物探组合方法在寻找地下岩溶破碎带中的应用

张晓岩+柳夏+高峰+孙加满

摘 要：介绍了瞬变电磁法和可控源音频大地电磁法的工作原理、特点及工作方法。两种方法对低阻充水断层、充泥充水溶洞等相对低阻目标物敏感，岩溶含水岩组及断层破碎带的电阻率与其完整的围岩有明显的电性差异。所以主要用于探测含水层、溶洞、陷落柱、含水断层等地质构造情况。选用适当的装置可将两种方法应用于岩溶裂隙发育情况的探测。两种方法的结合应用，可以很好地解决工程地质问题。

关键词：瞬变电磁法 可控源音频大地电磁法 原理 视电阻率 岩溶裂隙

中图分类号：P641 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（a）-0090-02

在山区工程项目施工中，常会遇到冲水断层、充泥充水溶洞、岩溶破碎带等不良地质体。可能造成突水突泥、塌方等突发事件，严重影响施工，甚至造成重大的安全事故，开展这方面的前期预防工作尤为重要。由于地质问题的复杂性，仅仅应用地质学方法预报的准确度往往很低，要提高准确率，必须结合物探等方法。物探单一方法往往不能独立解释异常，需要多方法互补解释。

瞬变电磁法（TEM）作为一种重要的电磁勘探方法[1]，以其独特的优点（经济、无损、精度高、信息丰富等）广泛应用于资源勘探与工程勘察中。瞬变电磁法有对溶洞、岩溶裂隙等不良地质体反映灵敏的特点，而且接收探头中接收到的由激发涡流感应出的二次场，不论目标体产状如何，均能收到有用信号，并对目标体进行成像[2-3]。

可控源音频大地电磁法（CSAMT）是电磁法的一种，主要特点是用人工场源作频率测深，具有工作效率高、勘探深度范围大、垂向及水平分辨率高、地形影响小、易于校正、高阻的屏蔽作用小等优点，广泛应用于油气勘察、地热资源调查、工业矿产调查、地下水勘探、环境工程勘察、地质填图、矿藏监测系统等领域。

1 方法原理

1.1 TEM工作原理

TEM是利用不接地回线或接地电偶源向地下发送一次场，在一次场的间歇期间利用回线或电偶极观测二次涡流场的方法。基本工作方法是：于地面或井下设置一定波形电流的发射线圈，在其周围空间产生一次磁场，地下导电岩矿体中产生感应电流。断电后，感应电流随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征[5-6]。该方法是在一次场断电的瞬间观测纯二次场，消除了由一次场产生的装置耦合噪声，具有体积效应小、横向分辨率高、对低阻反映灵敏、与探测地质体有最佳耦合、受旁侧地质体影响小的特点。

1.2 CSAMT工作原理

CSAMT的原理是根据不同频率的电磁波在地下传播，具有不同的趋肤深度，通过对不同频率电磁场强度的测量，可以得到该频率所对应深度的地电参数，从而达到探测的目的[7]。由电磁波的趋肤效应理论，导出趋肤深度公式：

式中：ρ为地层电阻率；f为电磁波频率。

可见介质的电阻率越高，工作频率越低，探测深越大现场进行观测时，向大地自动定时发射不同频率的电磁信号，在距离发射场源大于500 m的地面上，根据需要和地形情况布置若干条测线，测线走向平行于发射场源Tx的两个电极A和B的连线。将一组电极等间距布置在某条测线上，再将一只磁场接收磁棒埋设在地下。将电极和磁棒同时接到接收机上。当接收机接收到同步信号后，同时采集各电极的电位信号Ex和磁场强度Hy信号[7]。地层电阻率ρs与电场分量和磁场分量的关系式如下：

单位为。为频率，单位为。

其阻抗相位为：

其中表示电场相位，表示磁场相位。

测量完成后，通过数据分析和处理，计算卡尼亚电阻率和阻抗相位，而后用绘图软件完成各剖面的电阻率绘制，从而达到探测不同埋深地质目标体的目的

1.3 仪器选择

1.3.1 PROTEM瞬变电磁勘探系统

该系统由加拿大Geonics公司生产，包括：PROTEM47、PROTEM47HP、PROTEM57-MK2、PROTEM67、加强型PROTEM67；本次勘探使用PROTEM47系统，采用10m×10m单匝回线发射，有效面积31.4 m2圆形探头进行采集，其性能参数为：

