等值反磁通瞬变电磁法在岩溶塌陷区探测应用

谢 嘉，刘 洋，李兴强，鲁玉龙，李干龙

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201；2.湖南省有色地质勘查局二总队，湖南 湘潭 411102)

湖南浏阳市某镇为典型的岩溶及地面塌陷等地质灾害频发地区，自1974 年该区域矿区开发建设以来，相继发生过不同规模的岩溶地面塌陷。根据各塌陷区岩溶发育的基础地质条件、地下水动力条件，进行岩溶塌陷危险性分区评价，划分岩溶塌陷危险区范围，将岩溶塌陷地质灾害高危险区作为物探重点工作区，以塌陷区为主，分为重点研究区和一般研究区。重点研究区位于岩溶和地面塌陷强烈发育和分布集中、可能危害居民、环境破坏严重的地带，包括集镇、居民居住区、道路两侧等电磁干扰及人为因素干扰严重的区域，对于常规物探方法的开展有着很大的制约。区内地质构造较为复杂，岩溶发育强烈，岩溶、地面塌陷等地质灾害及其引起的房屋开裂等时有发生[1]；一般研究区位于沟谷中间或人烟稀少的地区，岩溶地面塌陷影响极小，故不作为本次研究对象。

目前探测隐蔽岩溶以及地层塌陷主要采取地球物理探测的方法，如：地震勘探，其技术原理是根据地震波在不同物理特性的地层界面构造及介质中传播的运动学和动力学特征差异，勘探地层结构构造及岩体埋深等，利用剖面反映的折射波及反射波特征判定断层、溶洞、塌陷的存在并确定其产状等基本参数，其在此类判定上具有较高的精度[2]。但是地震勘探易受周围人文强干扰的影响，获得高质量的数据需要炸药震源，可能造成周围环境的破坏；地质雷达法是一种浅层地质超前预报方法，它利用电磁波在地层介质中传播时间的长短差别来确定前方地质体的属性和产状[3]，是一种应用电磁波的探测技术，如果前方存在不明地质体或地质界面异常，电磁波将产生反射以及折射，相位、振幅和频率随之变化，该方法具有便于操作、灵活快捷、剖面图分辨率高、去噪简易、数据处理迅速等优点，但其预报距离较短，高频电磁波探测深度只有几米，无法满足对地层深处数十米岩溶埋藏状态及产状的勘探要求[4]；高密度电阻率法是一种阵列式勘探方法[5]，以岩体、土体之间电性差异为前提[6]，野外测量时将电极置于测点上，然后利用电测仪便可实现数据的自动采集和快速处理，并给出关于地层剖面、岩土体分布的各种物理解释，通过测量到的地下介质的电阻率，推断地下的地质结构构造，解决各种工程地质问题的方法，施工快捷，数据量大，分辨率高[7]，但其效果受施工区的接地条件影响较大[8]，研究区周围的民房村巷以及道路极大地影响接地供电以及探测深度。综合考虑其他物探方法的局限，等值反磁通瞬变电磁法(Opposing Coils Transient Electromagnetics Method，OCTEM)相较于其他地球物理探测方法有其特有的优势，如便于移动、在复杂地形施测更加方便等，因此，常常用来探测地层界面及其下发育的不良地质现象或地质体[9]，且抗干扰能力较强、灵敏度、信噪比，纵向分辨率较高[10]，受周围地质环境影响小[11]，工作效率高，在周围岩体电阻率不同产生电性差异时成图效果更优良[12]，信噪比高，仪器轻便，几乎不受场地条件的限制，适合于在房屋密布、接地条件不好、电磁波干扰大的村庄、城镇等地方开展工作，是探测岩溶、采空区、活动断层的有效手段[13-14]。

在综合考虑常规物探方法的基础上，对研究区岩溶地面塌陷等灾害综合分析，提出采用等值反磁通瞬变电磁法与工程地质钻探相结合的方法，通过对物探反演图以及钻孔信息的分析研究，对岩溶发育区充填的溶洞溶槽等进行有效预报预测，为相似的地质灾害防治规划和实施地质灾害预警预报工作提供理论与实际依据。

