等值反磁通瞬变电磁法在城市岩溶精细探测中的应用研究

王斌战， 李成香， 邱 波， 刘 磊， 周世昌， 马小丰， 王建军， 郭光宇

(1.湖北省地质局 地球物理勘探大队,湖北 武汉 430056； 2.资源与生态环境地质湖北省重点实验室,湖北 武汉 430034)

武汉市是中国中部地区最大的枢纽城市,其基础设施建设(特别是轨道交通及环线建设)势头发展迅猛，但由于武汉市特殊的地质结构,随之产生各种频发的岩溶地质灾害,给人民的生命财产安全造成巨大的威胁。

岩溶地面塌陷作为一种比较常见的地质灾害,其探测方法非常多。就物探而言,重力、电法、电磁法、地震勘探、CT等都能用于岩溶的探测[1]。但是在城市中,由于空间限制、地面硬化、各种震动及强电磁干扰等因素的影响,多种常用于野外岩溶探测的有效手段,在城市岩溶探测中频频受挫,难以取得较好的探测效果。地质雷达采用屏蔽天线时,其探测深度一般<10 m，而采用非屏蔽天线时,易受电线杆、路灯杆以及地表各种金属物件的影响,对地下较深的岩溶及其他不良地质体的探测能力有限。高密度电阻率法由于城市地表硬化、建筑物影响，电极接地供电、布设电缆受到制约,探测深度通常难以达到要求。地震勘探由于城市中强烈的震动干扰,地震激发条件、激发频率受限,探测效果也不理想。常规瞬变电磁法由于早期存在电磁耦合,关断时长较长,进行浅层探测存在较大“盲区”且极易受到干扰,在城市中几乎难以开展工作。因此,开发新的适用于城市地灾探测的技术方法,便成为物探工作的发展趋势之一。等值反磁通瞬变电磁法(OCTEM)即是顺应这种趋势,近年来新发展出来的一种物探方法[1-3]。

OCTEM继承了常规瞬变电磁法不受接地等场地条件限制和无损探测的优点,同时又由于其特殊的装置结构,克服了常规瞬变电磁法易形成探测盲区的缺点,实现了在城市中进行100 m以内浅层精细勘探的能力。本文以武汉市某岩溶区为例，介绍OCTEM在岩溶精细探测中的应用方法、过程，分析其应用效果，以期推广使用该方法。

1 方法原理

OCTEM与常规的瞬变电磁法原理相同,即通过不接地的回线向地下发送一次脉冲磁场,在脉冲磁场的激发下,地下地质体将会激励起感应涡流,感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场,利用磁感应接收传感器来观测二次场(图1),达到探测地下地质体的目的[1]。

图1 瞬态涡流极大值面“烟圈”式扩散原理示意图[2]Fig.1 Shematic diagram of transient eddy current maximumsurface “smoke ring” diffusion principle

OCTEM采用上、下2个大小相同、平行共轴的线圈,分别向其通以大小相等、方向相反的电流作为发射源,在双线圈源合成的一次场零磁通的平面上接收地下二次场,测量对地中心耦合的纯二次场(图2)。由于接收线圈处于双发射线圈的等值反磁通平面,其一次场磁通量始终为零,当发射电流关断时,上、下2线圈产生的磁通相互抵消,接收线圈的一次场磁通量为零,相当于消除了常规瞬变电磁法的盲区,可以接收到早期二次场随时间的衰减规律,获得浅层地下介质的地电信息。OCTEM由于其特殊的双线圈结构特征,其较常规瞬变电磁法有更好的指向性[4],不易受到水平方向的干扰。

图2 OCTEM装置示意图[3]Fig.2 OCTEM device schematic diagram

2 应用实例

2.1 工区概况

工区地处武汉市中心城区,四周高楼林立,有围牌圈护,场地受限。前期钻探资料显示,工区表层为厚约45 m的第四系土层,其下为三叠系灰岩，灰岩中发育岩溶。勘探目的是查明地下地层的岩性界线、溶洞及其他不良地质体分布情况。根据现场初步踏勘,探地雷达由于探测深度有限,无法满足勘探要求；高密度电法由于布设电缆长度限制,也无法达到探测深度。对比后选用OCTEM进行探测。

2.2 物性特征

根据收集资料,该区三叠系灰岩电阻率>1 000 Ω·m，第四系覆盖层电阻率为10～180 Ω·m，岩溶及溶蚀区电阻率为10～400 Ω·m。完整灰岩与岩溶有较大物性差异,因此工区具备物探探测的基本条件。

2.3 仪器设备

本次施工采用的仪器是湖南五维地质科技有限公司生产的HPTEM-18型高精度瞬变电磁系统(图3)。该系统由湖南五维地质科技有限公司与中南大学共同研发研制而成，创新地运用等值反磁通技术(瞬变电磁)消除收发线圈之间的感应耦合，具有横向分辨率高、抗干扰能力强、施工效率高的特点。

图3 HPTEM-18型高精度瞬变电磁系统Fig.3 HPTEM-18 high precision transient electromagnetic system

2.4 数据采集

数据采集前需进行系统自检调平校验，调整发射、接收线圈的相对位置,观测调平校验衰减曲线(图4),当达到调平位置时即可进行数据采集。

图4 调平校验衰减曲线Fig.4 Attenuation curve of leveling calibration

工区地形较平坦,近似长方形,结合工作任务及现场探测条件,在工区布设网状测线,线距5 m,点距3～5 m。数据采集参数:电源电压12 V；发射电流8.5 A；发射频率6.25 Hz；关断时间0.05 ms；叠加周期为400次。

