瞬變電磁法大電流多匝重疊小回線裝置在巖土工程勘察的應(yīng)用效果

郭潤平,張 康,田江環(huán),程 斌,張宏濤

(1.陜西地礦第二綜合物探大隊(duì)有限公司,陜西 西安 710016;2.廊坊市中鐵物探勘察有限公司,河北 廊坊 065000)

1 引 言

瞬變電磁法由于具有許多傳統(tǒng)直流電法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今得以迅速發(fā)展推廣的新一代電磁勘探方法，其應(yīng)用范圍涉及地礦、石油、水利、電力、鐵路、交通、工程場地巖土勘察，隧道超前探測等各個(gè)領(lǐng)域。但由于國外生產(chǎn)銷售的瞬變電磁儀售價(jià)昂貴，發(fā)射功率小，要解決深部勘探必須采用大發(fā)射回線工作方式，生產(chǎn)效率低，以及在復(fù)雜地形條件下或者稍有人工游離電場影響大發(fā)射回線難以開展工作等因素的影響，國內(nèi)的推廣應(yīng)用受到限制。2000年之后，隨著儀器智能化、數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，國產(chǎn)輕便型大電流發(fā)射正負(fù)方波瞬變電磁儀系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。同時(shí)國內(nèi)學(xué)者也從理論與實(shí)踐上證明用小發(fā)射回線大電流供電用于深部瞬變電磁法勘探的可行性，這為瞬變電磁法推廣用于深部地質(zhì)勘查創(chuàng)造了條件。

巖土勘察工作中有時(shí)因地形復(fù)雜或者人口密集地區(qū)影響，急需一種新的物探工作方法。瞬變電磁法大電流、多匝回線裝置測量系統(tǒng)克服了因地形或者游離電場的影響。該方法具有施工方便快捷、體積效應(yīng)小，抗干擾能力強(qiáng)、探測深度大等優(yōu)點(diǎn)，在對(duì)隱伏斷層、采空區(qū)、地層導(dǎo)含水區(qū)劃分中取得良好的應(yīng)用效果[3,5]。

2 瞬變電磁法理論原理

瞬變電磁法(Transient Electromagnetics Method, TEM)是以地殼中巖(礦)石的導(dǎo)電性與導(dǎo)磁性差異為主要物質(zhì)基礎(chǔ)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場的間隙期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場，因地質(zhì)體導(dǎo)電性能及空間賦存位置的不同，感應(yīng)渦流衰變的規(guī)律也有所不同，通過分析研究該場的空間與時(shí)間分布規(guī)律,來尋找地下礦產(chǎn)資源或解決其它地質(zhì)問題的一種時(shí)間域電磁法。圖1為瞬變電磁法原理示意圖。

圖1 瞬變電磁法原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of transient electromagnetic principle

瞬變電磁法(TEM)盡管有各種各樣的變換方法，其數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)都是基于導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的激勵(lì)磁場激發(fā)下引起的渦流場問題。研究局部導(dǎo)電體的瞬變電磁響應(yīng)的目的在于勘查良導(dǎo)體，研究水平層狀大地的瞬變電磁理論的目的在于解決地質(zhì)構(gòu)造探測問題[1,2]。

3 瞬變電磁法解釋原則及數(shù)據(jù)處理

3.1 解釋原則

瞬變電磁法勘探的物理前提是采空區(qū)(空洞)與周圍巖層存在較大的電性差異。煤層賦存與成層分布的煤系地層中，煤層被開采后形成采空區(qū)，破壞了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，電性發(fā)生明顯的變化。不充水的空洞由于巖性疏松，導(dǎo)電性降低，表現(xiàn)為高阻異常，二次渦流衰減快，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢較低，在瞬變電磁多道電壓感應(yīng)剖面圖上表現(xiàn)“低電壓異常”，在瞬變電磁擬斷面圖上表現(xiàn)為高阻異常。充水采空區(qū)(空洞)由于水是低阻體，所以電性呈現(xiàn)低阻異常，二次渦流場衰減變慢，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢高，在瞬變電磁多道電壓感應(yīng)剖面上表現(xiàn)為“高電壓異?！?，在瞬變電磁擬斷面圖上表現(xiàn)為低阻異常。瞬變電磁根據(jù)這種電性差異來判斷采空區(qū)的位置和類型[4,5,7]。

