淺層等值反磁通瞬變電磁法在鐵路淺埋隧道地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

葉建超

摘要：等值反磁通瞬變電磁法是一種較新的物探方法，它通過將接收線圈置于反磁通平面，消除暫態(tài)過程，接收純凈地下二次場(chǎng)。把該方法應(yīng)用于鐵路淺埋隧道的工程地質(zhì)勘探中，利用斷層破碎帶和巖溶發(fā)育巖體與較完整巖體的電阻率差異，在貴（陽）南（寧）高鐵永興隧道的物探中，查明了斷層和巖溶發(fā)育位置，充分展示其方法的良好勘探效果。

關(guān)鍵詞：等值反磁通；瞬變電磁；純凈二次場(chǎng)；淺層勘探

1 引言

近20年來，可控源音頻大地電磁（CSAMT）法和天然場(chǎng)大地電磁（AMT）法已廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)勘探中，但其兩種方法由于大氣電離層的干擾或收發(fā)射頻率不高等問題，探測(cè)埋深在0～100m的淺層地質(zhì)體效果較差，而直流電法和地質(zhì)雷達(dá)法等則難以探測(cè)埋深大于30m地質(zhì)體，因此埋深在30～100m范圍的地質(zhì)體勘探對(duì)于物探方法的選擇來說一直是困擾業(yè)界的一大難題。

常規(guī)的瞬變電磁法（TEM）是以不接地回線或接地長(zhǎng)導(dǎo)線供以雙極性脈沖電流激發(fā)地下二次電磁場(chǎng)、通過觀測(cè)二次磁場(chǎng)從而達(dá)到探測(cè)地下地質(zhì)體的一種物探方法。但是，由于發(fā)射電流關(guān)斷時(shí)，接收線圈本身產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并疊加在二次場(chǎng)之上，因此造成早期信號(hào)失真，形成地下淺部約0～30m的探測(cè)盲區(qū)。為消除接收線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，中南大學(xué)席振銖教授于2014研發(fā)了一種基于等值反磁通原理的瞬變電磁方法——等值反磁通瞬變電磁法[1]，即采用上下平行共軸的兩個(gè)相同、但電流方向相反的發(fā)射線圈，通以反向電流作為發(fā)射源，且在該雙線圈源合成的一次場(chǎng)零磁通面上，測(cè)量對(duì)地中心耦合的純二次場(chǎng)[2]。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)論證表明該方法能有效消除接收線圈本身的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而獲得地下純凈二次場(chǎng)響應(yīng)，消除了常規(guī)瞬變電磁法的對(duì)于淺層探測(cè)的弊端[3]。

下面首先闡述等值反磁通原理，然后介紹該方法在鐵路淺層地質(zhì)勘探中的實(shí)際應(yīng)用。

2 等值反磁通瞬變電磁法原理

等值反磁通瞬變電磁法原理與常規(guī)瞬變電磁法原理類似，原理相同部分不再贅述，不同部分闡述如下[1] [2]：

為實(shí)現(xiàn)等值反磁通，其裝置如圖1所示，反向串聯(lián)上下平行的共軸線圈TX（+）與TX（-），兩線圈電流I相同但等值反向，接收線圈RX至于雙線圈源正中間的一次場(chǎng)零磁通平面，且與雙線圈源共軸（席振銖等，2014）。

3 應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)以新建貴陽至南寧高速鐵路（以下簡(jiǎn)稱貴南高鐵）永興隧道物探為例說明等值反磁通瞬變電磁法在淺埋隧道地質(zhì)勘探的應(yīng)用效果。永興隧道為淺埋隧道，最小埋深45m，最大埋深180m，如本文引言部分所述原因，物探方法的選擇非常困難，因此在該隧道的物探中嘗試使用反磁通瞬變電磁法，以探測(cè)隧道的工程地質(zhì)條件，特別是查明隧道淺埋段的斷層位置和巖溶發(fā)育情況，為隧道設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料。現(xiàn)分述隧道的地質(zhì)概況、物探特征、資料采集、資料處理、資料分析和資料解釋如下。

3.1 地質(zhì)概況及物性特征

貴南高鐵永興隧道位于廣西省河池市境內(nèi)，隧址屬峰叢洼地地貌，高程為302m～448m，局部陡立，山坡植被發(fā)育，上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積粉質(zhì)黏土，下伏基巖主要為石炭系中統(tǒng)灰?guī)r，隱伏地質(zhì)構(gòu)造和巖溶發(fā)育，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。

地質(zhì)調(diào)繪資料顯示在隧道小里程端發(fā)育有連泉斷層，大致在DK277+985位置呈小角度與線路相交，為此需要采用物探查明連泉斷層穿越隧道洞身的具體位置和巖溶發(fā)育情況。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)以及地球物理正演結(jié)果，得出工區(qū)各類巖體的反演電阻率值（表1）。

由表1可知，工區(qū)中的斷層破碎帶和巖溶發(fā)育或富水巖體與較完整巖體之間存在一定的電性差異，因此工區(qū)具備開展等值反磁通瞬變電磁法的地球物理勘探前提條件[4]。

