三维直流并行高密度电法与瞬变电磁法在某玻璃管拟建场地勘察中的应用

2021-01-08姚丽芳张顺中陈兴海潘乐荀汤连生

科学技术与工程 2020年34期

姚丽芳，张顺中，陈兴海，潘乐荀，汤连生

(1.广州航海学院航务工程学院, 广州 510725； 2.浙江省工程勘察院，宁波 315012； 3.安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司，合肥230601； 4.中山大学地球科学与工程学院，广州 510275)

岩溶不良地质现象在工程建设中常常引发工程地质问题，为了查清拟建某玻璃管项目场地范围内岩溶分布及发育情况，根据测区已知的工程地质资料和初勘阶段资料分析，采用三维直流并行高密度电法、瞬变电磁法相结合的综合物探手段以实现溶洞分布的勘察。三维直流并行高密度电法是直流电阻率法的一种，是在高密度电法勘探基础之上发展起来的一种新技术。并行高密度电法采用了类似地震勘探中多通道分布式的数据采集方法，大大增加电法勘探中数据采集量和勘探分辨率[1]。近年来，并行式三维电法勘探采用多通道分布式尽可能地记录地下三维立体空间的电场分布信息，然后利用三维正演模拟和反演计算进行资料处理解释，从而提高电法勘探分辨软件率[1]。瞬变电磁法近几十年发展迅速,其大定源回线装置采用边长数百米至数千米的矩形发射回线，在回线内布置测线和测点，沿测线逐点观测，能够适应复杂的地面施工条件，因发射回线面积大且固定，采用大功率设备供电，能够提供较强的发射磁矩，有利于大深度探测[2]。

1 工程地质概况

某玻璃管拟建场地位于浙江省丽缙五金科技产业集聚区，地貌属于永康-丽水-缙云断陷盆地，形成于中生代，以低岗缓丘地貌为主。场地现状为经人工挖方、填方形成的整体场地，自西北向东南略有倾斜，属山前地带，西侧为山体。场区地层可分4个工程地质层、7个亚层。地层依次为：①层新近填土、②层粉质黏土、③-2 层强风化流纹质含火山角砾岩屑晶屑凝灰岩、③-3层中风化流纹质含火山角砾岩屑晶屑凝灰岩、④-1 层全风化泥质粉砂岩、④-2 层强风化泥质粉砂岩、④-3 层中风化泥质粉砂岩。该区域出露两种下覆岩层，其中靠西侧大部地区为③层流纹质含火山角砾岩屑晶屑凝灰岩，靠东侧部分为④层中风化泥质粉砂岩。场区浅部地下水为孔隙型潜水，水位埋藏较浅，补给来源主要由大气降水入渗及地表水侧向补给，排泄方式以蒸发消耗为主。由于潜水与大气降水和地表水的关系十分密切，故水位呈季节性波动。

初步勘察阶段揭示在钻孔BH10、BH11下部有空洞，后在BH11孔附近补充钻孔BH17，仍发现空洞。3个钻孔中发现的空洞高度为0.70～5.50 m，钻进时在空洞区域钻杆自动下沉(掉钻)，推测充填物为水或泥浆，空洞成因尚不明确。由于地下空洞的存在，易产生地面塌陷，需要详勘期间利用物探方法查明相关情况[3-6](图1)。

图1 某玻璃管拟建场地探测范围Fig.1 Detection range of a proposed glass tube site

2 地球物理特征及方法选择

根据资料及现场勘察，场地以晶屑灰岩、凝灰岩等火成岩为主，在电性上表现为高阻，采坑被填充后，填充部分的密实度相对于完整岩石低，在大气降水及地下水的作用下，其空隙内被水充填，不密实部分或空洞区相对于密实区域水量更大，电性上表现为封闭的最低阻区域。现采用三维直流并行高密度电法视电阻率并行电法和瞬变电磁法的物探方法。

2.1 三维直流并行高密度电法探测方法和原理

三维直流并行高密度电法具有集电测深和电剖面法于一体的多装置、多极距的高密度组合功能；同时，还具有多次覆盖叠加的优势，能够探测测线外围一定范围的能力，最大侧向探测距离为电极控制段的长度。由于采用并行数据采集技术，在数据采集时具有同时性和瞬时性，可得到供电时的测线上的全部电位曲线(图2)，使得电法图像更加真实合理，大大提高了视电阻率的时间分辨率[7-8]。三维直流电法具有分辨率高、效率高和成本低等特点，已在资源勘查、工程和环境监测等领广泛应用。

