电磁探测新技术：破解地质工程探测难题

随着经济的持续高速发展和基础设施建设规模的加大，我国已经成为世界上隧道建设第一大国，核能、页岩气开发利用也在迅猛发展。近年来，地下工程建设、高放废物处置和页岩气开采的深度越来越大，赋存的地质环境日趋复杂，由此带来的工程安全问题越来越严重。受传统测深方法技术水平的限制，我们对工程岩体的尺度和致灾构造的属性认知严重不足，使长期存在的对深部目标体“探不到、探不准、探不精” 的问题悬而未决。

创新地球物理精细探测技术、提升地球物理深部探测能力，实现深部地质结构体高分辨率探测，已经成为我国重大地质工程领域亟待解决的科技难题。开展地球物理电磁探测新方法研究、研发高性能探测装备、实现深部弱信息提取，已成为突破重大工程领域中的隧道、高放废物地质处置储库和页岩气压裂开采等工程相关深部地质结构体有效识别难题的重要途径。

地质工程电磁探测通过使用电磁仪器观测电磁场数据来研究地下工程地质目标体的物性(电导率、介电常数、极化率等)， 为评价地层类型、结构、空隙、构造、含水性等提供依据。为了提高评价的可靠性，需要研制和不断更新高质量的仪器；需要通过理论和室内外实验研究地球物理场和地层物性之间的定性定量关系以及如何由观测场与研究的定量关系反推(反演) 地层的物性；需要研究物性和岩性之间的关系以及如何由地球物理场的特征和物性反推地层的岩性。当前地质工程电磁探测的研究热点多集中于进一步提高方法的探测深度、精度以及研制高性能观测仪器等方面。

在国家及企业一系列重大项目支持下，笔者及团队针对重大地质工程中存在的深部地质结构探测问题，系统地开展了地球物理电磁探测新方法、新技术、新仪器研制工作。通过我们十多年的努力，研究出基于三维有限差分法、有限元法及积分方程法的电磁数值模拟方法，实现了工程地质体电磁响应三维仿真模拟。利用与发射频率相关数据重构信号，实现强干扰的高效压制，研发出电磁数据处理和反演解释一体化的高精度三维聚焦精细成像软件系统。发展瞬变电磁隧道超前预报技术，针对我国地面电磁法装备主要依赖进口的实际情况，成功研发了大功率高效发射、宽频带低噪声磁传感、强抗干扰高精度信号检测等技术，研制了新一代性能领先的地面电磁探测系统。

利用电磁探测技术在南水北调西线、石太客运专线等深埋长隧道开展了地质结构精细探测实例研究，成功划分了断裂、破碎带的分布，圈定了岩溶等含水构造体，保障了隧道安全施工。对我国甘肃北山和阿拉善核废料地质处置预选区的典型地质构造开展了人工源电磁法三维探测，实现了核废料地质处置库预选场址评价。利用研制的多套SEP接收系统，配合长江大学在我国涪陵页岩气田焦页51-5HF井压裂过程中，开展了电磁阵列剖面法四维观测，揭示了地下构造和压裂状态，为气田生产布井和调整压裂方案提供了依据。

本书共分五章。第1章概述中介绍了重大地质工程特点及精细探测需求、重大地质工程勘查方法及国内外研究现状，列出了本书的研究内容概要；第2章阐述了重大地质工程电磁探测方法，包括地面电磁三维精细探测方法、地下瞬变电磁探测方法和空中电磁探测方法等；第3章介绍了高性能电磁探测技术装备，由于高性能电磁装备核心技术研究有专门的专著做了详细介绍，考虑到本书稿的逻辑关系，只对自主研制的电磁探测技术装备进行了概要介绍；第4章是电磁探测的新方法、新技术以及研制成功的新装备在重大地质工程中的实例应用研究，重点介绍重大地质工程电磁探测技术的应用，包括深埋长隧道不良地质结构电磁探测、隧道掌子面瞬变电磁超前预报、高放废物预选场址地球物理探测、非常规油气储层压裂动态监测等；第5章对电磁探测技术在重大地质工程中的应用效果做了归纳，对未来技术发展与需求做了展望。

本书第1章由底青云、马凤山、薛国强、王中兴、李海执笔；第2章由底青云、安志国、薛国强、王若、付长民执笔；第3章由王中兴、底青云执笔；第4章由安志国、薛国强、底青云、王中兴执笔；第5章由底青云、薛国强、安志国执笔。雷达、陈卫营、田飞、张文秀、裴仁忠、武欣、常江浩等参加了部分工作。全书由底青云统稿。每章的开始都简短介绍本章内容，书稿最后附有参考文献。本书是在众多合作者的支持和帮助下编写的。

笔者特别感谢王思敬院士在书稿撰写过程中给出的有益建议，强调要突出工程地质与地球物理的结合ꎬ 要体现探测技术的创新；特别感谢伍法权研究员及他的几位博士研究生在南水北调西线深埋长隧道探测项目中所做的工程地质勘查工作；特别感谢山东大学李术才院士、刘斌教授和长安大学李貅教授在隧道掌子面探测中的指导和协作；感谢王光杰副研究员在石太客运专线深埋长隧道探测项目中的电磁数据采集、处理及解释工作；感谢长江大学严良俊教授及其团队提供的利用我们自主研制的仪器进行页岩气压裂监测的机会；感谢笔者研究团队的诸多研究生对工程探测方法研究、工程野外探测等做出的贡献。

希望本书所述内容能够给关心重大地质工程地球物理探测的科学研究和工程技术人员提供有益的知识和参考，同时也希望本书有益于促进工程地质与地球物理不同学科间的交流。由于笔者对跨学科地质工程的知识有限，一些方法技术还需要继续深入研究，疏漏之处在所难免，敬请专家和读者批评指正。

底青云

2020年2月

本文摘编自《重大地质工程电磁探测新技术与应用》一书前言，标题为编辑所加。长按识别篇首图中二维码或点击下面“阅读原文”即可购书。

（本文责编：张井飞）

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