瞬變電磁與高密度電法在巖溶區(qū)探測中的應(yīng)用

彭海輝，張湖源，歐元超，陳 雨

(1. 安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊，安徽 六安 237010；2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

在我國一些地區(qū)的地下介質(zhì)中會存溶洞、空洞等的不良地質(zhì)體，常引發(fā)地表塌陷等安全事故[1-2]。因此，需對地下巖溶、空洞等隱伏災(zāi)害埋藏位置及大小相關(guān)特征進行精準(zhǔn)探測。目前，對地下不良地質(zhì)體探測的方法有地震波法、探地雷達法、電阻率法等。其中，文獻[3]采用數(shù)值模擬方法從理論方面對地下不良地質(zhì)體的瑞雷波傳播特征進行了分析研究，發(fā)現(xiàn)在地下軟弱層中及破碎層中其相速度有所降低；文獻[4]則是采用探地雷達技術(shù)對道路結(jié)構(gòu)層及道路內(nèi)部損壞進行探測研究；文獻[5]采用高密度電法對地下空洞進行探查，從測量裝置、空洞埋深、分布形態(tài)及覆蓋層厚度等多方面因素進行分析研究。各探測方法各具優(yōu)越性，同時也存在一定的不足。地震數(shù)據(jù)采集需進行震源的激發(fā)，可能導(dǎo)致新的塌陷隱患產(chǎn)生，甚至引發(fā)塌陷；探地雷達技術(shù)受現(xiàn)場環(huán)境約束較大，且對較深層地質(zhì)隱患探測效果有待改善。目前，采用單一的探測手段，可靠性不足，難以精準(zhǔn)圈定巖溶的空間分布范圍。因此，文章采用高密度電法與瞬變電磁法對現(xiàn)場巖溶塌陷區(qū)進行綜合地球物理探查，并結(jié)合鉆探資料對探測結(jié)果進行驗證，準(zhǔn)確圈定了地下溶洞的發(fā)育位置和分布范圍。

1 區(qū)域地質(zhì)條件

研究區(qū)位于霍邱某鐵礦廠附近，該區(qū)內(nèi)地層屬華北區(qū)淮河分區(qū)，除西部長山丘陵一帶有零星的新元古界青白口系和下古生界寒武系出露外，余者均為第四系覆蓋，該系沉積類型屬河湖相沉積，多為棕紅、黃褐色，第四系之下，分布有較大面積的新太古界霍邱群變質(zhì)巖系及中生代地層。其中，該區(qū)淺部第四系以砂性土發(fā)育為主，為孔隙水賦存提供了良好的空間。西部四十里長山丘陵分布有碳酸鹽類巖石，巖溶較為發(fā)育，為地下水的賦存和運移提供了條件。第四系和新近系之下為變質(zhì)巖類巖石，裂隙不發(fā)育，含水較貧乏，唯風(fēng)化帶含有較豐富的風(fēng)化裂隙水。研究區(qū)內(nèi)砂巖及灰?guī)r層發(fā)育，地下水較為豐富，為巖溶發(fā)育提供良好的物質(zhì)及環(huán)境條件。

該研究區(qū)于2018年發(fā)生面積約4.4×104m2的地面塌陷，最大下沉量大0.52m，并且存在進一步塌陷的危險。經(jīng)前期勘探資料發(fā)現(xiàn)，礦床內(nèi)無斷層發(fā)育，但在本次研究區(qū)附近有斷層通過。另外，研究區(qū)內(nèi)發(fā)育形成的若干巖溶受到礦區(qū)地下開采影響而導(dǎo)致巖溶結(jié)構(gòu)受到破壞是引起本次塌陷的主要誘因。因此，為避免因現(xiàn)場勘探而造成安全隱患的情況下，選擇了瞬變電磁法和高密度電法相結(jié)合的綜合勘探方法對研究區(qū)深部巖溶空間發(fā)育及分布位置進行精確探測，為下一步的災(zāi)害治理措施的制定提供指導(dǎo)。

