城鎮(zhèn)有限場(chǎng)地條件下的物探找水試驗(yàn)

周磊 曹創(chuàng)華 鄧專 譚佳良 龍霞

摘要：為在城區(qū)強(qiáng)干擾環(huán)境、有限場(chǎng)地條件下進(jìn)行物探方法找水，特利用等值反磁通瞬變電磁法，在湖南郴州市某城鎮(zhèn)進(jìn)行了野外試驗(yàn)。在地表調(diào)查和周邊人文環(huán)境基礎(chǔ)上，常規(guī)電測(cè)深等找水有效手段在城鎮(zhèn)區(qū)域難以施工，面對(duì)這個(gè)難題利用等值反磁通瞬變電磁法進(jìn)行試驗(yàn)，其利用對(duì)偶中心耦合裝置消除了收發(fā)線圈感應(yīng)耦合來(lái)消除干擾。首先根據(jù)地質(zhì)信息設(shè)計(jì)了近似南北向的4條剖面，然后進(jìn)行了發(fā)射頻率試驗(yàn)并進(jìn)行單點(diǎn)連續(xù)探測(cè)，最后利用探測(cè)結(jié)果繪制了多測(cè)道曲線和二維模擬斷面等值線圖并設(shè)計(jì)了鉆孔。鉆探驗(yàn)證結(jié)果表明：等值反磁通瞬變電磁法在強(qiáng)干擾、場(chǎng)地受限的城鎮(zhèn)區(qū)域找水效果較好，是一種值得推廣的新方法。

關(guān)鍵詞：等值反磁通瞬變電磁法;城市地質(zhì);強(qiáng)干擾環(huán)境，物探方法找水

中圖分類號(hào)：P631.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-1903（2019）01-0097-06

0前言

水資源是城市居民、廠礦企業(yè)和各單位的必不可少資源，城市水源地的調(diào)查和評(píng)價(jià)是地質(zhì)調(diào)查工作者面臨的主要工作之一。隨著人們對(duì)淡水的需求量不斷增加，我們需要不斷更新科學(xué)技術(shù)手段，利用各種現(xiàn)代的水文地質(zhì)勘探手段來(lái)尋找地下水資源，從而減少缺水地區(qū)的供水問(wèn)題。

地球物理方法是城市水源地探尋的主要手段，找水成果較多，如龍慧等（2018）在西寧盆地利用EH4等方法成功的找到了構(gòu)造裂隙水，曹創(chuàng)華等（2018）在湘潭錳礦利用高密度電法和充電法成功探測(cè)到了地下巖溶水通道。而在城市地質(zhì)強(qiáng)干擾環(huán)境、有限場(chǎng)地條件下找水鮮見成果。

近年來(lái)，根據(jù)湖南省人民政府和湖南省自然資源廳的統(tǒng)一部署安排下，湖南省地質(zhì)調(diào)查院承擔(dān)了很大一部分的城市有限場(chǎng)地區(qū)域的找水工作。城鎮(zhèn)區(qū)域的物探工作容易受到場(chǎng)地有限、游散電流干擾、電磁干擾等因素影響，常規(guī)電法（如視電阻率聯(lián)合剖面法、高密度電阻率法）均對(duì)工作場(chǎng)地提出了一定的要求，在有限場(chǎng)地條件下無(wú)法進(jìn)行電極跑極等工作，而且方法本身的抗干擾能力也比較有限。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，本次工作擬選用等值反磁通瞬變電磁法（Opposing Coils TransientEleetromagneties Method，簡(jiǎn)稱OCTEM）用于本次城鎮(zhèn)區(qū)域強(qiáng)干擾環(huán)境條件下的物探找水試驗(yàn)，所用的儀器是由中南大學(xué)和湖南五維地質(zhì)科技有限公司研制生產(chǎn)的HPTEM-08高精度瞬變電磁系統(tǒng)。

自從OCTEM發(fā)明以來(lái)，2018年高遠(yuǎn)在城鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中成功的圈定了煤礦塌陷區(qū)異常帶，趙思為等（2017）在鐵路勘查方面探測(cè)效果明顯;但針對(duì)南方城鎮(zhèn)區(qū)找水鮮有報(bào)道，本文將從這方面展開闡述。

1基本原理

瞬變電磁法（Tmnsient electromagnetic methods，TEM）又稱時(shí)間域電磁法（Time domain electromagneticmethods，TDEM），是一種利用不接地回線向地下發(fā)射一次脈沖電磁場(chǎng)，并觀測(cè)地下渦流場(chǎng)的方法（靜恩杰等，1995;李貅，2002;牛之璉，2007）。目前的瞬變電磁法普遍采用的是由一個(gè)發(fā)射線圈和一個(gè)接收線圈組成的測(cè)量系統(tǒng)，由于發(fā)射線圈在發(fā)射電磁場(chǎng)的過(guò)程中，會(huì)使接收線圈本身產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)和地下渦流場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)疊加，從而造成瞬變電磁法的早期信號(hào)失真，形成瞬變電磁法的淺層勘查盲區(qū)（薛國(guó)強(qiáng)，2004）。

