基于等值反磁通瞬變電磁法的城鎮巖溶探測研究

劉恒達

(湖南省有色地質勘查研究院，湖南 長沙 410007)

0 引言

地面塌陷是指地表巖、土體在自然或人為因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑(洞)，伴生地面沉降(引發房屋開裂)和地面開裂的一種地質現象。當這種現象發生在有人類活動的地區時，便可能成為一種地質災害。2020年9月，湖南省某地突發地面塌陷，形成3處塌陷坑，多處房屋出現不同程度的開裂變形，威脅道路和71戶300多人的生命財產安全。經過現場調查，工作區主要為灰巖地層，巖溶較為發育，根據塌陷的誘發因素分析，該塌陷為人為誘發塌陷，即工作區及周邊存在過度開采地下水的現象，當地下水位急劇下降，導致巖溶頂板破裂，覆蓋型可溶巖(碳酸鹽巖)的巖溶洞隙直接帶走上部土粒形成土洞使地面產生陷落。其形態類型屬于巖溶地面塌陷。為了了解地下巖溶的分布情況，以便針對性的開展地面塌陷治理工作，需要在工作區開展物探工作。

工作區房屋密集，房屋周邊多有水泥坪和水泥路分布，多條民用電線穿梭于工作區上方。若開展電法工作，如高密度電法，則不利于測線及電極的布置，若開展常規電磁法，則無法避開工作區民用電線等電磁干擾。經過研究，決定采用等值反磁通瞬變電磁法(Opposing Coils Transient Electromagnetics Method，簡稱OCTEM)[1-5]作為本次巖溶探測的物探工作方法。本次等值反磁通瞬變電磁法采用定點測量的方式，不需布設導線，相對常規瞬變電磁法[7-15]，等值反磁通瞬變電磁法(OCTEM)無淺層勘探“盲區”，具較強的抗干擾能力[1]，比較適合在這種城鎮密集區開展工作。

1 等值反磁通瞬變電磁法原理

等值反磁通瞬變電磁法[1-6](OCTEM)由中南大學席振銖教授提出，它是將接收線圈置于一個零磁通面上進行數據采集，可避免一次場干擾早期二次場的采集，實現基本消除瞬變電磁法的淺層盲區、提高淺層探測能力的目的。

具體方案：根據相同兩組線圈通以反向電流時產生等值反向磁通的電磁場時空分布規律，采用上下平行共軸的兩組相同線圈為發射源，且在該雙線圈源合成的一次場零磁通平面上，測量對地中心耦合的純二次場(圖1)。雙線圈在地面發射瞬態脈沖電磁場信號，其中一組線圈置于近地表面，在瞬態脈沖斷電瞬間，近地表疊加磁場最大，因此，在相同的變化時間下，感應渦流的極大值面集中在近地表，感應渦流產生的磁場最強，隨著關斷間歇的延時，地表感應渦流逐漸衰減又產生新的渦流極大值面，并逐漸向遠離發射線圈的深部、邊部方向擴散，即為M.N.Nabighian[3]形象描述的瞬變電磁法的“煙圈效應”(圖2)。渦流極大值面的擴散速度和感應渦流場值的衰減速度與大地電性參數有關，一般在非磁性大地中，主要與電導率有關：大地電導率越大，擴散速度越小，衰減得越慢。根據地表接收到的渦流場信號隨時間的衰減規律即可獲得地下電導率信息。

圖2 瞬態渦流極大值擴散示意圖Fig.2 Schematic diagram of transient eddy current maximum diffusion

根據Jackson(1998)[6]推導的半徑為R，通入電流為I的單線圈在自由空間球坐標系下以原點O為中心的磁場表達式，通過坐標變換可得柱坐標系下該單線圈電流環產生的磁場各分量的表達式為

(1)

(2)

根據以上公式和矢量疊加原理計算OCTEM雙線圈源的一次磁場，可知雙線圈源的中間平面磁力線是水平的，為一次場零磁通面，此平面接收信號不受一次場關斷影響，將接收到地下純二次場響應。

