瞬變電磁法與高密度電法綜合對(duì)比分析
——以近地表工程勘探為例

程 濤，黃曉應(yīng)，趙 恒，陳 輝

(1.中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700；2.四川中水成勘院工程物探檢測(cè)有限公司，四川 成都 610072；3. 華電金沙江上游水電開(kāi)發(fā)有限公司葉巴灘分公司，四川 成都 610041；4.東華理工大學(xué) 地球物理與測(cè)控技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的發(fā)展，人們對(duì)工程與環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的關(guān)注，需要對(duì)近地表進(jìn)行高分辨率探測(cè)與評(píng)價(jià)[1]。瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Methods)，又稱(chēng)時(shí)間域電磁法(Time Domain Electromagnetic Methods)簡(jiǎn)稱(chēng)TEM或TDEM，是近年來(lái)快速發(fā)展的一種地球物理勘探方法。它是通過(guò)在人工場(chǎng)激勵(lì)下，地下介質(zhì)感應(yīng)電流產(chǎn)生，通過(guò)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差異，測(cè)得地下介質(zhì)的電性分布，是實(shí)現(xiàn)淺層高分辨率探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)[2-3]，也是超前預(yù)報(bào)勘探的重要方法之一[4-8]。高密度電阻率法(Multi-electrode resistivity method)是一種陣列勘探方法，它以巖、土導(dǎo)電性的差異為基礎(chǔ)，研究人工施加穩(wěn)定電流場(chǎng)的作用下地中傳導(dǎo)電流分布規(guī)律，已經(jīng)成為近地表地球物理勘探的常用方法之一[9]。然而對(duì)該兩種方法的應(yīng)用效果、反演結(jié)果等方面缺乏綜合對(duì)比，使得針對(duì)實(shí)際問(wèn)題，難以選擇何種地球物理勘探方法。

為此，本文以成都溫江商業(yè)用地、拉馬風(fēng)電場(chǎng)的工程勘探為例，從瞬變電磁法與高密度電法視電阻率、反演剖面圖、溶洞探測(cè)效果三方面著手，綜合對(duì)比分析在兩種地質(zhì)條件、兩種工程地質(zhì)問(wèn)題的各自的優(yōu)缺點(diǎn)、異同，為類(lèi)似工程問(wèn)題勘探的方法選擇提供借鑒和參考[10-17]。

1 研究方法

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地長(zhǎng)導(dǎo)線發(fā)射一次瞬變電磁場(chǎng)，在地下形成感應(yīng)渦流場(chǎng)，然后采用不接地線圈或接地電極觀測(cè)該電磁場(chǎng)的空間和時(shí)間分布，從而達(dá)到探測(cè)地下地質(zhì)體的一種電磁感應(yīng)方法。瞬變電磁法常用的測(cè)量工作裝置有重疊回線、大回線、中心回線等。針對(duì)淺部工程地質(zhì)問(wèn)題，本文采用重疊回線裝置[2-8]。

(1)

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7H/m；N為發(fā)射線圈匝數(shù)；S為發(fā)射線圈單匝線圈面積，m2；n為接受線圈匝數(shù)；s為接受線圈單匝線圈面積，m2；t為測(cè)道時(shí)間，ms；I為發(fā)送電流，A；V(t)為接受回線中的感應(yīng)電壓，μV。

(2)

式中：Ms為發(fā)送磁矩，A·m2；q為接受線圈的有效面積，m2；V′(t)為t時(shí)刻觀測(cè)到的感應(yīng)電壓值，μV；Sτ為縱向電導(dǎo)，S/m。

1.2 高密度電阻法

高密度電阻率法是一種適用于淺層電阻率測(cè)深-剖面法的陣列電阻率勘探方法。它的理論基礎(chǔ)與常規(guī)電阻率法相同，所不同的是野外工作方法技術(shù)。高密度電阻率法野外測(cè)量時(shí)將全部電極置于觀測(cè)剖面的各測(cè)點(diǎn)上，然后利用電極轉(zhuǎn)換儀器和電阻率測(cè)量?jī)x器便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集。與傳統(tǒng)的電阻率法相比，工作效率高，測(cè)點(diǎn)密集，所獲信息更加豐富，解釋結(jié)果更加準(zhǔn)確。顯然,高密度電阻率勘探技術(shù)的運(yùn)用與發(fā)展，使電法勘探的智能化程度顯著提升。