2 探測技術(shù)

2.1 物性基礎(chǔ)

目標(biāo)體與其周圍地質(zhì)體間存在較為明顯的物性差異是開展地球物理探測工作的前提。前期勘察資料表明探測區(qū)內(nèi)的第四系覆蓋層電阻率值相對較低，下伏基巖層則表現(xiàn)相對高電阻率；而在巖溶塌陷區(qū)，由于巖溶內(nèi)部充水明顯，相較于周圍地質(zhì)體，該區(qū)域則會整體表現(xiàn)為具有明顯圈閉形態(tài)的低電阻率區(qū)。據(jù)此，可根據(jù)地質(zhì)體與異常體之間的電性差異以及異常體的空間展布形態(tài)進而確定巖溶發(fā)育特征。

2.2 探測技術(shù)原理

1)瞬變電磁法。瞬變電磁法測試裝置是由發(fā)射回線和接收回線兩部分組成，工作過程分為發(fā)射、電磁感應(yīng)和接收三部分。瞬變電磁法屬時間域電磁感應(yīng)方法[6-9]，其探測原理是：在向發(fā)射線圈供入發(fā)射電流I1的同時，線圈周圍建立了頻率和相位都相同的交變磁場H1，稱其為一次場。若這個磁場穿過地下良導(dǎo)體，則由于電磁感應(yīng)，可在良導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生二次感應(yīng)電流I2。這個電流又在周圍空間建立了交變磁場H2，稱其為二次場。如果沒有良導(dǎo)體存在時，將觀測到二次場快速衰減的過渡過程；當(dāng)存在良導(dǎo)體時，由于電源切斷的一瞬間，在導(dǎo)體內(nèi)部將產(chǎn)生渦流以維持一次場的切斷，所觀測到的過渡過程衰變速度將會變慢，分析和處理其觀測的數(shù)據(jù)，最終對地下異常電性參數(shù)進行解釋。

2)高密度電法。高密度電法[10-13]是在直流電阻率法基礎(chǔ)上的優(yōu)化改進后形成的，其是以異常體與周圍地質(zhì)體間的電性差異為前提，通過研究在地下人為建立穩(wěn)定電流場時的各深度位置處電阻率分布情況，進而判斷地質(zhì)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及判斷異常體分布位置。高密度電法集電剖面和電測深為一體，具有更高的工作效率、更豐富的數(shù)據(jù)量及更高的分辨率，在地質(zhì)災(zāi)害探測等領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用[14-18]。

探測區(qū)地下介質(zhì)存在較大的電性差異，瞬變電磁法及高密度電法正是利用電性差異對介質(zhì)的進行探查，利用這兩種物探方法對巖溶塌陷區(qū)進行巖溶空間分布的探測具有一定的優(yōu)越性及可靠性。

3 現(xiàn)場探測

3.1 測線布置

根據(jù)測區(qū)現(xiàn)場環(huán)境條件，選擇垂直塌陷區(qū)走向方向布置測線，以充分獲取測區(qū)地下介質(zhì)信息，測線布置圖如圖1(a)～(b)所示。瞬變電磁法與高密度電法測線布置參數(shù)如表1、表2所示。瞬變電磁剖面測量和測深工作同時完成，從二維及三維斷面上對地層分布、斷裂構(gòu)造及塌陷區(qū)發(fā)育范圍進行探查研究。

(a)瞬變電磁測線布置 (b)高密度電法測線布置圖1 現(xiàn)場綜合物探各測線布置示意圖

表1 瞬變電磁法測線布置參數(shù)

表2 高密度電法測線布置參數(shù)

