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

2022-01-19王斌战李成香周世昌马小丰王建军郭光宇

资源环境与工程 2021年5期

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)。