基于等值反磁通瞬变电磁法的城镇岩溶探测研究

刘恒达

(湖南省有色地质勘查研究院，湖南 长沙 410007)

0 引言

地面塌陷是指地表岩、土体在自然或人为因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑(洞)，伴生地面沉降(引发房屋开裂)和地面开裂的一种地质现象。当这种现象发生在有人类活动的地区时，便可能成为一种地质灾害。2020年9月，湖南省某地突发地面塌陷，形成3处塌陷坑，多处房屋出现不同程度的开裂变形，威胁道路和71户300多人的生命财产安全。经过现场调查，工作区主要为灰岩地层，岩溶较为发育，根据塌陷的诱发因素分析，该塌陷为人为诱发塌陷，即工作区及周边存在过度开采地下水的现象，当地下水位急剧下降，导致岩溶顶板破裂，覆盖型可溶岩(碳酸盐岩)的岩溶洞隙直接带走上部土粒形成土洞使地面产生陷落。其形态类型属于岩溶地面塌陷。为了了解地下岩溶的分布情况，以便针对性的开展地面塌陷治理工作，需要在工作区开展物探工作。

工作区房屋密集，房屋周边多有水泥坪和水泥路分布，多条民用电线穿梭于工作区上方。若开展电法工作，如高密度电法，则不利于测线及电极的布置，若开展常规电磁法，则无法避开工作区民用电线等电磁干扰。经过研究，决定采用等值反磁通瞬变电磁法(Opposing Coils Transient Electromagnetics Method，简称OCTEM)[1-5]作为本次岩溶探测的物探工作方法。本次等值反磁通瞬变电磁法采用定点测量的方式，不需布设导线，相对常规瞬变电磁法[7-15]，等值反磁通瞬变电磁法(OCTEM)无浅层勘探“盲区”，具较强的抗干扰能力[1]，比较适合在这种城镇密集区开展工作。

1 等值反磁通瞬变电磁法原理

等值反磁通瞬变电磁法[1-6](OCTEM)由中南大学席振铢教授提出，它是将接收线圈置于一个零磁通面上进行数据采集，可避免一次场干扰早期二次场的采集，实现基本消除瞬变电磁法的浅层盲区、提高浅层探测能力的目的。

具体方案：根据相同两组线圈通以反向电流时产生等值反向磁通的电磁场时空分布规律，采用上下平行共轴的两组相同线圈为发射源，且在该双线圈源合成的一次场零磁通平面上，测量对地中心耦合的纯二次场(图1)。双线圈在地面发射瞬态脉冲电磁场信号，其中一组线圈置于近地表面，在瞬态脉冲断电瞬间，近地表叠加磁场最大，因此，在相同的变化时间下，感应涡流的极大值面集中在近地表，感应涡流产生的磁场最强，随着关断间歇的延时，地表感应涡流逐渐衰减又产生新的涡流极大值面，并逐渐向远离发射线圈的深部、边部方向扩散，即为M.N.Nabighian[3]形象描述的瞬变电磁法的“烟圈效应”(图2)。涡流极大值面的扩散速度和感应涡流场值的衰减速度与大地电性参数有关，一般在非磁性大地中，主要与电导率有关：大地电导率越大，扩散速度越小，衰减得越慢。根据地表接收到的涡流场信号随时间的衰减规律即可获得地下电导率信息。

图2 瞬态涡流极大值扩散示意图Fig.2 Schematic diagram of transient eddy current maximum diffusion

根据Jackson(1998)[6]推导的半径为R，通入电流为I的单线圈在自由空间球坐标系下以原点O为中心的磁场表达式，通过坐标变换可得柱坐标系下该单线圈电流环产生的磁场各分量的表达式为

(1)

(2)

根据以上公式和矢量叠加原理计算OCTEM双线圈源的一次磁场，可知双线圈源的中间平面磁力线是水平的，为一次场零磁通面，此平面接收信号不受一次场关断影响，将接收到地下纯二次场响应。