3.2 工作方法及技術(shù)要求

本次選取延安(實(shí)例一)和咸陽(實(shí)例二)兩地案例勘探成果進(jìn)行分析和研究。其中實(shí)例一位于延安市富縣山區(qū)，地表?xiàng)l件復(fù)雜，麥田眾多，為了減少對(duì)農(nóng)作物的破壞，選用大電流、多匝重疊回線裝置。實(shí)例二位于咸陽旬邑城中村內(nèi)，民用電線錯(cuò)綜復(fù)雜、民房眾多、道路狹窄，故選用大電流、多匝重疊回線裝置。

3.2.1 技術(shù)參數(shù)

本次工作使用的武漢地大華睿地學(xué)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CUGTEM-8瞬變電磁儀。該設(shè)備斷電后觀測純二次場，不受一次場干擾，發(fā)現(xiàn)異常能力強(qiáng)；儀器輕便、功率大，供電困難的地區(qū)能正常工作。

通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定本次瞬變電磁法試驗(yàn)發(fā)射電流150 A、供電脈寬10 ms、疊加次數(shù)20次、發(fā)射回線邊長分別為10 m×10 m、剖面點(diǎn)距10 m (實(shí)例一)、2 m×2 m、剖面點(diǎn)距2 m(實(shí)例二)等，發(fā)射回線3匝，接收線圈8匝。試驗(yàn)結(jié)果顯示曲線形態(tài)完整、曲線衰減正常、信噪比較高，有用信號(hào)完整清晰，滿足地質(zhì)任務(wù)勘探深度的要求。

發(fā)射電流的大小，在儀器發(fā)射功率范圍內(nèi)和安全工作的前提下采用最大的工作電流，衡量標(biāo)準(zhǔn)是采集窗口最后采樣時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的二次電壓不小于背景場電壓，或?qū)?yīng)于最大有效探測深度的二次場信號(hào)有足夠的信噪比。

3.2.1 目標(biāo)體深度預(yù)估

根據(jù)鉆孔資料結(jié)合地質(zhì)任務(wù)可知，本次實(shí)例一勘探最大探測深度為300 m左右，實(shí)例二勘探最大深度為50 m左右。通常來說異常幅值與目標(biāo)體的電性及幾何參數(shù)有關(guān)。目標(biāo)體的導(dǎo)電性越好，幾何參數(shù)越大，則異常幅值較大，對(duì)目標(biāo)體的探測能力強(qiáng)；反之，則異常幅值低，探測能力弱。所以，瞬變電磁法的探測深度與發(fā)射回線面積、供電電流大小、地層電阻率和噪聲水平有關(guān)，其最大探測深度可由下式計(jì)算：[8]

(1)

式中，I為供電電流，單位為A；ρ為介質(zhì)電阻率,單位為Ω·m；η為可分辨電壓，單位為nV/m2；L為發(fā)射回線邊長，單位為m；場源的磁矩為IL2。

一般地區(qū)的噪聲水平為0.2～0.5 nV/m2左右，則：

(2)

式中，S為回線面積,m2。

以上兩式均可用來估算瞬變電磁法的探測深度，可以看出，增大供電電流或發(fā)射回線面積可以增大對(duì)目標(biāo)體的探測深度。在線框大小一定的情況下，為了增大探測深度，只能通過增加線圈的匝數(shù)或者增大電流的強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)；增加線圈匝數(shù)，互感現(xiàn)象增強(qiáng)，采用大電流供電、適當(dāng)?shù)脑褦?shù)線圈可以很好地解決這個(gè)問題。

