等值反磁通瞬变电磁法在成都市地下空间资源地质调查中的应用

陈 挺，余 舟，庞有炜，严 迪，郑福龙，韩 磊，冉中禹，刘 鹏

等值反磁通瞬变电磁法在成都市地下空间资源地质调查中的应用

陈 挺1,2，余 舟1,2，庞有炜1,2，严 迪1,2，郑福龙1,2，韩 磊1,2，冉中禹1,2，刘 鹏1,2

（1.四川省地质矿产勘查开发局物探队，成都 610072；2.四川省地球物理勘查研究院，成都 610072）

成都市钙芒硝、富水砂砾卵石层等不良岩土体以及隐伏断裂构造对地下空间的利用形成严重制约。据现有钻孔资料显示钙芒硝层多分布在30～150m深度、砂砾卵石层多分布在10～100m深度，属于等值反磁通瞬变电磁法的有效探测范围。首先对城区电磁干扰源进行了调查，总结了提高数据采集质量的具体措施；然后布置了过已知钻孔的等值反磁通瞬变电磁法试验剖面，过井剖面反演视电阻率值与不同深度的测井视电阻率值吻合较好，说明反演初始模型参数选取正确，定量反演精度较高；最后布置了三条等值反磁通瞬变电磁法试验剖面，试验结果表明等值反磁通瞬变电磁法结合钻探和其它物探手段，能有效划分出不良地质体的分布范围和对隐伏断裂进行识别。

瞬变电磁法；等值反磁通；不良岩土体；隐伏断裂

成都作为中国西部地区重要的中心城市，目前正处于加快建设国家中心城市的重要时期，查明地下不良岩土体及隐伏断裂构造的分布情况，对优化成都城市规划布局、空间转型升级具有重要作用。成都市第四系上更新统富水砂砾卵石层和白垩系富含钙芒硝砂泥岩层电阻率幅值较高，相对围岩表现为高阻特征，为下一步利用瞬变电磁法进行解释提供了物性依据。传统瞬变电磁法是通过观测人工激发的交变电磁场信号在地下随时间的衰减规律来探测地质体的电阻率特征，具有穿透高阻覆盖能力强、分辨率高、设备轻便、工作效率高等特点，但未从根本上解决一次场关断对二次场探测的影响，严重制约了瞬变电磁法在工程勘察中的应用（徐洪苗等，2017；杨金凤等，2014；陈魁奎等，2016；田卫东，2015；李成等，2012；阎述等，1999；吴有信等，2012；郝红兵等，2019）。而等值反磁通瞬变电磁法，采用收发一体的微型天线，提高了瞬变电磁法浅层探测能力，对于地形复杂的地区，施工较方便，它具有对电阻率异常体反应灵敏的特点。本文通过对成都市区3条典型等值反磁通瞬变电磁法剖面的反演解释，结合钻探和其它物探手段，圈定了钙芒硝、富水砂砾卵石层等不良地质体的分布范围，识别了隐伏断裂的具体位置，取得了较好的工程应用效果。

1 地质概况

1.1 地层

成都市域主要出露第四系全新统、上更新统、中更新统、下更新统，白垩系上统、下统，侏罗系上统、中统地层。新生界第四系地层分布于龙泉山以西广阔的台地和平原区，全新统至下更新统地层齐全，厚度由西向东变薄，温江地区厚达300余米，东部台地一般数米至20余米。中生界地层出露受地质构造控制，侏罗系地层主要沿龙泉山背斜核、翼及苏码头背斜核部呈北东向展布，白垩系地层少量出露于龙泉山背斜西翼及苏码头背斜两翼。地层分区表见表1。

1.2 水文地质特征

根据地下水形成的自然条件和水文地质特征本区划分为西部平原区、中部台地区及东部低山区三个水文地质单元。根据地层、岩性特征及分布，将地下水类型划分为三大类：第四系松散堆积砂砾卵石层孔隙潜水、侏罗-白垩系砂泥岩风化带裂隙-孔隙潜水和夹关组砂岩裂隙-孔隙层间水。