2 工程应用

2.1 工程地质条件

据相关地质资料及野外工程地质调查，调查区房屋密布，有省道及水泥路穿过，地形条件较为复杂(图3)；区内构造不发育，未发现活动性断裂构造迹象，地形平坦开阔，地形坡度一般小于5°。

图3 工作区地质及地物情况Fig.3 Geology and ground feature of the work area

通过现场调查及资料分析，区内地层由上至下依次为第四系冲洪积(Qalp)粉质黏土、砂卵石层、二叠系龙潭组(P2l)灰岩。① 粉质黏土：灰褐色、黄色，可塑—硬塑，成分以黏粉粒为主，部分含少量砾石，韧性中等、干强度高，摇振无反应，刀切面稍光滑。② 砂卵石层：黄色、黄褐色，稍密—中密，饱和，卵石含量约占总含量的50%以上，成分为砂岩，磨圆度较好，呈圆状—次圆状，分选性一般，其粒径为20～80 mm，黏土和中细砂充填。③ 中风化石灰岩：灰色，隐晶质结构，中—厚层状构造，局部岩体方解石脉呈网、条状分布，节理裂隙发育，岩溶发育，岩石较完整，多呈短柱状、柱状，岩石质量等级为较硬岩Ⅲ级。

根据临近地区物性资料，工作区地层的视电阻率特征如下：① 第四系冲洪积层(Qalp)：主要成分为粉质黏土和砂卵石，由于含水性好，常表现为浅部层状低视电阻率特征。② 二叠系龙潭组(P2l)灰岩：完整的灰岩常表现为大范围的面状高视电阻率特征。③ 岩溶发育区：工作区岩溶极为发育，当灰岩被溶蚀，常形成溶洞，溶洞因充填水和泥砂，常表现为小范围的低视电阻率或视电阻率曲线下沉特征。④ 等值反磁通瞬变电磁法勘查的基本原理是利用了不同岩性之间的电阻率差异。工作区各地层岩性之间电阻率差异明显，具备地球物理勘探的物性基础。

2.2 工作布置及数据采集

本次瞬变电磁法采用湖南五维地质科技术有限责任公司的“HPTEM-18高精度瞬变电磁系统”开展探测工作，均以东南角为零桩号起点，共布设2条瞬变电磁法剖面(图3)，分别为L1剖面380 m、L2剖面330 m，各测线点距5 m。采用HPTEM-18高精度瞬变电磁仪数据采集时，关键是测量模式、发射频率和叠加次数的选择。

1)测量模式。HPTEM-18型高精度瞬变电磁系统设计了定点测量和动态测量方式。一般场地情况下，建议定点测量，但是在城市道路、机场跑道以及高速公路路基基地检测等检测场地，建议动态测量与定点测量相结合的工作方式提高效率和探测精度。本次野外工作采用定点测量方式。

2)频率选择。HPTEM-18高精度瞬变电磁仪的发送频率在0～10 kHz之间，可以按照0.1 Hz步进进行增大或减小调节，但在野外实际工作中，通常可选择25 Hz、6.25 Hz和2.5 Hz这三个频率。HPTEM-18高精度瞬变电磁仪的勘探深度和发送频率有关，勘探深度越深，所要求的发送频率越小，反之，则发送频率越大。本次工作需要有效勘探深度为60 m，根据试验工作，选择25 Hz为发射频率。

3)叠加次数。叠加次数的选择则主要与当地的噪声水平有关，理论上叠加次数越大，采集到的衰减曲线信号信噪比越高，在实际工作中，根据实测信号质量，兼顾工作效率，叠加次数为400～500次，并重复观测两次为佳。本次工作设置叠加次数为400次，重复观测为2次。

