高密度電法與等值反磁通瞬變電磁法在法泗巖溶塌陷精細探測中的聯(lián)合應(yīng)用

趙楊杉

(湖北煤炭地質(zhì)物探測量隊，湖北 武漢 430200)

1 引 言

武漢市所處的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，降水豐沛，加之經(jīng)濟建設(shè)步伐不斷加快，人類工程活動日益增多，因此時而發(fā)生滑坡、巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)不完全統(tǒng)計，自1931年以來，武漢市先后在武昌、江夏、漢陽、漢南等數(shù)十處巖溶區(qū)發(fā)生過巖溶地面塌陷[1]。近年來，巖溶塌陷的發(fā)生頻率逐步增加，危害程度也越來越大，是武漢市主要的地質(zhì)災(zāi)害類型之一。

2014年9月5日，武漢市江夏區(qū)法泗街發(fā)生了武漢市近年來規(guī)模最大的一次巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害事件，在兩天時間內(nèi)形成了19個大小不一的塌陷坑，地表發(fā)生不同程度沉降，3棟民房被毀，部分民房發(fā)生嚴(yán)重傾斜，造成金水河兩側(cè)河堤嚴(yán)重垮塌，兩岸居民一百余人緊急撤離[2]。事發(fā)后，湖北省組織相關(guān)專家進行了勘察論證，定性為由高速公路樁基施工誘發(fā)的自然災(zāi)害。后期對塌陷坑進行了回填處理，并在塌陷區(qū)地面及房屋處布設(shè)變形監(jiān)測網(wǎng)進行長期監(jiān)測。為實現(xiàn)對法泗街巖溶塌陷的精細化探測，為該處巖溶塌陷成因機理研究提供基礎(chǔ)資料，本次研究采用高密度電法和等值反磁通瞬變電磁法對塌陷區(qū)進行了聯(lián)合勘探，并對反演數(shù)據(jù)進行處理、合并，揚長避短，形成探測成果一張圖，取得了較好的探測效果。

2 塌陷區(qū)地質(zhì)概況

塌陷區(qū)位于武深高速與法泗鎮(zhèn)下河頭路交匯處，塌陷坑分布于金水河?xùn)|西兩側(cè)，屬沖湖積平原地貌，位于長江一級階地后緣。區(qū)內(nèi)覆蓋層大致可分為“上土下砂”的二元層狀結(jié)構(gòu)，主要由第四系全新統(tǒng)沖湖積粉質(zhì)黏土、粉砂組成，下部基巖為石炭系—三疊系灰?guī)r[2]。

區(qū)內(nèi)地下水主要分為第四系土層中賦存的孔隙承壓水、可溶性碳酸鹽巖裂隙巖溶水兩種類型?？紫冻袎核x存于覆蓋層下部的砂土層中，水量較大，為中等—強透水性，主要受地表水側(cè)向徑流補給和孔隙潛水向下補給，排泄形式主要是補給相鄰地層，最終匯入長江?？扇苄蕴妓猁}巖裂隙巖溶水賦存于下伏石炭系—三疊系灰?guī)r層中，水量大小與裂隙、巖溶發(fā)育程度有關(guān)，主要接受大氣降水和第四系孔隙承壓水補給，通過裂隙或巖溶通道進行補給和排泄[2，3]。

3 塌陷區(qū)地球物理特征

塌陷區(qū)地層主要分成兩大層三小層，即覆蓋層中的黏土層、砂土層，基巖為灰?guī)r。上部塌陷坑用雜填土進行了回填，溶洞多被砂土充填，溶洞本身所處部位圍巖為灰?guī)r。物性統(tǒng)計見表1。

表1 塌陷區(qū)巖石電阻率

從表1可以看出，灰?guī)r電阻率相對較大，其次為砂性土，黏土、回填土電阻率相對較小。因此，電阻率剖面中灰?guī)r與上覆地層界面間，存在著比較明顯的電阻率差異；砂土層與黏土層之間相對阻值變化較小，要進行分層就需要結(jié)合鉆孔資料進行校正。當(dāng)溶洞充填軟弱土、砂性土、水等低阻體時，電阻率剖面往往會在高阻區(qū)中形成比較明顯的低阻異常區(qū)[4]。

