GATEM技术在高海拔岩溶区导水通道探测中的创新应用与工程实践

《Journal of Geophysics and Engineering》：The Application of GATEM in Water-Conducting Channels Survey in High Plateau Area

本文针对高海拔复杂地形区导水通道探测难题，研究团队采用地-空瞬变电磁法（GATEM）开展水文地质勘查研究。通过融合地面大功率发射与无人机磁接收技术，结合全视电阻率成像与地形校正方法，成功揭示了青藏高原东缘断裂带控制的低阻异常区，为重大工程地质灾害防控提供了关键技术支撑。该研究证实GATEM在高原复杂环境下具有成本效益高、探测深度大的独特优势。

　　

在青藏高原东缘的崇山峻岭间，川藏铁路、大型水电站等国家重大工程正面临着一个隐秘的威胁——深埋于地下的岩溶导水通道。这些由断裂带控制的复杂地下水系统，犹如潜伏在地下的"定时炸弹"，随时可能引发隧道突水、地面塌陷等灾难性事故。然而，传统的物探方法在这片地形险峻的高海拔区域却束手无策：地面探测受制于陡峭地形难以展开，而航空电磁法又存在探测深度不足、成本高昂的局限。正是这一工程地质领域的卡脖子难题，推动了中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室范亚楠、李晓昭等研究人员开展创新性探索。

发表在《Journal of Geophysics and Engineering》的这项研究，首次系统验证了地-空瞬变电磁法（Ground-Airborne Transient Electromagnetic Method, GATEM）在高海拔岩溶区导水通道探测中的有效性。研究人员在青藏高原东缘岷山山脉典型区域布设了三个探测区，通过原创性的技术方法组合，成功实现了对深部导水通道的精准成像。

关键技术方法主要包括：①基于大功率地面电偶极子发射与无人机磁感应接收的混合探测系统，其中发射极间距达2.0-2.5公里，无人机飞行高度达720米；②包含背景噪声测量、基线校正、小波去噪的全流程数据预处理方案；③全视电阻率迭代计算法（公式：ρ⁽ⁱ⁺¹⁾=Δρ⁽ⁱ⁾+ρ⁽ⁱ⁾）结合地形比率校正技术（公式：ρ_s^abn=ρ_s^total·ρ_bkg/ρ_s^topo）；④基于烟圈扩散理论的时深转换方法（公式：δ=√(2t/μ₀σ)）。

2. Survey area

研究区位于青藏高原东缘的岷山山脉核心地带，地形高差显著（2400-4000米），构造上处于岷江断裂带控制区。数字高程模型显示该区域发育深切峡谷和陡峭山脊，这种极端地形给传统物探方法带来巨大挑战。研究人员特别选择了中央鞍状缓坡区作为设备布设区，为GATEM探测提供了理想试验场。

3 Field data collection and preprocessing

GATEM技术核心在于创新性地将地面大功率发射源（13.5-19A电流，10-16Hz基频）与无人机载接收系统相结合。探测时，地面电偶极子向地下注入脉冲电流，断电后由无人机携带的高灵敏度感应线圈测量二次场衰减信号。三个探测区共布设46条测线（线距100米），累计飞行67.64公里，覆盖面积达5.5平方公里。

预处理环节采用多阶段噪声抑制策略，包括基于小波的天电干扰剔除和横向平滑处理，显著提升了信噪比。背景噪声测量显示探测区电磁环境适宜，为高质量数据采集奠定了基础。

4 Field data imaging methodology

成像方法创新体现在三个关键环节：全视电阻率定义采用泰勒展开迭代算法，通过设定误差阈值ε保证收敛精度；地形校正采用比率校正法，有效消除了高差引起的电磁场畸变；时深转换基于烟圈扩散模型，将时间域信号转换为深度域剖面，为地质解释提供直观依据。

5. Imaging results and interpretation

电阻率成像结果清晰揭示了与岷江断裂带空间位置高度吻合的低阻异常带。探测区I显示斑块状低阻异常，探测区II呈现从剖面1到剖面5逐渐加深的条带状异常，特别是在断裂交汇处异常特征最为显著。探测区III的低阻异常主要分布在2400米和2800米高程，呈现出明显的层控或断控特征。这些低阻异常被解释为导水裂隙带或含水岩溶通道。

6. Discussion

研究证实GATEM技术在高原复杂地形条件下具有独特优势：地面发射源保证了探测深度，无人机平台克服了地形限制，专业处理流程确保了成像可靠性。探测区II断裂交汇处的异常特征提示该区域具有较高的水文地质复杂性，是工程建设的重点风险防控区。探测区III的层控型异常说明除了断裂控制外，地层界面也是地下水运移的重要通道。

7. Conclusions

该研究成功建立了适用于高海拔复杂地形区的GATEM探测技术体系，通过多学科方法融合揭示了岷江断裂带控制的导水通道空间分布规律。研究成果不仅为川藏铁路等重大工程选址提供了科学依据，也为类似地区的工程地质勘察提供了可复制的技术范式。未来研究将聚焦于多地球物理数据联合反演和钻孔验证，进一步提升探测精度。

这项研究的突破性在于它成功解决了高海拔复杂地形区深部水文地质勘查的技术瓶颈。通过原创性的技术组合和系统化的工程实践，研究人员不仅证实了GATEM方法在极端环境下的适用性，更重要的是建立了一套可推广的技术标准。这些成果对于保障国家重大工程安全、推动"一带一路"基础设施建设具有重要战略意义，同时也为全球类似地区的工程地质问题提供了中国方案。