3.2 探測數(shù)據(jù)分析

1)瞬變電磁數(shù)據(jù)分析。瞬變電磁數(shù)據(jù)采集完成，采用專業(yè)軟件進行數(shù)據(jù)處理，獲得各測線二維剖面圖(見圖2)，另外，通過提取各測線二維剖面中相同深度數(shù)據(jù)并進行從新組合，最終獲得不同深度下的水平切片圖(見圖3)。其中，圖2為瞬變電磁Y-Z方向各測線二維剖面圖，橫坐標(biāo)為測線長度，縱坐標(biāo)為高程，圖3為瞬變電磁X-Y水平方向不同深度切片圖，水平坐標(biāo)為平面二維坐標(biāo)，垂向坐標(biāo)為高程。

(a)1～4號測線剖面圖

(b)5～8號測線剖面圖

(c)9～11號測線剖面圖

(d)9～14測線剖面圖圖2 瞬變電磁Y-Z方向各測線二維剖面圖

由圖2可知，表層第四系土層表現(xiàn)為低電阻率，電阻率值多分布在10～25Ω·m，下部巖石層表現(xiàn)為較高電阻率，電阻率值多分布在30～65Ω·m。由圖2(a)，1～4號測線下部的基巖中出現(xiàn)多個低阻異常區(qū)，其中，YC-1與YC-2異常區(qū)發(fā)育范圍較大，分布在高程-35～-280 m范圍，電阻率值多分布在10～35Ω·m；YC-3異常區(qū)發(fā)育范圍相對較小，分布在高程-35～-220 m。由圖2(b)，5～8號測線剖面圖中呈現(xiàn)出三個較小低阻異常區(qū)，分別為YC-4、YC-5、YC-6，分布在高程-40～-150 m范圍。由圖2(c)、(d)，9～14號測線剖面圖中未出現(xiàn)明顯異常區(qū)，巖體結(jié)構(gòu)整體較為完整，分析測線已在地下巖溶發(fā)育區(qū)范圍外。

為更加直觀呈現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)各測線測量數(shù)據(jù)所得到的低阻異常體空間分布特征，故對各條二維測線數(shù)據(jù)進行提取整理后得到圖3。由圖3能清晰呈現(xiàn)不同深度異常區(qū)域空間發(fā)育情況，可以看出YC-1、YC-2異常區(qū)范圍較大、發(fā)育程度較高，YC-3～YC-6異常區(qū)發(fā)育程度較小，同時，各低阻異常區(qū)之間均有一定的連通且空間分布較為靠近。故推斷YC-1～YC-6位置在基巖內(nèi)部出現(xiàn)的低阻異常區(qū)域可能為巖溶發(fā)育，其中YC-1、YC-2為主要巖溶發(fā)育區(qū)。

2)高密度電阻率法數(shù)據(jù)分析。為進一步判斷在研究區(qū)內(nèi)通過瞬變電磁探測到的低阻異常區(qū)是否為巖溶發(fā)育以及確定其準(zhǔn)確的空間展布范圍，故在上述得到的異常區(qū)附近地表增加布設(shè)了三條高密度電法測線，用于進一步綜合探測及準(zhǔn)確圈定巖溶位置。圖4為對三條高密度電法測線數(shù)據(jù)進行處理后得到的電阻率反演剖面圖，其橫坐標(biāo)為測線長度，縱坐標(biāo)為高程。

圖3 瞬變電磁X-Y水平方向不同深度切片圖

(a)一號測線高密度電法剖面圖

(b)二號測線高密度電法剖面圖

(c)三號測線高密度電法剖面圖圖4 高密度電法電阻率反演剖面圖

由圖4可見，測區(qū)內(nèi)淺部主要為第四系表土層，而深部的基巖結(jié)構(gòu)并不完整，且其內(nèi)部存在多處明顯低阻異常區(qū)，電阻率約為1～10 Ω·m。

其中，圖4(a)可見探測斷面內(nèi)在測線長度在350～500m處的低阻異常主要在-50m高程的淺部，在平面位置上與TEM解釋推測的YC-1號異常相對應(yīng)；測線長度在700～750m處的低阻異常深度到-150m高程位置向下未閉合，說明仍向下延深，在平面位置上與TEM解釋推測的YC-2號異常相對應(yīng)。