該公式規(guī)避了目標(biāo)體幾何參數(shù)對(duì)探測深度的影響，只能作為初略的估計(jì)使用。

3.3 數(shù)據(jù)處理

采集的數(shù)據(jù)處理前，首先對(duì)其逐點(diǎn)進(jìn)行整理或預(yù)處理，即檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，剔除不合格數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行編錄，整理成專用數(shù)據(jù)處理軟件所需要的順序和格式，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以濾除或壓制干擾信號(hào)，恢復(fù)信號(hào)的變化規(guī)律，突出地質(zhì)信息，再利用專用軟件轉(zhuǎn)換得到視電阻率ρs(t)和視深度H(t)等參數(shù)，并進(jìn)行一維反演；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)測量、地質(zhì)和鉆探等資料做必要的地形校正和高程校正等處理，最后利用Surfer11.0等軟件繪制斷面圖及平面等值線圖。

TEM勘探采集的數(shù)據(jù)為感應(yīng)電動(dòng)勢。橫坐標(biāo)為算術(shù)坐標(biāo)，表示觀測二次場的時(shí)間；縱坐標(biāo)為對(duì)數(shù)坐標(biāo)，表示歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢。一般須將感應(yīng)電動(dòng)勢轉(zhuǎn)換為視電阻率，轉(zhuǎn)換公式如下：

(3)

式中,μ0=4π×10-7H/m;ST為發(fā)送回線面積,m2;SR為接收線圈面積,m2;t為測道時(shí)間;V/I為歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢是瞬變值。以上單位均采用國際標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位。

經(jīng)過時(shí)深轉(zhuǎn)換后的深度值，是一個(gè)單純的計(jì)算值，可以根據(jù)地質(zhì)情況、鉆孔資料及圍巖分層情況進(jìn)一步校正，這樣得出的深度才能符合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況。目前采取的辦法是線性系數(shù)法校正。即根據(jù)整個(gè)工區(qū)大致的地質(zhì)情況，對(duì)探測區(qū)淺部和深部設(shè)置兩個(gè)系數(shù)X、Y，然后對(duì)等間距線性插值，再乘以深度值[8]。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 實(shí)例一

工作區(qū)位于延安市富縣周邊，工作內(nèi)容為隧洞引水工程瞬變電磁法勘察工作,具體工作任務(wù)為沿隧洞洞深方向布設(shè)三條瞬變電磁法剖面(圖2)，剖面編號(hào)分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。三條電磁測深剖面對(duì)應(yīng)的里程號(hào)和測點(diǎn)號(hào)分別為,Ⅰ號(hào)，D8+870～D8+950,D001～D026;Ⅱ號(hào)，D9+150～D9+550,D026～D069;Ⅲ號(hào)，D09+950～D10+150,D070～D090。在這三條測線內(nèi)的各個(gè)測點(diǎn)，均各自為順序等間距排列?？辈旃ぷ髂康囊螅翰槊骶€路通過區(qū)覆蓋層厚度、土石分界線、基巖起伏形態(tài)、采空區(qū)分布情況。

圖2 引水線路瞬變電磁測深勘探工作測線布置Fig.2 Layout of transient electromagnetic sounding survey line for water diversion line

4.1.1 地形地質(zhì)概況

4.1.1.1 物探剖面沿線地質(zhì)概況

圖3所示為引水線路工程勘探地質(zhì)剖面。

圖3 引水線路工程勘探地質(zhì)剖面Fig.3 Geological section of water diversion line engineering exploration

1)地形地貌

工程區(qū)地處于陜北黃土高原的前緣地帶，地形由西北向東南緩傾，塬面比較平坦、開闊，高程750～1 000 m。本次物探剖面所經(jīng)地區(qū)主要為黃土臺(tái)塬；地形由西北向東南緩傾，塬面比較平坦、開闊，高程750～1 000 m，起點(diǎn)段沮水河谷基巖裸露30～100 m，呈“V”型深谷，岸坡陡峻，谷底寬約20～40 m，由層狀灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r組成，黃土塬段溝谷下切深度50～100 m，多呈V型谷，溝坡陡竣，植被較好，屬剝蝕堆積型地貌。

