基于等值反磁通瞬變電磁法的城鎮(zhèn)巖溶探測(cè)研究

劉恒達(dá)

(湖南省有色地質(zhì)勘查研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

0 引言

地面塌陷是指地表巖、土體在自然或人為因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑(洞)，伴生地面沉降(引發(fā)房屋開(kāi)裂)和地面開(kāi)裂的一種地質(zhì)現(xiàn)象。當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生在有人類(lèi)活動(dòng)的地區(qū)時(shí)，便可能成為一種地質(zhì)災(zāi)害。2020年9月，湖南省某地突發(fā)地面塌陷，形成3處塌陷坑，多處房屋出現(xiàn)不同程度的開(kāi)裂變形，威脅道路和71戶(hù)300多人的生命財(cái)產(chǎn)安全。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，工作區(qū)主要為灰?guī)r地層，巖溶較為發(fā)育，根據(jù)塌陷的誘發(fā)因素分析，該塌陷為人為誘發(fā)塌陷，即工作區(qū)及周邊存在過(guò)度開(kāi)采地下水的現(xiàn)象，當(dāng)?shù)叵滤患眲∠陆?，?dǎo)致巖溶頂板破裂，覆蓋型可溶巖(碳酸鹽巖)的巖溶洞隙直接帶走上部土粒形成土洞使地面產(chǎn)生陷落。其形態(tài)類(lèi)型屬于巖溶地面塌陷。為了了解地下巖溶的分布情況，以便針對(duì)性的開(kāi)展地面塌陷治理工作，需要在工作區(qū)開(kāi)展物探工作。

工作區(qū)房屋密集，房屋周邊多有水泥坪和水泥路分布，多條民用電線穿梭于工作區(qū)上方。若開(kāi)展電法工作，如高密度電法，則不利于測(cè)線及電極的布置，若開(kāi)展常規(guī)電磁法，則無(wú)法避開(kāi)工作區(qū)民用電線等電磁干擾。經(jīng)過(guò)研究，決定采用等值反磁通瞬變電磁法(Opposing Coils Transient Electromagnetics Method，簡(jiǎn)稱(chēng)OCTEM)[1-5]作為本次巖溶探測(cè)的物探工作方法。本次等值反磁通瞬變電磁法采用定點(diǎn)測(cè)量的方式，不需布設(shè)導(dǎo)線，相對(duì)常規(guī)瞬變電磁法[7-15]，等值反磁通瞬變電磁法(OCTEM)無(wú)淺層勘探“盲區(qū)”，具較強(qiáng)的抗干擾能力[1]，比較適合在這種城鎮(zhèn)密集區(qū)開(kāi)展工作。

1 等值反磁通瞬變電磁法原理

等值反磁通瞬變電磁法[1-6](OCTEM)由中南大學(xué)席振銖教授提出，它是將接收線圈置于一個(gè)零磁通面上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可避免一次場(chǎng)干擾早期二次場(chǎng)的采集，實(shí)現(xiàn)基本消除瞬變電磁法的淺層盲區(qū)、提高淺層探測(cè)能力的目的。

具體方案：根據(jù)相同兩組線圈通以反向電流時(shí)產(chǎn)生等值反向磁通的電磁場(chǎng)時(shí)空分布規(guī)律，采用上下平行共軸的兩組相同線圈為發(fā)射源，且在該雙線圈源合成的一次場(chǎng)零磁通平面上，測(cè)量對(duì)地中心耦合的純二次場(chǎng)(圖1)。雙線圈在地面發(fā)射瞬態(tài)脈沖電磁場(chǎng)信號(hào)，其中一組線圈置于近地表面，在瞬態(tài)脈沖斷電瞬間，近地表疊加磁場(chǎng)最大，因此，在相同的變化時(shí)間下，感應(yīng)渦流的極大值面集中在近地表，感應(yīng)渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)最強(qiáng)，隨著關(guān)斷間歇的延時(shí)，地表感應(yīng)渦流逐漸衰減又產(chǎn)生新的渦流極大值面，并逐漸向遠(yuǎn)離發(fā)射線圈的深部、邊部方向擴(kuò)散，即為M.N.Nabighian[3]形象描述的瞬變電磁法的“煙圈效應(yīng)”(圖2)。渦流極大值面的擴(kuò)散速度和感應(yīng)渦流場(chǎng)值的衰減速度與大地電性參數(shù)有關(guān)，一般在非磁性大地中，主要與電導(dǎo)率有關(guān)：大地電導(dǎo)率越大，擴(kuò)散速度越小，衰減得越慢。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)律即可獲得地下電導(dǎo)率信息。