2 結(jié)果分析

2.1 場(chǎng)地試驗(yàn)對(duì)比分析

試驗(yàn)商業(yè)用地位于光華大道，非物質(zhì)文化遺產(chǎn)公園溫江方向斜對(duì)面，場(chǎng)地地貌單元為成都平原岷江水系沖、洪積Ⅰ級(jí)堆積階地；地表層為第四系沖積卵石層，下伏基巖為砂巖、泥巖。場(chǎng)地長(zhǎng)500 m、寬140 m左右，試驗(yàn)規(guī)定距長(zhǎng)邊一側(cè)70 m并平行于長(zhǎng)邊的位置為此次試驗(yàn)的0樁號(hào)。試驗(yàn)選取多參數(shù)組合進(jìn)行，其中瞬變電磁法開(kāi)展了10 m、25 m、50 m邊長(zhǎng)和5 m、10 m、20 m點(diǎn)距共9個(gè)組合試驗(yàn)，高密度選取了6 m道間距、60根有效電極的溫納裝置(WN)、施倫貝爾測(cè)深1(SB1)以及溫施測(cè)深1(WS1)三種裝置模式共3個(gè)組合展開(kāi)對(duì)比。由于論文篇幅限制、對(duì)比從對(duì)應(yīng)較好的參數(shù)組合展開(kāi)介紹，瞬變電磁法與高密度電法主要參數(shù)選取見(jiàn)表1。

表1 商業(yè)用地瞬變電磁法與高密度電法主要參數(shù)

對(duì)比分析將從視電阻率值大小、視電阻率變化趨勢(shì)、反演剖面形態(tài)和異常區(qū)域探測(cè)效果等方面進(jìn)行，為了便于對(duì)比選取樁號(hào)0+117、0+157和0+197附近三個(gè)典型測(cè)點(diǎn)。

(1)視電阻率值對(duì)比。由于瞬變電磁法的一次場(chǎng)干擾，對(duì)比分析將從視深度6.0 m以下展開(kāi)，其中視深度、視電阻率分別為軟件反演計(jì)算得出。瞬變電磁法三個(gè)典型測(cè)點(diǎn)視深度31.4 m對(duì)應(yīng)的視電阻率值分別為102.54 Ω·m、67.57 Ω·m、107.71 Ω·m，高密度電法三個(gè)典型測(cè)點(diǎn)視深度31.5 m對(duì)應(yīng)的視電阻率值分別為175.78 Ω·m、119.54 Ω·m、131.83 Ω·m。瞬變電磁法和高密度電法三個(gè)典型測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)其他視深度的視電阻率值大小也不同，并且沒(méi)有規(guī)律，找不到兩種方法視電阻率值方面的共性,兩種方法三個(gè)典型測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的視電阻率變化趨勢(shì)對(duì)比見(jiàn)圖1。

(2)視電阻率變化趨勢(shì)對(duì)比。繪圖利用視電阻率值作為縱坐標(biāo)、視深度作為橫坐標(biāo)，分別繪出瞬變電磁法和高密度電法在三個(gè)典型測(cè)點(diǎn)的視電阻率隨視深度的變化曲線。瞬變電磁法和高密度施倫貝爾測(cè)深三個(gè)典型測(cè)點(diǎn)視電阻率值隨著視深度變化均呈“低～高～低”的變化趨勢(shì)，三個(gè)典型測(cè)點(diǎn)視電阻率值隨視深度變化曲線見(jiàn)圖1。

圖1 視電阻率變化趨勢(shì)對(duì)比

對(duì)比發(fā)現(xiàn)：選取瞬變電磁法其他測(cè)點(diǎn)作為背景，在測(cè)點(diǎn)0+197視深度37.7 m處與測(cè)點(diǎn)0+117出現(xiàn)交叉，說(shuō)明測(cè)點(diǎn)0+197在37.7 m處視電阻率值較其他測(cè)點(diǎn)的視電阻率值有明顯降低，稱(chēng)為異常叉。在后面有很多類(lèi)似的工程中異常叉的出現(xiàn)往往伴隨異常區(qū)，本論文不展開(kāi)討論。

(3)反演色譜圖及異常探測(cè)對(duì)比。瞬變電磁法與高密度施倫貝爾測(cè)深主要分成地表覆蓋層(低阻層)、中間沖積卵石層(高阻層)、基巖泥巖(低阻層)共三層。在剖面樁號(hào)0+197、埋深深度在38.0 m左右兩種方法均探測(cè)到明顯低阻異常。兩種方法在分層以及異常區(qū)域勘探效果對(duì)應(yīng)一致。

