等值反磁通瞬变电磁和微动勘探在浅部岩溶探测中的应用

张学亮，谢 涛，周 炜，高 辉，邓 冬，曲靖祎

(1.中石化烟台龙口液化天然气有限公司，山东 烟台 264000；2.四川省核工业地质局二八二大队，四川 德阳 618000)

灰岩地区广泛发育的节理、裂缝和空洞等会直接影响基岩的力学性质，对岩土工程建设会构成极大的风险。其大小、发育密度以及活跃的溶解过程降低岩体的承载力和强度，导致地基不稳定。此外，从基岩到岩溶形成的横向变化可能会导致建筑的不均匀坍塌，导致墙壁、地面地基出现裂缝，破坏建筑的结构完整性，危及整个建筑的安全[1-3]。

地球物理方法是解决岩土工程问题有力的工具[4-8]，尤其是在地质复杂的情况下，地球物理方法的作用更为突出[9-12]。然而，对于特定的工况环境，方法的选择往往受限较多。山东龙口港T01−T10 号储罐区浅表岩溶和裂缝非常发育，但因其工况条件复杂，要开展高精度的岩溶及裂隙探测，方法的选择难度非常大：由于场地周边施工作业多，电磁干扰严重，因此，测量天然场源的音频大地电磁法受到限制，无法采集到合格的数据；区内浅表回填的矿渣具有电阻率低且厚度较大特性，采用直流电法很难穿透低阻屏蔽层，难以采集到有效的深部电流信号；受场地限制，也无法布设较长的测线，很难达到需要的探测深度，所以不利于采用高密度电法测量。基于此，本研究采用等值反磁通瞬 变 电 磁(Opposing Coils Transient Electromagnetic，OCTEM)与微动勘探联合的方式，开展浅部岩溶探测研究。

1 工区概况

1.1 工程地质特征

研究区位于山东省烟台市管辖的龙口市，属于胶北隆起区，龙口凹陷地质单元。卫星影像(图1)清晰地显示近期北西向断裂活动迹象较明显，该断裂活动控制着本区河流分布、河流流向、河道演变、海岸呷角、潟湖、海湾的分布及平原地貌的发育；北北东向的断裂也很清晰，对本区地貌起着主导作用，山区的山脊走向、河流流向、构造盆地的展布和形状、花岗岩体的长轴方向及岩脉产状等受其控制[13]。

图1 工区位置及探测剖面部署Fig.1 Location of the survey area and the deployment of exploration sections within the area

本次勘探的储罐区位于龙口港内，其浅表广泛分布第四系松散沉积物，岩土层自上而下划分为全新统、上更新统、早中更新统和古近系沉积物。现场踏勘及前期的浅钻钻孔取心情况表明：地表填充物包含煤矿渣、金属矿渣、花岗岩、黏土等各类矿渣，厚度10～20 m；下伏基岩主要为可溶性岩石，包括泥灰岩、灰岩、砾岩(砾质成分为灰岩)，可溶岩节理裂隙发育，为地下水的运移提供了良好的通道。受岩性、水动力条件等多种地质和地下水作用的影响，岩溶一般沿着节理裂隙面、地层层面等构造面发育，裂面岩石被慢慢溶蚀后，会形成各种各样的溶隙或溶孔，如果存在网状密集切割的节理裂隙，会构成连通体，从而形成大的溶槽或溶洞。该区岩溶的发育主要以竖向为主，随机性非常强，并无明显的规律。已有的钻探资料表明，岩溶的层底埋深一般在50.3～90.7 m，且未揭穿；潜水面深度为3～5 m，地下溶洞、孔隙、裂缝中主要充填有海水、泥土等胶结物。

1.2 地球物理特征

对工区不同岩性分别进行了电阻率和波速测试，测试结果见表1。从电阻率统计情况看，上层的粉质黏土、粉土、细砂、中粗砂、粗砂之间电阻率差异不大，均小于200 Ω·m；下层强风化灰岩电阻率均值达到了628.8 Ω·m，微风化灰岩电阻率均值更是达到了3 748.2 Ω·m，上层覆盖物与下伏灰岩之间的电阻率差异明显，可以通过电阻率差异划分基覆界面；而根据地质分析，岩溶溶蚀发育一般在50 m 以下，岩溶内充填的海水、泥土等胶结物同样呈低阻特征，与围岩存在明显的电阻率差异，具备开展地球物理勘探的工作前提，可采用能获取介质电阻率的物探方法进行岩溶探测。

