瞬变电磁与高密度电法在岩溶区探测中的应用

彭海辉，张湖源，欧元超，陈 雨

(1. 安徽省地质矿产勘查局313地质队，安徽 六安 237010；2.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

在我国一些地区的地下介质中会存溶洞、空洞等的不良地质体，常引发地表塌陷等安全事故[1-2]。因此，需对地下岩溶、空洞等隐伏灾害埋藏位置及大小相关特征进行精准探测。目前，对地下不良地质体探测的方法有地震波法、探地雷达法、电阻率法等。其中，文献[3]采用数值模拟方法从理论方面对地下不良地质体的瑞雷波传播特征进行了分析研究，发现在地下软弱层中及破碎层中其相速度有所降低；文献[4]则是采用探地雷达技术对道路结构层及道路内部损坏进行探测研究；文献[5]采用高密度电法对地下空洞进行探查，从测量装置、空洞埋深、分布形态及覆盖层厚度等多方面因素进行分析研究。各探测方法各具优越性，同时也存在一定的不足。地震数据采集需进行震源的激发，可能导致新的塌陷隐患产生，甚至引发塌陷；探地雷达技术受现场环境约束较大，且对较深层地质隐患探测效果有待改善。目前，采用单一的探测手段，可靠性不足，难以精准圈定岩溶的空间分布范围。因此，文章采用高密度电法与瞬变电磁法对现场岩溶塌陷区进行综合地球物理探查，并结合钻探资料对探测结果进行验证，准确圈定了地下溶洞的发育位置和分布范围。

1 区域地质条件

研究区位于霍邱某铁矿厂附近，该区内地层属华北区淮河分区，除西部长山丘陵一带有零星的新元古界青白口系和下古生界寒武系出露外，余者均为第四系覆盖，该系沉积类型属河湖相沉积，多为棕红、黄褐色，第四系之下，分布有较大面积的新太古界霍邱群变质岩系及中生代地层。其中，该区浅部第四系以砂性土发育为主，为孔隙水赋存提供了良好的空间。西部四十里长山丘陵分布有碳酸盐类岩石，岩溶较为发育，为地下水的赋存和运移提供了条件。第四系和新近系之下为变质岩类岩石，裂隙不发育，含水较贫乏，唯风化带含有较丰富的风化裂隙水。研究区内砂岩及灰岩层发育，地下水较为丰富，为岩溶发育提供良好的物质及环境条件。

该研究区于2018年发生面积约4.4×104m2的地面塌陷，最大下沉量大0.52m，并且存在进一步塌陷的危险。经前期勘探资料发现，矿床内无断层发育，但在本次研究区附近有断层通过。另外，研究区内发育形成的若干岩溶受到矿区地下开采影响而导致岩溶结构受到破坏是引起本次塌陷的主要诱因。因此，为避免因现场勘探而造成安全隐患的情况下，选择了瞬变电磁法和高密度电法相结合的综合勘探方法对研究区深部岩溶空间发育及分布位置进行精确探测，为下一步的灾害治理措施的制定提供指导。

2 探测技术

2.1 物性基础

目标体与其周围地质体间存在较为明显的物性差异是开展地球物理探测工作的前提。前期勘察资料表明探测区内的第四系覆盖层电阻率值相对较低，下伏基岩层则表现相对高电阻率；而在岩溶塌陷区，由于岩溶内部充水明显，相较于周围地质体，该区域则会整体表现为具有明显圈闭形态的低电阻率区。据此，可根据地质体与异常体之间的电性差异以及异常体的空间展布形态进而确定岩溶发育特征。

2.2 探测技术原理

1)瞬变电磁法。瞬变电磁法测试装置是由发射回线和接收回线两部分组成，工作过程分为发射、电磁感应和接收三部分。瞬变电磁法属时间域电磁感应方法[6-9]，其探测原理是：在向发射线圈供入发射电流I1的同时，线圈周围建立了频率和相位都相同的交变磁场H1，称其为一次场。若这个磁场穿过地下良导体，则由于电磁感应，可在良导体内产生二次感应电流I2。这个电流又在周围空间建立了交变磁场H2，称其为二次场。如果没有良导体存在时，将观测到二次场快速衰减的过渡过程；当存在良导体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，所观测到的过渡过程衰变速度将会变慢，分析和处理其观测的数据，最终对地下异常电性参数进行解释。

