城鎮有限場地條件下的物探找水試驗

周磊 曹創華 鄧專 譚佳良 龍霞

摘要：為在城區強干擾環境、有限場地條件下進行物探方法找水，特利用等值反磁通瞬變電磁法，在湖南郴州市某城鎮進行了野外試驗。在地表調查和周邊人文環境基礎上，常規電測深等找水有效手段在城鎮區域難以施工，面對這個難題利用等值反磁通瞬變電磁法進行試驗，其利用對偶中心耦合裝置消除了收發線圈感應耦合來消除干擾。首先根據地質信息設計了近似南北向的4條剖面，然后進行了發射頻率試驗并進行單點連續探測，最后利用探測結果繪制了多測道曲線和二維模擬斷面等值線圖并設計了鉆孔。鉆探驗證結果表明：等值反磁通瞬變電磁法在強干擾、場地受限的城鎮區域找水效果較好，是一種值得推廣的新方法。

關鍵詞：等值反磁通瞬變電磁法;城市地質;強干擾環境，物探方法找水

中圖分類號：P631.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-1903（2019）01-0097-06

0前言

水資源是城市居民、廠礦企業和各單位的必不可少資源，城市水源地的調查和評價是地質調查工作者面臨的主要工作之一。隨著人們對淡水的需求量不斷增加，我們需要不斷更新科學技術手段，利用各種現代的水文地質勘探手段來尋找地下水資源，從而減少缺水地區的供水問題。

地球物理方法是城市水源地探尋的主要手段，找水成果較多，如龍慧等（2018）在西寧盆地利用EH4等方法成功的找到了構造裂隙水，曹創華等（2018）在湘潭錳礦利用高密度電法和充電法成功探測到了地下巖溶水通道。而在城市地質強干擾環境、有限場地條件下找水鮮見成果。

近年來，根據湖南省人民政府和湖南省自然資源廳的統一部署安排下，湖南省地質調查院承擔了很大一部分的城市有限場地區域的找水工作。城鎮區域的物探工作容易受到場地有限、游散電流干擾、電磁干擾等因素影響，常規電法（如視電阻率聯合剖面法、高密度電阻率法）均對工作場地提出了一定的要求，在有限場地條件下無法進行電極跑極等工作，而且方法本身的抗干擾能力也比較有限。經過多次試驗和現場調研，本次工作擬選用等值反磁通瞬變電磁法（Opposing Coils TransientEleetromagneties Method，簡稱OCTEM）用于本次城鎮區域強干擾環境條件下的物探找水試驗，所用的儀器是由中南大學和湖南五維地質科技有限公司研制生產的HPTEM-08高精度瞬變電磁系統。

自從OCTEM發明以來，2018年高遠在城鎮地質災害調查中成功的圈定了煤礦塌陷區異常帶，趙思為等（2017）在鐵路勘查方面探測效果明顯;但針對南方城鎮區找水鮮有報道，本文將從這方面展開闡述。

1基本原理

瞬變電磁法（Tmnsient electromagnetic methods，TEM）又稱時間域電磁法（Time domain electromagneticmethods，TDEM），是一種利用不接地回線向地下發射一次脈沖電磁場，并觀測地下渦流場的方法（靜恩杰等，1995;李貅，2002;牛之璉，2007）。目前的瞬變電磁法普遍采用的是由一個發射線圈和一個接收線圈組成的測量系統，由于發射線圈在發射電磁場的過程中，會使接收線圈本身產生感應電動勢，而這個感應電動勢會和地下渦流場產生的感應電動勢疊加，從而造成瞬變電磁法的早期信號失真，形成瞬變電磁法的淺層勘查盲區（薛國強，2004）。

OCTEM使用等值反磁通技術對發射天線進行了改進（圖1），消除了收發線圈之間的感應耦合。相比于傳統的瞬變電磁法，OCTEM具有抗干擾能力強、儀器輕便、沒有淺層勘探盲區、勘探深度大、分辨率高等優點。

OCTEM根據等值反磁通原理，采用雙線圈源建立一次場零磁通接收平面，測量時，接收線圈處于一次場零磁通平面上，當發送電流關斷時，接收面的一次場磁通為零，接收線圈自身不會產生電磁振蕩，消除一次場對接收線圈的影響，以觀測到地下純二次場響應，從而提高瞬變電磁探測準確度，縮小淺層盲區。OCTEM雙線圈源發射雖然比單線圈源發射時能量相對減弱，但是一次場能量70%集中在近地表，增強了渦流聚集，降低了體積效應和“煙圈”擴散角度，有效的提高了縱向和橫向分辨率。OCTEM采用微線圈發射和接收，便于收發天線一體制作，既利于狹小工區野外施工，保障了每個測點激發場的一致性，避免了外業布線誤差以及記錄點位置原因引起的二次場測量誤差（席振銖等，2016）。

由于渦流場在大地中主要以擴散形式傳播，感應渦流的擴散速度及其極大值的衰減幅度與大地電導率成反比關系。根據地表接收到的渦流場信號隨時間的衰減規律獲得地下電導率信息，渦流場的擴散深度為