表1 工区不同岩性物性统计Table 1 Statistics of physical properties of different lithologies in the survey area

从波速统计结果来看，存在与电阻率相似的变化规律。(1)上层覆盖物：上层覆盖物的横波速度相对较低，总体波速值由上至下逐渐变大，其中粉质黏土的横波速度最小，变化范围为42～213 m/s，平均波速为154 m/s；粗砂的横波速度最大，变化范围为204～671 m/s，平均速度为413 m/s。(2)基岩：灰岩的横波速度与其风化程度密切相关，其中强风化灰岩横波速度在643～1 086 m/s，均值为897 m/s；微风化灰岩横波速度为1 058～2 242 m/s，均值为1 752 m/s。上层覆盖物与下伏基岩之间存在明显的横波速度差异。含岩溶的强−中风化灰岩，会受到溶洞体积大小和其充填物性质的影响，其波速值会明显低于原岩，故可通过获取横波波速的物探方法进行岩溶探测。

2 方法技术

工区主要包括了10 处储罐区，本次主要勘探T05−T10 号储罐区(图1)。复杂的工作环境为探测浅部岩溶的方法选择提出了巨大挑战：场地周边施工作业多、电磁干扰严重，天然场源的音频大地电磁法受到限制，无法采集到合格的数据；区内浅表回填的矿渣厚度较大，且为低电阻率特性，直流电法难以穿透低阻屏蔽层，无法采集到有效的深部电流信号；场地囤积的金属矿渣以及货物等障碍物较多，施工场地受限严重，也不利于高密度电法测量的开展。最后选择了施工便利、抗干扰能力较强的等值反磁通瞬变电磁法和微动勘探法进行联合探测。

首先，采用等值反磁通瞬变电磁法对整个工区开展了1 0 m×5 m网格密度的扫面工作，在平行剖面的三维网格中进行电阻率层析成像剖面，以获得三维地电模型；然后根据OCTEM 结果，在基岩层中提取低阻异常区推断出潜在岩溶发育区，并在垂直潜在岩溶发育区方向布设精测剖面，进一步开展微动勘探对异常进行验证；最后，联合两种勘探结果，推断出岩溶的准确位置，为勘探钻孔的孔位布设提供依据。

2.1 等值反磁通瞬变电磁(OCTEM)勘探

2.1.1 方法原理

等值反磁通瞬变电磁法(OCTEM)与传统回线源瞬变电磁法在工作原理上相同，即先通过人工源向发射线圈供电，产生一次场，随即瞬间关断电流，然后通过感应线圈接收大地感应随时间衰减的二次涡流场，根据其幅值和变化规律，获得地下电阻率分布信息[14]。与常规的瞬变电磁法不同的是，OCTEM 是反向双磁性电源的中心回线系统，上下2 个接收线圈面积相等且平行共轴，两者电流相同且等值相反，而接收电流互感器则位于接收线圈的中间位置，在该平面，上下两磁性源产生的垂向磁场大小相等、方向相反，矢量叠加后垂向磁场恒为零，磁力线呈水平状，在该平面上一次场总磁通始终为零。根据法拉第电磁感应定律，在发射电流关断前后接收线圈中将不产生一次场感应电动势，消除了一次场关断的影响，接收地下纯二次场响应，达到了消除“盲区”的目的[15-16]。近几年来该方法在岩溶等地质灾害探测中已取得过一些成功案例[17-20]。

2.1.2 数据采集与处理

数据采集使用HPTEM-18 采集系统。为了提高工作效率，并满足勘探深度以及数据质量的要求，开工前对各种工作参数进行了调试试验。因浅部地层电阻率较低，为确保勘探深度，选择了6.25 Hz 的工作频率以及9.5 A 以上发射电流。叠加次数分别选取100、200、400 次进行试验，结果显示(图2)：叠加100 次时，采集数据曲线浅部较为光滑，尾支跳动较大，推断是工区的各种干扰引起；叠加200 次时，尾支跳动有明显好转，但是仍未满足质量要求；叠加到400 次时，整条采集数据曲线相对光滑，数据质量较好。所以工区每个测点的叠加次数选择400 次及以上。