表1 地层分区表

1）平原区含水层：分布于测区西、北部，为岷江水系形成的冲积、冲洪积、冰水堆积的复合大扇中部及前缘。平原上河渠密布，地下水补给十分优越，地下水类型为第四系松散堆积砂砾卵石层孔隙潜水。全新统、上更新统砂砾卵石层中孔隙潜水联系密切，无明显隔水层，构成一个统一的含水层组，埋藏浅，统称上部含水层组。其下部中、下更新统泥砾卵石层中的孔隙潜水为下部不稳定含水层组。

2）台地区含水层：区内稻田、水塘、河流，溪沟密布，是地下水的主要补给源之一。地表大面积覆盖第四系粘土层或含泥砂砾石层，透水性能差，对地下水的补给起阻挡作用，为非均匀分布的弱富水区。

3）低山区含水层：为碎屑岩山地风化带裂隙水，岩性以侏罗系泥岩为主，因地形陡，河谷深，入渗的地下水容易就地排出，不利储藏，为贫水区，仅在断裂破碎带附近含水稍富。

2 等值反磁通瞬变电磁法方法原理

在城市物探场地条件受限的情况下，结合本次工作的勘探深度，选择等值反磁通瞬变电磁法。等值反磁通瞬变电磁法野外工作使用HPTEM-18型高精度瞬变电磁系统（图1）。该系统一次场磁通量始终为零，当发射电流关断时，上、下两线圈产生的磁通相互抵消，接收线圈的一次场磁通量为零，地下空间的一次场依然存在，接收的信号是地下纯二次场的响应，可根据接收到的二次磁场随时间的衰减规律获得地下介质的地电信息（席振铢等，2016；周超等，2018；李建平，2018；王银等，2017；杨建明等，2018）。

3 地球物理特征

本次工作所选择的工作手段主要为电磁法。电阻率参数来源包括孔旁电测深、视电阻率测井成果。从上述途径获得的电参数值，利用统计得各岩性层电阻率均值及常见变化范围值。从物性参数统计表来看，第四系及白垩系的致密泥砂砾卵石层和富含膏岩泥岩层电阻率幅值最高。电性差异的主要影响因素是颗粒大小和松散程度，中深部的泥质砂砾卵石层由于泥质含量的增大，密实程度加大，导电性有所上升，电阻率略呈下降趋势。基岩中风化层视电阻率较低，随风化程度不同幅值有所上升。

表2 物性特征统计表

通过钻孔岩性与对应电阻率特征进行分析，本区共划分为5个电性层，其详细对比分析如表3所示。其中第一、第二与第五电性层均表现为低阻特征，与测井资料对比分析认为的浅表填土，粉砂质粘土以及深部风化基岩相对应；第三、第四电性层主要表现为中高阻特征，对应致密卵石层；Q31、Q2、Q1均为砂砾卵石土地层，在电阻率上差异较小，主要通过钻孔与测井资料进行标定校正。

4 电磁干扰源调查

在等值反磁通工作开展中，应尽量避开高压电井，因为高压电线产生的一次电场会与等值反磁通瞬变电磁法产生的二次电场叠加在一起，降低信噪比，影响数据的采集质量。在主城区二环路附近双庆路选择了一口高压电井进行了电磁干扰半径影响试验，试验现场见图2。

图2 高压电井干扰源调查现场施工图

本次工作垂直于高压电线走向进行了试验，实验原始数据时道曲线剖面图见下图3。

图3 过高压电井实验25HZ原始数据剖面图

从原始数据剖面图可知，在高压电井正上方，时道曲线出现明显的畸变，在垂直高压电线走向的方向上，影响距离大致为5～7m。因此在测线布置时，如果无法避开高压电线，应尽量使测线与高压电线垂直或成一定角度，且保持5m以上距离，测线不可与高压电线平行布置。

5 特定地质体解释

5.1 根据测井资料选择反演约束系数

定量解释的正确与否取决于反演的精度，等值反磁通的反演思路是：在收集已知钻孔资料的情况下，更改约束系数使反演结果与已知钻孔统一，从而通过测井视电阻率曲线完成对视电阻率反演层位的标定。同时根据反演深度和发射频率来选择合适的约束系数，一般约束系数越小，反演的深度越浅，反之越深。

表3 地层岩性与电性特征综合分析表

本次工作在国际生物城ZK13号钻孔上完成一条南北向过井剖面。过井剖面长度为200m，点距10m。反演参数选取如下：约束系数：2.5，反演系数：0.5，基准阻值：50Ω·m，目标深度：150，开始时间80us，结束时间：20000us。从反演结果图知，电阻率从上到下表现为低-高-低-高的四层电性特征。

