郭润平,张 康,田江环,程 斌,张宏涛
(1.陕西地矿第二综合物探大队有限公司,陕西 西安 710016;2.廊坊市中铁物探勘察有限公司,河北 廊坊 065000)
瞬变电磁法由于具有许多传统直流电法不可比拟的优点,是当今得以迅速发展推广的新一代电磁勘探方法,其应用范围涉及地矿、石油、水利、电力、铁路、交通、工程场地岩土勘察,隧道超前探测等各个领域。但由于国外生产销售的瞬变电磁仪售价昂贵,发射功率小,要解决深部勘探必须采用大发射回线工作方式,生产效率低,以及在复杂地形条件下或者稍有人工游离电场影响大发射回线难以开展工作等因素的影响,国内的推广应用受到限制。2000年之后,随着仪器智能化、数字化技术的发展,国产轻便型大电流发射正负方波瞬变电磁仪系统应运而生。同时国内学者也从理论与实践上证明用小发射回线大电流供电用于深部瞬变电磁法勘探的可行性,这为瞬变电磁法推广用于深部地质勘查创造了条件。
岩土勘察工作中有时因地形复杂或者人口密集地区影响,急需一种新的物探工作方法。瞬变电磁法大电流、多匝回线装置测量系统克服了因地形或者游离电场的影响。该方法具有施工方便快捷、体积效应小,抗干扰能力强、探测深度大等优点,在对隐伏断层、采空区、地层导含水区划分中取得良好的应用效果[3,5]。
瞬变电磁法(Transient Electromagnetics Method, TEM)是以地壳中岩(矿)石的导电性与导磁性差异为主要物质基础,根据电磁感应原理,利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场,在一次脉冲磁场的间隙期间,利用线圈或接地电极观测二次涡流场,因地质体导电性能及空间赋存位置的不同,感应涡流衰变的规律也有所不同,通过分析研究该场的空间与时间分布规律,来寻找地下矿产资源或解决其它地质问题的一种时间域电磁法。图1为瞬变电磁法原理示意图。
图1 瞬变电磁法原理示意图Fig.1 Schematic diagram of transient electromagnetic principle
瞬变电磁法(TEM)尽管有各种各样的变换方法,其数学物理基础都是基于导电介质在阶跃变化的激励磁场激发下引起的涡流场问题。研究局部导电体的瞬变电磁响应的目的在于勘查良导体,研究水平层状大地的瞬变电磁理论的目的在于解决地质构造探测问题[1,2]。
瞬变电磁法勘探的物理前提是采空区(空洞)与周围岩层存在较大的电性差异。煤层赋存与成层分布的煤系地层中,煤层被开采后形成采空区,破坏了原有的应力平衡状态,电性发生明显的变化。不充水的空洞由于岩性疏松,导电性降低,表现为高阻异常,二次涡流衰减快,产生的感应电动势较低,在瞬变电磁多道电压感应剖面图上表现“低电压异常”,在瞬变电磁拟断面图上表现为高阻异常。充水采空区(空洞)由于水是低阻体,所以电性呈现低阻异常,二次涡流场衰减变慢,产生的感应电动势高,在瞬变电磁多道电压感应剖面上表现为“高电压异常”,在瞬变电磁拟断面图上表现为低阻异常。瞬变电磁根据这种电性差异来判断采空区的位置和类型[4,5,7]。
本次选取延安(实例一)和咸阳(实例二)两地案例勘探成果进行分析和研究。其中实例一位于延安市富县山区,地表条件复杂,麦田众多,为了减少对农作物的破坏,选用大电流、多匝重叠回线装置。实例二位于咸阳旬邑城中村内,民用电线错综复杂、民房众多、道路狭窄,故选用大电流、多匝重叠回线装置。
3.2.1 技术参数
本次工作使用的武汉地大华睿地学技术有限公司生产的CUGTEM-8瞬变电磁仪。该设备断电后观测纯二次场,不受一次场干扰,发现异常能力强;仪器轻便、功率大,供电困难的地区能正常工作。
