CN116520439A - 一种沿海滩涂区拖曳式amt探测装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沿海滩涂区拖曳式AMT探测装置及探测方法，涉及滩涂区地质勘探技术领域，探测装置包括水陆两用拖拽气垫船、大地电磁仪、防水磁传感器和电信号采集链，所述电信号采集链由多个防水不极化电极串联而成，大地电磁仪设置在水陆两用拖拽气垫船上，防水磁传感器、电信号采集链分别与大地电磁仪相连。本发明还提供了利用上述探测装置的探测方法。本发明采用的防水不极化电极、防水磁传感器，避免了海水腐蚀影响电、磁接收信号的稳定性，电信号采集链解决了无法快速移动导致在退潮有限的窗口时间内测量效率低下的难点；本发明水底电场和水面磁场计算出的视电阻率校正到同一界面上，解决了滩涂区有水区域常规方法无法实施的问题。

Description

一种沿海滩涂区拖曳式AMT探测装置及探测方法

技术领域

本发明涉及滩涂区地质勘探技术领域，尤其涉及一种沿海滩涂区拖曳式AMT探测装置及探测方法。

背景技术

滩涂区一般是指沿海大潮高潮线与低潮线之间的潮浸地带，在发育良好的沿海地区滩涂宽可达10km以上，坡度极小，一般仅0.2‰左右，主要以细粉砂-黏土级的细颗粒沉积物为主，广义的滩涂还包括部分未开发的潮上带及低潮时仍难以露出的水下浅滩。沿海滩涂区是我国未来发展的重要后备土地资源，具有巨大的经济、环境、生态、能源等价值，开发利用潜力很大。由于滩涂区地表条件特殊、表层结构复杂且受潮汐影响大等因素限制，地质数据采集施工难度大，有效施工时间短，并且单纯的陆地地面探测技术或单纯的海上探测技术均不能解决滩涂区的地质问题，因此滩涂区地质数据采集工作一直是一个世界性难题，致使滩涂区地质调查工作不足，海陆地质调查统筹管理工作缺失。

目前常用的滩涂区水域勘查技术主要包括多波束水深测量、单波束测深、旁侧声纳扫描、浅层剖面探测、单道地震勘查等方法，调查海底的地形地貌特点、沉积物类型及地层的分布、浅部构造、断层、浅层气、沙波、滑坡、塌陷和隆升等潜在地质灾害，以及古河道分布特征和沉积环境；利用遥感手段研究滩涂岸线的时空变化、滩涂冲淤演变、滩涂水下地形变化、近岸悬浮泥沙信息以及与滩涂有关的地质环境信息等方面内容。滩涂区退潮无水区开展地球物理工作极少：以海底滑坡、环境污染等地质灾害调查为主浅层地震工作；获取地下深度20m以上的地层含水特征直流电法相关工作。例如在浙江杭州湾南侧滩涂区，针对跨海大桥建设江苏省地质勘查技术院等单位进行了多种勘查方法的试验，综合使用重力测量、浅层地震与浅地层剖面测量方法恢复了浅部地层的沉积特征、浅部构造和断层的分布特征，利用浅层地震方法查明了危害工程建设的浅层气分布状态；这些工作基本都集中在海岸带陆地地区，或者海岸带有水的浅水地区开展，且由于方法限制，探测深度较浅，取得的地下地质信息有限。

滩涂区地下不含水地层、不同矿化程度含水地层之间存在明显电性差异的地电特性，使得在滩涂区进行AMT勘查具备了基本的条件，AMT勘探深度大，对低阻层识别度高，成本低的优点在海岸带厚覆盖区能够探测较深的地质信息。受限制于滩涂区地貌特征，海岸带的AMT勘查工作仅在靠近滩涂区的围垦区使用陆地AMT仪器及采集方法技术开展过，以海侵、古河道、地热为目标。从以往工作经验和取得的成果来看，在围垦区开展地面AMT工作同传统的地面AMT相比，并无装备、施工技术、处理解释技术上的明显差异，因此并不适用于滩涂区。早期滩涂区主要是围海造田和圈海养殖区，没有重大工程建设的需求，限制了滩涂区相关地质调查方法技术的发展水平。针对滩涂区AMT勘查的两栖工作平台、发射源布设、防水防腐仪器设备、高效采集方法技术基本都处于空白状态。

因此，亟需研究一种能够快速高效采集沿海滩涂区数据的AMT探测装置及探测方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明公开了一种沿海滩涂区拖曳式AMT探测装置及探测方法，该探测方法不仅能够查明地下结构及含水层分布等地质信息，同时能够提高常规滚动排列式AMT探测方法的施工效率，节约滩涂区数据采集施工时间，特别适用于受潮汐时间影响严重的滩涂区。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明第一方面提出了一种沿海滩涂区拖曳式AMT探测装置。