2)地層巖性

根據(jù)勘探結(jié)果(圖1)，供水線路沿線出露地層以第四系松散堆積為主，僅在起點(diǎn)沮水河左岸及小河溝左右岸基巖出露，各地層巖性及特征由新到老簡述如下：

3)第四系地層：

①全新統(tǒng)人工堆積層(Q4s)：雜填土，土石混合物，結(jié)構(gòu)雜亂，含碎石、黃土、砂礫石及少量建筑垃圾等，堆積層厚度不等，主要為沖溝道路建設(shè)堆積棄渣，分布于鳳凰溝和小河溝溝道。

②全新統(tǒng)崩坡堆積層(Q4s)：壤土夾碎石，堆積層厚度不等，分布于小河溝溝道右岸邊坡。

③第四系上更新統(tǒng)(Q3)

風(fēng)積層(Q3eol)，上部為③-1風(fēng)積黃土層，灰黃色，疏松，土質(zhì)均一，具垂直節(jié)理，粉粒含量較高，針狀孔隙，稍濕，硬塑，層厚8～12 m不等。

下部為③-2古土壤層，淺棕紅色，質(zhì)均，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，黏粒含量較高，針狀孔隙及蟲孔發(fā)育，可見白色菌絲，稍濕，堅(jiān)硬，層厚1～2 m不等。

④第四系中更新統(tǒng)(Q2)：

風(fēng)洪積層(Q2eol+pl)，勘探點(diǎn)范圍內(nèi)為④-1黃土狀壤土夾7～8層④-2古土壤，④-1黃土狀壤土為灰黃色，質(zhì)均，粉粒含量較高，可見針孔狀孔隙及蟲孔，該層內(nèi)夾多層鈣質(zhì)結(jié)核；④-2古土壤為淺棕紅色，質(zhì)均、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，黏粒含量較高，可見白色菌絲，稍濕，硬塑。

風(fēng)洪積層(Q2eol+pl)，分布于黃土臺(tái)塬底部，主要為④-3砂礫石層，雜色，中密，粒徑一般3～8 cm，最大20 cm，含泥量較高，在起點(diǎn)沮水河左岸、鳳凰溝及小河溝左右岸附近黃土臺(tái)塬底部出露，厚度約5～13 m。

4)奧陶系

中奧陶系馬家溝組(O2)：巖性主要為⑤灰色、灰白色厚層狀結(jié)晶灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r。分布于起點(diǎn)沮水河兩岸及白蓮溝底部。

5)石炭系

上石炭系太原組(C3t)：巖性主要為⑥炭質(zhì)頁巖及頁巖。分布于白蓮溝以西灰?guī)r與砂泥巖過渡地帶。

6)二疊系

二疊系上石河子組(P2sh)：巖性主要⑦為灰綠色、棕紅色厚層狀砂巖、泥質(zhì)砂巖、鋁土頁巖。分布于白蓮溝以東至隧洞末點(diǎn)沖溝底部。

4.1.1.2 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)地下水一般埋深較大，大于100 m，按賦存條件可劃分為第四系松散層孔隙潛水和基巖裂隙水、基巖溶隙水三種類型。

受大氣降水補(bǔ)給，向沮河和附近溝道排泄，根據(jù)現(xiàn)場水井調(diào)查，黃土塬區(qū)地下水埋藏深度120～200 m，局部含有上層滯水，水量很小。沿線沖溝只有沮河和小河溝有水流出?？傮w看來，地下水位位于輸水線路洞線基礎(chǔ)以下，對(duì)隧洞穩(wěn)定性影響不大。

4.1.2 巖(礦)石物性特征

本次物探勘查工作電性參數(shù)測定采用小極距測深法與泥團(tuán)法進(jìn)行物性測定。測區(qū)巖(礦)石電性參數(shù)見表1。

表1 地層電性參數(shù)