4 方法原理

4.1 高密度電法

高密度電法基本原理：用供電電極(A、B)向地下供直流(或超低頻流)電流，同時在測量電極(M、N)間觀測電勢差(ΔUMN)，并計算出視電阻率(ρs)。各電極同時或不同時沿選定的測線按規(guī)定的電距間隔移動，預(yù)先人工打好電極，儀器自動切換[5,6]。高密度電法勘探系統(tǒng)是近年來在電法勘探基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型裝置，與常規(guī)裝置相比，其特點是獲取的信息量大、分辨率高，對淺部地質(zhì)體探測效果明顯。

4.2 等值反磁通瞬變電磁法

瞬變電磁法從原理上講是測量地質(zhì)體感應(yīng)的二次場的一種時間域電磁法。但是，關(guān)斷時間和互感的過渡過程會造成淺部探測“盲區(qū)”。等值反磁通瞬變電磁法(Opposing Coils Transient Electromagnetic,OCTEM)采用上下平行共軸的兩個相同線圈通以反向電流作為發(fā)射源，并在雙線圈源的中間平面接收地下二次場[7-12]。由于接收面為上下兩線圈的等值反磁通平面，其一次場磁通始終為零，而地下空間仍然存在一次場，因此一次場關(guān)斷時，接收線圈測量的是地下的純二次場響應(yīng)。相較于傳統(tǒng)的瞬變電磁法，OCTEM消除了一次場影響，減小了淺部探測盲區(qū)[13-17]。采用雙線圈源比傳統(tǒng)瞬變電磁法采用的單線圈源對地中心耦合場能量更集中，減少了旁側(cè)效應(yīng)影響,提高了探測的橫向分辨率[18-20]。

5 物探工作布置

塌陷區(qū)內(nèi)水稻田密布，人工水渠四通八達，下河頭路直穿而過，嚴(yán)重制約了物探測線的布設(shè)。經(jīng)過地形比對和塌陷坑測量放樣，發(fā)現(xiàn)一條土路從T6、T7塌陷坑中心、T8塌陷坑邊緣穿過(圖1)。因地制宜沿土路東南側(cè)布設(shè)一條測線(圖1中紅色測線)，分別采用高密度電法、等值反磁通瞬變電磁法進行探測，測線長度均為240 m，其中高密度電法電極距2 m，等值反磁通瞬變電磁法測點點距2 m，兩種物探方法測線完全重合。

圖1 物探測線布置Fig.1 Layout of physical detection lines

6 數(shù)據(jù)采集、處理與解釋

6.1 數(shù)據(jù)采集

圖2 高密度電法解譯成果Fig.2 Interpretation results of high density electrical method

測線位于田間土路上，周邊為水稻田，離居民區(qū)較遠，整體上看干擾較小。兩種物探方法數(shù)據(jù)采集均嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)技術(shù)規(guī)范及規(guī)程。高密度電法數(shù)據(jù)采集前，進行了儀器自檢及接地電阻檢測，接地電阻較小，且變化比較均衡，采用溫納裝置。OCTEM數(shù)據(jù)采集前，對測線進行了巡查，清除了金屬等干擾物，自檢儀器主機，確保儀器處于正常狀態(tài)；開展了發(fā)送頻率、疊加次數(shù)等野外工作參數(shù)試驗，通過系統(tǒng)分析最終選擇發(fā)射電流10 A，發(fā)送頻率6.25 Hz，疊加周期300次(重復(fù)采集2次)作為工作參數(shù)。數(shù)據(jù)采集完成后，筆者對兩種物探方法采集的野外數(shù)據(jù)進行了整理檢查，認為數(shù)據(jù)可靠，可以進行下一步的資料處理和解釋。

6.2 數(shù)據(jù)處理與解釋

高密度電法數(shù)據(jù)處理解釋采用瑞典的RES2DINV軟件，使用最小二乘法進行二維反演計算[11]。首先對采集數(shù)據(jù)中的小部分畸變點進行圓滑處理，然后結(jié)合鉆孔資料構(gòu)建的正演模型，對反演參數(shù)進行多次嘗試后，選擇了相對合適的反演參數(shù)，經(jīng)5次迭代之后均方根(RMS)誤差為1.16 %，取得了較為準(zhǔn)確的反演結(jié)果。根據(jù)反演的視電阻率斷面圖，結(jié)合已知地質(zhì)資料，進行地層劃分，分析解釋異常發(fā)育特征。