2)高密度电法。高密度电法[10-13]是在直流电阻率法基础上的优化改进后形成的，其是以异常体与周围地质体间的电性差异为前提，通过研究在地下人为建立稳定电流场时的各深度位置处电阻率分布情况，进而判断地质体内部结构及判断异常体分布位置。高密度电法集电剖面和电测深为一体，具有更高的工作效率、更丰富的数据量及更高的分辨率，在地质灾害探测等领域已有广泛应用[14-18]。

探测区地下介质存在较大的电性差异，瞬变电磁法及高密度电法正是利用电性差异对介质的进行探查，利用这两种物探方法对岩溶塌陷区进行岩溶空间分布的探测具有一定的优越性及可靠性。

3 现场探测

3.1 测线布置

根据测区现场环境条件，选择垂直塌陷区走向方向布置测线，以充分获取测区地下介质信息，测线布置图如图1(a)～(b)所示。瞬变电磁法与高密度电法测线布置参数如表1、表2所示。瞬变电磁剖面测量和测深工作同时完成，从二维及三维断面上对地层分布、断裂构造及塌陷区发育范围进行探查研究。

(a)瞬变电磁测线布置 (b)高密度电法测线布置图1 现场综合物探各测线布置示意图

表1 瞬变电磁法测线布置参数

表2 高密度电法测线布置参数

3.2 探测数据分析

1)瞬变电磁数据分析。瞬变电磁数据采集完成，采用专业软件进行数据处理，获得各测线二维剖面图(见图2)，另外，通过提取各测线二维剖面中相同深度数据并进行从新组合，最终获得不同深度下的水平切片图(见图3)。其中，图2为瞬变电磁Y-Z方向各测线二维剖面图，横坐标为测线长度，纵坐标为高程，图3为瞬变电磁X-Y水平方向不同深度切片图，水平坐标为平面二维坐标，垂向坐标为高程。

(a)1～4号测线剖面图

(b)5～8号测线剖面图

(c)9～11号测线剖面图

(d)9～14测线剖面图图2 瞬变电磁Y-Z方向各测线二维剖面图

由图2可知，表层第四系土层表现为低电阻率，电阻率值多分布在10～25Ω·m，下部岩石层表现为较高电阻率，电阻率值多分布在30～65Ω·m。由图2(a)，1～4号测线下部的基岩中出现多个低阻异常区，其中，YC-1与YC-2异常区发育范围较大，分布在高程-35～-280 m范围，电阻率值多分布在10～35Ω·m；YC-3异常区发育范围相对较小，分布在高程-35～-220 m。由图2(b)，5～8号测线剖面图中呈现出三个较小低阻异常区，分别为YC-4、YC-5、YC-6，分布在高程-40～-150 m范围。由图2(c)、(d)，9～14号测线剖面图中未出现明显异常区，岩体结构整体较为完整，分析测线已在地下岩溶发育区范围外。

为更加直观呈现研究区内各测线测量数据所得到的低阻异常体空间分布特征，故对各条二维测线数据进行提取整理后得到图3。由图3能清晰呈现不同深度异常区域空间发育情况，可以看出YC-1、YC-2异常区范围较大、发育程度较高，YC-3～YC-6异常区发育程度较小，同时，各低阻异常区之间均有一定的连通且空间分布较为靠近。故推断YC-1～YC-6位置在基岩内部出现的低阻异常区域可能为岩溶发育，其中YC-1、YC-2为主要岩溶发育区。

