城镇有限场地条件下的物探找水试验

周磊 曹创华 邓专 谭佳良 龙霞

摘要：为在城区强干扰环境、有限场地条件下进行物探方法找水，特利用等值反磁通瞬变电磁法，在湖南郴州市某城镇进行了野外试验。在地表调查和周边人文环境基础上，常规电测深等找水有效手段在城镇区域难以施工，面对这个难题利用等值反磁通瞬变电磁法进行试验，其利用对偶中心耦合装置消除了收发线圈感应耦合来消除干扰。首先根据地质信息设计了近似南北向的4条剖面，然后进行了发射频率试验并进行单点连续探测，最后利用探测结果绘制了多测道曲线和二维模拟断面等值线图并设计了钻孔。钻探验证结果表明：等值反磁通瞬变电磁法在强干扰、场地受限的城镇区域找水效果较好，是一种值得推广的新方法。

关键词：等值反磁通瞬变电磁法;城市地质;强干扰环境，物探方法找水

中图分类号：P631.3 文献标识码：A 文章编号：1007-1903（2019）01-0097-06

0前言

水资源是城市居民、厂矿企业和各单位的必不可少资源，城市水源地的调查和评价是地质调查工作者面临的主要工作之一。随着人们对淡水的需求量不断增加，我们需要不断更新科学技术手段，利用各种现代的水文地质勘探手段来寻找地下水资源，从而减少缺水地区的供水问题。

地球物理方法是城市水源地探寻的主要手段，找水成果较多，如龙慧等（2018）在西宁盆地利用EH4等方法成功的找到了构造裂隙水，曹创华等（2018）在湘潭锰矿利用高密度电法和充电法成功探测到了地下岩溶水通道。而在城市地质强干扰环境、有限场地条件下找水鲜见成果。

近年来，根据湖南省人民政府和湖南省自然资源厅的统一部署安排下，湖南省地质调查院承担了很大一部分的城市有限场地区域的找水工作。城镇区域的物探工作容易受到场地有限、游散电流干扰、电磁干扰等因素影响，常规电法（如视电阻率联合剖面法、高密度电阻率法）均对工作场地提出了一定的要求，在有限场地条件下无法进行电极跑极等工作，而且方法本身的抗干扰能力也比较有限。经过多次试验和现场调研，本次工作拟选用等值反磁通瞬变电磁法（Opposing Coils TransientEleetromagneties Method，簡称OCTEM）用于本次城镇区域强干扰环境条件下的物探找水试验，所用的仪器是由中南大学和湖南五维地质科技有限公司研制生产的HPTEM-08高精度瞬变电磁系统。

自从OCTEM发明以来，2018年高远在城镇地质灾害调查中成功的圈定了煤矿塌陷区异常带，赵思为等（2017）在铁路勘查方面探测效果明显;但针对南方城镇区找水鲜有报道，本文将从这方面展开阐述。

1基本原理

瞬变电磁法（Tmnsient electromagnetic methods，TEM）又称时间域电磁法（Time domain electromagneticmethods，TDEM），是一种利用不接地回线向地下发射一次脉冲电磁场，并观测地下涡流场的方法（静恩杰等，1995;李貅，2002;牛之琏，2007）。目前的瞬变电磁法普遍采用的是由一个发射线圈和一个接收线圈组成的测量系统，由于发射线圈在发射电磁场的过程中，会使接收线圈本身产生感应电动势，而这个感应电动势会和地下涡流场产生的感应电动势叠加，从而造成瞬变电磁法的早期信号失真，形成瞬变电磁法的浅层勘查盲区（薛国强，2004）。

OCTEM使用等值反磁通技术对发射天线进行了改进（图1），消除了收发线圈之间的感应耦合。相比于传统的瞬变电磁法，OCTEM具有抗干扰能力强、仪器轻便、没有浅层勘探盲区、勘探深度大、分辨率高等优点。

OCTEM根据等值反磁通原理，采用双线圈源建立一次场零磁通接收平面，测量时，接收线圈处于一次场零磁通平面上，当发送电流关断时，接收面的一次场磁通为零，接收线圈自身不会产生电磁振荡，消除一次场对接收线圈的影响，以观测到地下纯二次场响应，从而提高瞬变电磁探测准确度，缩小浅层盲区。OCTEM双线圈源发射虽然比单线圈源发射时能量相对减弱，但是一次场能量70%集中在近地表，增强了涡流聚集，降低了体积效应和“烟圈”扩散角度，有效的提高了纵向和横向分辨率。OCTEM采用微线圈发射和接收，便于收发天线一体制作，既利于狭小工区野外施工，保障了每个测点激发场的一致性，避免了外业布线误差以及记录点位置原因引起的二次场测量误差（席振铢等，2016）。

由于涡流场在大地中主要以扩散形式传播，感应涡流的扩散速度及其极大值的衰减幅度与大地电导率成反比关系。根据地表接收到的涡流场信号随时间的衰减规律获得地下电导率信息，涡流场的扩散深度为

