《Engineering Geology》：Research on electrical structure detection of surface subsidence based on ground-airborne frequency-domain electromagnetic method
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地面沉降电性探测研究：GAFEM方法在复杂地形中的应用与验证。本研究采用地面-航空频率域电磁法（GAFEM）在四川达州矿区完成2.3km2面积的三日数据采集，结合地质剖面、实地调查和InSAR数据，发现低电阻率异常与严重地面沉降存在显著空间关联（低阻区沉降概率42%高于非低阻区）。验证了GAFEM在快速探测地下结构中的有效性，为工程地质和环境监测提供新方法。
陈宪杰|王坤鹏|罗伟|戴新云|吴浩|郭长安|陈楚同
教育部地球探测与信息技术重点实验室，成都理工大学，中国成都610059
摘要
本研究评估了地面-机载频域电磁方法（GAFEM）在探测地表沉降区域地下电异常方面的有效性。数据采集覆盖了2.3平方公里的区域，耗时3天完成。数据处理和反演结果生成了电异常的空间分布图，显示与地表沉降相关的电阻率异常具有平面分布特征，并且规模相对较大。结合地质剖面、现场调查和InSAR数据进行分析后发现，虽然电阻率与沉降位移之间没有显著的线性相关性，但在沉降严重的区域，低电阻率异常与地表沉降之间的空间相关性显著增强。条件概率统计表明，在研究区域内，49.4%的高沉降点具有低电阻率特征，而只有22.5%的低电阻率点出现高沉降现象。此外，低电阻率区域发生沉降的概率比无低电阻率区域高42%。我们得出结论，GAFEM在复杂地形中具有快速勘探的潜力。尽管直接且精确地划定沉降区域具有挑战性，但它能够有效探测地下电结构，从而为解释沉降原因和识别潜在的地表沉降隐患提供地球物理证据。
引言
地表沉降是一种常见的环境地质灾害（Castellazzi等人，2017年；Zhou等人，2018年），它会改变地区的原始地形和地层结构，破坏生态环境，并影响桥梁和房屋等地表结构的稳定性（Liu等人，2015年；Jin等人，2016年；Kadiyan等人，2021年）。它直接威胁人们的生命和财产，严重限制了当地的可持续发展，并已成为一个全球性问题（Ao等人，2024年）。因此，了解地表沉降的地下结构和范围尤为重要。地球物理勘探方法可以为识别地质结构和划定易发生沉降的区域提供有力证据。实际上，许多学者已将地球物理勘探方法应用于地表沉降研究。基于电阻率差异的地球物理方法包括瞬变电磁法（TEM）、电阻率层析成像（ERT）和磁测深法（MT）等，用于确定地表沉降和水含量的分布范围。例如，Song等人（2012年）利用ERT检测了未开挖隧道地点可能引起地表沉降的微小空洞；Pacheco-Martínez等人（2013年）利用ERT在沉降初期检测到了地表沉降和埋藏裂缝；Trepil等人（2020年）通过ERT检测到沉降区域的电阻率低于160 Ω·m；Wu等人（2018年）利用TEM确定了地下空洞的分布，为划定稳定区域提供了依据；Villase?or-Reyes等人（2024年）利用TME检测了地表沉降区域的沉积物厚度和基岩几何形状，并分析了地下结构与地表沉降之间的关系；Gao等人（2024年）利用TEM检测了地表沉降期间废弃矿区的水积聚情况；Liu等人（2018年）利用MT检测了高电阻率残余空洞和低电阻率充水孔洞。其他用于检测地表沉降的标准地球物理勘探方法还包括探地雷达（GPR）、重力测量、磁测和被动地震勘探，这些方法都取得了良好的应用效果（Avila-Olivera和Gardu?o-Monroy，2008年；Dalia等人，2010年；Pankratz等人，2021年；Chen等人，2023年）。
上述地球物理方法主要在地面上进行。尽管它们具有实际应用价值，但也存在一些困难和挑战。例如，基于阵列和区域的地面调查需要大量人力且效率低下。在复杂地形中，进行地面地球物理勘探尤为困难。而机载地球物理勘探可以通过在移动平台（如直升机）上部署设备并从空中进行调查来有效解决这些问题（Paterson和Bosschart，1987年；Yin等人，2015年）。早期的机载地球物理勘探主要用于地下水和矿产勘探（Bromley等人，1994年；Fountain，1998年）。随着无人机技术的进步，基于无人机的机载地球物理勘探得到了发展，并在工程地质学中得到越来越多应用（Sun等人，2023年；Yu等人，2023年；Wu等人，2024年）。