2)高密度电阻率法数据分析。为进一步判断在研究区内通过瞬变电磁探测到的低阻异常区是否为岩溶发育以及确定其准确的空间展布范围，故在上述得到的异常区附近地表增加布设了三条高密度电法测线，用于进一步综合探测及准确圈定岩溶位置。图4为对三条高密度电法测线数据进行处理后得到的电阻率反演剖面图，其横坐标为测线长度，纵坐标为高程。

图3 瞬变电磁X-Y水平方向不同深度切片图

(a)一号测线高密度电法剖面图

(b)二号测线高密度电法剖面图

(c)三号测线高密度电法剖面图图4 高密度电法电阻率反演剖面图

由图4可见，测区内浅部主要为第四系表土层，而深部的基岩结构并不完整，且其内部存在多处明显低阻异常区，电阻率约为1～10 Ω·m。

其中，图4(a)可见探测断面内在测线长度在350～500m处的低阻异常主要在-50m高程的浅部，在平面位置上与TEM解释推测的YC-1号异常相对应；测线长度在700～750m处的低阻异常深度到-150m高程位置向下未闭合，说明仍向下延深，在平面位置上与TEM解释推测的YC-2号异常相对应。

图4(b)断面内异常在测线长度在450m处的深部低阻异常延深到-150m高程向下未闭合，说明向下延深较大，在平面位置上与TEM解释推测的YC-1号异常相对应；测线长度在600～650m处的低阻异常深度到-200m高程位置向下未闭合，在平面位置上与TEM解释推测的YC-2号异常相对应。

图4(c)断面内在测线长度在120～250m处的低阻异常向深部未闭合，在平面位置上与TEM解释推测的YC-1号异常相对应；测线长度在300～400m低阻异常深部-70m高程位置出现下凹异常，在平面位置上与TEM解释推测的YC-2号异常相对应。

由瞬变电磁法及高密度电法综合勘探得到的结果可知，两种测量得到的异常区分布基本一致，在测区内分布多处疑似岩溶发育，且YC-1、YC-2为主要岩溶发育区。该塌陷沉降区形成的主要原因认为是由矿山巷道长期排水，YC-1、YC-2异常区中的溶洞与深部断层及异常带中裂隙间形成了人为的地下水通道，使第四系和新近系砂层、泥灰岩与基岩风化带含水层中的砂、土颗粒流失，局部地段形成充水空洞，加上外部因素的矿山开采、爆破震动及大气降水等因素的综合影响，达到岩溶及充水空洞坍塌的临界值进而形成的突发性地表塌陷沉降事件。建议矿山生产工作进行合理的抽排水，防止岩溶进一步发育；对探测结果中明显岩溶发育区进行注浆充填等合理的施工治理。

3.3 钻探验证

为验证综合勘探结果的准确性，在疑似岩溶发育位置选择低阻异常规模相对较大的YC-2异常中心附近打钻验证。根据查证钻孔钻探结果：浅部高程0～50m间为第四系土层；高程-150～0m范围内岩体破碎、裂隙构造发育明显且充填大量泥水，其为断层的延伸区；电阻率等值线图反应的完整基岩面顶部与钻探结果相比有一定偏差，主要因在高程-208～-150m间由大量破碎岩体及断层泥等充填，断层带及两盘破碎岩石的裂隙可能是水的通道，因此产生了深部的低阻异常。钻探施工结果与瞬变电磁法、高密度电法探测结果基本一致，说明了探测方法的可行性与有效性。

4 结论

(1)在测区内圈定2个主要低阻异常区，其中YC-1、YC-2异常区中岩溶发育明显且影响范围及深度较大，深度到-200m高程位置，推测其是引起塌陷的主要因素；其余4个低阻异常延深较小，主要是浅部溶洞引起，不是引起塌陷的主要因素。

(2)高密度电阻率法探测分辨率较高，对溶洞等地质异常体的空间发育形态反映准确，但勘探深度较浅；而瞬变电磁法则可弥补勘探深度不足的问题，提高对研究区内深部结构的探测能力，获得更加全面的地质数据信息。将上述两种勘探方法相结合对岩溶塌陷区进行综合地球物理探测可明显提高探测结果的可靠性及精确性，应用效果良好。