3.2資料采集

在永興隧道地表線路中線位置（DK277+860～DK278+810）布置一條測(cè)線，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距為10m。使用湖南五維地質(zhì)科技有限公司研發(fā)的HPTEM-08型儀器采集TEM資料，通過測(cè)定二次場(chǎng)感應(yīng)電壓參數(shù)計(jì)算視電阻率。在資料采集中，采用收發(fā)一體等值反磁通天線定點(diǎn)測(cè)量方式，天線直徑為1.2m，發(fā)射等效邊長(zhǎng)為50m×50m，接收等效面積為200m2。考慮到探測(cè)深度和工區(qū)地下電阻率等因素，選擇發(fā)送基頻25Hz，其中，儀器關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)度約40us、每個(gè)測(cè)點(diǎn)采樣點(diǎn)數(shù)1250個(gè)（即每個(gè)測(cè)點(diǎn)記錄時(shí)間長(zhǎng)度10ms）、最大發(fā)送電流10A、發(fā)送電壓12V。

3.3 資料處理

使用隨HPTEM-08型儀器配置的專用軟件對(duì)TEM法資料進(jìn)行處理。主要處理流程為：輸入原始記錄資料→截去一次場(chǎng)殘余時(shí)間段資料→剔除隨機(jī)干擾→編輯二次場(chǎng)感應(yīng)電壓～時(shí)間曲線→調(diào)入地面高程資料→一維反演和擬二維反演→輸出測(cè)線反演電阻率斷面圖[5]。

把測(cè)線反演電阻率斷面圖作為后續(xù)資料解釋的基本圖件和主要依據(jù)。

3.4 資料分析與解釋

圖4為永興隧道一段測(cè)線的反演電阻率斷面圖。如圖4所示，工區(qū)的反演電阻率總體以中低阻為背景，縱向上視電阻率從上到下逐步遞增，橫向上高低阻相間，淺部的低阻帶為覆蓋土層或全風(fēng)化巖體的電性反應(yīng)；在小里程DK277+860～DK278+000段存在上下貫通延伸的條帶狀低阻異常，其視電阻率值僅為200～400Ω.m，根據(jù)反演電阻率斷面圖中電阻率的背景值、低阻異常的形態(tài)以及電阻率梯度值等因素，推測(cè)該低阻異常為連泉斷層破碎帶[6]；其余3個(gè)閉合圈低阻異常，推測(cè)為巖溶發(fā)育或富水巖體。

把物探資料解釋結(jié)果與地質(zhì)調(diào)繪資料進(jìn)行對(duì)比可知，物探資料所示連泉斷層位置與地質(zhì)調(diào)繪資料完全吻合，印證了等值反磁通瞬變電磁法勘探資料的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

根據(jù)等值反磁通瞬變電磁法原理和及其在貴南高鐵永興隧道的應(yīng)用效果，得出提下結(jié)論：

1、等值反磁通瞬變電磁法的原理創(chuàng)新要點(diǎn)歸結(jié)為：將接收線圈至置于反磁通平面，有效消除TEM早期過度過程影響，接收的是純凈地下二次場(chǎng)，提高了瞬變電磁法淺層探測(cè)資料的可靠度。

2、在貴南高鐵永興隧道所作的等值反磁通瞬變電磁法勘探工作表明，淺部物探信息豐富可靠，存在斷層的隧道洞身埋深僅約45m，根據(jù)物探資料所判釋的斷層位置和傾向與地質(zhì)調(diào)繪資料完全吻合。

3、等值反磁通瞬變電磁法的應(yīng)用較好地解決了埋深為30～100m范圍地質(zhì)體探測(cè)的物探方法選擇難題；另外，等值反磁通瞬變電磁法是通過測(cè)量磁場(chǎng)分量而不是測(cè)量電場(chǎng)分量來計(jì)算電阻率，因此在基巖裸露、接地條件較差的地段探測(cè)巖溶和煤窯采空區(qū)，該方法比AMT或CSAMT等方法更獨(dú)具優(yōu)勢(shì)[7]。

綜上，等值反磁通瞬變電磁法在今后淺埋隧道的物探工作中將有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

席振銖，龍霞，周勝等. 基于等值反磁通原理的淺層瞬變電磁法. 地球物理學(xué)報(bào)[J]，2016，59（9）：3428-3435，

[2] 席振銖，宋剛，周勝等.. 一種瞬變電磁測(cè)量裝置及方法[P]. 2014，中國(guó)專利，201410092714.X. [3] 薛國(guó)強(qiáng)，李貅，底青云.. 瞬變電磁法理論與應(yīng)用研究進(jìn)展[J]，2007，22（4）：1195-1200.

[4] 李貅. 瞬變電磁測(cè)深的理論與應(yīng)用[M].陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2002

[5] 雷旭友，李正文，折京平. 2009.超高密度電阻率法在土洞、煤窯采空區(qū)和巖溶勘探中應(yīng)用研究. 地球物理學(xué)進(jìn)展，[J]，24（1）：340-347.

[6] 楊鏡明，魏周政，高曉偉. 高密度電阻率法和瞬變電磁法在煤田采空區(qū)勘查及注漿檢測(cè)中的應(yīng)用. 地球物理學(xué)進(jìn)展，[J]，2014，29（1）：362-369，

（作者單位：中鐵二院地勘院物探所）