等值反磁通瞬变电磁法在地质灾害探测中的应用对比

彭星亮，席振铢，王 鹤，申建平，侯海涛,3，高 远

(1.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙410083；2.湖南煤田地质勘查院，湖南长沙410014；3.湖南五维地质科技有限公司，湖南长沙410205)

1 概述

地质灾害是指由于自然或人为作用，在地球表层比较强烈地破坏人类生命财产和生存环境的岩土体移动事件。通常意义上的地质灾害主要是指危害人民生命和财产安全与地质作用相关的灾害,如崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降等，而地面塌陷、地裂缝、地面沉降等地质灾害多发生在采空区周围。人类开采煤矿、铁矿、铜矿、铀矿、磷矿以及盐矿等资源和能源后，地下采场、硐室以及巷道等在地下岩层间形成一定的空间，空区上方岩层在重力作用下发生垮塌，造成上覆岩体失去原有平衡状态而在一定程度上发生位移、变形，岩石的完整性和连续性也遭到破坏，致使岩层破碎和出现大量的空隙和裂隙。未探明的采空区是铁路、公路、高楼、厂房以及水坝等建筑工程的地质病害。随着国家建设的推进，采空区地质病害的危害日益凸显，其造成了大量的财产损失、重大人员伤亡事故以及严重的社会矛盾[8]。因此，探明采空区的空间分布范围、以及充填属性对保护国家财产、爱护人民生命以及维护社会和谐稳定具有重要意义。

2 地质灾害物理探测技术现状

目前国内外对于地质灾害的调查，主要是采用采矿情况调查、工程钻探以及地球物理勘探的方法，部分情况下还会进行变形观测、水文实验等。常规的地球物理勘探方法主要有反射地震法、地质雷达法、瞬变电磁法和高密度电阻率法等探测方法[4]。采空区地质条件复杂，地质体纵、横向遭到破坏发生剧烈变化，不再是均匀层状分布，反射地震法是基于层状均匀地质模型，其适用于层状均匀地质条件下，在地质条件复杂的采空区勘探效果不佳。而基于高频电磁波理论的地质雷达，这是一种运用高频无线电波来确定地下介质内部分布的地球物理勘探方法，其通过向地下介质发射一定强度的高频电磁脉冲(几十兆赫兹至上千兆赫兹)，在电磁脉冲向地下传播时，遇到不同电性介质的分界面即产生反射或散射，通过接收到的电磁波信号根据电磁波双程走时的差值，以此来确定探测目标的埋藏深度。由于地质雷达采用的是高频电磁波，根据趋肤深度的计算公式，其最佳探测深度范围只有不到10m，特别是在表层有低阻覆盖层的地质条件下，探测深度则更小(一般为2～5m)[10]，在采空区探测中存在很大的局限性。高密度电阻率法是探测采空区、地质岩溶、地质断裂构造等非常好的方法之一，但是受场地条件制约较大[9]。传统的瞬变电磁法在采空区探测中发挥了巨大的作用，但是在探测的早期阶段（过渡过程阶段），受到发射和接收线圈之间耦合的影响，导致探测初期采集数据的不稳定，进而产生了瞬变电磁探测盲区，影响了采空区的浅部勘查[1]。

上述常规物探方法的不足之处和地质灾害调查过程中遇到的民房建筑、交通道路、复杂山体以及电磁干扰等因素制约这些物探方法的开展，有必要发展采空区探测新技术。等值反磁通瞬变电磁技术的出现，解决了传统瞬变电磁法中过渡过程的影响，消除了瞬变电磁探测盲区。等值反磁通瞬变电磁法突破了高密度电阻率法、地质雷达以及浅层地震探测地质灾害技术瓶颈，有效解决了浅层地质灾害探测的技术问题。

3 等值反磁通法瞬变电磁方法原理及优势

3.1 等值反磁通法瞬变电磁方法原理

等值反磁通瞬变电磁法（Opposing Coils T ransient Electromagnetics,简称OCTEM）是以相同线圈通以反向电流时产生等值反向磁通的特性为依据，发射线圈采用2个上下平行共轴的相同线圈，测量时分别通以方向相反大小相等的电流作为发射源，接收线圈在2个发射线圈的中心位置，即在该双线圈源合成的一次场零磁通平面上，消除了发射线圈一次场的影响，测量其对地中心耦合的纯二次场的一种新的瞬变电磁探测方法[7]。相比于传统的瞬变电磁法，等值反磁通瞬变电磁法接收线圈处于一次场零磁通平面上，当发射电流关断时，接收面的一次场磁通为零，接收线圈自身不会产生电磁振荡，接收信号是地质体涡流响应。由于消除了接收线圈一次场的影响，OCTEM实现了0～100m浅层勘探。

OCTEM采用上下大小相同的微线圈，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，但是其它空间存在一次垂直磁场，发送电源断开后，近地表发射线圈产生的磁场最大，因此，在变化时间相同的情况下，在近地表产生的感应涡流最大形成极大值面，与此同时，其产生的感应磁场也最强，随着关断间歇的延时，又产生新的感应涡流极大值面，并逐渐向远离垂直发射线圈的方向扩散，扩散速度和极大值的衰减幅度与大地电阻率有关，大地介质影响涡流扩散速度和衰减幅度的参数主要是大地的电导率和局部良导体的埋深，而均匀大地介质的电导率一般情况视为常数，局部地质体的电导率、规模、埋深、形态等参量的变化是涡流极大值面扩散速度和极大值的衰减幅度变化的主要因素。不考虑其它因素，一般来说，局部地质体电导率越大，扩散速度和极大值的衰减幅度越小。