圖2 瞬態(tài)渦流極大值擴(kuò)散示意圖Fig.2 Schematic diagram of transient eddy current maximum diffusion

根據(jù)Jackson(1998)[6]推導(dǎo)的半徑為R，通入電流為I的單線圈在自由空間球坐標(biāo)系下以原點(diǎn)O為中心的磁場(chǎng)表達(dá)式，通過(guò)坐標(biāo)變換可得柱坐標(biāo)系下該單線圈電流環(huán)產(chǎn)生的磁場(chǎng)各分量的表達(dá)式為

(1)

(2)

根據(jù)以上公式和矢量疊加原理計(jì)算OCTEM雙線圈源的一次磁場(chǎng)，可知雙線圈源的中間平面磁力線是水平的，為一次場(chǎng)零磁通面，此平面接收信號(hào)不受一次場(chǎng)關(guān)斷影響，將接收到地下純二次場(chǎng)響應(yīng)。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程地質(zhì)條件

據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料及野外工程地質(zhì)調(diào)查，調(diào)查區(qū)房屋密布，有省道及水泥路穿過(guò)，地形條件較為復(fù)雜(圖3)；區(qū)內(nèi)構(gòu)造不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)活動(dòng)性斷裂構(gòu)造跡象，地形平坦開(kāi)闊，地形坡度一般小于5°。

圖3 工作區(qū)地質(zhì)及地物情況Fig.3 Geology and ground feature of the work area

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及資料分析，區(qū)內(nèi)地層由上至下依次為第四系沖洪積(Qalp)粉質(zhì)黏土、砂卵石層、二疊系龍?zhí)督M(P2l)灰?guī)r。① 粉質(zhì)黏土：灰褐色、黃色，可塑—硬塑，成分以黏粉粒為主，部分含少量礫石，韌性中等、干強(qiáng)度高，搖振無(wú)反應(yīng)，刀切面稍光滑。② 砂卵石層：黃色、黃褐色，稍密—中密，飽和，卵石含量約占總含量的50%以上，成分為砂巖，磨圓度較好，呈圓狀—次圓狀，分選性一般，其粒徑為20～80 mm，黏土和中細(xì)砂充填。③ 中風(fēng)化石灰?guī)r：灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中—厚層狀構(gòu)造，局部巖體方解石脈呈網(wǎng)、條狀分布，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶發(fā)育，巖石較完整，多呈短柱狀、柱狀，巖石質(zhì)量等級(jí)為較硬巖Ⅲ級(jí)。

根據(jù)臨近地區(qū)物性資料，工作區(qū)地層的視電阻率特征如下：① 第四系沖洪積層(Qalp)：主要成分為粉質(zhì)黏土和砂卵石，由于含水性好，常表現(xiàn)為淺部層狀低視電阻率特征。② 二疊系龍?zhí)督M(P2l)灰?guī)r：完整的灰?guī)r常表現(xiàn)為大范圍的面狀高視電阻率特征。③ 巖溶發(fā)育區(qū)：工作區(qū)巖溶極為發(fā)育，當(dāng)灰?guī)r被溶蝕，常形成溶洞，溶洞因充填水和泥砂，常表現(xiàn)為小范圍的低視電阻率或視電阻率曲線下沉特征。④ 等值反磁通瞬變電磁法勘查的基本原理是利用了不同巖性之間的電阻率差異。工作區(qū)各地層巖性之間電阻率差異明顯，具備地球物理勘探的物性基礎(chǔ)。