1 研究区地质概况及地球物理特征

1.1 地质概况

研究区主要为溶蚀侵蚀河谷地貌，由第四系全新统上部粉质黏性土及砂砾石层形成的侵蚀堆积地形，构成研究区内的宽谷、河谷准平原。地层岩性有第四系全新统人工填土，第四系冲洪积含砾粉质黏土，第四系残坡积粉质黏土、碎石土，二叠系下统栖霞组、石炭系中上统壶天群灰岩、泥质灰岩、白云质灰岩。研究区内经历了多次构造运动，造成了较为复杂的构造形象，其中断裂纵横交错，十分发育，褶皱多被破坏或保存不完全，其地质构造的形成、活动既有持续时间较长的区域性大断裂，也有主要生成于燕山期的大量断裂和少量褶皱。区内地下水径流分布广泛，按岩性组合、岩层富水性和地下水的赋存条件，地下水类型分为岩溶水、基岩风化裂隙水和松散岩类孔隙水3 个大类。矿区内主要含水层包括以石炭系中上统壶天群灰岩溶洞含水层、二叠系下统茅口组灰岩含水层等为主的岩溶水含水层，其主要分布于勘查区南部的以变质岩风化裂隙含水层为主的基岩风化裂隙含水层。研究区地质灾害主要为岩溶塌陷地质灾害，危害面积广，威胁人口多，潜在经济损失巨大，且具备岩溶发育的3 个基本条件：具有可溶性岩石即以泥质灰岩为主的碳酸盐岩；具有溶蚀能力的水及具有良好的水循环交替条件。该区域多是覆盖型岩溶，其岩溶洞隙直接带走上部土粒形成土洞使地面产生陷落[14]，引起地面塌陷。在研究区面积14 km2的范围内，目前共发生岩溶塌陷30 余处，如图1 所示。塌陷主要分布于断裂发育、地表水与地下水联系密切的可溶岩发育区域，塌陷灾害个体以塌陷坑为主，次为地面沉降引发房屋开裂及地面开裂和水塘漏水。

图1 研究区岩溶地面塌陷点分布Fig.1 Distribution of karst surface collapse points in the study area

1.2 地球物理特征

研究区浅部覆盖层主要为填土、黏土、粉土等，电阻率普遍偏低，与基岩存在明显差异，且其土样相对比较单一，等值线变化平缓，在易发生岩溶的基岩部分，形成的溶槽溶沟等溶蚀发育区域，其等值线横向出现较大变化，整体表现出曲折崎岖，由此可以清晰分辨出土石及覆盖层界面。通过对比反演电阻率图上的电阻率横向差异，再结合地形地貌及水文地质条件，在实地钻探调查的基础上可以判断溶洞埋深、大小等发育情况。

通过分析比较相应的电阻率以及等值线的变化规律可以确定覆盖层深度及岩溶发育区。根据溶洞大小、填充物与覆盖层之间的关系可以将岩溶异常分为：溶洞–充填泥沙、碎石土等，其中小型溶洞多由溶隙扩展或沿不同岩性界面蚀溶而成，多为孤立状洞穴。在溶隙发育段或断层带附近，由溶隙将其相互沟通并形成中、大型溶洞。研究区溶洞由于充填物以松散杂石为主，加上水的渗透，电性表现为低阻异常区，等值线表现为低阻闭合圈；溶槽、溶沟型岩溶发育区由于地表水沿可溶性岩石的节理裂隙流动而不断的进行溶蚀和侵蚀，在岩石接触面或细小裂隙表面形成凹槽、U 型空洞形态，且通常被泥沙充填，电性表现为低阻特性，等值线呈低阻凹陷；溶蚀发育区主要沿土石界面发育，多呈溶孔状，使得原本平缓的等值线会产生扰动或起伏。