本區(qū)出露的巖性為：黃土、泥質(zhì)砂巖、砂巖、砂礫巖，其電阻率先降后逐漸增高。正常地層組合條件下，在橫向與縱向上物性都有固定的變化規(guī)律可循。不同的巖石一般具有不同的電阻率，同一巖石的電阻率的大小也受很多因素影響。

巖石孔隙、裂隙總是含水的，并且隨著巖石的濕度或飽和度的增加，電阻率急劇下降。同時(shí)，水分含量相同的不同巖石的電阻率可能有很大差別，其原因在于水分有不同的礦化度。這也是運(yùn)用電法來研究水文地質(zhì)問題的物性依據(jù)。

4.1.3 推斷解釋

在資料解釋中，把反演電阻率斷面圖作為資料解釋的基本圖件和主要依據(jù)。根據(jù)反演電阻率斷面圖中電阻率背景值的大小以及梯度值，并結(jié)合地質(zhì)資料，分析剖面電性與地質(zhì)體的對(duì)應(yīng)關(guān)系。具體解釋如下：

1)Ⅰ號(hào)物探剖面(D8+700～D8+950)見圖4。

圖4 Ⅰ號(hào)剖面推斷解釋成果Fig.4 Extrapolation and interpretation of section I

①該段地表深度以下約0～94 m范圍電阻率為低值，約為5～40 Ω·m，表層電性橫向變化較明顯，等值線凌亂不圓滑，局部電阻率值較周圍偏高，分析該段為第四系風(fēng)洪積黃土覆蓋層，因黃土分布不均而造成局部電阻率值升高。

②該段地表94 m深度以下范圍內(nèi)電阻率值較高，約為40～350 Ω·m，電阻率值縱向上隨深度增加而變大，電阻率等值線橫向分布較均勻，分析該區(qū)域地質(zhì)體電性橫向差異較小，此層位處斷面圖反演效果多為平層狀，表現(xiàn)為地層完整，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷該區(qū)為二疊系泥質(zhì)砂巖、砂巖，巖體較完整，節(jié)理裂隙發(fā)育。局部電阻率低值區(qū)認(rèn)為泥質(zhì)成分含量較高或者裂隙水較發(fā)育。

2)Ⅱ號(hào)物探剖面(D9+150～D9+550)

從反演電阻率斷面圖(圖5)可以看出，該剖面地表深度以下約0～110 m范圍電阻率為低值，約為5～40 Ω·m，表層電阻率值最低，隨深度增加電阻率值變大，表層電性橫向變化較均勻，垂向分層明顯，分析該段為第四系風(fēng)洪積黃土覆蓋層，電阻率高值層位為砂礫石。

圖5 Ⅱ號(hào)剖面推斷解釋成果Fig.5 Extrapolation and interpretation of section Ⅱ

D9+150至D9+230段：

該段110 m深度以下范圍內(nèi)電阻率值較高，電阻率值約為40～100 Ω·m，電阻率等值線局部呈現(xiàn)團(tuán)塊狀，分析該區(qū)域地質(zhì)體電性各向異性較明顯，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷該區(qū)為二疊系泥質(zhì)砂巖、砂巖，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，富水性相對(duì)較強(qiáng),其右側(cè)因受破碎帶影響導(dǎo)致巖體較破碎。

D9+230至D9+270段：

該段110 m以內(nèi)深度范圍內(nèi)電阻率值較上層明顯偏低，約為10～80 Ω·m，呈條帶狀分布并向深部延伸，電阻率等值線為半封閉狀低值區(qū)，分析電性各向異性較明顯，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷該區(qū)為破碎帶，巖體破碎，局部節(jié)理裂隙發(fā)育，富水性相對(duì)較強(qiáng)。

D9+270至D9+475段：

該段102 m深度以下范圍內(nèi)電阻率值較高，約為40～350 Ω·m，縱向上電阻率值隨深度增加而變大，電阻率等值線橫向分布較均勻，分析該區(qū)域地質(zhì)體電性橫向差異較小，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷該區(qū)為二疊系泥質(zhì)砂巖、厚層狀砂巖，巖體較完整，泥質(zhì)成分含量高時(shí)電阻率值相對(duì)較低，反之電阻率值偏高。