在一可选实施例中，沿海滩涂区拖曳式AMT探测装置，包括水陆两用拖拽气垫船、大地电磁仪、防水磁传感器和电信号采集链，所述电信号采集链由多个防水不极化电极串联而成，大地电磁仪设置在水陆两用拖拽气垫船上，防水磁传感器、电信号采集链分别与大地电磁仪相连。

可选地，所述防水不极化电极，采用横卧式放置，包括防水盖头、防水螺杆、PVC罐体、PbCl2主体和多芯拖曳电缆，PVC罐体两端均设有防水盖头和防水螺杆，PVC罐体均匀布设若干开孔，PbCl2主体设置在PVC罐体内部并且通过所述开孔同测量点接地接触，PVC罐体内部中心设有穿线管，多芯拖曳电缆从所述穿线管中穿过并同PbCl2主体相连，用于传递采集信号并承担拖曳功能。

可选地，所述防水磁传感器包括磁传感器主体和磁传感器外壳包裹形成的内腔，磁传感器主体安装在所述内腔中，磁传感器外壳的顶端和底端分别安装有上防水盖和下防水盖，上防水盖和下防水盖均采用隔水件固定，磁传感器外壳的一端安装有电缆防水头，电缆防水头上设有电缆防水螺杆，磁传感器主体包括相连的线圈、磁芯和电路，相连的线圈、磁芯和电路之间填充绝缘灌封胶，用于提升磁传感器主体防水性能，其作用是将磁场转化为电信号并输出给信号处理电路；磁芯是传感器的核心部件，通常采用软磁材料制成，如铁氧体、钠钙玻璃等；磁芯的作用是增强磁场强度，提高传感器的灵敏度；信号处理电路是传感器的核心部件，其作用是对输出的电信号进行放大、滤波、线性化等处理，以便于后续的数据处理和控制。

可选地，所述隔水件为橡胶垫片和O型圈，用于使上防水盖和下防水盖隔水。

可选地，每两个所述防水不极化电极之间的距离为25～50m。

本发明第二方面提出了一种利用上述AMT探测装置的探测方法。

在一可选实施例中，利用上述AMT探测装置的探测方法，包括如下步骤：

步骤S1、布设上述沿海滩涂区拖曳式AMT探测装置；

步骤S2、在滩涂区地表规划一条勘探测线，在靠近勘探测线附近滩涂区无水区域布设1个采集站，采集张量磁信号；

步骤S3、在滩涂区无水及水深小于2m区域，采用拖曳布站定点观测方式测量；

步骤S4、待一个排列数据采集完成后，水陆两用拖拽气垫船向前移动一个排列距离，采集该排列数据并记录存储；

步骤S5、重复步骤S3和步骤S4，至测试到勘探测线终点或者滩涂区水深大于2m；

步骤S6、对同步采集的两个相互正交方向的磁场分量计算到任意角度磁场分量，通过张量旋转的方式计算得到视电阻率和阻抗相位；其中，滩涂区有水区域采用电磁分离测量方式，电场和磁场计算出的视电阻率校正到同一界面；

步骤S7、完成一条勘探测线数据采集后，校正后的有水区域测量点数据进行视电阻率和阻抗相位计算后，同无水区域测量点数据共同反演计算，形成视电阻率反演剖面图。

可选地，步骤S3中，在滩涂区无水及水深小于2m区域，采用拖曳布站定点观测方式测量的步骤，具体包括：调整水陆两用拖拽气垫船的位置，使得探测装置形成一条直线并平行于勘探测线；使用大地电磁仪与电信号采集链进行电信号的标量观测与采集，拖曳电信号采集链的第一个电极至勘探测线起点，记录测量时排列的拖缆方位角，采集该排列数据并记录存储；如果该排列位于有水区域时需记录水深数据。

可选地，步骤S6中，所述电磁分离测量方式的步骤为：将电信号采集链布置在水底，防水磁传感器布设在岸上或滩涂区无水区域，分别采集海底电场信号和磁场信号。

可选地，步骤S6中，所述电场和磁场计算出的视电阻率校正到同一界面的步骤，包括：

在水平层状一维介质中，任一层介质中的波动方程为：

式(1)的一般解为：

式(2)为层状介质中电磁场强度表达式，式中，E_x为电场强度，H_y为磁场强度，k为复波数，j为复数单位，ω＝2πf为角频率，μ＝4π×10^-7H/m，σ_i为第i层介质电导率；z为垂直深度，z_i-1≤z_i≤z_i+1，A_i、B_i为每层间的积分常数；