OCTEM使用等值反磁通技術(shù)對(duì)發(fā)射天線進(jìn)行了改進(jìn)（圖1），消除了收發(fā)線圈之間的感應(yīng)耦合。相比于傳統(tǒng)的瞬變電磁法，OCTEM具有抗干擾能力強(qiáng)、儀器輕便、沒(méi)有淺層勘探盲區(qū)、勘探深度大、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。

OCTEM根據(jù)等值反磁通原理，采用雙線圈源建立一次場(chǎng)零磁通接收平面，測(cè)量時(shí)，接收線圈處于一次場(chǎng)零磁通平面上，當(dāng)發(fā)送電流關(guān)斷時(shí)，接收面的一次場(chǎng)磁通為零，接收線圈自身不會(huì)產(chǎn)生電磁振蕩，消除一次場(chǎng)對(duì)接收線圈的影響，以觀測(cè)到地下純二次場(chǎng)響應(yīng)，從而提高瞬變電磁探測(cè)準(zhǔn)確度，縮小淺層盲區(qū)。OCTEM雙線圈源發(fā)射雖然比單線圈源發(fā)射時(shí)能量相對(duì)減弱，但是一次場(chǎng)能量70%集中在近地表，增強(qiáng)了渦流聚集，降低了體積效應(yīng)和“煙圈”擴(kuò)散角度，有效的提高了縱向和橫向分辨率。OCTEM采用微線圈發(fā)射和接收，便于收發(fā)天線一體制作，既利于狹小工區(qū)野外施工，保障了每個(gè)測(cè)點(diǎn)激發(fā)場(chǎng)的一致性，避免了外業(yè)布線誤差以及記錄點(diǎn)位置原因引起的二次場(chǎng)測(cè)量誤差（席振銖等，2016）。

由于渦流場(chǎng)在大地中主要以擴(kuò)散形式傳播，感應(yīng)渦流的擴(kuò)散速度及其極大值的衰減幅度與大地電導(dǎo)率成反比關(guān)系。根據(jù)地表接收到的渦流場(chǎng)信號(hào)隨時(shí)間的衰減規(guī)律獲得地下電導(dǎo)率信息，渦流場(chǎng)的擴(kuò)散深度為

式中：σ為大地電導(dǎo)率，t為衰減時(shí)間，uo為真空磁導(dǎo)率。因此，OCTEM的最大探勘深度與發(fā)送磁矩、大地電導(dǎo)率及最小可分辨電壓有關(guān)。通過(guò)理論計(jì)算和相關(guān)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)發(fā)射線框?yàn)?0×50m，最小可分辨電壓為0.5V/m2，發(fā)射電流為10A，大地電阻率為200Ω·m時(shí)，勘探深度可達(dá)218.9m（薛國(guó)強(qiáng)等，2004;席振銖等，2016;王銀等，2017）。

2工程實(shí)例

2.1工程概況

工作區(qū)位于郴州市嘉禾縣，南北向長(zhǎng)約115m，東西向?qū)捈s70m，工作區(qū)北邊和西邊均為寬50m的瀝青公路（圖2）。

工作區(qū)表層第四系覆蓋，基巖為一套石炭系下統(tǒng)石磴子組（C，s）的中厚層狀粉晶粒屑灰?guī)r、生物屑泥粉晶灰?guī)r;區(qū)內(nèi)可能存在一條近東西走向的隱伏構(gòu)造。

調(diào)查區(qū)及周邊主要地層有：

第四系（Q）：灰黃、黃、紅黃、黃紅色，為紅粘土，常含鐵錳質(zhì)結(jié)核，含砂及風(fēng)化灰?guī)r碎塊，分布廣泛，評(píng)估區(qū)從南到北的大部分低矮平緩丘陵、地勢(shì)低洼的沖溝均有分布。一般厚1～5m，最厚可達(dá)10m以上。

石炭系下統(tǒng)石磴子組（C1S）：上段為深灰色中厚層狀粉晶粒屑灰?guī)r、生物屑泥粉晶灰?guī)r，含燧石團(tuán)塊;下段為灰色厚層狀粒屑灰?guī)r，含生物屑泥晶灰?guī)r及細(xì)晶云巖，含燧石團(tuán)塊結(jié)核?？偤?60.1m。

石炭系下統(tǒng)天鵝坪組（CI/）：灰色薄層狀泥灰?guī)r、鈣質(zhì)頁(yè)巖，含陸屑泥質(zhì)灰?guī)r。厚度9.1～20.3m。

泥盆系上統(tǒng)孟公坳組（D3m）：灰色厚層狀泥粉晶灰?guī)r、生物屑灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r夾中細(xì)晶云巖。厚度259～327m。