通过现场试验确定本次瞬变电磁法试验发射电流150 A、供电脉宽10 ms、叠加次数20次、发射回线边长分别为10 m×10 m、剖面点距10 m (实例一)、2 m×2 m、剖面点距2 m(实例二)等,发射回线3匝,接收线圈8匝。试验结果显示曲线形态完整、曲线衰减正常、信噪比较高,有用信号完整清晰,满足地质任务勘探深度的要求。
发射电流的大小,在仪器发射功率范围内和安全工作的前提下采用最大的工作电流,衡量标准是采集窗口最后采样时间点对应的二次电压不小于背景场电压,或对应于最大有效探测深度的二次场信号有足够的信噪比。
3.2.1 目标体深度预估
根据钻孔资料结合地质任务可知,本次实例一勘探最大探测深度为300 m左右,实例二勘探最大深度为50 m左右。通常来说异常幅值与目标体的电性及几何参数有关。目标体的导电性越好,几何参数越大,则异常幅值较大,对目标体的探测能力强;反之,则异常幅值低,探测能力弱。所以,瞬变电磁法的探测深度与发射回线面积、供电电流大小、地层电阻率和噪声水平有关,其最大探测深度可由下式计算:[8]
(1)
式中,I为供电电流,单位为A;ρ为介质电阻率,单位为Ω·m;η为可分辨电压,单位为nV/m2;L为发射回线边长,单位为m;场源的磁矩为IL2。
一般地区的噪声水平为0.2~0.5 nV/m2左右,则:
(2)
式中,S为回线面积,m2。
以上两式均可用来估算瞬变电磁法的探测深度,可以看出,增大供电电流或发射回线面积可以增大对目标体的探测深度。在线框大小一定的情况下,为了增大探测深度,只能通过增加线圈的匝数或者增大电流的强度来实现;增加线圈匝数,互感现象增强,采用大电流供电、适当的匝数线圈可以很好地解决这个问题。
该公式规避了目标体几何参数对探测深度的影响,只能作为初略的估计使用。
采集的数据处理前,首先对其逐点进行整理或预处理,即检查数据质量,剔除不合格数据,并对其进行编录,整理成专用数据处理软件所需要的顺序和格式,再对数据进行滤波,以滤除或压制干扰信号,恢复信号的变化规律,突出地质信息,再利用专用软件转换得到视电阻率ρs(t)和视深度H(t)等参数,并进行一维反演;在此基础上,根据相关测量、地质和钻探等资料做必要的地形校正和高程校正等处理,最后利用Surfer11.0等软件绘制断面图及平面等值线图。
TEM勘探采集的数据为感应电动势。横坐标为算术坐标,表示观测二次场的时间;纵坐标为对数坐标,表示归一化感应电动势。一般须将感应电动势转换为视电阻率,转换公式如下:
(3)
式中,μ0=4π×10-7H/m;ST为发送回线面积,m2;SR为接收线圈面积,m2;t为测道时间;V/I为归一化感应电动势是瞬变值。以上单位均采用国际标准计量单位。
经过时深转换后的深度值,是一个单纯的计算值,可以根据地质情况、钻孔资料及围岩分层情况进一步校正,这样得出的深度才能符合当地地质情况。目前采取的办法是线性系数法校正。即根据整个工区大致的地质情况,对探测区浅部和深部设置两个系数X、Y,然后对等间距线性插值,再乘以深度值[8]。
工作区位于延安市富县周边,工作内容为隧洞引水工程瞬变电磁法勘察工作,具体工作任务为沿隧洞洞深方向布设三条瞬变电磁法剖面(图2),剖面编号分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。三条电磁测深剖面对应的里程号和测点号分别为,Ⅰ号,D8+870~D8+950,D001~D026;Ⅱ号,D9+150~D9+550,D026~D069;Ⅲ号,D09+950~D10+150,D070~D090。在这三条测线内的各个测点,均各自为顺序等间距排列。勘察工作目的要求:查明线路通过区覆盖层厚度、土石分界线、基岩起伏形态、采空区分布情况。
图2 引水线路瞬变电磁测深勘探工作测线布置Fig.2 Layout of transient electromagnetic sounding survey line for water diversion line