对于第一层海水的顶部和底部场，z＝0和z＝h₁，将其分别带入到式(2)，得到：

式中，为海水的顶部电场强度，A_i、B_i为每层间的积分常数，Z_i为第i层介质的特征阻抗，/>为海水的顶部磁场强度；

式中，k为复波数，σ₁为第1层介质电导率，/>为海水的底部电场强度，/>为海水的底部磁场强度，h₁为海水深度，A_i、B_i为每层间的积分常数，Z₁为第1层介质即海水的特征阻抗，/>

将式(3)和式(4)分别相加后，再联立求解，消除A_i、B_i，得到：

同理，两式分别相减，再联立求解，消除A_i、B_i，得到：

对于滩涂区有水区域，磁场数据使用的是无水区测量数据，根据大地电磁场相对均匀性，磁场看作为水面磁场，即则有/>因此对式(5)和式(6)两侧同时除以然后两侧相加，得到电磁分离数据和水面电磁同步关系方程，如下：

Z′＝Z⁰cosh(k₁h₁)-Z₁sinh(k₁h₁) (7)

Z⁰＝(Z′+Z₁sinh(k₁h₁))/cosh(k₁h₁) (8)

同样，将式(5)和式(6)两侧同时除以然后两侧相加，得到电磁分离数据和水底电磁同步关系方程，如下：

Z′＝Z¹Z₁/[Z₁ cosh(k₁h₁)+Z¹ sinh(k₁h₁)] (9)

Z¹＝Z′Z₁ cosh(k₁h₁)/[Z₁-Z′sinh(k₁h₁)] (10)

式中，k为复波数，j为复数单位，ω＝2πf为角频率，μ＝4π×10^-7H/m，σ₁为第1层介质电导率；/>为第1层介质的特征阻抗；Z⁰为校正到水面阻抗；Z¹为校正到水底阻抗；Z′为实测电磁分离阻抗；

通过式(7)、(8)和式(9)、(10)，将有水区域测量点数据校正到水面或者水底。

可选地，步骤S6中，所述视电阻率、阻抗相位与阻抗的关系分别为：

式中，ρ_a为视电阻率，P_h为阻抗相位，ω＝2πf为角频率，μ＝4π×10^-7H/m，Z为阻抗。

本发明的有益效果是，

1、本发明的一种沿海滩涂区拖曳式AMT探测方法，特别适用于受地质勘探设备和潮汐时间制约的沿海滩涂地区，最大程度地利用滩涂区地表地势平坦的特点，采用拖曳的方法采集AMT数据；本发明采用的防水不极化电极、防水磁传感器、电信号采集链，解决了海水腐蚀影响电、磁接收信号稳定性的问题，电信号采集链解决了滩涂区人员无法快速移动导致在退潮有限的窗口时间内测量效率低下的难点；和常规方法及仪器设备相比，本方法具有仪器设备防水防腐、数据采集效率高、所采数据真实有效等特点；

2、本发明的探测方法在测量过程中不必严格按照设计方向拖拽，只需记录测量时排列的拖缆方位角，通过采集两个相互正交方向的磁场分量将磁场分量计算到任意角度，最后通过张量旋转方式计算正确的视电阻率值，提高了工作效率；本发明应用水底电场和水面磁场计算出的视电阻率校正到同一界面上(水面或水底)，换算成水面或水底的视电阻率和阻抗相位，解决了由于在有水区域无法同步观测同一层面的电场和磁场数据，从而导致常规AMT探测方法在该区域无法实施的问题。

3、本发明所设计的沿海滩涂区拖曳式AMT探测方法在探测深度、精度、分辨率方面均能够达到常规方法的应用效果，并且能为滩涂区地下地层结构精细划分提供真实可靠的数据支撑。

附图说明

图1是本发明一实施例示出的防水不极化电极结构示意图，其中，(a)为横切图，(b)为剖视图；

图2是本发明一实施例示出的防水磁传感器结构示意图；

图3是本发明一实施例示出的电信号采集链结构示意图；

图4是本发明一实施例示出的滩涂区拖曳式AMT探测装置示意图；

图5是本发明一实施例示出的海水覆盖条件下层状地质电磁波传播示意图；

图6是本发明一实施例示出的常规方法与拖曳式方法单日可完成工作量对比；

图7是本发明一实施例示出的标量和张量阻抗计算方式视电阻率及阻抗相位对比曲线图，其中，(a)为视电阻率曲线对比图，(b)为阻抗相位曲线对比图；

图8是本发明一实施例示出的换算成水面或水底的视电阻率和阻抗相位的校正曲线与实测结果对比图，其中，(a)为视电阻率的校正与实测结果曲线对比图，(b)为阻抗相位的校正与实测结果曲线对比图；