1.3.2 V8多功能电法工作站

V8多功能电法工作站，是目前世界上技术先进、功能齐全的电法类勘探仪器。该设备由发射系统、采集（接收）系统、定位系统、数据记录处理系统组成。V8多功能电法工作站含有多个测量功能模块，具备时间域的常规电剖面、电测深、高密度电法、瞬变电磁测量功能；具备频率域的MT（大地电磁法）、AMT（音频大地电磁法）、CSAMT（可控源音频大地电磁法）、SIP（频谱激电）电法勘探测量功能。数据处理方面具备功能齐全的正反演解释软件。

本次可控源音频大地电磁法勘探使用V8多功能电法工作站，由发射系统与电磁信号接收系统组成；发射系统主要有发射机、发电机等，接收系统为主机、磁棒、不极化电极等。确定工作参数为：频段为7680～1 Hz，收发距8 km。

2 应用实例分析

2.1 区域地质背景

勘探区大地构造位置隶属重庆秀山凸起褶皱带内。秀山凸起褶皱带包括酉阳向斜、鸡公岭背斜、平阳盖向斜、秀山背斜等一系列北北东至北东向展布的内部构造以及大致同向的马家厂、岑龙正断层和百福司、涌洞逆断层等。秀山背斜全长约100 km，呈NE20°方向展布，背斜转折端宽缓平滑，两翼东陡西缓，轴部50～100 m范围内岩层产状近于水平，次级褶皱不甚发育，枢纽向北北东倾伏。背斜中部出露震旦系及以下地层，两翼出露寒武系、奥陶系地层，背斜轴部为岑龙正断层及三阳枢纽断层切割破坏。endprint

2.2 地球物理特征

不同岩层具有不同的导电性，一般泥岩、粉砂岩、中粗砂岩其电阻率值依次增高。如果地层中遇有岩溶裂隙充水、或断层破碎带含水水时，由于水体良好的导电性，使该区域与围岩产生明显的电性差异，在电性上表现为相对低阻异常，这就是用电磁法进行水文地质探测的地球物理前提。

2.3 资料分析解释

TEM资料解释主要依据反演后的视电阻率断面图，分析同一地层的相对低阻异常，判断浅部岩溶裂隙发育情况。

图1为S2线视电阻率断面图，点号1000～1400点。图中横坐标为测点号，纵坐标为坐标高程。图中红色～黄色～青色～蓝色的过渡表示视电阻率值由高～低的变化。该测线基本反映了地层的浅部信息。结合已知二维地震和地表出露情况，该区地层相对平缓，倾角较小。从断面图上看，浅部地电信息与地形比较吻合，该断面小号点位置电阻率值相对较低，1000～1050点处，在1275点位置浅部电阻率值不连续，为一低阻异常。

CSAMT勘探数据处理步骤包括：数据整理、格式转换输出、解析与反演，经上述各项数据处理后，最终选用经过评价的数据，采用MtSoft2D软件进行反演，初始模型为平滑模型，其余参数根据实际情况选取。

图2为L9线反演电阻率与反射系数断面。图通过CSAMT断面与已知二维地震资料对比，分析地层界面和岩溶构造发育情况。通过已知二维地震资料，大致划分地层，结合CSAMT剖面图分析岩溶裂隙发育情况。在反射系数图上较明显的能看出地层倾向，地层倾角较缓，与已知地震资料反映一致，从反演视电阻率图上看，L9线在1450号点+520 m标高为一封闭低阻异常，850和1450点也有低阻异常反映。

由于TEM与CSAMT测线交叉，TEM -S2线1025号点与CSAMT-L9线1450号点为交叉点，且同一点在TEM与CSAMT视电阻率断面图上同深度附近都有异常反映，地表无任何干扰，因此推测此处岩溶裂隙发育。

3 结语

上述实例证明了采用TEM与CSAMT交叉探测解释的方法能较为有效的反映出岩溶裂隙的发育情况。采用灵敏度高的小线框（10 m×10 m）中心回线装置进行TEM探测，查明了浅部地电信息，能较灵敏的反映浅部不均匀地质体的变化和浅部岩溶裂隙发育情况，采用CSAMT探测勘探区深部岩溶裂隙发育情况，反演电阻率断面图反映地层电性信息，反射系数断面图反映地层变化信息，分辨率较高。由于基岩地区含水层呈相对低阻反映，因此，与其它物探方法相比，上述两者方法结合应用进行地下水岩溶裂隙勘查具有明显的优势，基于电性差异来划分不同岩性地层、构造破碎带等异常地质体，具备地球物理勘察的电性依据。另外，应注意区域地层、岩性和构造特征的研究。这样，该组合方法对于规避施工风险和预防施工中可能出现的地质灾害，具有重要意义。

参考文献

[1] 李貅.瞬变电磁测深的理论与应用[M].西安：陕西科学技术出版社，2002.