数据采集时，逐个测点进行测量，仪器天线盒水平放置于测点上，以便保证数据的有效性；测量时，主机、电脑和工作人员远离天线盒，减少人为干扰。

2.3 瞬变电磁数据处理

瞬变电磁法数据处理是本次工作的关键步骤之一，数据处理流程见图4，主要步骤包含数据预处理、定性分析、定量解释和综合解释。

图4 数据处理流程图Fig.4 Data processing flow chart

1)数据预处理。对原始数据进行数据预处理，包括踢飞点去噪等数据编辑、导入地形数据和平滑滤波。

2)定性分析。对原始数据曲线的定性分析，包括参数分析、曲线类型分析、视电阻率分析。

3)定量解释。定量解释包括一维反演和瞬态弛豫二维剖面反演。定量分析采用的软件为HPTEM-18瞬变电磁系统数据处理软件，这是一款专用数据处理软件，它具有对单点数据进行一维反演的功能，同时具有将多点数据进行瞬态弛豫二维剖面反演的功能。一维反演采用了全区自动正演模型生成反演拟合的方式，不需人工参与，拟合效果较好，拟合度均在95%以上。瞬态弛豫二维剖面反演法根据等值反磁通理论进行公式推导，一种适用于等值反磁通测量的反演方法，对岩溶和采空等反应灵敏的反演方法，该反演方法得到的结果是“相对电阻率”，与真电阻率和视电阻率均存在一定的差异，但可以通过“相对电阻率”对异常进行判别。

4)综合解释。综合定量解释和已有地质资料，形成电学地质断面图，用于成果推断解译。

2.4 成果分析与钻孔验证

2.4.1 反演成果分析

用HPTEM-18瞬变电磁系统数据处理软件对采集数据进行反演，求出电阻率和深度，得到各剖面电阻率等值线断面图(图5)。

图5 工作区瞬变电磁反演相对电阻率等值线图Fig.5 The contour map of OCTEM inversion relative resistivity in the work area

通过对各瞬变电磁探测剖面反演成果进行分析，本次瞬变电磁法探测在浅层并未形成明显的浅层盲区，反演成果清晰地反映出了不同位置、不同深度地层电阻率的变化情况。根据工区地质情况及反演成果，将300 Ω·m界定为土石界面，根据测区地球物理特征可知，该区地层为简单的二层结构：

1)表层第四系覆盖层电阻率较低，横向上电阻率连续性较好，覆盖层与基岩电阻率差异明显、界限分明，覆盖层厚度10～12 m；

2)下伏基岩表现为电阻率持续增大的高阻层，在图5中，横向上存在不同宽度和深度的200～400 Ω·m“低电阻率异常区”或“电阻率曲线下沉异常区”共计14处。其中L1剖面Y1-2、Y1-3、Y1-4区、L2剖面Y2-8区为“电阻率曲线下沉异常区”，其他异常区为“低电阻率异常区”。

各异常区为岩溶或溶蚀裂隙发育使岩层的完整性、连续性遭到了破坏的表现：L1剖面Y1-1、Y1-2、Y1-3区、L2剖面Y2-5区电阻率异常范围较小，且刚好位于土石界面以下，推断异常区为风化引起岩石的溶蚀裂隙发育所致；其他异常区范围相对较大，推断异常为岩溶发育所致。

2.4.2 钻孔验证

为了验证本次瞬变电磁法探测成果的准确性，在瞬变电磁测线上共布置了4个验证钻孔(图5)。钻探验证结果与瞬变电磁法探测成果对比见表1。从钻探结果来看，在ZK01、ZK02、ZK03、ZK04中均发现了不同程度的岩溶发育，表明钻探验证结果与瞬变电磁法探测成果高度吻合。

表1 钻探结果与物探成果对比Table 1 Comparison between drilling results and geophysical results

3 结论

本文通过在湖南某已知地面塌陷区开展等值反磁通瞬变电磁法工作，通过瞬态弛豫反演法反演得到的电阻率断面完整体现了不同深度地层的电阻率信息，各地层结构特征明显，“低电阻率”或“电阻率曲线下沉”异常区反映了下伏基岩中岩溶及溶蚀裂隙发育区的位置，钻探验证结果与推断成果高度吻合，表明等值反磁通瞬变电磁法实现了浅部的岩溶探测，探测成果准确。同时表明该方法适合在房屋密布、接地条件不好、电磁波干扰大的村庄、城镇等地方开展工作，较好地解决了实际工程问题。