图9是本发明一实施例示出的固定测量和拖曳式测量点位示意图；

图10是本发明一实施例示出的常规测量与拖曳式测量反演结果对比图，其中，(a)为常规测量反演结果图，(b)为拖曳式测量反演结果图。

附图标记：1、多芯拖曳电缆，2、防水螺杆，3、PVC罐体，4、PbCl2主体，5、穿线管，6、防水盖头，7、下防水盖，8、传感器外壳，9、磁传感器主体，10、上防水盖，11、电缆防水头，12、电缆防水螺杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种沿海滩涂区拖曳式AMT探测装置，如图3和4所示，包括水陆两用拖拽气垫船、Phoenix大地电磁仪、防水磁传感器和电信号采集链，所述电信号采集链由多个防水不极化电极串联而成，Phoenix大地电磁仪设置在水陆两用拖拽气垫船上，防水磁传感器、电信号采集链分别与Phoenix大地电磁仪相连。防水不极化电极受重力影响可与滩涂区无水区域、有水区域的水底面紧密耦合，节省了人工埋放电极及测量电极距的时间；防水磁传感器在水底很难将其精确在一个方向角度上水平放置，采用靠近勘探测线附近滩涂区无水区域布设1个磁信号采集站，勘探测线方向布设拖曳电信号采集站的电磁信号分离数据采集方式，获取到的数据通过张量旋转、水底磁场校正计算出准确的视电阻率和阻抗相位，用于反演计算，形成视电阻率反演剖面图。

常规站立式不极化电极不具备防水性、在滩涂区高含海水的强腐蚀条件下性能不稳定，同时由于底部开口过大浸泡在海水中PbCl2主体损耗极快，因此改进其防水防腐性能对于电信号的采集至关重要。常规的不极化电极由接线柱、PVC罐体、内置PbCl2主体组成。在该可选实施例中，所述防水不极化电极，如图1所示，采用横卧式放置，包括防水盖头6、防水螺杆2、PVC罐体3、PbCl2主体4和多芯拖曳电缆1，PVC罐体3两端均设有防水盖头6和防水螺杆2，PVC罐体3均匀布设若干开孔，PbCl2主体4设置在PVC罐体3内部并且通过所述开孔同测量点接地接触，同常规不极化电极底部大面积接地接触相比，开孔均匀分布在PVC罐体3四周，大大减少海水浸泡腐蚀导致的损耗；PVC罐体3内部中心设有穿线管5，多芯拖曳电缆1从所述穿线管5中穿过并同PbCl2主体4相连，用于传递采集信号并承担拖曳功能；防水不极化电极的两端由于多芯拖曳电缆1的穿出，均使用防水盖头6和防水螺杆2进行防水密封处理，在电缆进行拖曳作业的时既保证穿线管5内电缆的防水性，又能保证拖曳电缆的拖拽性能。

常规的磁传感器为陆地使用，其顶部和底端均为非防水结构，信号输出接插件和电缆无防水结构，在滩涂区地区使用时，海水进入传感器内部可致其功能失效，影响数据采集。如图2所示，本实施例的防水磁传感器，包括磁传感器主体9和磁传感器外壳8包裹形成的内腔，磁传感器主体9安装在所述内腔中，磁传感器外壳8的顶端和底端分别安装有上防水盖10和下防水盖7，上防水盖10和下防水盖7均采用橡胶垫片和O型圈固定，双层防护，用于使上防水盖10和下防水盖7隔水；磁传感器外壳8的一端安装有电缆防水头11，电缆防水头11上设有电缆防水螺杆12；磁传感器主体9包括相连的线圈、磁芯和电路，线圈、磁芯和电路之间填充绝缘灌封胶，用于提升磁传感器主体9防水性能，即使上防水盖10和下防水盖7因橡胶垫片和O型圈老化防水性能衰减，内部的磁传感器主体9也能正常工作。

实施例2

一种利用实施例1所述的AMT探测装置的探测方法，包括如下步骤：

步骤S1、布设上述沿海滩涂区拖曳式AMT探测装置；

如图4所示，电信号采集链由多个防水不极化电极串联在一起，每两个电极之间的距离即电极距一般为25～50m，根据现场施工场地的电信号特征进行调整设置，本实例采用的为25m电极距。电信号采集链通过连接水陆两用拖拽气垫船上放置的Phoenix大地电磁仪进行电信号的采集工作，拖拽距一般为10～15m，本实例采用的拖拽距为10m。

步骤S2、在滩涂区地表规划一条勘探测线，在靠近勘探测线附近滩涂区无水区域布设1个采集站，采集张量磁信号；

如图7所示，北海某地区，勘探测线可以跨越陆地区、滩涂无水区、滩涂有水区(水深小于2m)，线状布设、网状布设、自由网布设均可。后期视电阻率和阻抗相位计算需要，靠近勘探测线滩涂区无水区域布设1个采集站用于同步采集张量磁信号，如图4所示，滩涂区无水区采集站需使用防水磁传感器同Phoenix大地电磁仪连接，该采集站布设位置如在涨退潮期间被海水淹没，可在勘探测线附近自由移动至滩涂区无水区域配合拖曳电信号采集工作，直至勘探测线上测点全部测量完毕。