图2 等值反磁通瞬变电磁不同叠加次数数据质量对比Fig.2 Comparison of data quality of the opposing coils transient electromagnetic method under different stacking times

总共布设了30 条测线，线距10 m，点距5 m，具体位置如图1 所示。利用HPTEMDataProcess 数据处理软件，对各条测线分别进行编辑、反演，勘探深度设为120 m，可以获得每条剖面120 m 以浅的电性特征，然后通过三维可视化软件，获取整个工区的三维地电模型。

2.2 微动勘探

2.2.1 方法原理

面波法可分为主动源面波法和被动源面波法[21]，通常所说的面波勘探主要指主动源的瞬态面波法，而当前研究较热的微动勘探法是一种被动源面波法，利用的“微动”则为被动源，微动是一种由体波和面波组成的复杂振动，其中以面波能量为主，占总能量的70%以上。从地表微动信号中提取Rayleigh 波相速度(vr)频散曲线，再通过对频散曲线的反演，获得地下介质的横波速度结构以达到勘探目的的方法称为微动勘探法[22-24]。微动勘探分为单点探测(微动测深)和微动剖面探测两种：利用实测Rayleigh 波相速度频散曲线反演得 到台阵中心下方介质的一维S 波速度结构，称之为 微动测深；将Rayleigh 波相速度频散曲线直接转换成视S 波速度(vx) 随深度D的变化(vx-D) 曲线，再对各测点的vx-D曲线进行横向插值、光滑计算，最终获得二维视S 波速度剖面(vx剖面)用于推断解释，称之为微动剖面探测[22-23]。微动剖面能更客观、有效地反演地层岩性变化，且不受人文居住环境的干扰限制，在浅层地质结构探测方面很有优势。

2.2.2 数据采集及处理

微动勘探数据采集使用便携式三分量节点地震仪，型号为ALLSEIS-3C，频率为2 Hz。当前微动勘探主要采取的观测台阵有嵌套三角形、十字形、T 字形等方式。为了确保数据质量，施工前在工区内开阔处分别用这3 种台阵进行了测量试验。从提取的单点频散图谱可以看出(图3)，3 种类型的单点频散能量谱均清晰收敛在一定范围内，且在低频部分具有较高的相似度，其中嵌套三角形台阵的能量谱连续性最好(图3a)，抗干扰能力最强，十字形能量谱连续性也较强(图3b)，T 形连续性次之(图3c)，但也能勉强满足要求。所以在施工过程中，在场地环境允许条件下，优先使用三角形台阵，十字形和T 形台阵作为补充。

图3 微动勘探不同台阵探测结果对比Fig.3 Comparative analysis of the detection results from different microtremor arrays

为了满足勘探深度及分辨率要求，测点间距3～4 m，三角形嵌套台阵观测半径r=0.9、10、20 m；在硬化地面埋置时，清除表层的砂石等障碍物；检波点位于干沙、砂石、虚土层时，采用挖坑并压实埋置的措施，增强耦合；此外由于工区位于港口，风力较大，采集时在检波器上罩锥形桶避免风吹干扰。

数据处理主要采用空间自相关SPAC 法[25-28]进行，首先计算空间自相关函数，将台阵中的台站进行两两组合，对台站对的波形数据在相同时间段内进行快速傅里叶变换(FFT)求功率谱和互功率谱，然后计算空间自相关系数，最后拟合Bessel 函数以求取面波相速度。为最大限度消除单一物探方法的多解性，根据等值反磁通瞬变电磁结果，选择了OCTEM-21、OCTEM-23 和OCTEM-25 线推测岩溶最为发育的区间段，进一步开展了微动剖面探测，具体剖面位置如图1 所示。