为了对解释推断结果可靠性和精确度进行分析，对比了ZK13处不同深度的测井视电阻率与反演视电阻率值（图5），两支曲线从20m深度开始电阻率逐渐抬升，大致到达65m深度时，电阻率值开始同步下降，在深度100～110m之间为整支曲线的极小值区，110～150m深度曲线再次同步抬升。表明该处反演结果与测井资料吻合较好，说明对定量反演的处理结果的精度较高。

图4 过井剖面反演视电阻率与测井视电阻率对比结果图

图5 反演视电阻率与测井视电阻率曲线对比图

结合钻孔和反演结果推断，过井剖面浅部0-30米低阻异常主要由粉砂岩、泥岩等低阻地层引起；30～80m高阻异常主要由于粉砂岩中充填了大量的钙芒硝矿所致；另外参考钻井资料成果，20～110m岩层孔隙度变化不大，声波时差稳定，在250us/m左右变化，故认为80～120m低阻异常不可能是富水岩层所引起，而是由于钙芒硝的含量大幅减少，为低阻泥岩的反应。本次过井剖面工作是为选取合适的初始反演参数，通过与已知井资料对比，认为工作区约束系数取2.0～2.5，反演系数：0.3～0.8，基准阻值取30～80Ω·m较为合适。

5.2 钙芒硝层的识别

灌口组钙芒硝层呈多层分布，与砂泥岩呈互层关系。钙芒硝层电阻率介于220～386Ω·ｍ之间，相对围岩表现为高阻特征。依据钙芒硝层导致地层视电阻率值变大的特征，结合视电阻率反演结果能分析层位电性的变化，从而为钙芒硝层的划分及性质判别提供依据。

1号剖面位于台地区，在钻孔ZK13附近，该剖面长度为1000m，点距10m。通过对实测单点数据分析，剖面周边电磁干扰较弱。通过对剖面数据处理及解释。等值反磁通瞬变电磁法反演成果图由浅至深总体呈低阻、中阻、高阻、低阻的四层电性特征，依据等值线密集条带、反演电阻率值高低划分地层、判别地层岩性。

结合ZK13钻孔资料，对反演结果进行了推断解释（图6）。根据电性特征的变化，断面图上大致可以分为四层，表层粘土层、砂砾卵石层厚约15～20m，反演视电阻率值普遍小于200Ω·m；下伏中风化砂质泥岩层，推测为风化层增厚，视电阻率相对较高，介于400～600Ω·m之间；第三层为含钙芒硝层，视电阻率为600～800Ω·m左右，主要位于剖面小号端，呈不连续分布特征；第四层为低阻层，推测为灌口组粉砂质泥岩。

图6 1号剖面等值反磁通瞬变电磁法反演解释结果图

5.3 隐伏断裂的识别

2号剖面位于平原区向台地区过渡区域，等值反磁通瞬变电磁法剖面长度为1100m，点距10m。根据以往水文地质勘探线剖面知，该段上覆地层为广汉组含泥砂砾卵石层，厚度20m左右，其与下伏上白垩统灌口组不整合接触。通过本次试验剖面工作，对府河断裂位置取得了新认识，以往地质推断断裂位置大致位于二环路双庆路口附近，通过本次调查认为该断裂处于以往推断断裂西北方向，位于双林路与双华路交叉口附近。

推断的府河断裂主要根据电测深、等值反磁通瞬变电磁法等物探技术互相结合、互相验证、互相补充的原则进行推断解释，本次工作布置的等值反磁通瞬变电磁法2号剖面位置与电测深剖面平行。

根据电测深视电阻率断面图可知，在14～16号点间视电阻率断面图表现为高阻-低阻-高阻过渡的特征，该处的电性不均匀性也指示断裂带的存在。电测深线14～16号点（14与16号点间距离约300m）与等值反磁通瞬变电磁法2号剖面点号550～850区域对应。

图7 2号试验剖面水文地质勘探线地质断面图及剖面位置示意图

从等值反磁通瞬变电磁法反演结果图知，点号300～1100段覆盖层较薄，厚度大约5～15m，点号1100～1400段覆盖层较厚，厚度大约10～30m，较为精细的刻画了基底的起伏特征。反演结果显示点号650～750区域呈现出低阻体向下延伸到高阻体内的特征，反应了电性特征的改变。