步骤S3、在滩涂区无水及水深小于2m区域，采用拖曳布站定点观测方式测量；

具体包括：调整水陆两用拖拽气垫船的位置，使得探测装置形成一条直线并平行于勘探测线；使用Phoenix大地电磁仪与电信号采集链进行电信号的标量观测与采集，拖曳电信号采集链的第一个电极至勘探测线起点，记录测量时排列的拖缆方位角，采集该排列数据并记录存储；如果该排列位于有水区域时需记录水深数据；

每次采集工作开始时，设置勘探测线的起点。涨潮期勘探测线起点设置在海水方向端，退潮期勘探测线起点位于岸上方向端，以保证最大数据采集时间窗口；拖曳电信号采集链的第一个电极位置位于勘探测线起点，在测量过程中无需严格平行于勘探测线方向。

如图4所示，滩涂区无水区域的磁信号采集站布设完成后，调整水陆两用拖拽气垫船的位置，使其拖曳的电信号采集链平行于勘探测线，采用标量观测电场的方式进行数据采集工作。电信号采集链采集的电信号通过多芯拖曳电缆内部的多芯电线传输至水陆两用拖拽气垫船的Phoenix大地电磁仪并进行记录，存储于Phoenix大地电磁仪内置的存储卡中，同时记录测量时排列的拖缆方位角。

步骤S4、待一个排列数据采集完成后，水陆两用拖拽气垫船向前移动一个排列距离，采集该排列数据并记录存储；

数据采集过程中，水陆两用拖拽气垫船需熄火抛锚，达到观测的时间窗口长度后，保存本排列的观测数据，水陆两用拖拽气垫船带动电信号采集链向前移动一个排列距离。拖动过程中，电信号采集链方向大致平行于勘探测线方向即可，直至电信号采集链的第一个电极位置位于排列起点，开始数据采集工作，期间观察仪器工作是否正常，达到一个观测时间窗口长度后，保存本排列的观测数据并记录排列的拖缆方位角。

步骤S5、重复步骤S3和步骤S4，至测试到勘探测线终点或者滩涂区水深大于2m；

在一个涨退潮周期内无法完成一个勘探测线排列工作，需在下一个涨退潮周期开展，直至整条勘探测线全部完成测量工作。

步骤S6、对同步采集的两个相互正交方向的磁场分量计算到任意角度磁场分量，通过张量旋转的方式计算得到视电阻率和阻抗相位；其中，滩涂区有水区域采用电磁分离测量方式，电场和磁场计算出的视电阻率校正到同一界面；

与常规陆地观测相比，本实施例为标量测量，滩涂区的磁信号采集站仍需要同时采集两个相互正交方向的磁场分量，以便于采取张量方式计算阻抗，提高数据质量。磁信号采集站的张量观测可以将磁场信息计算到任意方向，通过记录测量时拖缆方位角，即可通过张量旋转方式计算正确的是电阻率值。

电磁分离测量方式的步骤为：将电信号采集链布置在水底，防水磁传感器布设在岸上或滩涂区无水区域，分别采集海底电场信号和磁场信号。大地电磁场中的磁场具有区域相对均匀性，可利用靠近勘探测线的磁场替代水下测点的磁场，进行电磁信号分离采集。但应用水底电场和水面磁场计算出的视电阻率须校正到同一界面上(水面或水底)，换算成水面或水底的视电阻率和阻抗相位，才可以结合水域或陆域测量的结果进行反演解释；水上测点则不受影响。

电磁信号分离采集存在观测位置不处于同一界面，电场幅值受水体的衰减影响而变小，且相位滞后，直接用实测资料计算出的视电阻率在高频段相对偏小，因此需要对实测数据进行校正后才能使用。

如图5所示，滩涂区海水覆盖条件下层状地质电磁波传播示意图，所述电场和磁场计算出的视电阻率校正到同一界面的步骤，包括：

在全空间一维层状大地电磁理论下，在水平层状一维介质中，任一层介质中的波动方程为：

式(1)的一般解为：

式(2)为层状介质中电磁场强度表达式，式中，E_x为电场强度，H_y为磁场强度，k为复波数，j为复数单位，ω＝2πf为角频率，μ＝4π×10^-7H/m，σ_i为第i层介质电导率；z为垂直深度，z_i-1≤z_i≤z_i+1，A_i、B_i为每层间的积分常数；

对于第一层海水的顶部和底部场，z＝0和z＝h₁，将其分别带入到式(2)，得到：

式中，为海水的顶部电场强度，A_i、B_i为每层间的积分常数，Z_i为第i层介质的特征阻抗，/>为海水的顶部磁场强度；

式中，k为复波数，σ₁为第1层介质电导率，/>为海水的底部电场强度，/>为海水的底部磁场强度，h₁为海水深度，A_i、B_i为每层间的积分常数，Z₁为第1层介质即海水的特征阻抗，/>