式中：σ為大地電導率，t為衰減時間，uo為真空磁導率。因此，OCTEM的最大探勘深度與發送磁矩、大地電導率及最小可分辨電壓有關。通過理論計算和相關實驗，當發射線框為50×50m，最小可分辨電壓為0.5V/m2，發射電流為10A，大地電阻率為200Ω·m時，勘探深度可達218.9m（薛國強等，2004;席振銖等，2016;王銀等，2017）。

2工程實例

2.1工程概況

工作區位于郴州市嘉禾縣，南北向長約115m，東西向寬約70m，工作區北邊和西邊均為寬50m的瀝青公路（圖2）。

工作區表層第四系覆蓋，基巖為一套石炭系下統石磴子組（C，s）的中厚層狀粉晶粒屑灰巖、生物屑泥粉晶灰巖;區內可能存在一條近東西走向的隱伏構造。

調查區及周邊主要地層有：

第四系（Q）：灰黃、黃、紅黃、黃紅色，為紅粘土，常含鐵錳質結核，含砂及風化灰巖碎塊，分布廣泛，評估區從南到北的大部分低矮平緩丘陵、地勢低洼的沖溝均有分布。一般厚1～5m，最厚可達10m以上。

石炭系下統石磴子組（C1S）：上段為深灰色中厚層狀粉晶粒屑灰巖、生物屑泥粉晶灰巖，含燧石團塊;下段為灰色厚層狀粒屑灰巖，含生物屑泥晶灰巖及細晶云巖，含燧石團塊結核。總厚360.1m。

石炭系下統天鵝坪組（CI/）：灰色薄層狀泥灰巖、鈣質頁巖，含陸屑泥質灰巖。厚度9.1～20.3m。

泥盆系上統孟公坳組（D3m）：灰色厚層狀泥粉晶灰巖、生物屑灰巖、云質灰巖夾中細晶云巖。厚度259～327m。

泥盆系上統歐家沖組（D30）：上部為灰黃色薄層狀生物屑泥灰巖;中下部為含粉砂質泥灰巖夾細粒石英砂巖。厚度16～254.6m。

泥盆系中統棋子橋組（D2q）：淺灰色中厚層狀粒屑灰巖、內碎屑灰巖、竹葉狀灰巖夾云巖及云質灰巖。厚度大于800m。

2.2野外工作方法

本次工作使用的儀器是HPTEM-08高精度瞬變電磁系統，整套系統由天線、儀器主機、電池、電腦組成，電腦和儀器主機通過WIFI技術連接（圖3）。儀器天線重量約25kg，天線直徑約1.2m，厚度約0.3m，發射線圈等效邊長50m，接收線圈等效面積200mz，接收帶寬200kHz。儀器主機發送占空比為50%的雙極性方波，發送電壓12V，發送電流10A，發送頻率范圍為0.1～250Hz，關斷時間0.5us;接收分辨率24位，接收采樣率625kHz，最大時間道為1250（席振銖等，2016）。

本次工作共布置測線4條，均沿工區長軸線方向平行展布，測線長度80～100m，線距10-15m，測點點距為5m。

本次物探找水所要求的勘查深度為100m，經過現場試驗，本次數據采集選用的發射頻率為6.25Hz，疊加次數為1000次，每個測點重復觀測兩次。

2.3結果分析

使用“HPTEM-08”數據處理系統對采集到的數據做預處理，然后進行擬二維反演，得到各測線的電阻率等值線圖（圖4）和多測道曲線圖（圖5）。反演的最大深度為150m，基準電阻率100Ω·m，約束系數1.0，反演系數0.3，反演方法為層狀介質反演法。

根據已知的地質資料，工作區淺層為第四系覆蓋，在視電阻率反演結果中體現為淺部的低阻區域，視電阻率p≤100Ωm;下部的基巖為灰巖，則在視電阻率反演結果中體現為視電阻率p>150Ω·m的高阻區域（圖4、圖5）。

通過等值反磁通瞬變電磁法的反演結果，可以看到1線和2線上均存在一個明顯的低阻異常區（圖4），異常區的視電阻率約50～150Ω·m，1線的異常區位于水平位置55～90m范圍，2線的異常區位于水平位置35～70m范圍，2個異常區均呈板狀特征，延伸深度約90-100m。結合工作區地質情況和地面調查結果，推測上述2個異常區為一組北西一南東走向的破碎帶（圖6），破碎帶的上部視電阻率約50～100Ω·m，推測上部的富水性較好;破碎帶往南東方向延伸，在3線和4線的邊緣區域形成不完整的低阻異常（圖4）。

2.4驗證情況

綜合物探和水文地質成果，在2線40m位置進行水文鉆探（圖6），鉆孔情況如表1所示：

鉆探結果表明該鉆孔在20～70m孔深范圍內出現多組裂隙發育，基巖較為破碎，并含水，該鉆孔已建井，交付地方待用。

3結論

通過本次物探找水實踐，證明了采用對偶中心耦合裝置消除了收發線圈感應耦合的等值反磁通瞬變電磁法，在強干擾地區可以采集到高質量、高信噪比的數據，抗干擾能力很好;并且可以有效的消除瞬變電磁法的淺部“盲區”，使之用于淺部的物探找水以及相關的物探勘查。該方法施工簡單、快捷，對狹小、復雜的地形均有良好的適應性，是一種在城鎮有限場地條件下物探找水的優良工作手段。但是作為一個新的物探工作手段，該方法的反演電阻率值和真實電阻率存在一定的差異。