OCTEM采用系統(tǒng)自帶的HPTEM Data Process數(shù)據(jù)處理軟件對野外采集數(shù)據(jù)進行處理。首先對野外數(shù)據(jù)剔飛值、去噪，然后通過參數(shù)分析、曲線類型分析和視電阻率分析等確定了合適的反演參數(shù)[12]，采用瞬態(tài)馳豫法進行反演，導(dǎo)出反演成果數(shù)據(jù)，并采用Surfer軟件繪制二維視電阻率反演成果圖。最后根據(jù)繪制的視電阻率反演成果圖，結(jié)合已知地質(zhì)資料，進行綜合解譯。

7 塌陷區(qū)物探成果分析

7.1 高密度電法成果

圖2為高密度電法解譯成果圖。從成果圖中可以看出，剖面顏色由上而下從藍色→綠色→紅色漸變，表明視電阻率由淺到深呈低阻→中高阻→高阻變化，電性界面清晰。結(jié)合鉆孔資料，上部深度0～14 m范圍低阻區(qū)應(yīng)為粉質(zhì)黏土層反映，中部深度14～21 m范圍中高阻區(qū)為粉砂層反映，深部的高阻區(qū)為灰?guī)r反映，基巖面在21 m左右。成果圖上部紅色虛線范圍出現(xiàn)3處明顯的低阻異常區(qū)，異常邊界與測線穿過的T6、T7塌陷坑邊界一致，推測為塌陷回填土體反映。由于測線僅從T8塌陷坑邊緣穿過，該處回填土體在剖面圖中無明顯反映。測線平面102～128 m、深度28～39 m范圍有一處兩高夾一低的低阻異常區(qū)，推測為巖溶反映。

7.2 瞬變電磁法成果

圖3為等值反磁通瞬變電磁法解譯成果圖。從成果圖中可以看出，剖面顏色由上而下從藍綠色→黃色→桔紅色漸變，表明視電阻率由淺到深呈低阻→中高阻→高阻變化，電性界面清晰。結(jié)合鉆孔資料，上部深度0～12 m范圍低阻區(qū)為粉質(zhì)黏土層反映，中部深度12～21 m范圍中高阻區(qū)為粉砂層反映，深部的高阻區(qū)為灰?guī)r反映，基巖面在21 m左右。基巖面下部測線平面76～208 m、深度21～35 m范圍呈現(xiàn)大面積的低阻異常區(qū)，且該低阻異常區(qū)上部砂土層有多處兩高夾一低的垂向低阻條帶與其連通，根據(jù)該情況圈定5處溶洞，分別為圖中TEM1、TEM2、TEM3、TEM4、TEM5。TEM1、TEM2異常區(qū)與塌陷坑T7對應(yīng)，TEM4異常區(qū)與塌陷坑T8對應(yīng)。

圖3 瞬變電磁法解譯成果Fig.3 Interpretation results of TEM

7.3 聯(lián)合解釋成果

對比分析高密度電法與等值反磁通瞬變電磁法的解譯成果可以看出，兩種方法均取得了不錯的探測效果。高密度電法對淺部的回填土體邊界反映明顯。但其固有的跑極方式，造成測線兩側(cè)下部數(shù)據(jù)缺失，形成探測盲區(qū)，僅在測線中部解釋一處溶洞異常。同時，受測線排列長度影響，高密度電法反演探測深度為39.2 m，加上兩側(cè)盲區(qū)影響，造成基巖下部大部分信息缺失。等值反磁通瞬變電磁法中深部分辨率高，圈定多處異常。由于存在關(guān)斷時間，淺部仍有探測盲區(qū)，造成分辨率不足，無法對淺部的回填土體進行精細刻畫?；趦煞N方法反演成果數(shù)據(jù)均為視電阻率值，且兩種方法優(yōu)點互補，筆者考慮能否將兩種方法的反演數(shù)據(jù)按照其變化規(guī)律進行整合，保留高密度電法的淺部數(shù)據(jù)和等值反磁通瞬變電磁法中深部數(shù)據(jù)，揚長避短，形成探測成果一張圖，對地下地質(zhì)體進行精細刻畫。