D9+475至D9+500段：

該段103 m深度以下范圍內(nèi)電阻率值較低，約為80～120 Ω·m，電阻率等值線向下同向彎曲，呈條帶狀分布并向深部延伸，電阻率等值線為半封閉狀低值區(qū)，分析電性各向異性較明顯，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷該區(qū)為破碎帶，巖體破碎，局部節(jié)理裂隙發(fā)育，富水性相對(duì)較強(qiáng)。

D9+500至D9+550段：

該段94 m深度以下范圍內(nèi)電阻率值較高，電阻率值約為40～350 Ω·m，縱向上電阻率值隨深度增加而變大，電阻率等值線橫向分布較均勻，分析該區(qū)域地質(zhì)體電性橫向差異較小，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷該區(qū)為二疊系泥質(zhì)砂巖、厚層狀砂巖，巖體較完整，泥質(zhì)成分含量高時(shí)電阻率值相對(duì)較低，反之電阻率值偏高。

3)Ⅲ號(hào)物探剖面(D9+950～D10+150)

由圖6可以看出該剖面地表深度以下約0～105 m范圍電阻率為低值，約為5～40 Ω·m，表層電阻率值最低，隨深度增加電阻率值變大，表層電性橫向變化較均勻，垂向分層明顯，分析該段為第四系風(fēng)洪積黃土覆蓋層，電阻率高值層位為砂礫石。

圖6 Ⅲ號(hào)剖面推斷解釋成果Fig.6 Extrapolation and interpretation of section Ⅲ

D9+950至D9+992段：

該段105 m深度以下范圍內(nèi)電阻率值相對(duì)上層較高，約為40～350 Ω·m，縱向上電阻率值隨深度增加而變大，電阻率等值線橫向分布較均勻，分析該區(qū)域地質(zhì)體電性橫向差異較小，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷該區(qū)為二疊系泥質(zhì)砂巖、厚層狀砂巖，巖體較完整，泥質(zhì)成分含量高時(shí)電阻率值相對(duì)較低，反之電阻率值偏高。其中在D9+950～D9+992,高程在574～684 m范圍內(nèi)存在一半閉合狀低阻異常區(qū)，電阻率等值線呈現(xiàn)不規(guī)則狀變化，結(jié)合地質(zhì)資料，認(rèn)為上覆巖層在地球重力的作用下逐漸斷裂、塌陷，大氣降水及含水層的水就會(huì)沿著裂隙侵入，從而導(dǎo)致出現(xiàn)一相對(duì)低阻異常區(qū)。推斷該區(qū)為塌陷型采空區(qū)，充填有黃土，破碎泥質(zhì)砂巖、砂巖等，富水性相對(duì)較強(qiáng)。

D9+992段至D10+150：

該段105 m深度以下范圍內(nèi)電阻率值相對(duì)上層較高，約為40～350 Ω·m，縱向上電阻率值隨深度增加而變大，電阻率等值線橫向分布較均勻，分析該區(qū)域地質(zhì)體電性橫向差異較小，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷該區(qū)為二疊系泥質(zhì)砂巖、厚層狀砂巖，巖體較完整，泥質(zhì)成分含量高時(shí)電阻率值相對(duì)較低，反之電阻率值偏高。

4.1.4 鉆孔驗(yàn)證

結(jié)合前期巖土勘察資料與本次瞬變電磁法工作成果，通過在Ⅱ號(hào)剖面上進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，結(jié)果表明埋深0～122 m均為黃土覆蓋層，122～165 m范圍內(nèi)鉆孔整體處于破碎帶中，巖心為二疊系泥質(zhì)砂巖、砂巖，較破碎且充水。說明該方法在尋找隱伏破碎帶是有效的。