圖4(b)斷面內(nèi)異常在測線長度在450m處的深部低阻異常延深到-150m高程向下未閉合，說明向下延深較大，在平面位置上與TEM解釋推測的YC-1號異常相對應(yīng)；測線長度在600～650m處的低阻異常深度到-200m高程位置向下未閉合，在平面位置上與TEM解釋推測的YC-2號異常相對應(yīng)。

圖4(c)斷面內(nèi)在測線長度在120～250m處的低阻異常向深部未閉合，在平面位置上與TEM解釋推測的YC-1號異常相對應(yīng)；測線長度在300～400m低阻異常深部-70m高程位置出現(xiàn)下凹異常，在平面位置上與TEM解釋推測的YC-2號異常相對應(yīng)。

由瞬變電磁法及高密度電法綜合勘探得到的結(jié)果可知，兩種測量得到的異常區(qū)分布基本一致，在測區(qū)內(nèi)分布多處疑似巖溶發(fā)育，且YC-1、YC-2為主要巖溶發(fā)育區(qū)。該塌陷沉降區(qū)形成的主要原因認(rèn)為是由礦山巷道長期排水，YC-1、YC-2異常區(qū)中的溶洞與深部斷層及異常帶中裂隙間形成了人為的地下水通道，使第四系和新近系砂層、泥灰?guī)r與基巖風(fēng)化帶含水層中的砂、土顆粒流失，局部地段形成充水空洞，加上外部因素的礦山開采、爆破震動及大氣降水等因素的綜合影響，達到巖溶及充水空洞坍塌的臨界值進而形成的突發(fā)性地表塌陷沉降事件。建議礦山生產(chǎn)工作進行合理的抽排水，防止巖溶進一步發(fā)育；對探測結(jié)果中明顯巖溶發(fā)育區(qū)進行注漿充填等合理的施工治理。

3.3 鉆探驗證

為驗證綜合勘探結(jié)果的準(zhǔn)確性，在疑似巖溶發(fā)育位置選擇低阻異常規(guī)模相對較大的YC-2異常中心附近打鉆驗證。根據(jù)查證鉆孔鉆探結(jié)果：淺部高程0～50m間為第四系土層；高程-150～0m范圍內(nèi)巖體破碎、裂隙構(gòu)造發(fā)育明顯且充填大量泥水，其為斷層的延伸區(qū)；電阻率等值線圖反應(yīng)的完整基巖面頂部與鉆探結(jié)果相比有一定偏差，主要因在高程-208～-150m間由大量破碎巖體及斷層泥等充填，斷層帶及兩盤破碎巖石的裂隙可能是水的通道，因此產(chǎn)生了深部的低阻異常。鉆探施工結(jié)果與瞬變電磁法、高密度電法探測結(jié)果基本一致，說明了探測方法的可行性與有效性。

4 結(jié)論

(1)在測區(qū)內(nèi)圈定2個主要低阻異常區(qū)，其中YC-1、YC-2異常區(qū)中巖溶發(fā)育明顯且影響范圍及深度較大，深度到-200m高程位置，推測其是引起塌陷的主要因素；其余4個低阻異常延深較小，主要是淺部溶洞引起，不是引起塌陷的主要因素。

(2)高密度電阻率法探測分辨率較高，對溶洞等地質(zhì)異常體的空間發(fā)育形態(tài)反映準(zhǔn)確，但勘探深度較淺；而瞬變電磁法則可彌補勘探深度不足的問題，提高對研究區(qū)內(nèi)深部結(jié)構(gòu)的探測能力，獲得更加全面的地質(zhì)數(shù)據(jù)信息。將上述兩種勘探方法相結(jié)合對巖溶塌陷區(qū)進行綜合地球物理探測可明顯提高探測結(jié)果的可靠性及精確性，應(yīng)用效果良好。