2 研究方法及工作布置

2.1 研究方法

2.1.1 等值反磁通瞬变电磁法原理

常规瞬变电磁法是一种时间域探测方法[15]，采用不接地的回线并向所探测地层发送一次磁场[16]，通过测量线圈采集随时间变化的二次感应电动势[17]，进而达到探测地下地质体的目的。但其有着收发距离和发射回线边长短，线圈匝数多，收发线圈的互感明显的缺陷，为了消除其接收线圈本身产生的感应电动势，使关断前后接收线圈中的一次场磁通量保持不变，席振铢等[18]提出基于等值反磁通原理的瞬变电磁法(Opposing Coils Transient Electromagnetics Method，简称OCTEM)；OCTEM 是一种与传统的瞬变电磁法原理相同的新型瞬变电磁法，即通过采用上下大小相同、平行布置的微线圈，其发射电流相同，方向相反，因此，在上下微线圈的几何中心水平面和无穷远处一次垂直磁场为零，但是其他空间存在一次垂直磁场，断电后，近地表发射线圈的磁场最大；则在相同变化时间的情况下，地下地质体将会激励起感应涡流，并随之产生随时间变化的感应电磁场；在相同变化时间内，感应涡流的极大值面集中在近地表，而感应涡流在地表产生的磁场最强，随着关断间歇的延时，近地表感应的涡流逐渐衰减，产生了新的涡流极大值面，并且逐渐向远离发射线圈的垂直方向扩散，如图2 所示，故可以利用磁感应接收传感器来观测探测地下地质体或岩溶地面塌陷等[19]。近地表地质体产生的感应涡流沿大地介质向远离垂直发射线圈的方向扩散，大地电阻率以及局部存在导体的埋深会影响其扩散速度和涡流的整体衰减幅度，而均匀大地介质的电导率一般情况变化较小，大地电导率越大，扩散速度越小，衰减得越慢，在物探反演图上整体呈现为平缓的等值线，而局部地质体的电导率、规模、埋深、形态等参量的变化是影响电阻率变化的主要因素，在物探反演图上等值线崎岖变化明显，以此来推断地下介质与地层的产状变化[20]。

图2 瞬态涡流极大值面“烟圈”式扩散原理Fig.2 Diagram of ring-type diffusion principle of transient eddy current maximum surface

2.1.2 仪器设备及参数指标

本次瞬变电磁法勘探采用的仪器是HPTEM-08型高精度瞬变电磁系统，可以有效针对抗电磁干扰能力弱的问题，该系统运用等值反磁通技术消除收发线圈之间的感应耦合；利用对偶中心耦合原理提高横向分辨率；采用统一标准的微线圈对偶磁源、高灵敏度磁感应传感器、高速24 位数据采集卡以及高密度测量技术实现了浅层高精度瞬变电磁勘探。其参数及性能指标包括：天线接收等效面积2 000 m2；关断时间0.5 μs，阻性负载；发送电压12 V；电流10 A；发送波形为占空比50 %的双极性方波。

2.2 工作布置

为了探测区域断裂的走向及与研究区岩溶发育情况的关系，根据研究区现有地质调查成果，设计3条近似南北向跨区域断层长物探剖面开展小比例尺探测工作，如图1 所示。为了探测工作区浅层岩溶、土洞的分布、埋深、特征、发育规律以及构造发育情况等，以及探测覆盖层的厚度，结合现有地质调查成果以及小比例尺探测成果，物探将整个研究区划分成A、B、C 区共3 个重点工作区开展大比例尺工作。本次野外工作采用定点测量方式，其中测线主要布设于集镇、居民区，在拐点处采集坐标高程信息，在中间测点坐标高程采用插值处理。内业工作开展时对数据进行统一的2000 国家大地坐标系转换。以A 区为例，测线测点布置情况如图3 所示。

