工作,可充分发挥其快速、高效、受地形影响小等技术优势,在青藏高原、大兴安岭等地区多年冻土调查中发挥重要作用。通过时间域航空电磁对多年冻土区域调查,可精确刻画多年冻土层及活动层空间分布及内在结构,研究多年冻土及活动层变化规律,有效服务于国家重大工程区生态环境影响评价以及地质灾害监测评估等。时间域航空电磁技术也可为评估冻土层融化对地表水资源影响提供依据,为多年冻土区生态环境现状评估与预测未来可能变化提供重要基础数据。
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In permafrost regions investigations for such geotechnical endeavors as route selection for roads and pipelines and site investigations for buildings and dam construction often require that a careful assessment be made of the presence or absence of frozen ground, of the ice content of frozen ground, and of the depth of frozen ground. In the vicinity of Fairbanks, Alaska, where the permafrost is discontinuous, ground and airborne methods of mapping electrical resistivity using radiowaves were tested as means of delineating permafrost. When the resistivity maps are compared with surficial geological data, the following conclusions are reached: (1) In areas of fine‐grained sediments, where the near surface sediments are relatively uniform, VLF resistivity delineates permafrost. (2) In areas where surface sediments vary widely (flood plains), VLF resistivity shows little information on permafrost conditions but can provide other important geotechnical information, such as, depth to bedrock, surface soil type, and layering. Comparison of the apparent resistivity derived from a surface impedance measurement at VLF on the ground with the apparent resistivity derived from an airborne measurement of wavetilt shows that the regional trends in the data agree, but the surface impedance measurements show much more local detail in ground conditions. When the surface layers are also frozen, the surface impedance method of measuring ground resistivity was found to have distinct advantages over conventional galvanic methods in terms of production and problems associated with probe contact resistance.
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Subglacial hydrologic systems in Antarctica and Greenland play a fundamental role in ice-sheet dynamics, yet critical aspects of these systems remain poorly understood due to a lack of observations. Ground-based electromagnetic (EM) geophysical methods are established for mapping groundwater in many environments, but have never been applied to imaging lakes beneath ice sheets. Here, we study the feasibility of passive- and active-source EM imaging for quantifying the nature of subglacial water systems beneath ice streams, with an emphasis on the interfaces between ice and basal meltwater, as well as deeper groundwater in the underlying sediments. We describe a suite of model studies that exam the data sensitivity as a function of ice thickness, water conductivity and hydrologic system geometry for models representative of a subglacial lake and a grounding zone estuary. We show that EM data are directly sensitive to groundwater and can image its lateral and depth extent. By combining the conductivity obtained from EM data with ice thickness and geological structure from conventional geophysical techniques, such as ground-penetrating radar and active seismic surveying, EM data have the potential to provide new insights on the interaction between ice, rock and water at critical ice-sheet boundaries.
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