瞬變電磁法在探測地下溶洞中的應(yīng)用解析

汪孝博

摘 要：地下溶洞主要是指地下水長期作用于灰?guī)r裂隙，從而使巖溶或者破碎帶發(fā)育的更加迅速，因此就形成地下溶洞。地下溶洞的形成會(huì)給建筑工程帶來極大的危害，因此我們需要對地下溶洞巖溶的分布和發(fā)育情況進(jìn)行探測，根據(jù)巖溶與周圍介質(zhì)的不同來選擇不同的探測方法，本文以瞬變電磁法探測地下溶洞為例，為大家講述瞬變電磁法在探測地下溶洞中的應(yīng)用，希望對以后地下溶洞探測工作提供有利的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁法；地下溶洞探測；應(yīng)用解析

本文首先對溶洞的形成以及探測溶洞的方法進(jìn)行簡單敘述，然后再著重說明瞬變電磁法的工作原理，最后再以瞬變電磁法在探測武漢溶洞為例，為大家說明瞬變電磁法在探測地下溶洞中的作用。

一、溶洞的形成和溶洞探測方法

溶洞的形成方法主要是由于灰?guī)r地區(qū)地下水長期進(jìn)行溶蝕的結(jié)果。而在灰?guī)r中，灰?guī)r的電阻率要比其他的巖石的電阻率高，例如砂巖、泥巖、鋁土巖以及粘土巖等等。如果灰?guī)r內(nèi)部發(fā)育有溶洞或者是溶蝕帶，那么灰?guī)r的電阻率就會(huì)迅速增大，為溶洞的探測工作帶來很大的難度。溶洞和溶洞周圍的巖層是具有非常明顯的差異的，因此可以運(yùn)用電測的方法對地下溶洞進(jìn)行探測。在對溶洞進(jìn)行探測的過程中用到很多的電測方法，例如地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法以及瞬變電磁法等等，而今天我們主要講述的是瞬變電磁法在探測地下溶洞中的應(yīng)用。瞬變電磁法的運(yùn)用主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：首先瞬變電磁法受地形的影響比較小，可以克服高阻屏蔽層的影響。其次瞬間電磁法受體積影響較小，在中橫向方向的分辨率比較高，并且施工方法簡單、速度快、并且頻率高，同時(shí)也有一個(gè)缺點(diǎn)，就是瞬變電磁法在探測地下采空區(qū)的時(shí)候只能測試出地面位置和范圍，不能進(jìn)行深度的計(jì)算。所以，我們在運(yùn)用瞬變電磁法來進(jìn)行探測的時(shí)候，要根據(jù)探測地形的實(shí)際情況和具體的地質(zhì)情況來結(jié)合瞬變電磁法的使用特點(diǎn)進(jìn)行探測。

二、瞬變電磁法的工作原理

瞬變電磁法簡稱TEM，屬于電磁感應(yīng)類中的一種探測方法，所以瞬變電磁法也遵循電磁感應(yīng)的工作原理，導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的電磁場激發(fā)下產(chǎn)生渦流場效應(yīng)，然后利用一個(gè)不接地的回線或磁偶極子向地下發(fā)射脈沖電磁波作為激發(fā)場源，等到脈沖電磁波結(jié)束以后，探測目標(biāo)體或者大地就會(huì)在激發(fā)場的作用下，使得內(nèi)部產(chǎn)生感生渦流，而且這些渦流是具有空間特性和時(shí)間特性的，并且渦流的大小與目標(biāo)體的空間特征以及電性特征還有激發(fā)場特征等因素有關(guān)，并且會(huì)逐慢慢減弱最終直到消失。所以可以用專業(yè)的儀器來觀測這種渦流產(chǎn)生的電磁場的強(qiáng)弱還有空間分布特性以及時(shí)間特性等。磁場的強(qiáng)弱的本質(zhì)特征的決定因素是探測目標(biāo)的物理性質(zhì)以及賦存狀態(tài)，淺部地層地質(zhì)信息是由早期信號反映的，而晚期信號則反映出深部地層地質(zhì)信息。如果需要推測和解釋地層或地質(zhì)目標(biāo)體的幾何和物性特征則可以通過觀測和研究“二次場”的空間分布特性和時(shí)間特性來進(jìn)行推測。

三、對瞬變電磁法在探測地下溶洞的應(yīng)用進(jìn)行舉例說明

通過上文我們可以知道溶洞主要是由石灰?guī)r在水中長期溶蝕的結(jié)果，在工程的建設(shè)中，溶洞是一種不良的地質(zhì)。所以在選擇工程建設(shè)地點(diǎn)的時(shí)候要盡量選擇避開溶洞十分發(fā)育的地段，如果實(shí)在不能避讓，就需要根據(jù)路段的實(shí)際情況來了對地下的溶洞做相應(yīng)的處理。現(xiàn)階段隨著我國城市化進(jìn)行的不斷推進(jìn)，各種基礎(chǔ)設(shè)施也在不斷的建設(shè)中，因此為了保證建筑物的安全，保證人們的正常生活，對地下地質(zhì)情況進(jìn)行探測是十分有必要的。而且隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們探測地下溶洞的技術(shù)也在不斷提高。