4.1.1 地形地质概况
4.1.1.1 物探剖面沿线地质概况
图3所示为引水线路工程勘探地质剖面。
图3 引水线路工程勘探地质剖面Fig.3 Geological section of water diversion line engineering exploration
1)地形地貌
工程区地处于陕北黄土高原的前缘地带,地形由西北向东南缓倾,塬面比较平坦、开阔,高程750~1 000 m。本次物探剖面所经地区主要为黄土台塬;地形由西北向东南缓倾,塬面比较平坦、开阔,高程750~1 000 m,起点段沮水河谷基岩裸露30~100 m,呈“V”型深谷,岸坡陡峻,谷底宽约20~40 m,由层状灰岩及白云质灰岩组成,黄土塬段沟谷下切深度50~100 m,多呈V型谷,沟坡陡竣,植被较好,属剥蚀堆积型地貌。
2)地层岩性
根据勘探结果(图1),供水线路沿线出露地层以第四系松散堆积为主,仅在起点沮水河左岸及小河沟左右岸基岩出露,各地层岩性及特征由新到老简述如下:
3)第四系地层:
①全新统人工堆积层(Q4s):杂填土,土石混合物,结构杂乱,含碎石、黄土、砂砾石及少量建筑垃圾等,堆积层厚度不等,主要为冲沟道路建设堆积弃渣,分布于凤凰沟和小河沟沟道。
②全新统崩坡堆积层(Q4s):壤土夹碎石,堆积层厚度不等,分布于小河沟沟道右岸边坡。
③第四系上更新统(Q3)
风积层(Q3eol),上部为③-1风积黄土层,灰黄色,疏松,土质均一,具垂直节理,粉粒含量较高,针状孔隙,稍湿,硬塑,层厚8~12 m不等。
下部为③-2古土壤层,浅棕红色,质均,团粒结构,黏粒含量较高,针状孔隙及虫孔发育,可见白色菌丝,稍湿,坚硬,层厚1~2 m不等。
④第四系中更新统(Q2):
风洪积层(Q2eol+pl),勘探点范围内为④-1黄土状壤土夹7~8层④-2古土壤,④-1黄土状壤土为灰黄色,质均,粉粒含量较高,可见针孔状孔隙及虫孔,该层内夹多层钙质结核;④-2古土壤为浅棕红色,质均、团粒结构,黏粒含量较高,可见白色菌丝,稍湿,硬塑。
风洪积层(Q2eol+pl),分布于黄土台塬底部,主要为④-3砂砾石层,杂色,中密,粒径一般3~8 cm,最大20 cm,含泥量较高,在起点沮水河左岸、凤凰沟及小河沟左右岸附近黄土台塬底部出露,厚度约5~13 m。
4)奥陶系
中奥陶系马家沟组(O2):岩性主要为⑤灰色、灰白色厚层状结晶灰岩和白云质灰岩。分布于起点沮水河两岸及白莲沟底部。
5)石炭系
上石炭系太原组(C3t):岩性主要为⑥炭质页岩及页岩。分布于白莲沟以西灰岩与砂泥岩过渡地带。
6)二叠系
二叠系上石河子组(P2sh):岩性主要⑦为灰绿色、棕红色厚层状砂岩、泥质砂岩、铝土页岩。分布于白莲沟以东至隧洞末点冲沟底部。
4.1.1.2 水文地质条件
工程区地下水一般埋深较大,大于100 m,按赋存条件可划分为第四系松散层孔隙潜水和基岩裂隙水、基岩溶隙水三种类型。
受大气降水补给,向沮河和附近沟道排泄,根据现场水井调查,黄土塬区地下水埋藏深度120~200 m,局部含有上层滞水,水量很小。沿线冲沟只有沮河和小河沟有水流出。总体看来,地下水位位于输水线路洞线基础以下,对隧洞稳定性影响不大。
4.1.2 岩(矿)石物性特征
本次物探勘查工作电性参数测定采用小极距测深法与泥团法进行物性测定。测区岩(矿)石电性参数见表1。
表1 地层电性参数
本区出露的岩性为:黄土、泥质砂岩、砂岩、砂砾岩,其电阻率先降后逐渐增高。正常地层组合条件下,在横向与纵向上物性都有固定的变化规律可循。不同的岩石一般具有不同的电阻率,同一岩石的电阻率的大小也受很多因素影响。