式中：σ为大地电导率，t为衰减时间，uo为真空磁导率。因此，OCTEM的最大探勘深度与发送磁矩、大地电导率及最小可分辨电压有关。通过理论计算和相关实验，当发射线框为50×50m，最小可分辨电压为0.5V/m2，发射电流为10A，大地电阻率为200Ω·m时，勘探深度可达218.9m（薛国强等，2004;席振铢等，2016;王银等，2017）。

2工程实例

2.1工程概况

工作区位于郴州市嘉禾县，南北向长约115m，东西向宽约70m，工作区北边和西边均为宽50m的沥青公路（图2）。

工作区表层第四系覆盖，基岩为一套石炭系下统石磴子组（C，s）的中厚层状粉晶粒屑灰岩、生物屑泥粉晶灰岩;区内可能存在一条近东西走向的隐伏构造。

调查区及周边主要地层有：

第四系（Q）：灰黄、黄、红黄、黄红色，为红粘土，常含铁锰质结核，含砂及风化灰岩碎块，分布广泛，评估区从南到北的大部分低矮平缓丘陵、地势低洼的冲沟均有分布。一般厚1～5m，最厚可达10m以上。

石炭系下统石磴子组（C1S）：上段为深灰色中厚层状粉晶粒屑灰岩、生物屑泥粉晶灰岩，含燧石团块;下段为灰色厚层状粒屑灰岩，含生物屑泥晶灰岩及细晶云岩，含燧石团块结核。总厚360.1m。

石炭系下统天鹅坪组（CI/）：灰色薄层状泥灰岩、钙质页岩，含陆屑泥质灰岩。厚度9.1～20.3m。

泥盆系上统孟公坳组（D3m）：灰色厚层状泥粉晶灰岩、生物屑灰岩、云质灰岩夹中细晶云岩。厚度259～327m。

泥盆系上统欧家冲组（D30）：上部为灰黄色薄层状生物屑泥灰岩;中下部为含粉砂质泥灰岩夹细粒石英砂岩。厚度16～254.6m。

泥盆系中统棋子桥组（D2q）：浅灰色中厚层状粒屑灰岩、内碎屑灰岩、竹叶状灰岩夹云岩及云质灰岩。厚度大于800m。

2.2野外工作方法

本次工作使用的仪器是HPTEM-08高精度瞬变电磁系统，整套系统由天线、仪器主机、电池、电脑组成，电脑和仪器主机通过WIFI技术连接（图3）。仪器天线重量约25kg，天线直径约1.2m，厚度约0.3m，发射线圈等效边长50m，接收线圈等效面积200mz，接收带宽200kHz。仪器主机发送占空比为50%的双极性方波，发送电压12V，发送电流10A，发送频率范围为0.1～250Hz，关断时间0.5us;接收分辨率24位，接收采样率625kHz，最大时间道为1250（席振铢等，2016）。

本次工作共布置测线4条，均沿工区长轴线方向平行展布，测线长度80～100m，线距10-15m，测点点距为5m。

本次物探找水所要求的勘查深度为100m，经过现场试验，本次数据采集选用的发射频率为6.25Hz，叠加次数为1000次，每个测点重复观测两次。

2.3结果分析

使用“HPTEM-08”数据处理系统对采集到的数据做预处理，然后进行拟二维反演，得到各测线的电阻率等值线图（图4）和多测道曲线图（图5）。反演的最大深度为150m，基准电阻率100Ω·m，约束系数1.0，反演系数0.3，反演方法为层状介质反演法。

根据已知的地质资料，工作区浅层为第四系覆盖，在视电阻率反演结果中体现为浅部的低阻区域，视电阻率p≤100Ωm;下部的基岩为灰岩，则在视电阻率反演结果中体现为视电阻率p>150Ω·m的高阻区域（图4、图5）。

通过等值反磁通瞬变电磁法的反演结果，可以看到1线和2线上均存在一个明显的低阻异常区（图4），异常区的视电阻率约50～150Ω·m，1线的异常区位于水平位置55～90m范围，2线的异常区位于水平位置35～70m范围，2个异常区均呈板状特征，延伸深度约90-100m。结合工作区地质情况和地面调查结果，推测上述2个异常區为一组北西一南东走向的破碎带（图6），破碎带的上部视电阻率约50～100Ω·m，推测上部的富水性较好;破碎带往南东方向延伸，在3线和4线的边缘区域形成不完整的低阻异常（图4）。

2.4验证情况

综合物探和水文地质成果，在2线40m位置进行水文钻探（图6），钻孔情况如表1所示：

钻探结果表明该钻孔在20～70m孔深范围内出现多组裂隙发育，基岩较为破碎，并含水，该钻孔已建井，交付地方待用。

3结论

通过本次物探找水实践，证明了采用对偶中心耦合装置消除了收发线圈感应耦合的等值反磁通瞬变电磁法，在强干扰地区可以采集到高质量、高信噪比的数据，抗干扰能力很好;并且可以有效的消除瞬变电磁法的浅部“盲区”，使之用于浅部的物探找水以及相关的物探勘查。该方法施工简单、快捷，对狭小、复杂的地形均有良好的适应性，是一种在城镇有限场地条件下物探找水的优良工作手段。但是作为一个新的物探工作手段，该方法的反演电阻率值和真实电阻率存在一定的差异。