從圖4高密度電法反演數(shù)據(jù)點位剖面分布圖可以看出，反演成果數(shù)據(jù)點呈“倒梯形”分布，兩側(cè)紅色虛線三角形區(qū)域均為探測盲區(qū)。整體上看，由淺至深數(shù)據(jù)點分布由密至稀，表示分辨率由淺至深逐漸下降。

圖5為同測點不同頻率電壓衰減曲線圖。理論上講，關(guān)斷時間越短，探測盲區(qū)越小。圖中三種不同頻率的電壓衰減曲線顯示關(guān)斷時間均在65 μs左右，探測深度隨著頻率降低變深。圖6為隨機抽取的不同測點深度與電阻率關(guān)系圖，從120個測點中隨機抽取了24個測點，抽取率為20 %。從圖中可以看出，深度0～5 m范圍曲線高度重合，深度5～10 m曲線稍微趨漸離散，但基本重合。結(jié)合以上兩點，認為本次等值反磁通瞬變電磁法探測盲區(qū)在10 m左右。

圖4 高密度電法反演數(shù)據(jù)點位剖面分布Fig.4 Point profile distribution of high density electrical inversion data

圖5 同測點不同頻率電壓衰減曲線Fig.5 Voltage attenuation curve of different frequencies at the same measuring point

圖6 6.25 Hz發(fā)射頻率不同測點深度與電阻率關(guān)系Fig.6 Relation between depth and resistivity of different measuring points with 6.25 Hz emission frequency

在數(shù)據(jù)進行整合拼接時，保證分辨率的前提下，首先要保證各異常的完整性，其次盡量保留有效數(shù)據(jù)去除盲區(qū)數(shù)據(jù)。根據(jù)上面3幅圖的分析結(jié)果，在充分研究兩種物探方法反演數(shù)據(jù)電阻率值變化規(guī)律后，選取深度11.462 m以淺的高密度反演電阻率數(shù)據(jù)與深度11.462 m以下的等值反磁通瞬變電磁法反演電阻率數(shù)據(jù)進行拼接成圖。

數(shù)據(jù)整合拼接后，發(fā)現(xiàn)Surfer軟件繪制出的二維視電阻率反演成果圖淺部整體呈低阻特征，塌陷回填范圍界限不明顯。鑒于該情況，筆者將兩種方法的反演成果數(shù)據(jù)進行對比分析，高密度電法數(shù)據(jù)深度0～11.462 m內(nèi)視電阻率在6.508～96.54 Ω·m之間變化，瞬變電磁數(shù)據(jù)深度15～100 m內(nèi)視電阻率在13.016～308.739 Ω·m之間變化，二者存在一定的級差。整體上看，拼接的高密度電法數(shù)據(jù)視電阻率值偏小，等值反磁通瞬變電磁法數(shù)據(jù)視電阻率值偏大?？紤]到瞬變電磁反演成果數(shù)據(jù)量大，主要對數(shù)據(jù)量較少的高密度電法反演成果數(shù)據(jù)進行修正，采用相加或相乘兩種手段，經(jīng)過多次嘗試，最終選擇參與拼接的高密度電法數(shù)據(jù)視電阻率值乘以2.6進行修正，基本達到預(yù)期效果。

圖7為反演數(shù)據(jù)拼接后的聯(lián)合解釋成果圖。從成果圖中可以看出，剖面顏色由上而下從藍綠色→黃色→桔紅色漸變，表明視電阻率由淺到深呈低阻→中高阻→高阻變化，電性界面清晰。結(jié)合鉆孔資料，上部深度0～13 m范圍低阻區(qū)為粉質(zhì)黏土層反映，中部深度13～21 m范圍中高阻區(qū)為粉砂層反映，深部的高阻區(qū)為灰?guī)r反映，基巖面在21 m左右。成果圖上部紅色虛線范圍出現(xiàn)3處明顯的低阻異常區(qū)(H1、H2、H3)，異常邊界與測線穿過的T6、T7塌陷坑邊界一致，推測為塌陷回填土體反映?；鶐r面下部測線平面76～208 m、深度21～35 m范圍呈現(xiàn)大面積的低阻異常區(qū)，且該低阻異常區(qū)上部粉砂層有多處兩高夾一低的垂向低阻條帶與其連通，根據(jù)該情況圈定5處溶洞，分別為圖中TEM1、TEM2、TEM3、TEM4、TEM5。其中H1異常區(qū)與塌陷坑T6對應(yīng)，基巖下部無異常反應(yīng)，推測該處溶洞平面位置位于塌陷坑T6→T5方向；TEM1與H2、TEM2與H3形成了很好的對應(yīng)，形成塌陷坑T7；TEM4異常區(qū)與塌陷坑T8對應(yīng)。