图2 并行高密度电法采集电位图Fig.2 Parallel high-density electrical potential acquisition

根据电极观测装置的不同，并行高密度电法数据采集方式分为两种：AM法和ABM法。在现场工作中，测区内分别布置平行的电法测线，通过两条或两条以上的电法测线，可以获取测线间电性分布情况。提取供电电极和测量电极之间的电流电位信息，进行侧线间三维直流并行高密度电法电阻率反演，获取空间立体电性分布图。一般情况下，空洞的电阻率与周围介质的电阻率有明显差异，呈现低阻。

2.2 瞬变电磁法探测方法和原理

瞬变电磁法属时间域电磁感应方法。其探测原理是：在发送回线上供一个电流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向发射回线Tx法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流(图3)，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡(衰减)过程。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向地质体内传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况(图4)。

瞬变电磁场在大地中主要以扩散形式传播，在这一过程中，电磁能量直接在导电介质因传播而消耗，由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到深处，分布范围逐渐扩大。瞬变电磁法视电阻率ρ的计算公式[9-12]为

图3 半空间中的等效感应电流图Fig.3 Equivalent induced current diagram in half space

图4 瞬变电磁法原理图解Fig.4 Principle diagram of transient electromagnetic method

(1)

3 资料分析与解释

3.1 仪器参数设置

拟建场地物探采用惠洲地质安全研究院HZE11D并行高密度电法仪[13-16]和 YCS360A中功率瞬变电磁仪进行探测[13-15,17]。

三维直流并行高密度电法共布置测线15条，重点探测区域内布置9条测线，每条测线间距20 m，非重点区域内布置6条测线，每条测线间距35 m。每条测线共布置79个电极，电极间距2 m，布置测线长156 m，共完成测线总长2 340 m。测量参数为：AM法，供电时间0.5 s，采样间隔50 ms，供电电压48 V。

瞬变电磁法共布置测线67条，每条测线布置32个采集点，采集点间距5 m。共采集2 144个数据，完成测线总长10 385 m。测量参数为：发射频率12.5 Hz，采样频率1.25 MHz，叠加次数256次，测道数80道。

3.2 资料解释与推断

三维直流并行高密度电法探测共得到15张直流电法电测深剖面图、1张三维直流并行高密度电法立体结果图(图5)、1张异常区平面分布图、1张异常区圈定解释图[18](图6)。

图5 三维直流并行电法三维立体图(局部)Fig.5 Three-dimensional direct current parallel electrical method three-dimensional stereogram (local)

图6 三维直流并行电法异常区圈定解释Fig.6 Three-dimensional direct current parallel electrical method for delineation of abnormal areas

综合得到的成果图可以看出：直流电阻率法得到的有效测区范围内的视电阻率介于2～80 Ω·m，以小于26 Ω·m的区域作为场地直流电阻率法探测划定的相对低阻异常区，共划分异常区17个，分别为YC1～YC17，具体解释见表1。

瞬变电磁法探测共得到1张三维直流并行高密度电法立体结果图(图7)、1张异常区平面分布图、1张异常区圈定解释图[19-21](图8)。

综合得到的成果图可以看出：瞬变电磁法得到的有效测区范围内的视电阻率介于2～40 Ω·m，以小于16 Ω·m的区域作为本次直流电阻率法探测划定的相对低阻异常区，共划分异常区9个，分别为DZ1～DZ9，具体解释见表2。

综合三维直流并行高密度电法和瞬变电磁法成果得出，拟建场地共划分20个相对低阻异常区，分别为KD1～KD20，具体解释见表3。

4 结论

(1)综合三维直流并行高密度电法和瞬变电磁法结果，KD11、KD12、KD13、KD14、KD17与现场钻孔揭露空洞相吻合，KD2、KD3、KD5、KD6、KD7、KD8、KD10、KD15、KD16可能为空洞，KD1、KD4、KD9、KD18、KD19可能受裂隙发育造成浅层局部赋水，KD20不是空洞，但富水性较强。