瞬變電磁與高密度電法在巖溶區(qū)探測中的應(yīng)用

王霽霞，彭曙光，張苑輝

（廣東省工程勘察院，廣東廣州 510510）

隨著中國城市化建設(shè)的日益進展,基礎(chǔ)建設(shè)工程已經(jīng)成為了一個關(guān)乎民生的重大工程項目,并受到了社會各界的普遍重視。而巖溶與空洞也都是基礎(chǔ)建設(shè)工程中無法回避的重大的地質(zhì)問題。因為溶洞生長的相當(dāng)隨機而且很不易找到,所以傳統(tǒng)的勘察技術(shù)常常很難精確高效地探明地質(zhì)狀況。于是,溶洞的勘探問題就變成了阻礙工程的很關(guān)鍵的因素。而瞬變電磁法和高密度電法利用了巖溶景觀和所處巖體結(jié)構(gòu)在電性上具有一定不同的特性,從而可以很快速地測定出區(qū)域的地形特征、巖塊結(jié)構(gòu)、喀斯特布局等地質(zhì)學(xué)構(gòu)成,然后利用鉆孔等常規(guī)的勘察方法持續(xù)測試，從而提高工程地貌勘查成果的精確性和經(jīng)濟性。近年來，電法勘查方式也隨著瞬變電磁技術(shù)與高密度電法勘探技術(shù)的發(fā)展而不斷被應(yīng)用和普及。

1 方法原理

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法試驗設(shè)備應(yīng)包括一個發(fā)射循環(huán)設(shè)備和一個接收循環(huán)設(shè)備。處理過程分為傳輸、電磁感應(yīng)和接收。瞬變電磁法的試驗設(shè)備應(yīng)分為一個發(fā)送循環(huán)設(shè)備和一個接受循環(huán)設(shè)備。處理過程包括了傳送、電磁感應(yīng)和接收。因此瞬變電磁法也是時域映射電磁感應(yīng)法的一部分。其檢測機理為,當(dāng)發(fā)射電流被供電給傳輸線圈時,在輸入線圈附近形成有相同頻率和相位的交變磁場,該交變磁場叫做一次磁場。而如果磁場通過了地下良導(dǎo)體,則由于電磁效應(yīng),在良導(dǎo)體中會形成二次感應(yīng)電流。該輸出電壓在周圍空氣中產(chǎn)生的該次交變磁場,也叫做二次磁場。如果沒有良導(dǎo)體,應(yīng)該分析二次磁場磁性衰減的速度。當(dāng)存在良性導(dǎo)體時，在電路切斷的瞬間，為了維持一次磁場的短路，導(dǎo)體中會出現(xiàn)渦流電流，此時觀察到二次磁場磁性衰減進度會變換。最后通過對數(shù)據(jù)進行歸納和處理，從而對地下異常電性指數(shù)進行詮釋分析。

瞬變電磁法具有水平和垂直信號強、勘察范圍大、設(shè)備體積小、工作效率高、對地質(zhì)影響小、響應(yīng)速度快等特點。它被廣泛用于幾乎所有類型的工程建設(shè)溶巖勘查中。然而，瞬變電磁法也容易受到其他因素的影響，如井探期間的支架和隧道設(shè)備、近地面勘探的輸電線路和信號塔等。同時，瞬變電磁法也存在一些缺點，如當(dāng)前理論支持不充分、測量異常范圍大、地下位置定位缺少準(zhǔn)確度等。

1.2 高密度電法

高密度電法作為新技術(shù)，是集中了電剖面、電探測等方法的優(yōu)點的一種物理勘察方法，它不僅能勘察到地下一定深度的電氣性能的橫向變化，它還能提供垂直電氣性能變化的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。由于地下巖層組成和分布的非均質(zhì)性，會導(dǎo)致電流分布發(fā)生不同的變化。高密度電法技術(shù)就是通過利用地下介質(zhì)的這種特性，將地下環(huán)境電位的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電阻率，通過觀察固定相應(yīng)電阻率的差異，研究不同地下空間環(huán)境中電阻率的分布特征和變化規(guī)律，從而形成多方位的投影數(shù)據(jù)，最終由計算機生成圖像，得到隱藏的地質(zhì)構(gòu)造和巖溶層、風(fēng)化層，滑坡和其他地下巖層數(shù)據(jù)，以及其精確結(jié)構(gòu)。