2 工程應用

2.1 工程地質條件

據相關地質資料及野外工程地質調查，調查區房屋密布，有省道及水泥路穿過，地形條件較為復雜(圖3)；區內構造不發育，未發現活動性斷裂構造跡象，地形平坦開闊，地形坡度一般小于5°。

圖3 工作區地質及地物情況Fig.3 Geology and ground feature of the work area

通過現場調查及資料分析，區內地層由上至下依次為第四系沖洪積(Qalp)粉質黏土、砂卵石層、二疊系龍潭組(P2l)灰巖。① 粉質黏土：灰褐色、黃色，可塑—硬塑，成分以黏粉粒為主，部分含少量礫石，韌性中等、干強度高，搖振無反應，刀切面稍光滑。② 砂卵石層：黃色、黃褐色，稍密—中密，飽和，卵石含量約占總含量的50%以上，成分為砂巖，磨圓度較好，呈圓狀—次圓狀，分選性一般，其粒徑為20～80 mm，黏土和中細砂充填。③ 中風化石灰巖：灰色，隱晶質結構，中—厚層狀構造，局部巖體方解石脈呈網、條狀分布，節理裂隙發育，巖溶發育，巖石較完整，多呈短柱狀、柱狀，巖石質量等級為較硬巖Ⅲ級。

根據臨近地區物性資料，工作區地層的視電阻率特征如下：① 第四系沖洪積層(Qalp)：主要成分為粉質黏土和砂卵石，由于含水性好，常表現為淺部層狀低視電阻率特征。② 二疊系龍潭組(P2l)灰巖：完整的灰巖常表現為大范圍的面狀高視電阻率特征。③ 巖溶發育區：工作區巖溶極為發育，當灰巖被溶蝕，常形成溶洞，溶洞因充填水和泥砂，常表現為小范圍的低視電阻率或視電阻率曲線下沉特征。④ 等值反磁通瞬變電磁法勘查的基本原理是利用了不同巖性之間的電阻率差異。工作區各地層巖性之間電阻率差異明顯，具備地球物理勘探的物性基礎。

2.2 工作布置及數據采集

本次瞬變電磁法采用湖南五維地質科技術有限責任公司的“HPTEM-18高精度瞬變電磁系統”開展探測工作，均以東南角為零樁號起點，共布設2條瞬變電磁法剖面(圖3)，分別為L1剖面380 m、L2剖面330 m，各測線點距5 m。采用HPTEM-18高精度瞬變電磁儀數據采集時，關鍵是測量模式、發射頻率和疊加次數的選擇。

1)測量模式。HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統設計了定點測量和動態測量方式。一般場地情況下，建議定點測量，但是在城市道路、機場跑道以及高速公路路基基地檢測等檢測場地，建議動態測量與定點測量相結合的工作方式提高效率和探測精度。本次野外工作采用定點測量方式。

2)頻率選擇。HPTEM-18高精度瞬變電磁儀的發送頻率在0～10 kHz之間，可以按照0.1 Hz步進進行增大或減小調節，但在野外實際工作中，通常可選擇25 Hz、6.25 Hz和2.5 Hz這三個頻率。HPTEM-18高精度瞬變電磁儀的勘探深度和發送頻率有關，勘探深度越深，所要求的發送頻率越小，反之，則發送頻率越大。本次工作需要有效勘探深度為60 m，根據試驗工作，選擇25 Hz為發射頻率。

3)疊加次數。疊加次數的選擇則主要與當地的噪聲水平有關，理論上疊加次數越大，采集到的衰減曲線信號信噪比越高，在實際工作中，根據實測信號質量，兼顧工作效率，疊加次數為400～500次，并重復觀測兩次為佳。本次工作設置疊加次數為400次，重復觀測為2次。