将式(3)和式(4)分别相加后，再联立求解，消除A_i、B_i，得到：

同理，两式分别相减，再联立求解，消除A_i、B_i，得到：

对于滩涂区有水区域，磁场数据使用的是无水区测量数据，根据大地电磁场相对均匀性，磁场看作为水面磁场，即则有/>因此对式(5)和式(6)两侧同时除以然后两侧相加，得到电磁分离数据和水面电磁同步关系方程，如下：

Z′＝Z⁰cosh(k₁h₁)-Z₁sinh(k₁h₁) (7)

Z⁰＝(Z′+Z₁sinh(k₁h₁))/cosh(k₁h₁) (8)

同样，将式(5)和式(6)两侧同时除以然后两侧相加，得到电磁分离数据和水底电磁同步关系方程，如下：

Z′＝Z¹Z₁/[Z₁ cosh(k₁h₁)+Z¹ sinh(k₁h₁)] (9)

Z¹＝Z′Z₁ cosh(k₁h₁)/[Z₁-Z′sinh(k₁h₁)] (10)

式中，k为复波数，j为复数单位，ω＝2πf为角频率，μ＝4π×10^-7H/m，σ₁为第1层介质电导率；/>为第1层介质的特征阻抗；Z⁰为校正到水面阻抗；Z¹为校正到水底阻抗；Z′为实测电磁分离阻抗；

通过式(7)、(8)和式(9)、(10)，将有水区域测量点数据校正到水面或者水底；从式中可以看出，电磁分离测量的数据校正到水底或水面只与海水厚度、海水电导率有关；

进行视电阻率和阻抗相位计算的步骤中，视电阻率、阻抗相位与阻抗的关系分别为：

式中，ρ_a为视电阻率，P_h为阻抗相位，ω＝2πf为角频率，μ＝4π×10^-7H/m，Z为阻抗。滩涂区AMT探测时，单点数据可近似看成一维层状介质，利用以上公式可以将实测的电磁分离数据校正到水底或者水面。

步骤S7、完成一条勘探测线数据采集后，校正后的有水区域测量点数据进行视电阻率和阻抗相位计算后，同无水区域测量点数据共同反演计算，形成视电阻率反演剖面图。本实施例将从数据采集效率、数据有效性、反演结果三个方面对滩涂区拖曳式AMT探测方法(下称“拖拽式方法”)与常规AMT探测方法(下称“常规方法”)进行对比分析：

(1)数据采集效率对比

常规方法仪器设备复杂、防水性能有限，主要表现在不极化电极的个数、电信号接收电缆及采集主机都较多，需要连接的仪器设备插头较多并且复杂，根据统计每天数据采集工作平均投入不极化电极20个、电信号接收电缆20条、采集主机5台套，且在滩涂区有水区域无法施工；而拖拽式方法的数据采集方式只需要投入一辆水陆两用拖拽气垫船、1条加挂6个防水不极化电极的拖曳电缆以及6道信号采集主机系统1台套，即可完成滩涂区有水区域和无水区域野外AMT数据采集工作任务，如图4所示的滩涂区拖曳式AMT探测装置示意图。因此，在滩涂区进行AMT数据采集工作时，拖曳式的仪器设备投入数量少，数据采集方式简便，可节约大量时间用作数据接收和记录，极大地提高数据采集效率。

图6分别统计了连续五天常规方法和拖拽式方法的单日可完成工作量，常规方法连续五天中的单日最高完成了11个测量点的数据采集工作，最低完成了8个测量点的工作量，平均单日可完成工作量为9.4个测点；而拖拽式方法连续五天中的单日最高完成了24个测点的数据采集工作，最低完成了20个测点的工作量，平均单日可完成工作量高达21.4个测点，工作效率提升了一倍。主要原因是常规方法在正式数据采集前、中途仪器设备“搬家”以及数据采集结束后，都需要消耗大量人力和时间进行仪器设备的布设、连接、拆卸及回收，如不极化电极的埋置与回收、接收电缆的收放、采集主机的连接及拆卸等环节，该工作会占用滩涂区AMT数据采集工作时间的25％左右，剩下75％的时间用于数据接收和记录。考虑到常规方法使用未经防水处理的不极化电极、接收电缆在滩涂区高含水、高盐分环境下导致仪器设备无法正常工作以及有水区域、淤泥区域人员移动困难等因素，用于数据接收和记录的时间将缩减至不高于40％。有效数据采集时间窗口过小，是制约项目实施进度的主要因素之一。相比之下，拖拽式方法简便易行，完成1个排列的数据采集后，即可向下一个排列移动，减少滩涂区海水、淤泥造成人员移动困难以及含水、高盐分环境下导致仪器设备无法正常工作对时间消耗，滩涂区数据采集过程中仅仪器设备“搬家”时间占用总工作用时的5％，因而总工作用时的95％都可以用于AMT数据采集，大大提高了数据采集效率，单日可完成工作量得到大幅提升。

