等值反磁通瞬變電磁法在城市巖溶精細(xì)探測中的應(yīng)用研究

王斌戰(zhàn)， 李成香， 邱 波， 劉 磊， 周世昌， 馬小豐， 王建軍， 郭光宇

(1.湖北省地質(zhì)局 地球物理勘探大隊(duì),湖北 武漢 430056； 2.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430034)

武漢市是中國中部地區(qū)最大的樞紐城市,其基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)(特別是軌道交通及環(huán)線建設(shè))勢頭發(fā)展迅猛，但由于武漢市特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu),隨之產(chǎn)生各種頻發(fā)的巖溶地質(zhì)災(zāi)害,給人民的生命財產(chǎn)安全造成巨大的威脅。

巖溶地面塌陷作為一種比較常見的地質(zhì)災(zāi)害,其探測方法非常多。就物探而言,重力、電法、電磁法、地震勘探、CT等都能用于巖溶的探測[1]。但是在城市中,由于空間限制、地面硬化、各種震動及強(qiáng)電磁干擾等因素的影響,多種常用于野外巖溶探測的有效手段,在城市巖溶探測中頻頻受挫,難以取得較好的探測效果。地質(zhì)雷達(dá)采用屏蔽天線時,其探測深度一般<10 m，而采用非屏蔽天線時,易受電線桿、路燈桿以及地表各種金屬物件的影響,對地下較深的巖溶及其他不良地質(zhì)體的探測能力有限。高密度電阻率法由于城市地表硬化、建筑物影響，電極接地供電、布設(shè)電纜受到制約,探測深度通常難以達(dá)到要求。地震勘探由于城市中強(qiáng)烈的震動干擾,地震激發(fā)條件、激發(fā)頻率受限,探測效果也不理想。常規(guī)瞬變電磁法由于早期存在電磁耦合,關(guān)斷時長較長,進(jìn)行淺層探測存在較大“盲區(qū)”且極易受到干擾,在城市中幾乎難以開展工作。因此,開發(fā)新的適用于城市地災(zāi)探測的技術(shù)方法,便成為物探工作的發(fā)展趨勢之一。等值反磁通瞬變電磁法(OCTEM)即是順應(yīng)這種趨勢,近年來新發(fā)展出來的一種物探方法[1-3]。

OCTEM繼承了常規(guī)瞬變電磁法不受接地等場地條件限制和無損探測的優(yōu)點(diǎn),同時又由于其特殊的裝置結(jié)構(gòu),克服了常規(guī)瞬變電磁法易形成探測盲區(qū)的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了在城市中進(jìn)行100 m以內(nèi)淺層精細(xì)勘探的能力。本文以武漢市某巖溶區(qū)為例，介紹OCTEM在巖溶精細(xì)探測中的應(yīng)用方法、過程，分析其應(yīng)用效果，以期推廣使用該方法。

1 方法原理

OCTEM與常規(guī)的瞬變電磁法原理相同,即通過不接地的回線向地下發(fā)送一次脈沖磁場,在脈沖磁場的激發(fā)下,地下地質(zhì)體將會激勵起感應(yīng)渦流,感應(yīng)渦流將產(chǎn)生隨時間變化的感應(yīng)電磁場,利用磁感應(yīng)接收傳感器來觀測二次場(圖1),達(dá)到探測地下地質(zhì)體的目的[1]。

圖1 瞬態(tài)渦流極大值面“煙圈”式擴(kuò)散原理示意圖[2]Fig.1 Shematic diagram of transient eddy current maximumsurface “smoke ring” diffusion principle

OCTEM采用上、下2個大小相同、平行共軸的線圈,分別向其通以大小相等、方向相反的電流作為發(fā)射源,在雙線圈源合成的一次場零磁通的平面上接收地下二次場,測量對地中心耦合的純二次場(圖2)。由于接收線圈處于雙發(fā)射線圈的等值反磁通平面,其一次場磁通量始終為零,當(dāng)發(fā)射電流關(guān)斷時,上、下2線圈產(chǎn)生的磁通相互抵消,接收線圈的一次場磁通量為零,相當(dāng)于消除了常規(guī)瞬變電磁法的盲區(qū),可以接收到早期二次場隨時間的衰減規(guī)律,獲得淺層地下介質(zhì)的地電信息。OCTEM由于其特殊的雙線圈結(jié)構(gòu)特征,其較常規(guī)瞬變電磁法有更好的指向性[4],不易受到水平方向的干擾。