在最近的三十年來，武漢市的武昌以及漢陽等地區(qū)經(jīng)常發(fā)生地面下陷的問題，這種問題就是由于石灰?guī)r溶洞的作用以及地下水流作用等等。我們主要對武漢地區(qū)的地下溶洞進(jìn)行研究，武漢地區(qū)的石灰?guī)r距離現(xiàn)在已經(jīng)有3.5-2.25億年左右，而且石灰?guī)r由于不斷的疊壓出現(xiàn)很多的沉積巖，沉積巖的厚度有幾米的，也有幾十米的，在東西向的褶皺構(gòu)造中呈條帶狀分布川。灰?guī)r的裂隙由于被地下水長期的作用就會(huì)使巖溶或者破碎帶進(jìn)行發(fā)育，所以就形成了溶洞。武漢地區(qū)巖溶發(fā)育的巖石與完整的灰?guī)r比較，在電阻率和吸收系數(shù)方面具有非常大的差異，如果灰?guī)r中有發(fā)育巖溶的裂隙帶時(shí)，就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的低阻變異，進(jìn)而會(huì)在電測剖面上的中深部位出現(xiàn)異常的低阻，而這些異常的低阻就會(huì)為瞬變電磁法探查地下溶洞提供了有利的條件。并且經(jīng)過實(shí)踐證明，運(yùn)用瞬變電磁法對地下溶洞進(jìn)行探測可以取得很好的效果，不管是為建筑工程的選址還是建設(shè)都有很大的技術(shù)保障。

在對武漢地下溶洞進(jìn)行瞬變電磁法探測的時(shí)候，我們需要正確運(yùn)用瞬變電磁法的探測功能。瞬變電磁法是一種脈沖感應(yīng)類的電法探測，在電磁法中屬于時(shí)間域電磁法。在使用的過程中需要通過不接地回線向溶洞發(fā)送一次磁場，測量一次場激勵(lì)電源關(guān)斷后一段時(shí)間內(nèi)再開始二次磁場測量，通過二次磁場測量的信號的衰減變特點(diǎn)來解釋和演繹地下溶洞結(jié)構(gòu)的性狀。如果地下存在良導(dǎo)體，那么良導(dǎo)體就會(huì)在一次場的激勵(lì)下產(chǎn)生感應(yīng)渦流，而且是按照指數(shù)規(guī)律來進(jìn)行衰減的，如果地下溶洞中存在隱伏高阻介質(zhì)，因?yàn)闆]有相對應(yīng)的感應(yīng)渦流，所以二次場的感應(yīng)幅度就會(huì)變小，二次磁場也會(huì)很快的進(jìn)行衰減。

在運(yùn)用瞬變電磁法對地下溶洞進(jìn)行探測的時(shí)候需要正確選擇瞬變探測儀器。可以采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究生產(chǎn)的WTEM-1Q淺部瞬變電磁勘探儀。這項(xiàng)設(shè)備具有超高速關(guān)斷、可靠性高和抗干擾功能強(qiáng)的特點(diǎn)，并且具有使用攜帶輕便、耗電量低的優(yōu)勢。工作方法可以選擇疊加次數(shù)為六十四次，發(fā)射電流為4.27A，供電頻率可以選擇32Hz，發(fā)射電圈可以選擇20mX20m單匝，接受線圈可以選擇5mX5m單匝，然后布線方式選擇中心回線。在實(shí)際測量的過程中，測線的布設(shè)方式由現(xiàn)場提供的控制點(diǎn)來引出，然后用全站儀布設(shè)兩條基線，測點(diǎn)布設(shè)最好是采用測繩，例如皮尺進(jìn)行量距定點(diǎn)，然后把每個(gè)點(diǎn)號代表實(shí)地一米的距離，測線的方向設(shè)定為南北的方向。最后通過對附近測線進(jìn)行對比分析我們可以發(fā)現(xiàn)該地區(qū)低阻異常呈現(xiàn)帶狀分布，所以就可以推斷地下有一定流向的地下水作用形成的溶洞。

通過上文對瞬變電磁法在探測地下溶洞中的應(yīng)用分析我們可以了解到瞬變電磁法在探測地下溶洞的作用。首先利用瞬變電磁法可以查明了解地下橫向和垂直方向的隱伏溶洞、破碎帶以及溶蝕裂隙帶的發(fā)育規(guī)模和分布規(guī)律，所以瞬變電磁法具有很好的探測效果。其次應(yīng)用瞬變電磁法進(jìn)行溶洞探測，在一定程度上可以克服地球物理解釋的多解性，從而提高瞬變電磁法的勘查精度和勘查效果，可以彌補(bǔ)地球物理方法無法探測地下地質(zhì)情況的問題。所以說瞬變電磁法是目前比較經(jīng)濟(jì)且實(shí)用的，而且能夠高效的反映出地下豐富地質(zhì)信息的重要手段，具有很好的應(yīng)用性和推廣性。

總結(jié)：綜上所述，溶洞是由灰?guī)r地區(qū)地下水長期進(jìn)行溶蝕而形成的，如果在工程建設(shè)中沒有對地質(zhì)情況進(jìn)行探測，沒有發(fā)現(xiàn)地下的溶洞現(xiàn)象，就會(huì)對以后的工程發(fā)展帶來巨大的損害，所我們有必要對地下溶洞進(jìn)行探測。在目前眾多的探測方法中瞬變電磁法是經(jīng)常使用的方法，瞬變電磁法具有使用方法簡單輕便，受地形影響小，可以對地下地質(zhì)情況進(jìn)行很好的探測和解釋的特征。所以我們在使用的過程中需要根據(jù)地區(qū)地質(zhì)的實(shí)際情況來使用正確的電磁探測方法，按照操作要領(lǐng)進(jìn)行操作，保證探測數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性，只有這樣才能準(zhǔn)確的探測地下溶洞的具體情況，才能對地下地質(zhì)條件進(jìn)行很好的探測，為我國工程建設(shè)的選址提供有利的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱亞軍，王艷新.高密度電法和瞬變電磁法在地下巖溶探測中的綜合應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2012，9（06）：738-742.

[2]戚庭野，劉鴻福.瞬變電磁法在溶洞探測中的應(yīng)用研究[J].西部探礦工程，2012，24（05）：124-126.