[2] 严良俊，徐世浙，胡文宝.中心回线瞬变电磁测深法快速电阻率成像方法及应用[J].煤田地质与勘探，2002，30（6）：58-61.

[3] 严良俊，陈清礼，胡文宝，等.灰岩溶洞发育区浅层瞬变电磁法找水效果[J].工程地球物理学报，2004，1（1）：83-90.

[4] 汤井田，何继善.可控源音频大地电磁法[M].长沙：中南工业大学出版社，1990.

[5] 方文藻.瞬变电磁测深法原理[M].西安：西北工业大学出版社，1993.

[6] 蒋帮远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京：地质出版社，1998.

[7] 穆海杰，王红兵.CSAMT法在南水北调中线采空区探测中的应用[J].工程地球物理学报，2008，5（3）：321-325.endprint

2.2 地球物理特征

不同岩层具有不同的导电性，一般泥岩、粉砂岩、中粗砂岩其电阻率值依次增高。如果地层中遇有岩溶裂隙充水、或断层破碎带含水水时，由于水体良好的导电性，使该区域与围岩产生明显的电性差异，在电性上表现为相对低阻异常，这就是用电磁法进行水文地质探测的地球物理前提。

2.3 资料分析解释

TEM资料解释主要依据反演后的视电阻率断面图，分析同一地层的相对低阻异常，判断浅部岩溶裂隙发育情况。

图1为S2线视电阻率断面图，点号1000～1400点。图中横坐标为测点号，纵坐标为坐标高程。图中红色～黄色～青色～蓝色的过渡表示视电阻率值由高～低的变化。该测线基本反映了地层的浅部信息。结合已知二维地震和地表出露情况，该区地层相对平缓，倾角较小。从断面图上看，浅部地电信息与地形比较吻合，该断面小号点位置电阻率值相对较低，1000～1050点处，在1275点位置浅部电阻率值不连续，为一低阻异常。

CSAMT勘探数据处理步骤包括：数据整理、格式转换输出、解析与反演，经上述各项数据处理后，最终选用经过评价的数据，采用MtSoft2D软件进行反演，初始模型为平滑模型，其余参数根据实际情况选取。

图2为L9线反演电阻率与反射系数断面。图通过CSAMT断面与已知二维地震资料对比，分析地层界面和岩溶构造发育情况。通过已知二维地震资料，大致划分地层，结合CSAMT剖面图分析岩溶裂隙发育情况。在反射系数图上较明显的能看出地层倾向，地层倾角较缓，与已知地震资料反映一致，从反演视电阻率图上看，L9线在1450号点+520 m标高为一封闭低阻异常，850和1450点也有低阻异常反映。

由于TEM与CSAMT测线交叉，TEM -S2线1025号点与CSAMT-L9线1450号点为交叉点，且同一点在TEM与CSAMT视电阻率断面图上同深度附近都有异常反映，地表无任何干扰，因此推测此处岩溶裂隙发育。

3 结语

上述实例证明了采用TEM与CSAMT交叉探测解释的方法能较为有效的反映出岩溶裂隙的发育情况。采用灵敏度高的小线框（10 m×10 m）中心回线装置进行TEM探测，查明了浅部地电信息，能较灵敏的反映浅部不均匀地质体的变化和浅部岩溶裂隙发育情况，采用CSAMT探测勘探区深部岩溶裂隙发育情况，反演电阻率断面图反映地层电性信息，反射系数断面图反映地层变化信息，分辨率较高。由于基岩地区含水层呈相对低阻反映，因此，与其它物探方法相比，上述两者方法结合应用进行地下水岩溶裂隙勘查具有明显的优势，基于电性差异来划分不同岩性地层、构造破碎带等异常地质体，具备地球物理勘察的电性依据。另外，应注意区域地层、岩性和构造特征的研究。这样，该组合方法对于规避施工风险和预防施工中可能出现的地质灾害，具有重要意义。

参考文献

[1] 李貅.瞬变电磁测深的理论与应用[M].西安：陕西科学技术出版社，2002.

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[3] 严良俊，陈清礼，胡文宝，等.灰岩溶洞发育区浅层瞬变电磁法找水效果[J].工程地球物理学报，2004，1（1）：83-90.