岩石孔隙、裂隙总是含水的,并且随着岩石的湿度或饱和度的增加,电阻率急剧下降。同时,水分含量相同的不同岩石的电阻率可能有很大差别,其原因在于水分有不同的矿化度。这也是运用电法来研究水文地质问题的物性依据。
4.1.3 推断解释
在资料解释中,把反演电阻率断面图作为资料解释的基本图件和主要依据。根据反演电阻率断面图中电阻率背景值的大小以及梯度值,并结合地质资料,分析剖面电性与地质体的对应关系。具体解释如下:
1)Ⅰ号物探剖面(D8+700~D8+950)见图4。
图4 Ⅰ号剖面推断解释成果Fig.4 Extrapolation and interpretation of section I
①该段地表深度以下约0~94 m范围电阻率为低值,约为5~40 Ω·m,表层电性横向变化较明显,等值线凌乱不圆滑,局部电阻率值较周围偏高,分析该段为第四系风洪积黄土覆盖层,因黄土分布不均而造成局部电阻率值升高。
②该段地表94 m深度以下范围内电阻率值较高,约为40~350 Ω·m,电阻率值纵向上随深度增加而变大,电阻率等值线横向分布较均匀,分析该区域地质体电性横向差异较小,此层位处断面图反演效果多为平层状,表现为地层完整,结合地质资料,推断该区为二叠系泥质砂岩、砂岩,岩体较完整,节理裂隙发育。局部电阻率低值区认为泥质成分含量较高或者裂隙水较发育。
2)Ⅱ号物探剖面(D9+150~D9+550)
从反演电阻率断面图(图5)可以看出,该剖面地表深度以下约0~110 m范围电阻率为低值,约为5~40 Ω·m,表层电阻率值最低,随深度增加电阻率值变大,表层电性横向变化较均匀,垂向分层明显,分析该段为第四系风洪积黄土覆盖层,电阻率高值层位为砂砾石。
图5 Ⅱ号剖面推断解释成果Fig.5 Extrapolation and interpretation of section Ⅱ
D9+150至D9+230段:
该段110 m深度以下范围内电阻率值较高,电阻率值约为40~100 Ω·m,电阻率等值线局部呈现团块状,分析该区域地质体电性各向异性较明显,结合地质资料,推断该区为二叠系泥质砂岩、砂岩,岩体较破碎,节理裂隙发育,富水性相对较强,其右侧因受破碎带影响导致岩体较破碎。
D9+230至D9+270段:
该段110 m以内深度范围内电阻率值较上层明显偏低,约为10~80 Ω·m,呈条带状分布并向深部延伸,电阻率等值线为半封闭状低值区,分析电性各向异性较明显,结合地质资料,推断该区为破碎带,岩体破碎,局部节理裂隙发育,富水性相对较强。
D9+270至D9+475段:
该段102 m深度以下范围内电阻率值较高,约为40~350 Ω·m,纵向上电阻率值随深度增加而变大,电阻率等值线横向分布较均匀,分析该区域地质体电性横向差异较小,结合地质资料,推断该区为二叠系泥质砂岩、厚层状砂岩,岩体较完整,泥质成分含量高时电阻率值相对较低,反之电阻率值偏高。
D9+475至D9+500段:
该段103 m深度以下范围内电阻率值较低,约为80~120 Ω·m,电阻率等值线向下同向弯曲,呈条带状分布并向深部延伸,电阻率等值线为半封闭状低值区,分析电性各向异性较明显,结合地质资料,推断该区为破碎带,岩体破碎,局部节理裂隙发育,富水性相对较强。
D9+500至D9+550段:
该段94 m深度以下范围内电阻率值较高,电阻率值约为40~350 Ω·m,纵向上电阻率值随深度增加而变大,电阻率等值线横向分布较均匀,分析该区域地质体电性横向差异较小,结合地质资料,推断该区为二叠系泥质砂岩、厚层状砂岩,岩体较完整,泥质成分含量高时电阻率值相对较低,反之电阻率值偏高。
3)Ⅲ号物探剖面(D9+950~D10+150)
由图6可以看出该剖面地表深度以下约0~105 m范围电阻率为低值,约为5~40 Ω·m,表层电阻率值最低,随深度增加电阻率值变大,表层电性横向变化较均匀,垂向分层明显,分析该段为第四系风洪积黄土覆盖层,电阻率高值层位为砂砾石。