4.2 實(shí)例二

4.2.1 物探剖面沿線地質(zhì)特征

該工程位于咸陽市旬邑縣城中村內(nèi)，試驗(yàn)?zāi)康氖茄卮怪睆U棄窯洞方向，在洞口布設(shè)一條瞬變電磁法剖面。查明剖面所在位置覆蓋層厚度及特征、填充異物、廢棄窯洞位置分布情況，同時(shí)來驗(yàn)證大電流、多匝小回線重疊裝置在生活電網(wǎng)密集區(qū)采集數(shù)據(jù)的可靠性。

工程區(qū)巖土(體)按自上而下和形成的相對(duì)時(shí)間關(guān)系排序，主要為第四系全新統(tǒng)素填土和黑壚土(Q4ml+el)、第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土(Q3eol+al)、第四系中更新統(tǒng)砂巖(Q3al+pl)等。

1)素填土和黑壚土(Q4ml+el)：褐黃色，以黏性土為主，含磚塊、瓦片、圓礫、煤渣等，結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)不均勻。層厚0.30～3.00 m。層底分布有黑壚土(Q4e1)：棕褐色，硬塑。具針孔、蟲孔，含氧化鐵、鐵錳質(zhì)、零星鈣質(zhì)結(jié)核，具團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，具濕陷性。層位不穩(wěn)定，局部缺失。邊坡主要組成由此土質(zhì)組成。

2)黃土(Q3eol+al)：褐黃色，稍濕-濕，可塑-硬望。以黏性土為主，含磚塊、瓦片、圓礫、煤渣等，結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)不均勻。具大孔、蟲孔，含零星結(jié)核、鐵錳氧化物、蝸?？?。層位穩(wěn)定，分布連續(xù)。地層結(jié)構(gòu)簡單；該層在邊坡項(xiàng)目場地的斜坡地帶厚度較大，該層廣泛分布于坡體范圍內(nèi)。

3)水文地質(zhì)條件

工程區(qū)地下水一般埋深較大，剖面測量深度范圍內(nèi)地下水類型以第四系松散層孔隙潛水為主。受大氣降水補(bǔ)給，向下坡向和附近溝道排泄，特別對(duì)廢棄窯洞塌陷區(qū)影響較大，

4.2.2 地球物理特征

本區(qū)巖性主要為：第四系全新統(tǒng)素填土和黑壚土和第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土。不同的巖土體一般具有不同的電阻率，同一巖土體的電阻率的大小也受很多因素影響，如含水率，人工擾動(dòng)，流水沖蝕，密實(shí)度，裂隙發(fā)育程度等。本次物探勘查工作收集到旬邑縣某石灰?guī)r礦區(qū)物性資料，測區(qū)地層電性參數(shù)見表2。

表2 地層電性參數(shù)

4.2.3 推斷解釋

如圖7所示，該剖面地表深度以下約0～3.5 m范圍電阻率為低值，小于10 Ω·m，表層電阻率值最低，隨深度增加電阻率值變大，表層電性橫向變化較均勻，垂向分層明顯，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查認(rèn)為是第四系黃土覆蓋層,土壤中富含水。具體解釋如下：

圖7 廢棄窯洞推斷解釋成果Fig.7 Extrapolation and interpretation of abandoned caves

D101至D115段：

①該段3.5～10 m深度范圍內(nèi)電阻率值較上層升高，電阻率值約為10～50 Ω·m，電阻率等值線橫向分布較均勻，分析該區(qū)域巖土體電性橫向差異較小，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷該區(qū)為第四系風(fēng)洪積黃土覆蓋層，孔隙水、裂隙水較發(fā)育。

②該段距地表10 m深度以下范圍，電阻率值較高，電阻率值約為50～220 Ω·m，電阻率等值線橫向分布較均勻，分析該區(qū)域巖土體電性顯各向同性，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷該區(qū)為第四系風(fēng)洪積黃土覆蓋層，土壤密實(shí)度高。

D115至D119段：

該段地表深度3.5 m以下范圍，等值線整體呈低阻條帶向深部延伸，電阻率約為10～50 Ω·m，電性變化明顯，結(jié)合地質(zhì)特征，分析該段為第四系風(fēng)洪積黃土覆蓋層，孔隙水、裂隙水較發(fā)育，局部低阻區(qū)可能存在落水洞，或者是孔隙水沿著黃土脆弱裂隙下滲。