3.2 OCTEM与高密度电法分辨率的对比

M.N.Nabighian把涡流极大值面扩散形象比作为“烟圈”[5]，OCTEM采用对偶中心耦合装置减小了“烟圈”扩散角度，有效提高涡流水平聚集，从而提高了瞬变电磁法的横向分辨率。OCTEM对偶中心耦合装置的分辨率只与其实际测量时的点距H有关（一般分辨率等于点距H），而H只需满足H＞R的条件，R为微线圈的直径大小（直径小于1.0m）。由于OCTEM的分辨率与地形无关，在地质情况较为复杂的地质灾害区，可以通过减小点距H从而达到提高分辨率的效果。

高密度电法的分辨率与测点的密度相关（电极距a的大小），与装置的类型相关，也与地形相关，复杂地形对其分辨率有较大的影响，如地形凸起、地形凹陷都会导致其均方根RMS误差增大，使其分辨率降低，以至实际探测出的异常体形态与真实形态存在一定的差异。在地质灾害区，由于地形复杂，这对高密度电法的分辨率以及精度影响都很大。

4 应用实例

4.1 工程概况

探测区位于湖南省衡阳市常宁市某镇，总体构造为向斜构造。勘探区地层自下而上有二叠系、三叠系和第四系。其中上二叠统龙潭组上段为主要含煤地层，岩性以砂岩和粉砂岩为主，表现为低电阻率电性。

由于受到煤田采空区的影响，该区地质灾害严重，主要表现为井水水位下降了6m而干沽，影响到该地区数百居民的生产生活用水，且出现了地面变形，其中3栋居民房屋墙体开裂、地面鼓起，给居民造成了很大的经济损失。

为了查明采空区垮落带及充水情况，地下岩溶的发育规模、发育程度、分布深度、隐伏断层及破碎带特征等，在该区运用OCTEM和高密度电法进行地面地球物理探测，具体的测线布置如图1所示。

4.2 OCTEM仪器介绍

本次OCTEM勘探使用的是湖南五维地质科技有限公司研发的HPTEM-08型高精度瞬变电磁系统。该系统创新地运用等值反磁通技术（OCTEM）消除发射线圈和接收线圈之间的感应耦合，利用对偶中心耦合原理提高了横向分辨率，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。HPTEM-08型高精度瞬变电磁系统由HPTEM天线、发射、接收信号的仪器主机、12V外接电池和操作所用电脑组成，如图2所示。

图2 HPTEM-08高精度瞬变电磁仪

4.3 OCTEM和高密度电法对比解释

测区内对OCTEM S7线和高密度电法G7线的反演剖面图进行了对比，如图3所示，宏观上二者都反映了含煤地层的分布趋势，整体表现为地电阻特性，煤层上覆地层电阻率相对较高。煤层未开采之前，地层比较完整，电阻率等值线光滑连续，没有明显的扰动，煤层开采之后，含煤地层形成空腔，地层内部岩石强度和内聚力降低，上方岩层在重力的作用下发生移动变形，当移动变形作用强烈发生塌陷时，岩层的完整性和连续性遭到了破坏，波及到地表时，地面出现了塌陷、裂缝等地质灾害。采空区垮落带及充水等地质灾害在电阻率等值线图上表现为等值线扰动和低电阻特性。按照这一原则，圈定了1号和2号异常，地表表现为塌陷和裂缝，OCTEM和高密度电法都很好地反映了这2个异常。但是OCTEM反映的更细腻，更好地反映了异常的形态。

测区内对OCTEM S8线和高密度电法G8线的反演剖面图进行了对比，如图4所示。宏观上二者都反映了含煤地层的分布趋势，细节上也很好地反映了煤层采空后采空区垮落带及充水等地质灾害引起的异常，在图中表现为3号、4号和5号异常，其中OCTEM对这3个异常都有很好地反映，而高密度电法只反映了3号和5号异常，考虑到采空塌陷区发生在村庄附近，高密度电法受到房屋、地形、接地等因素的影响，因此不能很好地反映4号异常。

5 结论

（1）当煤田采空等地质灾害发生在村庄附近时，对当地居民直接影响较大。高密度电法虽然能够很好地探测地下采空、裂缝等地质灾害，但是受到场地限制、接地情况等不利因素的影响，测线在布置中往往偏离实际需要，甚至有时候不得不发生弯曲，绕开障碍物，这极大地影响了高密度电法数据的反演深度和精度，而OCTEM仪器轻便，采用单点测量模式，不受上述不利因素的影响。

（2）OCTEM采用等值反磁通技术，消除发射线圈和接收线圈之间的感应耦合，利用对偶中心耦合原理提高了横向分辨率，能很好地探测煤田采空等地质灾害。

（3）OCTEM与传统的高密度电法相比，二者均能探测煤田采空等地质灾害，但是前者的分辨率更高，在场地限制较大的情况下，操作更灵活。