在过去十年中，一种新的基于无人机的机载电磁方法——地面-机载频域电磁方法（GAFEM）在地球物理学领域逐渐得到发展（Lin等人，2019年）。该方法通过在地面传输频率信号，并通过安装在无人机上的接收器在空中接收信号，能够在复杂地形中快速安全地获取有效数据（Becken等人，2020年；Kotowski等人，2022年）。与传统机载电磁方法（AEM）相比，GAFEM的发射系统位于地面，从而实现更高的功率输出和更深的探测深度。同时，轻量级的接收系统使其可以与民用无人机集成，降低了飞行成本和风险（Wu等人，2019年）。
正因上述优势，GAFEM已在多个领域得到成功应用，如隧道勘探（Zhang等人，2021年；Zhen等人，2023年）、古代矿区探测（Smirnova等人，2019年）、断层结构探测（Liu等人，2024年）以及富含水的废弃矿井空洞探测（Xia等人，2022年；Zheng等人，2023年），证明了其在复杂地形中的强适应性和高探测可靠性。它在识别含水结构和电异常方面具有特殊优势，为工程地质和环境调查提供了技术支持。为了提高GAFEM的成像性能，研究人员采用了梯度倾角成像（Yu等人，2024年）、空间磁梯度异常成像（Liu等人，2024年）、利用总磁强度计算背景电阻率（Liu等人，2025a，Liu等人，2025b）以及倾角视电阻率-联合梯度成像方法（Liu等人，2025a，Liu等人，2025b）等技术。
然而，关于探测与地表沉降相关的地下电结构，目前文献中缺乏直接证据表明GAFEM在此方面的适用性和有效性。此外，针对沉降情景的全面多维验证和分析也较为缺乏。为填补这些空白，本文通过一个实际工程应用案例研究了GAFEM在评估地表沉降隐患方面的适用性和有效性。首先，我们介绍了研究区域的地质背景和地表沉降特征；其次，详细阐述了GAFEM的原理、数据处理技术和反演方法；随后，展示了研究区域的电结构和异常特征，并对这些异常的原因进行了详细分析。通过结合地质剖面、现场调查、InSAR数据等来源的对比统计分析，验证了GAFEM在揭示地表沉降区域地下电结构方面的有效性及其对识别潜在地表沉降的指示意义。本研究的结果可以为复杂环境中快速识别与地表沉降相关的地下电结构以及理解地表沉降原因提供地球物理参考。
地质特征
研究区域位于中国四川省达州市的一个矿区。区域地质图如图1（a）所示。该地区的裸露地层主要为泥岩、粉质泥岩、粘土质粉岩、砂岩等。其中，泥岩、粉质泥岩和粘土质粉岩强度较低，易风化剥落，在厚土层和陡峭地形中容易滑动。
原理
GAFEM系统主要由地面电源、机载接收器和旋翼飞行器组成（图3）。地面电源包括长导线和高功率发射器（Xue等人，2015年）。高功率发射器发出不同频率的方波。同时，旋翼飞行器携带机载接收器，用于测量地面电源产生的垂直磁场响应并记录在空中。
反演结果
采用上述反演策略，我们对研究区域的GAFEM数据进行了反演计算，反演深度为500米，最大迭代次数为100次。图6（a）显示了部分测线的反演结果，反演出的电阻率异常明显，相邻测线的反演结果相似。图6（b）显示了所有测量点的均方根（RMS）误差。最大RMS值为3.628。
地质验证
为了验证电阻率反演结果的可靠性，我们选择了W13作为代表性剖面。通过将其成像结果与现场地质调查中绘制的地质剖面进行精确比对，系统地证明了两者的一致性。图9（a）展示了W13的电阻率反演结果。电阻率等值线呈拱形分布，两侧值较低，中间值较高。在1000–1600米范围内，我们观察到...
讨论
InSAR、GNSS等技术在监测复杂环境中的地表沉降方面被证明非常有效（Arif等人，2025年）。然而，这些方法仅限于观察地表变形特征。另一方面，地球物理方法被认为是研究与沉降相关的地下地质结构的重要工具（Mohammed等人，2021年）。许多研究表明，基于地面的地球物理方法具有...
结论
为了解决传统地表地球物理方法（如TEM、ERT）在复杂地形中探测沉降区电结构时的经济成本和低效率问题，我们在一个2.3平方公里的复杂地形区域内实际应用了GAFEM。GAFEM仅用三天就完成了整个数据采集和处理工作流程，效率比传统地面方法提高了约六倍（估计...）
作者贡献声明
陈宪杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化。
王坤鹏：监督，资金获取，概念化。
罗伟：软件，资金获取。
戴新云：资源，调查。
吴浩：验证。
郭长安：资源。
陈楚同：资源。
资助
本文由深地探测与矿产资源勘探-国家科技重大专项（编号：2024ZD1002100）和自然资源部省部联合项目（编号：2024ZRBSHZ143）共同资助。
未引用参考文献
Jiang等人，2024年
Liu等人，2019年
Navarro-Hernández等人，2023年
Ortiz-Zamora和Ortega-Guerrero，2010年
Zhang等人，2023年
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
我们衷心感谢期刊编辑们的严格编辑和高效组织工作。同时，也感谢Aminu博士以及其他两位匿名审稿人在繁忙的日程安排下提供的宝贵反馈和专业建议。
