浅层等值反磁通瞬变电磁法在铁路浅埋隧道地质勘探中的应用

叶建超

摘要：等值反磁通瞬变电磁法是一种较新的物探方法，它通过将接收线圈置于反磁通平面，消除暂态过程，接收纯净地下二次场。把该方法应用于铁路浅埋隧道的工程地质勘探中，利用断层破碎带和岩溶发育岩体与较完整岩体的电阻率差异，在贵（阳）南（宁）高铁永兴隧道的物探中，查明了断层和岩溶发育位置，充分展示其方法的良好勘探效果。

关键词：等值反磁通；瞬变电磁；纯净二次场；浅层勘探

1 引言

近20年来，可控源音频大地电磁（CSAMT）法和天然场大地电磁（AMT）法已广泛应用于工程地质勘探中，但其两种方法由于大气电离层的干扰或收发射频率不高等问题，探测埋深在0～100m的浅层地质体效果较差，而直流电法和地质雷达法等则难以探测埋深大于30m地质体，因此埋深在30～100m范围的地质体勘探对于物探方法的选择来说一直是困扰业界的一大难题。

常规的瞬变电磁法（TEM）是以不接地回线或接地长导线供以双极性脉冲电流激发地下二次电磁场、通过观测二次磁场从而达到探测地下地质体的一种物探方法。但是，由于发射电流关断时，接收线圈本身产生感应电动势，并叠加在二次场之上，因此造成早期信号失真，形成地下浅部约0～30m的探测盲区。为消除接收线圈的感应电动势，中南大学席振铢教授于2014研发了一种基于等值反磁通原理的瞬变电磁方法——等值反磁通瞬变电磁法[1]，即采用上下平行共轴的两个相同、但电流方向相反的发射线圈，通以反向电流作为发射源，且在该双线圈源合成的一次场零磁通面上，测量对地中心耦合的纯二次场[2]。理论计算和实验论证表明该方法能有效消除接收线圈本身的感应电动势，从而获得地下纯净二次场响应，消除了常规瞬变电磁法的对于浅层探测的弊端[3]。

下面首先阐述等值反磁通原理，然后介绍该方法在铁路浅层地质勘探中的实际应用。

2 等值反磁通瞬变电磁法原理

等值反磁通瞬变电磁法原理与常规瞬变电磁法原理类似，原理相同部分不再赘述，不同部分阐述如下[1] [2]：

为实现等值反磁通，其装置如图1所示，反向串联上下平行的共轴线圈TX（+）与TX（-），两线圈电流I相同但等值反向，接收线圈RX至于双线圈源正中间的一次场零磁通平面，且与双线圈源共轴（席振铢等，2014）。

3 应用实例

现以新建贵阳至南宁高速铁路（以下简称贵南高铁）永兴隧道物探为例说明等值反磁通瞬变电磁法在浅埋隧道地质勘探的应用效果。永兴隧道为浅埋隧道，最小埋深45m，最大埋深180m，如本文引言部分所述原因，物探方法的选择非常困难，因此在该隧道的物探中尝试使用反磁通瞬变电磁法，以探测隧道的工程地质条件，特别是查明隧道浅埋段的断层位置和岩溶发育情况，为隧道设计提供基础资料。现分述隧道的地质概况、物探特征、资料采集、资料处理、资料分析和资料解释如下。

3.1 地质概况及物性特征

贵南高铁永兴隧道位于广西省河池市境内，隧址属峰丛洼地地貌，高程为302m～448m，局部陡立，山坡植被发育，上覆第四系全新统坡残积粉质黏土，下伏基岩主要为石炭系中统灰岩，隐伏地质构造和岩溶发育，水文地质条件较复杂。