高密度電法與現(xiàn)有傳統(tǒng)的電阻法相比有以下優(yōu)點：①電極的一次性放置能夠降低因為電極安裝而對信號產(chǎn)生的干擾以及電極安裝導(dǎo)致的測量誤差；②可根據(jù)不同的電極排列位置，有效地獲得豐富的地質(zhì)構(gòu)造狀態(tài)信息；③數(shù)據(jù)收集是自動進行的，避免了因為手動操作產(chǎn)生錯誤數(shù)據(jù)；④數(shù)據(jù)處理流程更加快速、便捷。數(shù)據(jù)的即時、離線處理能夠有效地提高勘察速度。高密度電法在工程勘察中的應(yīng)用，需要根據(jù)施工現(xiàn)場的特性進行，要按照客觀情況采用相關(guān)技術(shù)。一方面是為了提高工程勘察的準(zhǔn)確性，另一方面是為了確保施工安全，促進建設(shè)工程物探技術(shù)的發(fā)展。

不管是瞬變電磁法及高密度電法，這兩種技術(shù)都是通過電性的差異對地下巖層的構(gòu)成結(jié)構(gòu)進行勘察。這兩種技術(shù)的結(jié)合能夠極大提高對巖溶空間勘察的準(zhǔn)確性和實效性。

2 實例應(yīng)用

本次巖溶勘察選擇了由廣州設(shè)備儀器廠生產(chǎn)的型號為DGI-3A高密度電法測量設(shè)備。該儀器功能齊全，全觸控屏幕，容易操作。它采用全自動數(shù)字測量技術(shù)，能自動補償自然電位、電極極化和漂移。中文大屏幕LCD顯示屏可以在高密度測量工作模式中直接顯示12種以上的布線工作方式；單機dgi-3a模式可直接顯示九種電極布置模式，運行中可實時顯示曲線趨勢圖等。工作方法和工藝主要是Schbossager裝置。運行中的電壓可高到260V。探測過程中實現(xiàn)一線一排列，每個排列由50個電極組成，同時觀察49道。為符合考慮勘探深度的需求，觀測點的間距為10m。

在利用瞬變電磁法技術(shù)進行勘察時，設(shè)備選用了廣州速程設(shè)備開發(fā)研究所出產(chǎn)的HITZ-3C淺部瞬變電磁系統(tǒng)，該設(shè)備具有穩(wěn)定性好、信號強、便攜度高以及低能耗的特點，其超高速斷電技術(shù)更是領(lǐng)先世界前列。設(shè)備運行過程中疊加次數(shù)為62次，供電頻率為30Hz，發(fā)射電流為4.15A，延時測時間只有2～15μs，切斷時間為2～4μs。發(fā)射線圈為單匝25m×25m，單匝6m×6m的接收線圈，接線方式為中央回線。測量線的軌道由現(xiàn)場提供的控制點進行追蹤，全站共設(shè)置兩條基線。通過測量繩索（卷尺）來布置測量點，以測量距固定點的距離，每個點編號代表1m的現(xiàn)場距離。探測線的方向為南北方向。

地球物理數(shù)據(jù)歸納和分析的主要依據(jù)是地質(zhì)性質(zhì)。本區(qū)第四系覆蓋層與基巖、不同特性基巖之間有著一定的電性差異；巖溶石灰?guī)r發(fā)育區(qū)將產(chǎn)生相應(yīng)的電性變化，可使用適當(dāng)?shù)难b置觀察電性的異常狀態(tài)。其次，根據(jù)演示圖的異常形態(tài)以及相關(guān)特征，可以分析出地下巖層是否存在空洞以及其發(fā)育特征。持此之外，最后的歸納和分析工作也要依照從無到有的原則，要收集和利用現(xiàn)有地質(zhì)和鉆井資料，對瞬變電磁演示圖的異常狀態(tài)做出正確解釋，克服地球物理勘察的復(fù)雜化問題。