圖2 OCTEM裝置示意圖[3]Fig.2 OCTEM device schematic diagram

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工區(qū)概況

工區(qū)地處武漢市中心城區(qū),四周高樓林立,有圍牌圈護(hù),場地受限。前期鉆探資料顯示,工區(qū)表層為厚約45 m的第四系土層,其下為三疊系灰?guī)r，灰?guī)r中發(fā)育巖溶?？碧侥康氖遣槊鞯叵碌貙拥膸r性界線、溶洞及其他不良地質(zhì)體分布情況。根據(jù)現(xiàn)場初步踏勘,探地雷達(dá)由于探測深度有限,無法滿足勘探要求；高密度電法由于布設(shè)電纜長度限制,也無法達(dá)到探測深度。對比后選用OCTEM進(jìn)行探測。

2.2 物性特征

根據(jù)收集資料,該區(qū)三疊系灰?guī)r電阻率>1 000 Ω·m，第四系覆蓋層電阻率為10～180 Ω·m，巖溶及溶蝕區(qū)電阻率為10～400 Ω·m。完整灰?guī)r與巖溶有較大物性差異,因此工區(qū)具備物探探測的基本條件。

2.3 儀器設(shè)備

本次施工采用的儀器是湖南五維地質(zhì)科技有限公司生產(chǎn)的HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統(tǒng)(圖3)。該系統(tǒng)由湖南五維地質(zhì)科技有限公司與中南大學(xué)共同研發(fā)研制而成，創(chuàng)新地運(yùn)用等值反磁通技術(shù)(瞬變電磁)消除收發(fā)線圈之間的感應(yīng)耦合，具有橫向分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、施工效率高的特點(diǎn)。

圖3 HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統(tǒng)Fig.3 HPTEM-18 high precision transient electromagnetic system

2.4 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集前需進(jìn)行系統(tǒng)自檢調(diào)平校驗(yàn)，調(diào)整發(fā)射、接收線圈的相對位置,觀測調(diào)平校驗(yàn)衰減曲線(圖4),當(dāng)達(dá)到調(diào)平位置時即可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖4 調(diào)平校驗(yàn)衰減曲線Fig.4 Attenuation curve of leveling calibration

工區(qū)地形較平坦,近似長方形,結(jié)合工作任務(wù)及現(xiàn)場探測條件,在工區(qū)布設(shè)網(wǎng)狀測線,線距5 m,點(diǎn)距3～5 m。數(shù)據(jù)采集參數(shù):電源電壓12 V；發(fā)射電流8.5 A；發(fā)射頻率6.25 Hz；關(guān)斷時間0.05 ms；疊加周期為400次。

整個工區(qū)瞬變電磁法測量衰減曲線(圖5)較為圓滑,跳點(diǎn)較少,表明采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

圖5 工區(qū)瞬變電磁法測量衰減曲線Fig.5 Measurement of attenuation curve by transientelectromagnetic method in work area

2.5 數(shù)據(jù)處理

野外數(shù)據(jù)采集完成后,采用儀器配套的數(shù)據(jù)軟件HPTEM DataProcess 3.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與反演,其主要處理流程：①參數(shù)設(shè)置(約束系數(shù)、反演系數(shù)、基準(zhǔn)阻值、目標(biāo)深度、開始時間、結(jié)束時間、開始點(diǎn)號及反演方法)→②網(wǎng)格設(shè)置→③單點(diǎn)編輯(對數(shù)據(jù)進(jìn)行“飛點(diǎn)”濾波操作,可以修改點(diǎn)號、人機(jī)聯(lián)合干預(yù)濾波、是否啟用點(diǎn),以及以數(shù)據(jù)道為基準(zhǔn)的線移動,編輯數(shù)據(jù)會顯示兩條曲線,一條是原始數(shù)據(jù),一條是編輯后的數(shù)據(jù),以便作為參照，如圖6所示)→④剖面反演→⑤高程加載及高程格式→⑥反演結(jié)果導(dǎo)出→⑦繪制成果圖。

圖6 單點(diǎn)編輯Fig.6 Single point editing

OCTEM數(shù)據(jù)反演采用瞬態(tài)弛豫反演法,該方法反演得到的結(jié)果是“相對電阻率”,其中基準(zhǔn)電阻率直接影響反演深度(圖7)。本工區(qū)根據(jù)地表情況,選擇30 Ω·m作為表層基準(zhǔn)電阻率。瞬態(tài)弛豫反演法為一維反演方法，依據(jù)其反演結(jié)果,采用HPTEM DataProcess 3.0進(jìn)行擬二維、三維處理,即可得到二維、三維數(shù)據(jù)用于繪圖。繪圖采用Surfer、Voxler等軟件。