由于中心城区电测深剖面测线较短，测点点距较大、供电电极距AB/2较稀疏，很难精确确定断裂的位置。因此府河断裂的推断是在以上两种方法得到相互印证的基础上，断裂的最终位置由纵向分辨率更高的等值反磁通瞬变电磁法确定。

5.4 富水砂卵石层的识别

3号剖面位于平原区，等值反磁通瞬变电磁法剖面长度为1000m，点距10m。据物性统计结果，区内粗粒砂砾卵石含水层电阻率表现为高阻特征，等值反磁通瞬变电磁法对相对富水带反映得比较明显，因此结合等值反磁通瞬变电磁法反演结果所显示的上更新统高阻卵石层位，可以提取出卵石层的顶底界面埋深信息，从而获取含水层厚度及地下分布特征。

等值反磁通瞬变电磁成果由于早期数据的缺失，浅层0～15m的条带状低阻异常数据不可靠，粘土层和中粒卵石土异常不能有效的区分。等值反磁通瞬变电磁反演成果显示的中部高阻层为粗粒卵石土的电性特响应，上顶埋深为25m，下底埋深约为50m，该处粗粒砂砾卵石含水层厚约25m。等值反磁通瞬变电磁成果显示介于50～80m深度范围的低阻层应是中粒砾卵石层的电性反应，由于80m以下高阻体是由于反演算法插值的结果，因此该低阻体仍有向下延伸的可能。

图8 电测深视电阻率断面图

6 结论和建议

1） 在城市地质调查中，等值反磁通瞬变电磁法观测系统布置方便，不受城区场地限制。在复杂干扰环境进行等值反磁通瞬变电磁法工作时，电磁干扰主要影响断电后的最大有效衰减延时，从而制约探测深度。通过干扰源调查试验表明，在外业数据采集时根据时道曲线特征合理避开干扰源，能提高原始数据信噪比。

图9 2号剖面等值反磁通瞬变电磁法反演解释结果图

图10 3号剖面等值反磁通瞬变电磁法反演解释结果图

2）根据过井试验剖面工作与钻孔资料成果确定了工区合适的反演参数，通过三条典型试验剖面工作，表明等值反磁通瞬变电磁法在平原区可用于划分富水砂卵砾石层，在台地区可用于圈定钙芒硝层以及对隐伏断裂进行识别，较好的解决了工程实际应用问题。

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The Application of Equivalent Inverse Flux Transient Electromagnetic Method to Geological Survey of Underground Space Resources in Chengdu

CHEN Ting1,2YU Zhou1,2PANG You-wei1,2YAN Di1,2ZHENG Fu-long1,2HAN Lei1,2RAN Zhong-yu1,2LIU Peng1,2

(1-Geophysical Exploration Team, SBGEEMR, Chengdu 610072; 2-Sichuan Institute of Geophysical Exploration, Chengdu 610072)

The utilization of the underground space in Chengdu is seriously restricted by such soft rock and soil mass as glauberite and water-rich sand as well as hidden fault structure. According to the existing borehole data, glauberite layers are buried in 30-150 meters depth and gravel and pebble beds are buried in 10-100 meters depth which lie in the effective detection depth range of the equivalent inverse flux transient electromagnetic method. At first, the electromagnetic interference sources in urban areas are investigated, the concrete measures to improve the quality of data collection are summarized. Then the test cross-section through the known borehole is arranged. The test results show that the inversion of the apparent resistivity of the cross-well section is good agreement with that of the well-log at different depths. The test results of three test sections for equivalent inverse flux transient electromagnetic method show that equivalent inverse flux transient electromagnetic method combined with drilling and other geophysical methods can effectively determine the distribution range of the undesirable geological bodies and identify the hidden faults.

transient electromagnetic method; equivalent inverse flux; soft rock and soil; hidden fault

2020-06-12

中国地质调查局项目（DD20189210）；成都市国土资源局采购项目（5101012018001004）联合资助

陈挺（1984－），男，四川绵阳人，高级工程师，研究方向：重磁电正反演

P319

A

1006-0995（2021）02-0299-07

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.02.023