音频大地电磁法探测管道区溶洞的应用分析

王少一，张永生，叶学松

（安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽 合肥 230011）

1 概述

该工程位于安徽省宁国市，管道DN1000污水压力管长6.18km，管道采用明挖和顶管施工。管道穿越一丘陵坡，岩性为石灰岩，最大埋深为45.60m，桩号范围为K10+767-K11+064，勘察中发现溶洞直径为0.50～3.80m不等，管道溶洞以空洞为主，充填少量的水及土质。由于岩石的结构、构造及矿物成分存在差异，岩层与地质构造的导电性也存在差异，这就给利用物探法探测工程地质条件提供了先决条件。本工程石灰岩中存在溶洞，溶洞充填有水及土质与周围石灰岩介质的导电性存在差异，本次利用音频大地电磁法对溶洞特征、分布进行探测。

2 工程地质条件

2.1 气象条件

项目区属北亚热带湿润季风气候区，气候温暖湿润，四季分明，雨量充沛，梅雨显著，日照充足，无霜期长。根据宁国市气象局1955-2006年资料：区内无霜期226天左右；多年平均气温15.4℃，极端最高气温41.4℃，年极端最低气温 -14.5℃。多年平均降水量1589.7mm，最大年降水量为1989.9mm，最小年降水量为1206.2mm，最大日降水量可达248.7mm，降水量变化一般有一定规律，总体上由北向南递增，海拔高度的增高降水量也明显增加；降水各月分配也不均匀，一般5～8月为丰水期，降水量约占全年的60%～70%，其中6月15日～7月15日为梅雨季节，这期间，降水量可达200～360mm，由于经常出现暴雨，极易诱发地质灾害；一年中的3～4月及9～11月为平水期；12月～翌年2月为枯水期。

2.2 地质构造

项目区所处大地构造单元属扬子准地台（Ⅲ），下扬子台坳（Ⅲ），皖南陷褶断带（Ⅲ）。拟建场地未发现活动断裂及其他影响工程稳定性的地质构造，区域稳定性较好。

2.3 地层岩性

本次管道工程勘察查明，在钻探所达深度范围内，基岩为奥陶系下统宁国组（On）青灰色、黄灰色石灰岩。

2.4 水文地质条件

工程区地下水按赋存特征及水理性质，可分为裂隙水和岩溶水两类。裂隙水主要赋存于基岩节理裂隙之中，岩溶水主要赋存于溶洞中，本次勘察期间钻孔深度范围及坡体未见泉水露头。地下水主要补给来源于大气降水及斜坡地表径流，受季节及天气影响大。

3 音频大地电磁法

3.1 音频大地电磁法原理

大地电磁法是利用天然电磁场作为场源的一种地球物理方法，实际上是通过测量各种频率下的地表水平电场分量Ey（或Ex），与正交的水平磁场分量Hx（或Hy）之比，从而达到了解地下电性结构的目的。音频大地电磁法(Audio-frequency Magnetotelluries)简称为AMT法，是大地电磁（MT）法的一个分支。测深的实质是测量由于太阳风或太阳黑子活动及赤道区的闪电雷击在地球表面产生的各种频率的水平电场Ex、Ey和水平磁场 Hx、Hy、Hz，然后通过阻抗与电阻率的关系计算视电阻率从而了解地下电性结构。

本次音频大地电磁法测量工作使用仪器为德国Metronix公司生产的多通道大地电磁测量系统GMS-07e。

技术特点：①采用天然源方式，即可开展频率范围0.1kHz～4kHz的天然场源频率测深方式；②采用分段时序采集办法，分别进行高低频的运算，提高了频点的采集密度（1Hz～4kHz为50个频点），从客观上提高了电磁法的纵向分辨能力。

3.2 音频大地电磁法数据处理

数据处理采用利用德国Metronix公司Mapros 1.54处理软件和中国地震局地质研究所“大地电磁资料处理与解释的可视化集成系统Pioneer 4X”。由于测区地形高程变化较大，在单点反演的基础上，在进行二维反演时，进行了静态地形改正，消除地形变化引起的干扰。

3.3 解译依据

地球物理探测方法的选择是根据地层深度及构造、破碎带与围岩的物性差异而综合确定的方法技术。本次要探测的是沿管道走向带中溶洞的分布及特征。

根据常见岩（矿）石电阻率表石灰岩电阻率为60Ω·m～6.0×10Ω·m。

3.4 资料解释及地质推断

现场探测的瞬变电磁反演如图1所示，在标高32.30～36.00m范围，发现一系列的电阻率异常区，异常区电阻率为400Ω ·m～700Ω ·m，周围电阻率为800Ω·m～1400Ω·m。通过微动视剖面，推测的异常区高度约3.2m，长度约5.7m。钻探发现的溶洞高度为2.4m，基本与大地电磁法探测结果一致。

图1 瞬变电磁反演剖面图

4 存在差异问题解释

音频大地电磁法与大地电磁法相比，具有频率较高，对浅部的分辨率较高的优点，可以为溶洞探测提供相对可靠的数据参考。经过与钻探及施工中实际的分布对比，该方法可基本有效地区分出疑似溶洞分布位置。

而存在差异问题的主要原因：①测量中，选择的采集数据方法、参数选择等与现场地质条件符合度差异，测量人员的经验、解释过程等主观性对结果都有或多或少的影响；②工程区内地形高差变化较大，测线沿管道走向布置，沿线的高压电线、水文地质条件变化等对采集过程造成不同程度的影响。对成果解译应在广泛收集地质资料的基础上，最大程度地排除干扰；③音频大地电磁法是基于岩土体电性差异进行的异常解译，而引起岩土体电性差异的因素是多方面的，这就造成了成果的多解性。这就要求物探要与钻探方法相结合，取两种勘探方法的优点从点到面对工程岩土体进行勘探，以达到查明工程地质条件的目的，更好地为工程服务。

图2 微动视Vs剖面图

5 结论

音频大地电磁法具有频率较高，对浅部的分辨率较高的优点，对溶洞分布位置及大小特征的探测是相对可靠的。本次对管道工程的溶洞探测也有局限性，由于场地地形高差较大，而探测目标又是埋藏较深的管道区，溶洞的大小相对于地形高差来说，目标较小，造成一部分较小的溶洞异常区不明显，解译结果也没有显示。物探要与钻探等其他方法相结合，集多种勘探方法的优点从点到面对工程岩土体进行勘探，以达到查明工程地质条件的目的，更好地为工程服务。