[4] 汤井田，何继善.可控源音频大地电磁法[M].长沙：中南工业大学出版社，1990.

[5] 方文藻.瞬变电磁测深法原理[M].西安：西北工业大学出版社，1993.

[6] 蒋帮远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京：地质出版社，1998.

[7] 穆海杰，王红兵.CSAMT法在南水北调中线采空区探测中的应用[J].工程地球物理学报，2008，5（3）：321-325.endprint

2.2 地球物理特征

不同岩层具有不同的导电性，一般泥岩、粉砂岩、中粗砂岩其电阻率值依次增高。如果地层中遇有岩溶裂隙充水、或断层破碎带含水水时，由于水体良好的导电性，使该区域与围岩产生明显的电性差异，在电性上表现为相对低阻异常，这就是用电磁法进行水文地质探测的地球物理前提。

2.3 资料分析解释

TEM资料解释主要依据反演后的视电阻率断面图，分析同一地层的相对低阻异常，判断浅部岩溶裂隙发育情况。

图1为S2线视电阻率断面图，点号1000～1400点。图中横坐标为测点号，纵坐标为坐标高程。图中红色～黄色～青色～蓝色的过渡表示视电阻率值由高～低的变化。该测线基本反映了地层的浅部信息。结合已知二维地震和地表出露情况，该区地层相对平缓，倾角较小。从断面图上看，浅部地电信息与地形比较吻合，该断面小号点位置电阻率值相对较低，1000～1050点处，在1275点位置浅部电阻率值不连续，为一低阻异常。

CSAMT勘探数据处理步骤包括：数据整理、格式转换输出、解析与反演，经上述各项数据处理后，最终选用经过评价的数据，采用MtSoft2D软件进行反演，初始模型为平滑模型，其余参数根据实际情况选取。

图2为L9线反演电阻率与反射系数断面。图通过CSAMT断面与已知二维地震资料对比，分析地层界面和岩溶构造发育情况。通过已知二维地震资料，大致划分地层，结合CSAMT剖面图分析岩溶裂隙发育情况。在反射系数图上较明显的能看出地层倾向，地层倾角较缓，与已知地震资料反映一致，从反演视电阻率图上看，L9线在1450号点+520 m标高为一封闭低阻异常，850和1450点也有低阻异常反映。

由于TEM与CSAMT测线交叉，TEM -S2线1025号点与CSAMT-L9线1450号点为交叉点，且同一点在TEM与CSAMT视电阻率断面图上同深度附近都有异常反映，地表无任何干扰，因此推测此处岩溶裂隙发育。

3 结语

上述实例证明了采用TEM与CSAMT交叉探测解释的方法能较为有效的反映出岩溶裂隙的发育情况。采用灵敏度高的小线框（10 m×10 m）中心回线装置进行TEM探测，查明了浅部地电信息，能较灵敏的反映浅部不均匀地质体的变化和浅部岩溶裂隙发育情况，采用CSAMT探测勘探区深部岩溶裂隙发育情况，反演电阻率断面图反映地层电性信息，反射系数断面图反映地层变化信息，分辨率较高。由于基岩地区含水层呈相对低阻反映，因此，与其它物探方法相比，上述两者方法结合应用进行地下水岩溶裂隙勘查具有明显的优势，基于电性差异来划分不同岩性地层、构造破碎带等异常地质体，具备地球物理勘察的电性依据。另外，应注意区域地层、岩性和构造特征的研究。这样，该组合方法对于规避施工风险和预防施工中可能出现的地质灾害，具有重要意义。

参考文献

[1] 李貅.瞬变电磁测深的理论与应用[M].西安：陕西科学技术出版社，2002.

[2] 严良俊，徐世浙，胡文宝.中心回线瞬变电磁测深法快速电阻率成像方法及应用[J].煤田地质与勘探，2002，30（6）：58-61.

[3] 严良俊，陈清礼，胡文宝，等.灰岩溶洞发育区浅层瞬变电磁法找水效果[J].工程地球物理学报，2004，1（1）：83-90.

[4] 汤井田，何继善.可控源音频大地电磁法[M].长沙：中南工业大学出版社，1990.

[5] 方文藻.瞬变电磁测深法原理[M].西安：西北工业大学出版社，1993.

[6] 蒋帮远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京：地质出版社，1998.

[7] 穆海杰，王红兵.CSAMT法在南水北调中线采空区探测中的应用[J].工程地球物理学报，2008，5（3）：321-325.endprint