施倫貝爾測(cè)深1在0+198～0+228樁號(hào)附近有一低阻(高密度法反演色譜圖見(jiàn)圖2)，瞬變電磁法在0+197～0+217樁號(hào)附近同樣出現(xiàn)一低阻(瞬變電磁法反演色譜圖見(jiàn)圖3)；在水平方向上兩種方法異常出現(xiàn)的位置一致，從開(kāi)挖結(jié)果上分析瞬變電磁法探測(cè)異常更為規(guī)整。施倫貝爾測(cè)深1在埋深23.7 m深度附近出現(xiàn)明顯低阻，瞬變電磁法在30.0 m深度附近出現(xiàn)明顯低阻；瞬變電磁法除去6.0 m的盲區(qū)，異常均出現(xiàn)在24.0 m左右，筆者認(rèn)為瞬變電磁法的盲區(qū)就是無(wú)用數(shù)據(jù)。

圖2 高密度法施倫貝爾1反演色譜圖

2.2 風(fēng)電場(chǎng)溶洞探測(cè)對(duì)比分析

拉馬風(fēng)電場(chǎng)位于會(huì)東縣拉馬鄉(xiāng)、海壩鄉(xiāng)范圍內(nèi)，拉馬場(chǎng)地地層由老至新分布為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)和二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P2β)，地表層主要為含礫粉質(zhì)黏土及碎石土兩種，下伏基巖為前震旦系會(huì)理群立馬河組(Pt2l)，以灰色～深灰色變質(zhì)石英粉砂巖為主厚度大于500 m。結(jié)合溫江試驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)，拉馬風(fēng)電場(chǎng)溶洞探測(cè)瞬變電磁法和高密度電法主要參數(shù)選取見(jiàn)表2。

拉馬風(fēng)電場(chǎng)勘探工作共完成9組高密度電法與瞬變電磁法溶洞探測(cè)對(duì)比試驗(yàn)，由于論文篇幅限制，將選取2號(hào)風(fēng)機(jī)位進(jìn)行分析。瞬變電磁法在剖面樁號(hào)63 m、埋深10 m左右有一高阻暈團(tuán)(瞬變電磁法反演色譜圖見(jiàn)圖4)，高密度電法在剖面樁號(hào)62～70 m、埋深10 m左右有高阻異常(高密度溫納反演剖面圖見(jiàn)圖5)。經(jīng)后期開(kāi)挖剖面63 m樁號(hào)、埋深11 m為溶蝕溶洞，開(kāi)挖結(jié)果與瞬變電磁法對(duì)應(yīng)一致。

圖3 瞬變電磁法反演色譜圖

瞬變電磁法高密度電法參數(shù)采樣頻率、波形回線裝置、線圈匝數(shù)線圈邊長(zhǎng)、點(diǎn)距裝置模式道間距有效電極總數(shù)0.01 ms、矩形方波重疊、單匝10 m、10 mWN2 m60根

圖4 瞬變電磁法反演色譜圖

圖5 高密度法溫納反演色譜圖

瞬變電磁法普遍對(duì)低阻、良導(dǎo)體測(cè)試效果好，中深部礦產(chǎn)上此方法應(yīng)用較多。此次拉馬試驗(yàn)驗(yàn)證了瞬變電磁法能夠探測(cè)高阻異常(巖溶地區(qū)不充填溶洞)，后經(jīng)過(guò)開(kāi)挖驗(yàn)證2號(hào)風(fēng)機(jī)位的溶洞大小和瞬變電磁法勘察效果一致性較好。

3 結(jié) 論

瞬變電磁法視電阻率值與高密度電法視電阻率值沒(méi)有可比性，兩種方法測(cè)點(diǎn)視電阻率隨視深度的增加變化形態(tài)均呈“低～高～低”形態(tài)變化。反演色譜圖及異常探測(cè)方面，瞬變電磁法與高密度施倫貝爾測(cè)深劃分地層效果一致，筆者認(rèn)為瞬變電磁法盲區(qū)為無(wú)用數(shù)據(jù)；對(duì)瞬變電磁圈探測(cè)到的異常比高密度電法圈探測(cè)到的異常更加規(guī)整，后開(kāi)挖瞬變?nèi)μ綔y(cè)異常的效果一致性較好。瞬變電磁法對(duì)良導(dǎo)體測(cè)試效果好，此次拉馬試驗(yàn)筆者發(fā)現(xiàn)瞬變電磁法能夠探測(cè)巖溶地區(qū)不充填高阻異常溶洞。