泥盆系上統(tǒng)歐家沖組（D30）：上部為灰黃色薄層狀生物屑泥灰?guī)r;中下部為含粉砂質(zhì)泥灰?guī)r夾細(xì)粒石英砂巖。厚度16～254.6m。

泥盆系中統(tǒng)棋子橋組（D2q）：淺灰色中厚層狀粒屑灰?guī)r、內(nèi)碎屑灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r夾云巖及云質(zhì)灰?guī)r。厚度大于800m。

2.2野外工作方法

本次工作使用的儀器是HPTEM-08高精度瞬變電磁系統(tǒng)，整套系統(tǒng)由天線、儀器主機(jī)、電池、電腦組成，電腦和儀器主機(jī)通過(guò)WIFI技術(shù)連接（圖3）。儀器天線重量約25kg，天線直徑約1.2m，厚度約0.3m，發(fā)射線圈等效邊長(zhǎng)50m，接收線圈等效面積200mz，接收帶寬200kHz。儀器主機(jī)發(fā)送占空比為50%的雙極性方波，發(fā)送電壓12V，發(fā)送電流10A，發(fā)送頻率范圍為0.1～250Hz，關(guān)斷時(shí)間0.5us;接收分辨率24位，接收采樣率625kHz，最大時(shí)間道為1250（席振銖等，2016）。

本次工作共布置測(cè)線4條，均沿工區(qū)長(zhǎng)軸線方向平行展布，測(cè)線長(zhǎng)度80～100m，線距10-15m，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距為5m。

本次物探找水所要求的勘查深度為100m，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，本次數(shù)據(jù)采集選用的發(fā)射頻率為6.25Hz，疊加次數(shù)為1000次，每個(gè)測(cè)點(diǎn)重復(fù)觀測(cè)兩次。

2.3結(jié)果分析

使用“HPTEM-08”數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)做預(yù)處理，然后進(jìn)行擬二維反演，得到各測(cè)線的電阻率等值線圖（圖4）和多測(cè)道曲線圖（圖5）。反演的最大深度為150m，基準(zhǔn)電阻率100Ω·m，約束系數(shù)1.0，反演系數(shù)0.3，反演方法為層狀介質(zhì)反演法。

根據(jù)已知的地質(zhì)資料，工作區(qū)淺層為第四系覆蓋，在視電阻率反演結(jié)果中體現(xiàn)為淺部的低阻區(qū)域，視電阻率p≤100Ωm;下部的基巖為灰?guī)r，則在視電阻率反演結(jié)果中體現(xiàn)為視電阻率p>150Ω·m的高阻區(qū)域（圖4、圖5）。

通過(guò)等值反磁通瞬變電磁法的反演結(jié)果，可以看到1線和2線上均存在一個(gè)明顯的低阻異常區(qū)（圖4），異常區(qū)的視電阻率約50～150Ω·m，1線的異常區(qū)位于水平位置55～90m范圍，2線的異常區(qū)位于水平位置35～70m范圍，2個(gè)異常區(qū)均呈板狀特征，延伸深度約90-100m。結(jié)合工作區(qū)地質(zhì)情況和地面調(diào)查結(jié)果，推測(cè)上述2個(gè)異常區(qū)為一組北西一南東走向的破碎帶（圖6），破碎帶的上部視電阻率約50～100Ω·m，推測(cè)上部的富水性較好;破碎帶往南東方向延伸，在3線和4線的邊緣區(qū)域形成不完整的低阻異常（圖4）。

2.4驗(yàn)證情況

綜合物探和水文地質(zhì)成果，在2線40m位置進(jìn)行水文鉆探（圖6），鉆孔情況如表1所示：

鉆探結(jié)果表明該鉆孔在20～70m孔深范圍內(nèi)出現(xiàn)多組裂隙發(fā)育，基巖較為破碎，并含水，該鉆孔已建井，交付地方待用。

3結(jié)論

通過(guò)本次物探找水實(shí)踐，證明了采用對(duì)偶中心耦合裝置消除了收發(fā)線圈感應(yīng)耦合的等值反磁通瞬變電磁法，在強(qiáng)干擾地區(qū)可以采集到高質(zhì)量、高信噪比的數(shù)據(jù)，抗干擾能力很好;并且可以有效的消除瞬變電磁法的淺部“盲區(qū)”，使之用于淺部的物探找水以及相關(guān)的物探勘查。該方法施工簡(jiǎn)單、快捷，對(duì)狹小、復(fù)雜的地形均有良好的適應(yīng)性，是一種在城鎮(zhèn)有限場(chǎng)地條件下物探找水的優(yōu)良工作手段。但是作為一個(gè)新的物探工作手段，該方法的反演電阻率值和真實(shí)電阻率存在一定的差異。