图3 A 区探测测线布置Fig.3 Diagram of probe line in area A

2.3 数据处理

采用HPTEM Data Process 数据处理系统对等值反磁通瞬变电磁法资料进行处理，处理流程如图4所示。具体过程如下：

图4 等值反磁通瞬变电磁法资料处理流程Fig.4 Flow chart of OCTEM data processing

①对野外数据进行剔飞值、去噪等数据编辑；

② 地形校正、平滑滤波等数据预处理；

③通过参数、曲线类型、视电阻率等分析，进行定性分析；

④ 通过正演、模型拟合、拟二维反演等方法，进行定量分析；

⑤ 参考已知地质资料，通过定性与定量分析进行综合解译。

3 数据结果分析解释

3.1 物探反演图分析

3.1.1 A 区

根据测点就近形成测线的原则，A 区共布设13条测线，溶蚀强烈发育区反演解译图如图5 所示。剖面浅部电阻率普遍较低，等值线横向变化不大，推测为覆盖层的电性反映，覆盖层厚度8～17 m，在层厚达到20 m 的局部地段，推测为溶槽、溶沟的影响；覆盖层以下，电阻率等值线横向变化较大，多为低阻凹陷或低阻团块，主要发生在70～90 m 高程段，表明该地区岩溶强烈发育。

图5 A 区等值反磁通瞬变电磁法反演解译和钻探验证Fig.5 Inversion interpretation and drilling verification of OCTEM in area A

3.1.2 B 区

根据测点就近形成测线的原则，B 区布设12 条测线，电阻率变化明显的岩溶发育区反演解译图如图6 所示，剖面浅部电阻率普遍偏低，等值线横向变化不大，推测为覆盖层电性反映，层厚20～30 m，在局部层厚达到45 m 的地段，推测为溶槽溶沟的影响，覆盖层下等值线横向变化较大，多为低阻凹陷或团块，岩溶主要发育在50～80 m 高程段，即该地区岩溶强烈发育。

3.1.3 C 区

根据测点就近形成测线的原则，共布设13 条测线，岩溶强烈发育地区反演解译图如图7 所示，剖面浅部电阻率普遍偏低，等值线横向变化不大，推测为覆盖层电性反映，层厚12～28 m，局部地段达到40 m，不排除是溶槽溶沟的影响，下部等值线横向变化较大，多为低阻凹陷，岩溶主要发育在60～90 m高程段，即该地区岩溶发育强烈。

图7 C 区等值反磁通瞬变电磁法反演解译和钻探验证Fig.7 Inversion interpretation and drilling verification of OCTEM in area C

3.2 钻探信息验证

3.2.1 A 区

根据物探反演图5 解释资料，等值线强烈变化的区域推断为溶蚀发育区，通过在电阻率变化区域布置ZK06、ZK07 钻孔以验证，原计划ZK06 验证A1-4 号溶槽异常，ZK07 验证A1-2 号溶沟异常，但因现场不利于钻机布设，后ZK06 调整到180 号点附近，ZK07 调整到20 号点附近，将钻孔柱状图投影到物探反演剖面图上，钻孔揭示的溶洞位置与其附近的溶洞异常基本吻合。结果表明：研究区上部覆盖层主要为杂填土与粉质黏土，厚度为6～8 m，在反演图上局部层厚达到20 m 的区域，主要受溶槽溶沟发育影响，且整体符合物探反演图上等值线横向变化不大，电阻率整体偏低的表述，钻孔下部基岩主要为16 m 厚中风化灰岩，局部有蜂窝状溶蚀，而物探反演图上出现A1-4 U 型溶槽异常，A1-5 漏斗状溶槽异常两处岩溶发育，等值线变化崎岖不平，与灰岩中溶蚀情况相符，代表岩溶在此处强烈发育，钻孔揭示资料契合物探反演图推测。