2.2 工作布置及數(shù)據(jù)采集

本次瞬變電磁法采用湖南五維地質(zhì)科技術(shù)有限責(zé)任公司的“HPTEM-18高精度瞬變電磁系統(tǒng)”開(kāi)展探測(cè)工作，均以東南角為零樁號(hào)起點(diǎn)，共布設(shè)2條瞬變電磁法剖面(圖3)，分別為L(zhǎng)1剖面380 m、L2剖面330 m，各測(cè)線點(diǎn)距5 m。采用HPTEM-18高精度瞬變電磁儀數(shù)據(jù)采集時(shí)，關(guān)鍵是測(cè)量模式、發(fā)射頻率和疊加次數(shù)的選擇。

1)測(cè)量模式。HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)了定點(diǎn)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量方式。一般場(chǎng)地情況下，建議定點(diǎn)測(cè)量，但是在城市道路、機(jī)場(chǎng)跑道以及高速公路路基基地檢測(cè)等檢測(cè)場(chǎng)地，建議動(dòng)態(tài)測(cè)量與定點(diǎn)測(cè)量相結(jié)合的工作方式提高效率和探測(cè)精度。本次野外工作采用定點(diǎn)測(cè)量方式。

2)頻率選擇。HPTEM-18高精度瞬變電磁儀的發(fā)送頻率在0～10 kHz之間，可以按照0.1 Hz步進(jìn)進(jìn)行增大或減小調(diào)節(jié)，但在野外實(shí)際工作中，通?？蛇x擇25 Hz、6.25 Hz和2.5 Hz這三個(gè)頻率。HPTEM-18高精度瞬變電磁儀的勘探深度和發(fā)送頻率有關(guān)，勘探深度越深，所要求的發(fā)送頻率越小，反之，則發(fā)送頻率越大。本次工作需要有效勘探深度為60 m，根據(jù)試驗(yàn)工作，選擇25 Hz為發(fā)射頻率。

3)疊加次數(shù)。疊加次數(shù)的選擇則主要與當(dāng)?shù)氐脑肼曀接嘘P(guān)，理論上疊加次數(shù)越大，采集到的衰減曲線信號(hào)信噪比越高，在實(shí)際工作中，根據(jù)實(shí)測(cè)信號(hào)質(zhì)量，兼顧工作效率，疊加次數(shù)為400～500次，并重復(fù)觀測(cè)兩次為佳。本次工作設(shè)置疊加次數(shù)為400次，重復(fù)觀測(cè)為2次。

數(shù)據(jù)采集時(shí)，逐個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，儀器天線盒水平放置于測(cè)點(diǎn)上，以便保證數(shù)據(jù)的有效性；測(cè)量時(shí)，主機(jī)、電腦和工作人員遠(yuǎn)離天線盒，減少人為干擾。

2.3 瞬變電磁數(shù)據(jù)處理

瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理是本次工作的關(guān)鍵步驟之一，數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖4，主要步驟包含數(shù)據(jù)預(yù)處理、定性分析、定量解釋和綜合解釋。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.4 Data processing flow chart

1)數(shù)據(jù)預(yù)處理。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括踢飛點(diǎn)去噪等數(shù)據(jù)編輯、導(dǎo)入地形數(shù)據(jù)和平滑濾波。

2)定性分析。對(duì)原始數(shù)據(jù)曲線的定性分析，包括參數(shù)分析、曲線類(lèi)型分析、視電阻率分析。

3)定量解釋。定量解釋包括一維反演和瞬態(tài)弛豫二維剖面反演。定量分析采用的軟件為HPTEM-18瞬變電磁系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件，這是一款專(zhuān)用數(shù)據(jù)處理軟件，它具有對(duì)單點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行一維反演的功能，同時(shí)具有將多點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行瞬態(tài)弛豫二維剖面反演的功能。一維反演采用了全區(qū)自動(dòng)正演模型生成反演擬合的方式，不需人工參與，擬合效果較好，擬合度均在95%以上。瞬態(tài)弛豫二維剖面反演法根據(jù)等值反磁通理論進(jìn)行公式推導(dǎo)，一種適用于等值反磁通測(cè)量的反演方法，對(duì)巖溶和采空等反應(yīng)靈敏的反演方法，該反演方法得到的結(jié)果是“相對(duì)電阻率”，與真電阻率和視電阻率均存在一定的差異，但可以通過(guò)“相對(duì)電阻率”對(duì)異常進(jìn)行判別。