3 结果与讨论

3.1 等值反磁通瞬变电磁勘探结果

选 择OCTEM-21、OCTEM-23 和OCTEM-25 三条典型剖面的等值反磁通瞬变电磁结果进行分析(图4)。纵向上，电阻率从上至下明显表现为低阻−中低阻−高阻的三层电性结构特征，最上层的低阻体电阻率为0～150 Ω·m，厚度为10～16 m；中间层的中低 阻体电阻率为150～350 Ω·m，厚度为28～40 m；底层的高阻体电阻率为350～800 Ω·m。根据前期对该区地层结构的认识，上层低阻体应为区内浅表回填的煤矿渣、金属矿渣、花岗岩、黏土等各类矿渣的综合反映，中间层的中低阻体则为第四系，底层高阻体则为基岩。

图4 3 条典型测线的等值反磁通瞬变电磁电阻率反演结果Fig.4 Resistivity of three typical survey lines inverted using the opposing coils transient electromagnetic method

横向上，回填物和第四系的电阻率较均匀，变化不大，不存在电性突变的现象；但下层基岩浅部的横向电阻率变化较大，局部位置出现了电性突变现象，突变位置电阻率突然变小，形状呈圆形、椭圆形和长条形，在基岩表面则呈凹槽的形状。很明显，这是灰岩溶蚀后形成的溶洞、溶沟、裂隙等，内部充填淤泥、海水导致其电阻率与围岩相比较低。所以，可以将基岩中低阻异常圈定出来推断为溶洞或裂隙发育区。

利用工区内全部瞬变电磁勘探剖面反演形成的数据集，采用三维可视化软件，可以在不同深度构建3D电阻率体积模型和水平切片。图5 以6 个不同埋深的水平切片描绘了8 号罐区3D 模型的详细成像。重点关注了埋深在50～80 m 的岩溶发育区层位，通过不同埋深切片的低阻异常对比分析，可以直观地反映出岩溶的空间变化特征，8 号罐区浅部岩溶发育，在埋深55 m 左右开始出现岩溶异常，在埋深60～65 m 岩溶异常开始变大，主要分布于罐区中部，埋深70～80 m 处岩溶异常开始慢慢变小，甚至消失。如果以240～360 Ω·m 作为基岩内岩溶的电阻率边界，将基岩区内3D 电阻率体的高阻体剥离，即可得出推测岩溶发育区的三维空间展布形态(图6)，这对于验证钻孔定位及深度设计具有良好的指导意义。

图5 T08 号罐区在6 个水平切片中的地电模型Fig.5 Geoelectric models of the No.8 tank farm in six horizontal slices

图6 T08 号罐区岩推断溶发育区的三维空间展布Fig.6 3D spatial distribution of the karst developmental areas in the No.8 tank farm

3.2 微动勘探结果

在OCTEM-23、OCTEM-25、OCTEM-21 线推断岩溶最为发育区间段的相同位置，同时布置微动剖面测线WD1、WD2 和WD3。计算得到如图7 所示的视S 波速度剖面。从结果看，纵向上，视S 波速度从上至下明显表现为低速−中高速的两层速度结构特征，上层低速层的视S 波速度为100～600 m/s，厚度在45～60 m，根据地质认识，推断该层为上部覆盖层；下层中高速层的视S 波速度在700～1 600 m/s，推断为基岩层。横向上，基岩层多处出现了视S 波速度突然变小的现象，存在多处漏斗状或条带状的低速异常区，推断其为基岩存在的溶洞、溶沟或裂隙所致。据此，WD1线岩溶最为发育，可推断出6 处岩溶发育区(图7a)，WD2、WD3 线分布存在3 处和2 处岩溶发育区(图7b、图7c)。岩溶或裂隙发育区的S 波速度为100～300 m/s，与基岩层的视S 波速度存在显著差异。

图7 微动视S 波速度剖面Fig.7 Apparent S-wave velocity profiles with interpretations of the microtremor survey method