3.2.2 B 区

物探反演图6 上等值线与上部覆盖层变化较大的区域推断为溶蚀发育区，通过在电阻率变化区域布置ZK02、ZK03 钻孔以验证，结果表明：覆盖层厚度20～30 m，符合反演图上剖面浅部电阻率均偏低，等值线变化较小的覆盖层推测，在溶槽溶沟等岩溶发育的地区，覆盖层厚45 m 左右，ZK02 深处出现全风化泥质灰岩，风化呈土状，故其下部的中风化遍布节理裂隙的泥质灰岩中发育有全充填溶洞B12-5，由碎石土充填，有利于岩溶必备的水循环交替，溶蚀强烈发育。ZK03 上部为黏土及杂填土覆盖层，而溶沟的充填物使得等值线出现扭转弯曲，在中风化泥质灰岩下1.7 m 见半充填型溶洞，充填物为粉质黏土等，洞下灰岩发育有蜂窝状溶蚀，B12-4 是漏斗状溶沟状异常，故该处为岩溶强烈发育地带。两个钻孔揭示的地层资料均与物探解译吻合。

3.2.3 C 区

物探反演图7 表明，电阻率与等值线变化较大的区域推断为岩溶强烈发育区，通过在溶蚀发育区布置2 个钻孔ZK11、ZK12 钻孔以验证，结果表明：C 区整体浅部地层等值线变化小、电阻率偏低的12～28 m 为覆盖层，主要为杂填土以及粉质黏土，但在覆盖层下等值线显示为低阻凹陷或低阻团块的区域，多为溶蚀发育区，存在溶槽溶沟等，导致覆盖层厚度40 余米。ZK11 处钻孔含有较厚碎石土，下部均出现厚度较小的中风化灰岩，受风化影响，灰岩节理裂隙发育良好，有利于水循环交替，故其中发育有C1-4 漏斗状溶蚀异常。ZK12 覆盖层极厚，50 余米，物探反演图推测为下部有溶槽溶沟等影响，在35 m 厚碎石土下部的中风化灰岩中出现C1-3 巨大的漏斗状溶沟异常。钻孔揭示的地层信息契合物探解译的资料及其推测。研究区共布设物探测线30余条，电阻率及等值线变化较大区域推测为岩溶强烈发育地区，通过布置的工程地质钻孔对其溶蚀发育区进行验证，钻孔揭示的溶蚀异常基本符合物探反演图预测，验证率80%左右。由此可见，在建筑物及人文环境因素影响较大，常规地球物理探测方法受到限制时，OCTEM 可有效探测地层潜藏的溶蚀、土洞等特征。

4 结论

a.研究区地层岩溶分布类型以覆盖型岩溶为主，地质构造复杂，断层褶皱密集分布并导致研究区围岩不稳定，易发生地面下沉或塌陷，岩体风化破碎严重，影响岩层完整性，降低岩体的强度，且由于充分的地下补给径流，加速岩溶的发育，使岩溶地面塌陷更加强烈。

b.研究区物探布置线受到建筑物及人文环境因素影响较大，常规地球物理探测方法受到各种限制，而等值反磁通瞬变电磁法受电磁等干扰主要体现在后期分析工作中，在前中期影响较小，且由于探测深度较浅，在有效防止了地层金属物的干扰情况下，OCTEM 体现出抗干扰能力强，不受工作场地大小制约的特点，可以有效探测研究区浅层岩溶、土洞的埋深、分布、特征等。

c.等值反磁通瞬变电磁法可以有效探测出地层的岩溶地面塌陷情况，物探反演图表明：电阻率偏低，等值线变化平缓区域推测为覆盖层，等值线横向变化较大，电阻率变化明显区域推测多为可溶岩的基岩部分，通过工程地质钻探信息验证，溶蚀发育区的主要基岩为强风化灰岩，钻探信息契合反演图推测。综合分析A、B、C 三个重点研究区，本次在物探反演图揭示出的岩溶异常发育区布设钻孔6 个，共有5 处钻孔直接探明地下溶洞，OCTEM 解释的溶洞验证率达80 %以上，进一步说明等值反磁通瞬变电磁法适用于相关地质灾害分析研究。