圖7 OCTEM視電阻率剖面圖Fig.7 OCTEM apparent resistivity profile

2.6 地質(zhì)解釋

(1) 物探剖面。物探2線長度為156 m,反演剖面電阻率大致處于20～440 Ω·m,整體電阻率從上向下逐漸增加。結(jié)合物性資料和工區(qū)地質(zhì)情況,大致以165 Ω·m為界,其上為第四系覆蓋層,其下為三疊系灰?guī)r。如圖8所示,在相對高阻中,存在3處低阻異常(1 080點(diǎn)、1 125點(diǎn)、1 140點(diǎn)處),異常深度處于45～55 m,推測這3處低阻異常為巖溶發(fā)育區(qū)。后期在該剖面1 080點(diǎn)處布設(shè)一個鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)確實(shí)存在半充填溶洞，與物探推測結(jié)果相一致。物探13線長度為156 m,反演剖面電阻率大致處于20～500 Ω·m,整體電阻率從上向下逐漸增加。結(jié)合物性資料和工區(qū)地質(zhì)情況,大致以165 Ω·m為界,其上為第四系覆蓋層,其下為三疊系灰?guī)r。如圖9所示,在相對高阻中,存在4處低阻異常(1 100點(diǎn)、1 115點(diǎn)、1 140點(diǎn)、1 145點(diǎn)處),異常深度處于40～65 m,推測這4處低阻異常為巖溶發(fā)育區(qū)。后期在該剖面1 198點(diǎn)處布設(shè)一個鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證,確實(shí)存在與物探推測結(jié)果相一致的溶洞。

圖8 2線OCTEM反演成果圖Fig.8 2 line OCTEM inversion results

圖9 13線OCTEM反演成果圖Fig.9 13 line OCTEM inversion results

(2) 三維展示。將工區(qū)的OCTEM擬三維成果數(shù)據(jù)和鉆孔資料輸入Voxler軟件進(jìn)行三維展示[5]。

圖10為工區(qū)埋深約45 m處的電阻率異常圖,該深度位置大致對應(yīng)基巖面埋深部位。如圖10所示,存在多處低阻異常區(qū)。根據(jù)地質(zhì)資料顯示該工區(qū)地層起伏較小,因此推測上述低阻異常部位下方地層發(fā)生破碎或發(fā)育巖溶。收集鉆孔資料顯示，處于低阻異常區(qū)的ZK10、BK9等鉆孔所揭露的溶洞直徑均較大(最大直徑約10 m),遠(yuǎn)超高阻異常區(qū)BK4、ZK3等鉆孔所揭露的溶洞(直徑1～2 m)。

圖10 工區(qū)埋深45 m處電阻率異常圖Fig.10 Resistivity anomaly map at buried depth of 45 m

圖11為工區(qū)中電阻率值處于150～165 Ω·m之間的異常區(qū)分布圖。結(jié)合物性資料,推測這些異常區(qū)為灰?guī)r破碎區(qū)或溶蝕區(qū)。如圖11所示,鉆孔揭露溶洞均處于該區(qū)域內(nèi)部,直觀地展示了灰?guī)r破碎區(qū)或溶蝕區(qū)的分布深度和厚度變化情況，即低阻異?？傮w為東南部厚、西北角薄,與鉆孔揭露情況基本一致(圖11紅色柱狀為鉆孔揭示溶洞大小)。

圖11 工區(qū)中電阻率異常區(qū)域Fig.11 Abnormal area of resistivity in work area

圖12為工區(qū)地層電性特征三維展示圖,反映了第四系厚度、鉆孔揭露溶洞部位、地層破碎溶蝕情況以及完整基巖的深度變化情況,同時展示出了上述幾者之間的關(guān)系，例如工區(qū)東南部基巖破碎或溶蝕部位變厚,該處溶洞直徑明顯較大，而西北角溶洞直徑較小。

圖12 工區(qū)電性特征三維展示圖Fig.12 Three-dimensional display diagram ofelectrical characteristics in working area

3 結(jié)論

(1) 采用等值反磁通瞬變電磁法在城區(qū)一處巖溶發(fā)育區(qū)圈定了多處低阻異常驗(yàn)證確實(shí)由巖溶引起,表明該方法在城市地下巖溶精細(xì)探測中有效。

(2) 本次物探工作表明等值反磁通瞬變電磁法設(shè)備緊湊、抗干擾能力強(qiáng),且消除了“盲區(qū)”,在城市不良地質(zhì)體探測中可以發(fā)揮極大的優(yōu)勢。

(3) 等值反磁通瞬變電磁法野外施工方便,數(shù)據(jù)采集效率極高,能夠快速在一個工區(qū)完成面積性探測,從而獲得更多的地質(zhì)信息，并且結(jié)合目前的三維成圖軟件可以立體直觀地為客戶提供地下空間電性結(jié)構(gòu)圖，符合未來精細(xì)化探測、立體化展示的發(fā)展趨勢。