地质调绘资料显示在隧道小里程端发育有连泉断层，大致在DK277+985位置呈小角度与线路相交，为此需要采用物探查明连泉断层穿越隧道洞身的具体位置和岩溶发育情况。

根据经验统计以及地球物理正演结果，得出工区各类岩体的反演电阻率值（表1）。

由表1可知，工区中的断层破碎带和岩溶发育或富水岩体与较完整岩体之间存在一定的电性差异，因此工区具备开展等值反磁通瞬变电磁法的地球物理勘探前提条件[4]。

3.2资料采集

在永兴隧道地表线路中线位置（DK277+860～DK278+810）布置一条测线，测点点距为10m。使用湖南五维地质科技有限公司研发的HPTEM-08型仪器采集TEM资料，通过测定二次场感应电压参数计算视电阻率。在资料采集中，采用收发一体等值反磁通天线定点测量方式，天线直径为1.2m，发射等效边长为50m×50m，接收等效面积为200m2。考虑到探测深度和工区地下电阻率等因素，选择发送基频25Hz，其中，仪器关断时间长度约40us、每个测点采样点数1250个（即每个测点记录时间长度10ms）、最大發送电流10A、发送电压12V。

3.3 资料处理

使用随HPTEM-08型仪器配置的专用软件对TEM法资料进行处理。主要处理流程为：输入原始记录资料→截去一次场残余时间段资料→剔除随机干扰→编辑二次场感应电压～时间曲线→调入地面高程资料→一维反演和拟二维反演→输出测线反演电阻率断面图[5]。

把测线反演电阻率断面图作为后续资料解释的基本图件和主要依据。

3.4 资料分析与解释

图4为永兴隧道一段测线的反演电阻率断面图。如图4所示，工区的反演电阻率总体以中低阻为背景，纵向上视电阻率从上到下逐步递增，横向上高低阻相间，浅部的低阻带为覆盖土层或全风化岩体的电性反应；在小里程DK277+860～DK278+000段存在上下贯通延伸的条带状低阻异常，其视电阻率值仅为200～400Ω.m，根据反演电阻率断面图中电阻率的背景值、低阻异常的形态以及电阻率梯度值等因素，推测该低阻异常为连泉断层破碎带[6]；其余3个闭合圈低阻异常，推测为岩溶发育或富水岩体。

把物探资料解释结果与地质调绘资料进行对比可知，物探资料所示连泉断层位置与地质调绘资料完全吻合，印证了等值反磁通瞬变电磁法勘探资料的准确性。

4 结论

根据等值反磁通瞬变电磁法原理和及其在贵南高铁永兴隧道的应用效果，得出提下结论：

1、等值反磁通瞬变电磁法的原理创新要点归结为：将接收线圈至置于反磁通平面，有效消除TEM早期过度过程影响，接收的是纯净地下二次场，提高了瞬变电磁法浅层探测资料的可靠度。

2、在贵南高铁永兴隧道所作的等值反磁通瞬变电磁法勘探工作表明，浅部物探信息丰富可靠，存在断层的隧道洞身埋深仅约45m，根据物探资料所判释的断层位置和倾向与地质调绘资料完全吻合。

3、等值反磁通瞬变电磁法的应用较好地解决了埋深为30～100m范围地质体探测的物探方法选择难题；另外，等值反磁通瞬变电磁法是通过测量磁场分量而不是测量电场分量来计算电阻率，因此在基岩裸露、接地条件较差的地段探测岩溶和煤窑采空区，该方法比AMT或CSAMT等方法更独具优势[7]。

综上，等值反磁通瞬变电磁法在今后浅埋隧道的物探工作中将有着非常广阔的应用前景。

参考文献

席振铢，龙霞，周胜等. 基于等值反磁通原理的浅层瞬变电磁法. 地球物理学报[J]，2016，59（9）：3428-3435，

[2] 席振铢，宋刚，周胜等.. 一种瞬变电磁测量装置及方法[P]. 2014，中国专利，201410092714.X. [3] 薛国强，李貅，底青云.. 瞬变电磁法理论与应用研究进展[J]，2007，22（4）：1195-1200.

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

[5] 雷旭友，李正文，折京平. 2009.超高密度电阻率法在土洞、煤窑采空区和岩溶勘探中应用研究. 地球物理学进展，[J]，24（1）：340-347.

[6] 杨镜明，魏周政，高晓伟. 高密度电阻率法和瞬变电磁法在煤田采空区勘查及注浆检测中的应用. 地球物理学进展，[J]，2014，29（1）：362-369，

（作者单位：中铁二院地勘院物探所）