3 成像分析

3.1 高密度電法的成像結(jié)果分析

如圖1所示，顯示的為高密度電法10線視電阻擬斷面圖和推演結(jié)果。圖中上部為實測剖面，中部為正剖面，下部為反演剖面。從圖中可以看出，當(dāng)X坐標(biāo)的長度為0～150m時，最大電阻異常低于深度21.5m。當(dāng)X坐標(biāo)為150～245m時，最大異常深度為0～21.5m，因此可以判定該地質(zhì)區(qū)為一個相對完整的灰?guī)r地質(zhì)區(qū)；當(dāng)X坐標(biāo)為0～150m，深度大于21.5m時，判斷其為老粘性土及破碎層分布區(qū)。值得注意的是，在X軸為115～135m、165～175m，深度為21.9～29.5m和26～29m處存在明顯的低阻異常。通過鉆探試驗，發(fā)現(xiàn)X方向125～135m和165～175m處存在巖溶洞穴，實際上部深度21m，寬度11m。由于反演的異常深度尚未閉合，且?guī)r溶底部情況無法探明，因此無法確定巖溶洞穴的最低深度。

圖1 高密度電法演示斷面圖

3.2 瞬變電磁法的成像結(jié)果分析

圖2為設(shè)備HITZ-3C測線的視電阻率斷面圖，橫坐標(biāo)是編號的直線距離，縱坐標(biāo)為視深度，點與線之間的距離為2～5.5m。從瞬變電磁成像圖剖面推斷，65m高度之上的灰?guī)r破碎情況嚴(yán)重，處于過度發(fā)育的狀態(tài)，存在兩個低電阻異常區(qū)。其中，有一個“新月”形狀的低電阻異常位于185～220mX坐標(biāo)和38～68m高度處，還有一個“羊角”形狀的低電阻異常處于189～211mX坐標(biāo)和48m高度處。在經(jīng)過分析測線后發(fā)現(xiàn)附近出現(xiàn)帶狀分布的低電阻異常，因此可以假定該處存在由地下流水作用形成的溶洞。

圖2 瞬變電磁法演示斷面圖

3.3 驗證測試結(jié)果

為了證明勘查結(jié)果的準(zhǔn)確度，在編號12的高密度線的145m處和瞬變電磁18線的206m以及225m布置了三個鉆孔。結(jié)果表明，在視深度分別為64.5m和34.5m以及15m處均發(fā)現(xiàn)地下溶洞。這與高密度電法和瞬變電磁法探測到的結(jié)果基本一致。雖然在通過勘察得知該地區(qū)地下巖層存在溶洞和裂隙，但是塌方或者地陷的可能性非常小，這說明該地區(qū)的巖層相對來說比較穩(wěn)定。

4 結(jié)語

通過對于高密度電法和瞬變電磁法的綜合應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)了巖溶地下水平和垂直隱伏溶洞、裂隙區(qū)和溶蝕區(qū)的發(fā)育狀態(tài)和分布趨勢，具有良好的探測效果。經(jīng)過充分的勘探和分析，確定了40個巖溶區(qū)。這為后期的基礎(chǔ)建設(shè)和設(shè)施施工提供了有效的參考資料的科學(xué)支持；而對于高層設(shè)施來說，由于對地基和巖層穩(wěn)定度的要求更高，為了使得勘查結(jié)果更加準(zhǔn)確，必須結(jié)合瞬變電磁法和高密度電法，從而能達到更高的勘查深度和更加精準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。事實表明，高密度電阻法和瞬變電磁法的結(jié)合運用能夠彌補其他物探方法的缺陷，能夠有效地反映出地下復(fù)雜的地質(zhì)信息，因此非常值得在基建領(lǐng)域進行推廣和普及。