图6 Ⅲ号剖面推断解释成果Fig.6 Extrapolation and interpretation of section Ⅲ
D9+950至D9+992段:
该段105 m深度以下范围内电阻率值相对上层较高,约为40~350 Ω·m,纵向上电阻率值随深度增加而变大,电阻率等值线横向分布较均匀,分析该区域地质体电性横向差异较小,结合地质资料,推断该区为二叠系泥质砂岩、厚层状砂岩,岩体较完整,泥质成分含量高时电阻率值相对较低,反之电阻率值偏高。其中在D9+950~D9+992,高程在574~684 m范围内存在一半闭合状低阻异常区,电阻率等值线呈现不规则状变化,结合地质资料,认为上覆岩层在地球重力的作用下逐渐断裂、塌陷,大气降水及含水层的水就会沿着裂隙侵入,从而导致出现一相对低阻异常区。推断该区为塌陷型采空区,充填有黄土,破碎泥质砂岩、砂岩等,富水性相对较强。
D9+992段至D10+150:
该段105 m深度以下范围内电阻率值相对上层较高,约为40~350 Ω·m,纵向上电阻率值随深度增加而变大,电阻率等值线横向分布较均匀,分析该区域地质体电性横向差异较小,结合地质资料,推断该区为二叠系泥质砂岩、厚层状砂岩,岩体较完整,泥质成分含量高时电阻率值相对较低,反之电阻率值偏高。
4.1.4 钻孔验证
结合前期岩土勘察资料与本次瞬变电磁法工作成果,通过在Ⅱ号剖面上进行钻孔验证,结果表明埋深0~122 m均为黄土覆盖层,122~165 m范围内钻孔整体处于破碎带中,岩心为二叠系泥质砂岩、砂岩,较破碎且充水。说明该方法在寻找隐伏破碎带是有效的。
4.2.1 物探剖面沿线地质特征
该工程位于咸阳市旬邑县城中村内,试验目的是沿垂直废弃窑洞方向,在洞口布设一条瞬变电磁法剖面。查明剖面所在位置覆盖层厚度及特征、填充异物、废弃窑洞位置分布情况,同时来验证大电流、多匝小回线重叠装置在生活电网密集区采集数据的可靠性。
工程区岩土(体)按自上而下和形成的相对时间关系排序,主要为第四系全新统素填土和黑垆土(Q4ml+el)、第四系中更新统风积黄土(Q3eol+al)、第四系中更新统砂岩(Q3al+pl)等。
1)素填土和黑垆土(Q4ml+el):褐黄色,以黏性土为主,含砖块、瓦片、圆砾、煤渣等,结构松散,土质不均匀。层厚0.30~3.00 m。层底分布有黑垆土(Q4e1):棕褐色,硬塑。具针孔、虫孔,含氧化铁、铁锰质、零星钙质结核,具团粒结构,具湿陷性。层位不稳定,局部缺失。边坡主要组成由此土质组成。
2)黄土(Q3eol+al):褐黄色,稍湿-湿,可塑-硬望。以黏性土为主,含砖块、瓦片、圆砾、煤渣等,结构松散,土质不均匀。具大孔、虫孔,含零星结核、铁锰氧化物、蜗牛克。层位稳定,分布连续。地层结构简单;该层在边坡项目场地的斜坡地带厚度较大,该层广泛分布于坡体范围内。
3)水文地质条件
工程区地下水一般埋深较大,剖面测量深度范围内地下水类型以第四系松散层孔隙潜水为主。受大气降水补给,向下坡向和附近沟道排泄,特别对废弃窑洞塌陷区影响较大,
4.2.2 地球物理特征
本区岩性主要为:第四系全新统素填土和黑垆土和第四系中更新统风积黄土。不同的岩土体一般具有不同的电阻率,同一岩土体的电阻率的大小也受很多因素影响,如含水率,人工扰动,流水冲蚀,密实度,裂隙发育程度等。本次物探勘查工作收集到旬邑县某石灰岩矿区物性资料,测区地层电性参数见表2。
表2 地层电性参数
4.2.3 推断解释
如图7所示,该剖面地表深度以下约0~3.5 m范围电阻率为低值,小于10 Ω·m,表层电阻率值最低,随深度增加电阻率值变大,表层电性横向变化较均匀,垂向分层明显,经现场调查认为是第四系黄土覆盖层,土壤中富含水。具体解释如下:
图7 废弃窑洞推断解释成果Fig.7 Extrapolation and interpretation of abandoned caves
D101至D115段:
①该段3.5~10 m深度范围内电阻率值较上层升高,电阻率值约为10~50 Ω·m,电阻率等值线横向分布较均匀,分析该区域岩土体电性横向差异较小,结合地质资料,推断该区为第四系风洪积黄土覆盖层,孔隙水、裂隙水较发育。
②该段距地表10 m深度以下范围,电阻率值较高,电阻率值约为50~220 Ω·m,电阻率等值线横向分布较均匀,分析该区域岩土体电性显各向同性,结合地质资料,推断该区为第四系风洪积黄土覆盖层,土壤密实度高。
D115至D119段:
该段地表深度3.5 m以下范围,等值线整体呈低阻条带向深部延伸,电阻率约为10~50 Ω·m,电性变化明显,结合地质特征,分析该段为第四系风洪积黄土覆盖层,孔隙水、裂隙水较发育,局部低阻区可能存在落水洞,或者是孔隙水沿着黄土脆弱裂隙下渗。
D119至D132段:
①该段3.7~11 m深度范围内电阻率值较上层升高,电阻率值约为10~50 Ω·m,电阻率等值线横向分布较均匀,分析该区域岩土体电性横向差异较小,结合地质资料,推断该区为第四系风洪积黄土覆盖层,孔隙水、裂隙水较发育。
②该段距地表11 m深度以下范围,电阻率值较高,电阻率值约为50~220 Ω·m,电阻率等值线横向分布较均匀,分析该区域岩土体电性显各向同性,结合地质资料,推断该区为第四系风洪积黄土覆盖层,土壤密实度高。
D132至D154段:
①该段地表深度以下约0~15 m范围电阻率为低值,小于10 Ω·m,电阻率等值线呈半封闭低阻区,分析该段浅部为第四系风洪积黄土覆盖层,推测由于顶层窑洞坍塌充水所致;深部为第四系风洪积黄土覆盖层,推测由于底层窑洞坍塌充水所致。
②该段地表深度15~26 m范围内电阻率值较上部有所抬升,电阻率等值线呈低阻条带横向延伸,约为10~50 Ω·m,电性变化明显,分析该段为第四系风洪积黄土覆盖层,孔隙水、裂隙水较发育。
③该段地表深度26 m以下范围电阻率值较上部有明显抬升,电阻率值约为50~220 Ω·m,电阻率等值线整体呈弧形分布,结合地质资料,分析该区域为第四系风洪积黄土覆盖层,土壤密实度高,受上部充水区影响,电阻率值较两侧明显偏低。
D154至D172段:
①该段3.7~8.7 m深度范围内电阻率值较上层升高,电阻率值约为10~50 Ω·m,电阻率等值线横向分布较均匀,但在大号端有下降趋势,分析该区域岩土体电性横向差异较小,结合地质资料,推断该区为第四系风洪积黄土覆盖层,孔隙水、裂隙水较发育。
②该段距地表8.7 m深度以下范围,电阻率值较高,电阻率值约为50~220 Ω·m,电阻率等值线横向分布较均匀,在大号端有下降趋势,分析该区域岩土体电性显各向同性,结合地质资料,推断该区为第四系风洪积黄土覆盖层,土壤密实度高。
1)本文通过对岩土工程勘察中的实例的分析研究,结合电阻率反演断面图,可以大致圈定采空区及低阻异常区的范围及埋深等要素。实例一查明了岩体完整性界限及岩体的富水程度。查明破碎带两处;实例二查明了坍塌窑洞的上顶板埋深及空间展布情况,从而为后续工程施工提供翔实的资料。
2)在资料处理与解释过程中,采取了滤波、反演等相应的技术手段和措施,进行了大量的分析对比工作,确保了异常的可靠性。
3)在深度校正使用线性系数插值法,能较好地与钻探地质剖面对应,得到的异常深度与实际情况完全相符。
综上所述,瞬变电磁法大电流、多匝小回线重叠装置在地形条件受限或游离电场影响区具有独特的优势,具有广泛的应用前景。随着该方法设备的进一步研究发展,瞬变电磁的这种小回线大电流工作方式将会在更多的工程领域得到应用。