數據采集時，逐個測點進行測量，儀器天線盒水平放置于測點上，以便保證數據的有效性；測量時，主機、電腦和工作人員遠離天線盒，減少人為干擾。

2.3 瞬變電磁數據處理

瞬變電磁法數據處理是本次工作的關鍵步驟之一，數據處理流程見圖4，主要步驟包含數據預處理、定性分析、定量解釋和綜合解釋。

圖4 數據處理流程圖Fig.4 Data processing flow chart

1)數據預處理。對原始數據進行數據預處理，包括踢飛點去噪等數據編輯、導入地形數據和平滑濾波。

2)定性分析。對原始數據曲線的定性分析，包括參數分析、曲線類型分析、視電阻率分析。

3)定量解釋。定量解釋包括一維反演和瞬態弛豫二維剖面反演。定量分析采用的軟件為HPTEM-18瞬變電磁系統數據處理軟件，這是一款專用數據處理軟件，它具有對單點數據進行一維反演的功能，同時具有將多點數據進行瞬態弛豫二維剖面反演的功能。一維反演采用了全區自動正演模型生成反演擬合的方式，不需人工參與，擬合效果較好，擬合度均在95%以上。瞬態弛豫二維剖面反演法根據等值反磁通理論進行公式推導，一種適用于等值反磁通測量的反演方法，對巖溶和采空等反應靈敏的反演方法，該反演方法得到的結果是“相對電阻率”，與真電阻率和視電阻率均存在一定的差異，但可以通過“相對電阻率”對異常進行判別。

4)綜合解釋。綜合定量解釋和已有地質資料，形成電學地質斷面圖，用于成果推斷解譯。

2.4 成果分析與鉆孔驗證

2.4.1 反演成果分析

用HPTEM-18瞬變電磁系統數據處理軟件對采集數據進行反演，求出電阻率和深度，得到各剖面電阻率等值線斷面圖(圖5)。

圖5 工作區瞬變電磁反演相對電阻率等值線圖Fig.5 The contour map of OCTEM inversion relative resistivity in the work area

通過對各瞬變電磁探測剖面反演成果進行分析，本次瞬變電磁法探測在淺層并未形成明顯的淺層盲區，反演成果清晰地反映出了不同位置、不同深度地層電阻率的變化情況。根據工區地質情況及反演成果，將300 Ω·m界定為土石界面，根據測區地球物理特征可知，該區地層為簡單的二層結構：

1)表層第四系覆蓋層電阻率較低，橫向上電阻率連續性較好，覆蓋層與基巖電阻率差異明顯、界限分明，覆蓋層厚度10～12 m；

2)下伏基巖表現為電阻率持續增大的高阻層，在圖5中，橫向上存在不同寬度和深度的200～400 Ω·m“低電阻率異常區”或“電阻率曲線下沉異常區”共計14處。其中L1剖面Y1-2、Y1-3、Y1-4區、L2剖面Y2-8區為“電阻率曲線下沉異常區”，其他異常區為“低電阻率異常區”。

各異常區為巖溶或溶蝕裂隙發育使巖層的完整性、連續性遭到了破壞的表現：L1剖面Y1-1、Y1-2、Y1-3區、L2剖面Y2-5區電阻率異常范圍較小，且剛好位于土石界面以下，推斷異常區為風化引起巖石的溶蝕裂隙發育所致；其他異常區范圍相對較大，推斷異常為巖溶發育所致。

2.4.2 鉆孔驗證

為了驗證本次瞬變電磁法探測成果的準確性，在瞬變電磁測線上共布置了4個驗證鉆孔(圖5)。鉆探驗證結果與瞬變電磁法探測成果對比見表1。從鉆探結果來看，在ZK01、ZK02、ZK03、ZK04中均發現了不同程度的巖溶發育，表明鉆探驗證結果與瞬變電磁法探測成果高度吻合。

表1 鉆探結果與物探成果對比Table 1 Comparison between drilling results and geophysical results

3 結論

本文通過在湖南某已知地面塌陷區開展等值反磁通瞬變電磁法工作，通過瞬態弛豫反演法反演得到的電阻率斷面完整體現了不同深度地層的電阻率信息，各地層結構特征明顯，“低電阻率”或“電阻率曲線下沉”異常區反映了下伏基巖中巖溶及溶蝕裂隙發育區的位置，鉆探驗證結果與推斷成果高度吻合，表明等值反磁通瞬變電磁法實現了淺部的巖溶探測，探測成果準確。同時表明該方法適合在房屋密布、接地條件不好、電磁波干擾大的村莊、城鎮等地方開展工作，較好地解決了實際工程問題。