圖7 數(shù)據(jù)拼接后聯(lián)合解釋成果Fig.7 Results of joint interpretation after data splicing

整合拼接后，成果圖在保留各異常的完整性的情況下，克服了高密度電法兩側(cè)存在探測盲區(qū),探測深度淺，等值反磁通瞬變電磁法淺部存在探測盲區(qū)的問題,清楚地反映了上部塌陷回填土體與下部巖溶的空間位置關(guān)系，據(jù)此可以還原本次巖溶塌陷砂體如何運移流失、上部土體如何塌陷的過程，為法泗街巖溶塌陷成因機理分析提供科學(xué)的依據(jù)。數(shù)據(jù)拼接后的解釋成果圖達到了預(yù)期效果，實現(xiàn)了精細化探測的目的。

8 基于物探聯(lián)合成果的塌陷成因機理分析

從地貌單元來看，塌陷區(qū)分布于金水河兩岸，處于長江兩岸的一級階地上，金水河作為地表和地下徑流的排泄通道，與第四系含水層之間存在一定的互補關(guān)系，由于地下水和地表水的頻繁運動，造成兩岸可溶性碳酸鹽巖巖溶發(fā)育[2]。

通過聯(lián)合解釋成果圖可以看出，基巖下部有一條巖溶條帶發(fā)育(藍色虛線范圍)，該條帶往測線起點方向通往金水河。發(fā)生塌陷時，區(qū)內(nèi)正在進行武深高速公路的超前鉆和樁基礎(chǔ)施工，鉆探、樁基礎(chǔ)施工揭穿了部分溶洞頂板，改變了該區(qū)的地下水動力條件，使上部的第四系全新統(tǒng)孔隙承壓水與下部的巖溶水直接貫通，縮短了孔隙承壓水補給下部巖溶水的滲透路徑[2]。從圖7可以看出，剖面圖平面76～208 m范圍下方發(fā)育多個溶洞(紅色虛線橢圓TEM1、TEM2、TEM3、TEM4、TEM5)，由于沖擊成樁孔內(nèi)的循環(huán)液抽吸循環(huán)作用，附近的巖溶水壓力急速上升，地下水流速發(fā)生急劇變化，沿藍色虛線所示的巖溶通道快速傳導(dǎo)，不斷地侵蝕溶洞上方的砂體，再加上鉆探、樁基礎(chǔ)施工時的振動外力作用造成砂土液化，粉砂不斷流入這些開口溶洞。隨著砂土層形成“空洞”，上覆黏土層失去支撐向下垮塌，隨之形成圖1中的巖溶地面塌陷[13,14]。

9 結(jié) 語

物探成果表明，高密度電法、等值反磁通瞬變電磁法在本次法泗巖溶塌陷探測中，均有一定的效果。高密度電法對淺部的回填土體探測效果明顯，但其存在探測深度容易受排列長度限制及兩側(cè)存在探測盲區(qū)等問題。而等值反磁通瞬變電磁法雖然中深部分辨率高，但淺部存在探測盲區(qū)。通過對兩種物探方法反演成果數(shù)據(jù)整合拼接，形成一張地質(zhì)成果解釋圖，實現(xiàn)了對法泗巖溶塌陷精細化探測的目的，取得了較好的應(yīng)用效果。

本次兩種方法成果數(shù)據(jù)整合拼接過程中，高密度電法測線與等值反磁通瞬變電磁測線長度一致，造成拼接成果淺部兩側(cè)仍有數(shù)據(jù)缺失的情況，成圖時形成了假異常。建議在場地條件允許時，可以適當(dāng)延長高密度電法測線，盡量減少盲區(qū)的影響。

雖然兩種物探方法反演得到的成果數(shù)據(jù)均為視電阻率數(shù)據(jù)，但方法原理及反演方法不同使得拼接的成果數(shù)據(jù)存在級差，需要進行修正。拼接時，在盡量保留高密度電法與等值反磁通瞬變電磁法的有效信息的前提下，建議選取地層分界面進行拼接。