3.3 联合解释和讨论

上述2 种不同的地球物理方法，分别利用溶洞与围岩存在的视电阻率和视S 波速度的差异特征，推断了岩溶发育区，且2 种方法的推断结果对应性良好。以OCTEM23 线与WD1 线的结果为例(图8)，OCTEM23线与WD1 线重叠段长度为350 m，根据高阻体灰岩中存在的低电阻率特征，可推断出6 个岩溶发育区，编号分别为①−⑥(图8a)；而根据视S 波速度差异则可推断出7 个岩溶发育区，编号分别为①−⑦(图8b)。从异常的平面位置、大小、形状及埋深上看，2 种方法推断的①−⑥岩溶发育区具有很好的对应性，这也互相证明了这两种方法用于岩溶发育区调查是非常有效的。然而，微动勘探结果推断的⑦号岩溶发育区所在位置，在瞬变电磁剖面上不是表现为低阻体，而是表现为中高阻，推断是因为该处岩溶为未填充或半填充溶洞所致。因为灰岩本身也是中高阻介质，所以如果单从瞬变电磁反演的电阻率结果上看，很难将该处推断为岩溶发育区。而溶洞无论是充填或是空腔状态，在视S波速度上均表现为低速异常，通过微动剖面法得出的视S 波速度异常就可以很容易区分出来。这种特殊岩溶环境的复杂性突出了应用多种方法和组合解释的必要性。

图8 OCTEM-23 与WD1 线联合解释及推断成果Fig.8 Joint interpretations and inferences of the OCTEM-23 and WD1 sections

结合2 种方法的勘探成果后，可以得出该剖面的地质推断结果(图8c)。后期在该剖面上实施了ZK5、ZK7、ZK9 三口验证钻孔，在推断岩溶发育区范围内均成功打到了岩溶。其中ZK5 的溶洞埋深范围为52.5～54.6 m，溶洞内大部分是空洞，只填充了少量的黏土(图9a)；ZK7 的溶洞埋深范围为60.1～66.7 m，溶洞内部充填物以黏土为主(图9b)。同时，也注意到，推断的岩溶发育区范围比实际的溶洞范围要大很多，推断主要是溶洞周围节理、裂隙、断裂相对发育含水所致。

图9 ZK5 和ZK7 钻孔岩溶段岩心照片Fig.9 Photos of cores from the karst intervals in boreholes ZK5 and ZK7

通过钻孔验证可知，等值反磁通瞬变电磁和微动勘探联合解译，可有效探测到岩溶的存在。综合两者结果，最终解译出整个工区范围内的基岩面埋深形态以及岩溶空间分布的情况(图10)。从推断结果看，岩溶的发育与基岩埋深有一定的相关性，岩溶发育区一般都分布于基岩埋深较大的区域，其中T08、T09 号储罐区范围内岩溶最为发育。后期总共实施了36 口验证钻孔，其中26 口钻遇了溶洞，成功率达到70%。

图10 研究区基岩顶面埋深及推断岩溶平面分布Fig.10 Burial depth of the bedrock top surface and the plane distribution of inferred karsts in the survey area

4 结论

a.在山东省龙口港储罐区复杂工况条件下，利用等值反磁通瞬变电磁和微动勘探法进行岩溶勘探效果明显，后期钻孔验证钻遇溶洞的成功率达到了70%，说明了在复杂环境条件下，联合采用等值反磁通瞬变电磁和微动勘探法进行浅部岩溶探测是行之有效的。

b.等值反磁通瞬变电磁法在岩溶探测过程中，建立地电模型后，可以根据基岩层中的低阻异常识别出全充填的溶洞，但如果在基岩层中产生了孤立的中高电阻目标则可能是充气溶洞，也可能是灰岩本身所致，仅根据电阻率参数很难分辨是否为溶洞。

c.充填、半充填或未充填溶洞，微动剖面法的响应特征均表现为相对视S 波低速异常体，对于等值反磁通瞬变电磁存在无法分辨的中高阻是否为充气溶洞的缺点，可以起到很好的补充作用。

d.本次开展的浅部岩溶探测研究，突出了等值反磁通瞬变电磁法和微动勘探法的优点和缺点。很明显，多种方法的结合产生了更准确和可靠的结论。在岩溶发育、施工条件相对复杂的情况下，联合使用以等值反磁通瞬变电磁为主、微动勘探法为辅的探测方案既经济，又相对可靠，具有推广价值。