D119至D132段：

①該段3.7～11 m深度范圍內(nèi)電阻率值較上層升高，電阻率值約為10～50 Ω·m，電阻率等值線橫向分布較均勻，分析該區(qū)域巖土體電性橫向差異較小，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷該區(qū)為第四系風(fēng)洪積黃土覆蓋層，孔隙水、裂隙水較發(fā)育。

②該段距地表11 m深度以下范圍，電阻率值較高，電阻率值約為50～220 Ω·m，電阻率等值線橫向分布較均勻，分析該區(qū)域巖土體電性顯各向同性，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷該區(qū)為第四系風(fēng)洪積黃土覆蓋層，土壤密實(shí)度高。

D132至D154段：

①該段地表深度以下約0～15 m范圍電阻率為低值，小于10 Ω·m，電阻率等值線呈半封閉低阻區(qū)，分析該段淺部為第四系風(fēng)洪積黃土覆蓋層，推測由于頂層窯洞坍塌充水所致；深部為第四系風(fēng)洪積黃土覆蓋層，推測由于底層窯洞坍塌充水所致。

②該段地表深度15～26 m范圍內(nèi)電阻率值較上部有所抬升，電阻率等值線呈低阻條帶橫向延伸，約為10～50 Ω·m，電性變化明顯，分析該段為第四系風(fēng)洪積黃土覆蓋層，孔隙水、裂隙水較發(fā)育。

③該段地表深度26 m以下范圍電阻率值較上部有明顯抬升，電阻率值約為50～220 Ω·m，電阻率等值線整體呈弧形分布，結(jié)合地質(zhì)資料，分析該區(qū)域?yàn)榈谒南碉L(fēng)洪積黃土覆蓋層，土壤密實(shí)度高，受上部充水區(qū)影響，電阻率值較兩側(cè)明顯偏低。

D154至D172段：

①該段3.7～8.7 m深度范圍內(nèi)電阻率值較上層升高，電阻率值約為10～50 Ω·m，電阻率等值線橫向分布較均勻，但在大號(hào)端有下降趨勢，分析該區(qū)域巖土體電性橫向差異較小，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷該區(qū)為第四系風(fēng)洪積黃土覆蓋層，孔隙水、裂隙水較發(fā)育。

②該段距地表8.7 m深度以下范圍，電阻率值較高，電阻率值約為50～220 Ω·m，電阻率等值線橫向分布較均勻，在大號(hào)端有下降趨勢，分析該區(qū)域巖土體電性顯各向同性，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷該區(qū)為第四系風(fēng)洪積黃土覆蓋層，土壤密實(shí)度高。

5 結(jié) 論

1)本文通過對(duì)巖土工程勘察中的實(shí)例的分析研究，結(jié)合電阻率反演斷面圖，可以大致圈定采空區(qū)及低阻異常區(qū)的范圍及埋深等要素。實(shí)例一查明了巖體完整性界限及巖體的富水程度。查明破碎帶兩處；實(shí)例二查明了坍塌窯洞的上頂板埋深及空間展布情況，從而為后續(xù)工程施工提供翔實(shí)的資料。

2)在資料處理與解釋過程中，采取了濾波、反演等相應(yīng)的技術(shù)手段和措施，進(jìn)行了大量的分析對(duì)比工作，確保了異常的可靠性。

3)在深度校正使用線性系數(shù)插值法，能較好地與鉆探地質(zhì)剖面對(duì)應(yīng)，得到的異常深度與實(shí)際情況完全相符。

綜上所述，瞬變電磁法大電流、多匝小回線重疊裝置在地形條件受限或游離電場影響區(qū)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著該方法設(shè)備的進(jìn)一步研究發(fā)展，瞬變電磁的這種小回線大電流工作方式將會(huì)在更多的工程領(lǐng)域得到應(yīng)用。