整个工区瞬变电磁法测量衰减曲线(图5)较为圆滑,跳点较少,表明采集的数据质量良好。

图5 工区瞬变电磁法测量衰减曲线Fig.5 Measurement of attenuation curve by transientelectromagnetic method in work area

2.5 数据处理

野外数据采集完成后,采用仪器配套的数据软件HPTEM DataProcess 3.0进行数据处理与反演,其主要处理流程：①参数设置(约束系数、反演系数、基准阻值、目标深度、开始时间、结束时间、开始点号及反演方法)→②网格设置→③单点编辑(对数据进行“飞点”滤波操作,可以修改点号、人机联合干预滤波、是否启用点,以及以数据道为基准的线移动,编辑数据会显示两条曲线,一条是原始数据,一条是编辑后的数据,以便作为参照，如图6所示)→④剖面反演→⑤高程加载及高程格式→⑥反演结果导出→⑦绘制成果图。

图6 单点编辑Fig.6 Single point editing

OCTEM数据反演采用瞬态弛豫反演法,该方法反演得到的结果是“相对电阻率”,其中基准电阻率直接影响反演深度(图7)。本工区根据地表情况,选择30 Ω·m作为表层基准电阻率。瞬态弛豫反演法为一维反演方法，依据其反演结果,采用HPTEM DataProcess 3.0进行拟二维、三维处理,即可得到二维、三维数据用于绘图。绘图采用Surfer、Voxler等软件。

图7 OCTEM视电阻率剖面图Fig.7 OCTEM apparent resistivity profile

2.6 地质解释

(1) 物探剖面。物探2线长度为156 m,反演剖面电阻率大致处于20～440 Ω·m,整体电阻率从上向下逐渐增加。结合物性资料和工区地质情况,大致以165 Ω·m为界,其上为第四系覆盖层,其下为三叠系灰岩。如图8所示,在相对高阻中,存在3处低阻异常(1 080点、1 125点、1 140点处),异常深度处于45～55 m,推测这3处低阻异常为岩溶发育区。后期在该剖面1 080点处布设一个钻孔进行验证,发现确实存在半充填溶洞，与物探推测结果相一致。物探13线长度为156 m,反演剖面电阻率大致处于20～500 Ω·m,整体电阻率从上向下逐渐增加。结合物性资料和工区地质情况,大致以165 Ω·m为界,其上为第四系覆盖层,其下为三叠系灰岩。如图9所示,在相对高阻中,存在4处低阻异常(1 100点、1 115点、1 140点、1 145点处),异常深度处于40～65 m,推测这4处低阻异常为岩溶发育区。后期在该剖面1 198点处布设一个钻孔进行验证,确实存在与物探推测结果相一致的溶洞。

图8 2线OCTEM反演成果图Fig.8 2 line OCTEM inversion results

图9 13线OCTEM反演成果图Fig.9 13 line OCTEM inversion results

(2) 三维展示。将工区的OCTEM拟三维成果数据和钻孔资料输入Voxler软件进行三维展示[5]。

图10为工区埋深约45 m处的电阻率异常图,该深度位置大致对应基岩面埋深部位。如图10所示,存在多处低阻异常区。根据地质资料显示该工区地层起伏较小,因此推测上述低阻异常部位下方地层发生破碎或发育岩溶。收集钻孔资料显示，处于低阻异常区的ZK10、BK9等钻孔所揭露的溶洞直径均较大(最大直径约10 m),远超高阻异常区BK4、ZK3等钻孔所揭露的溶洞(直径1～2 m)。

图10 工区埋深45 m处电阻率异常图Fig.10 Resistivity anomaly map at buried depth of 45 m

图11为工区中电阻率值处于150～165 Ω·m之间的异常区分布图。结合物性资料,推测这些异常区为灰岩破碎区或溶蚀区。如图11所示,钻孔揭露溶洞均处于该区域内部,直观地展示了灰岩破碎区或溶蚀区的分布深度和厚度变化情况，即低阻异常总体为东南部厚、西北角薄,与钻孔揭露情况基本一致(图11红色柱状为钻孔揭示溶洞大小)。

图11 工区中电阻率异常区域Fig.11 Abnormal area of resistivity in work area

图12为工区地层电性特征三维展示图,反映了第四系厚度、钻孔揭露溶洞部位、地层破碎溶蚀情况以及完整基岩的深度变化情况,同时展示出了上述几者之间的关系，例如工区东南部基岩破碎或溶蚀部位变厚,该处溶洞直径明显较大，而西北角溶洞直径较小。

图12 工区电性特征三维展示图Fig.12 Three-dimensional display diagram ofelectrical characteristics in working area

3 结论

(1) 采用等值反磁通瞬变电磁法在城区一处岩溶发育区圈定了多处低阻异常验证确实由岩溶引起,表明该方法在城市地下岩溶精细探测中有效。

(2) 本次物探工作表明等值反磁通瞬变电磁法设备紧凑、抗干扰能力强,且消除了“盲区”,在城市不良地质体探测中可以发挥极大的优势。

(3) 等值反磁通瞬变电磁法野外施工方便,数据采集效率极高,能够快速在一个工区完成面积性探测,从而获得更多的地质信息，并且结合目前的三维成图软件可以立体直观地为客户提供地下空间电性结构图，符合未来精细化探测、立体化展示的发展趋势。