4)綜合解釋。綜合定量解釋和已有地質(zhì)資料，形成電學(xué)地質(zhì)斷面圖，用于成果推斷解譯。

2.4 成果分析與鉆孔驗(yàn)證

2.4.1 反演成果分析

用HPTEM-18瞬變電磁系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，求出電阻率和深度，得到各剖面電阻率等值線斷面圖(圖5)。

圖5 工作區(qū)瞬變電磁反演相對(duì)電阻率等值線圖Fig.5 The contour map of OCTEM inversion relative resistivity in the work area

通過(guò)對(duì)各瞬變電磁探測(cè)剖面反演成果進(jìn)行分析，本次瞬變電磁法探測(cè)在淺層并未形成明顯的淺層盲區(qū)，反演成果清晰地反映出了不同位置、不同深度地層電阻率的變化情況。根據(jù)工區(qū)地質(zhì)情況及反演成果，將300 Ω·m界定為土石界面，根據(jù)測(cè)區(qū)地球物理特征可知，該區(qū)地層為簡(jiǎn)單的二層結(jié)構(gòu)：

1)表層第四系覆蓋層電阻率較低，橫向上電阻率連續(xù)性較好，覆蓋層與基巖電阻率差異明顯、界限分明，覆蓋層厚度10～12 m；

2)下伏基巖表現(xiàn)為電阻率持續(xù)增大的高阻層，在圖5中，橫向上存在不同寬度和深度的200～400 Ω·m“低電阻率異常區(qū)”或“電阻率曲線下沉異常區(qū)”共計(jì)14處。其中L1剖面Y1-2、Y1-3、Y1-4區(qū)、L2剖面Y2-8區(qū)為“電阻率曲線下沉異常區(qū)”，其他異常區(qū)為“低電阻率異常區(qū)”。

各異常區(qū)為巖溶或溶蝕裂隙發(fā)育使巖層的完整性、連續(xù)性遭到了破壞的表現(xiàn)：L1剖面Y1-1、Y1-2、Y1-3區(qū)、L2剖面Y2-5區(qū)電阻率異常范圍較小，且剛好位于土石界面以下，推斷異常區(qū)為風(fēng)化引起巖石的溶蝕裂隙發(fā)育所致；其他異常區(qū)范圍相對(duì)較大，推斷異常為巖溶發(fā)育所致。

2.4.2 鉆孔驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本次瞬變電磁法探測(cè)成果的準(zhǔn)確性，在瞬變電磁測(cè)線上共布置了4個(gè)驗(yàn)證鉆孔(圖5)。鉆探驗(yàn)證結(jié)果與瞬變電磁法探測(cè)成果對(duì)比見(jiàn)表1。從鉆探結(jié)果來(lái)看，在ZK01、ZK02、ZK03、ZK04中均發(fā)現(xiàn)了不同程度的巖溶發(fā)育，表明鉆探驗(yàn)證結(jié)果與瞬變電磁法探測(cè)成果高度吻合。

表1 鉆探結(jié)果與物探成果對(duì)比Table 1 Comparison between drilling results and geophysical results

3 結(jié)論

本文通過(guò)在湖南某已知地面塌陷區(qū)開(kāi)展等值反磁通瞬變電磁法工作，通過(guò)瞬態(tài)弛豫反演法反演得到的電阻率斷面完整體現(xiàn)了不同深度地層的電阻率信息，各地層結(jié)構(gòu)特征明顯，“低電阻率”或“電阻率曲線下沉”異常區(qū)反映了下伏基巖中巖溶及溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)的位置，鉆探驗(yàn)證結(jié)果與推斷成果高度吻合，表明等值反磁通瞬變電磁法實(shí)現(xiàn)了淺部的巖溶探測(cè)，探測(cè)成果準(zhǔn)確。同時(shí)表明該方法適合在房屋密布、接地條件不好、電磁波干擾大的村莊、城鎮(zhèn)等地方開(kāi)展工作，較好地解決了實(shí)際工程問(wèn)題。