因为滩涂区每日涨潮退潮时间间隔短，每天不超过5小时，所以在滩涂区开展AMT勘探工作是十分困难的，如何能在每天有限时间内既能保证数据采集的质量，又能完成任务设计的工作量，即提高滩涂区AMT数据采集工作效率是关键因素。

(2)数据有效性对比

常规方法为张量观测和计算阻抗，拖拽式方法为电信号标量观测、磁信号张量观测后使用张量旋转方式计算阻抗。因此，拖拽式方法通过张量旋转方式计算正确的阻抗。图9为北海滩涂区BH1线常规方法和拖曳式方法实测点位图，图7为图9所示勘探测线中1个测点进行常规方法和拖拽式方法进行张量计算后的视电阻率和相位对比分析图，从图上可以看出，两种方法所得视电阻率和相位基本一致，仅在个别频点出现误差。

图8是校正成水面或水底的视电阻率和相位的校正曲线与实测结果对比，可以看出，拖拽式方法校正到水底的视电阻率和阻抗相位曲线和常规方法相接近。因此针对不同的实施地区，对滩涂区有水区域测点采集的数据进行校正后，能够获取和常规方法较为一致的数据。

(3)反演结果对比

图9为北海滩涂区BH1线常规方法和拖曳式方法实测点位图，图10为两种方法反演结果对比图，其中，图10(a)为常规方法反演剖面，图10(b)为拖曳式方法反演剖面，反演结果显示滩涂区域地下电性特征清晰，从上往下电阻率分层明显，根据电阻率差异，除地表很薄的含盐松散沉降沙层外，大致分为3层，第一层厚度约20m，电阻率值约1Ω·m，推测为第四系海积层，岩性粉质粘土及粘土淤泥层为主，是主要隔水层；第二层厚度约10m，电阻率约0.3Ω·m，推测为含海水的砂、细砂海积层，为咸水层。30m以深为大面积高阻区域，电阻率在30Ω·m以上，推测为第三系地层，主要岩性为粘土、粉质粘土与砂砾互层。两种方法对浅部松散沉积层和深部基岩地层均有良好反映，各分层层厚度基本一致，与已知地质信息相对应。反演结果的对比也进一步验证了拖拽式方法的有效性。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种沿海滩涂区拖曳式AMT探测装置，其特征在于，包括水陆两用拖拽气垫船、大地电磁仪、防水磁传感器和电信号采集链，所述电信号采集链由多个防水不极化电极串联而成，大地电磁仪设置在水陆两用拖拽气垫船上，防水磁传感器、电信号采集链分别与大地电磁仪相连。

2.如权利要求1所述的一种沿海滩涂区拖曳式AMT探测装置，其特征在于，所述防水不极化电极，采用横卧式放置，包括防水盖头、防水螺杆、PVC罐体、PbCl2主体和多芯拖曳电缆，PVC罐体两端均设有防水盖头和防水螺杆，PVC罐体均匀布设若干开孔，PbCl2主体设置在PVC罐体内部并且通过所述开孔同测量点接地接触，PVC罐体内部中心设有穿线管，多芯拖曳电缆从所述穿线管中穿过并同PbCl2主体相连，用于传递采集信号并承担拖曳功能。

3.如权利要求1所述的一种沿海滩涂区拖曳式AMT探测装置，其特征在于，所述防水磁传感器包括磁传感器主体和磁传感器外壳包裹形成的内腔，磁传感器主体安装在所述内腔中，磁传感器外壳的顶端和底端分别安装有上防水盖和下防水盖，上防水盖和下防水盖均采用隔水件固定，磁传感器外壳的一端安装有电缆防水头，电缆防水头上设有电缆防水螺杆，磁传感器主体包括相连的线圈、磁芯和电路，线圈、磁芯和电路之间填充绝缘灌封胶，用于提升磁传感器主体防水性能。

4.如权利要求3所述的一种沿海滩涂区拖曳式AMT探测装置，其特征在于，所述隔水件为橡胶垫片和O型圈，用于使上防水盖和下防水盖隔水。

5.如权利要求1所述的一种沿海滩涂区拖曳式AMT探测装置，其特征在于，每两个所述防水不极化电极之间的距离为25～50m。

6.一种如权利要求1至5任一项所述的沿海滩涂区拖曳式AMT探测装置的探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、布设权利要求1至5任一项所述的沿海滩涂区拖曳式AMT探测装置；

步骤S2、在滩涂区地表规划一条勘探测线，在靠近勘探测线附近滩涂区无水区域布设1个采集站，采集张量磁信号；

步骤S3、在滩涂区无水及水深小于2m区域，采用拖曳布站定点观测方式测量；

步骤S4、待一个排列数据采集完成后，水陆两用拖拽气垫船向前移动一个排列距离，采集该排列数据并记录存储；

步骤S5、重复步骤S3和步骤S4，至测试到勘探测线终点或者滩涂区水深大于2m；

步骤S6、对同步采集的两个相互正交方向的磁场分量计算到任意角度磁场分量，通过张量旋转的方式计算得到视电阻率和阻抗相位；其中，滩涂区有水区域采用电磁分离测量方式，电场和磁场计算出的视电阻率校正到同一界面；

步骤S7、完成一条勘探测线数据采集后，校正后的有水区域测量点数据进行视电阻率和阻抗相位计算后，同无水区域测量点数据共同反演计算，形成视电阻率反演剖面图。

7.如权利要求6所述的一种沿海滩涂区拖曳式AMT探测方法，其特征在于，步骤S3中，在滩涂区无水及水深小于2m区域，采用拖曳布站定点观测方式测量的步骤，具体包括：调整水陆两用拖拽气垫船的位置，使得探测装置形成一条直线并平行于勘探测线；使用大地电磁仪与电信号采集链进行电信号的标量观测与采集，拖曳电信号采集链的第一个电极至勘探测线起点，记录测量时排列的拖缆方位角，采集该排列数据并记录存储；如果该排列位于有水区域时需记录水深数据。

8.如权利要求6所述的一种沿海滩涂区拖曳式AMT探测方法，其特征在于，步骤S6中，所述电磁分离测量方式的步骤为：将电信号采集链布置在水底，防水磁传感器布设在岸上或滩涂区无水区域，分别采集海底电场信号和磁场信号。

9.如权利要求6所述的一种沿海滩涂区拖曳式AMT探测方法，其特征在于，步骤S6中，所述电场和磁场计算出的视电阻率校正到同一界面的步骤，包括：

在水平层状一维介质中，任一层介质中的波动方程为：

式(1)的一般解为：

式(2)为层状介质中电磁场强度表达式，式中，E_x为电场强度，H_y为磁场强度，k为复波数，j为复数单位，ω＝2πf为角频率，μ＝4π×10^-7H/m，σ_i为第i层介质电导率；z为垂直深度，z_i-1≤z_i≤z_i+1，A_i、B_i为每层间的积分常数；

对于第一层海水的顶部和底部场，z＝0和z＝h₁，将其分别带入到式(2)，得到：

式中，为海水的顶部电场强度，A_i、B_i为每层间的积分常数，Z_i为第i层介质的特征阻抗，/> 为海水的顶部磁场强度；

式中，k为复波数，σ₁为第1层介质电导率，/>为海水的底部电场强度，为海水的底部磁场强度，h₁为海水深度，A_i、B_i为每层间的积分常数，Z₁为第1层介质即海水的特征阻抗，/>

将式(3)和式(4)分别相加后，再联立求解，消除A_i、B_i，得到：

同理，两式分别相减，再联立求解，消除A_i、B_i，得到：

对于滩涂区有水区域，磁场数据使用的是无水区测量数据，根据大地电磁场相对均匀性，磁场看作为水面磁场，即则有/>因此对式(5)和式(6)两侧同时除以/>然后两侧相加，得到电磁分离数据和水面电磁同步关系方程，如下：

Z′＝Z⁰cosh(k₁h₁)-Z₁sinh(k₁h₁) (7)

Z⁰＝(Z′+Z₁sinh(k₁h₁))/cosh(k₁h₁) (8)

同样，将式(5)和式(6)两侧同时除以然后两侧相加，得到电磁分离数据和水底电磁同步关系方程，如下：

Z′＝Z¹Z₁/[Z₁cosh(k₁h₁)+Z¹sinh(k₁h₁)] (9)

Z¹＝Z′Z₁cosh(k₁h₁)/[Z₁-Z′sinh(k₁h₁)] (10)

式中，k为复波数，j为复数单位，ω＝2πf为角频率，μ＝4π×10^-7H/m，σ₁为第1层介质电导率；/>为第1层介质的特征阻抗；Z⁰为校正到水面阻抗；Z¹为校正到水底阻抗；Z′为实测电磁分离阻抗；

通过式(7)、(8)和式(9)、(10)，将有水区域测量点数据校正到水面或者水底。

10.如权利要求6所述的一种沿海滩涂区拖曳式AMT探测方法，其特征在于，步骤S6中，所述视电阻率、阻抗相位与阻抗的关系分别为：

式中，ρ_a为视电阻率，P_h为阻抗相位，ω＝2πf为角频率，μ＝4π×10^-7H/m，Z为阻抗。