等值反磁通瞬变电磁法在地裂缝调查中的应用

李巧灵，雷晓东，李 晨，罗 勇，张 辉，韩宇达，赵旭辰

(1.北京市生态地质研究所,北京 100120;2.北京市地质环境监测所,北京 100195;3.中国地质科学院,北京 100037)

1 引言

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method,TEM)属于时间域电磁探测方法,该方法利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场,并在一次脉冲间歇观测地下涡流场。二次磁场随时间衰减规律主要受异常体导电性、体积规模、埋深以及发射电流的形态及频率影响,基于此便可推断异常体的空间分布形态。TEM在矿产资源探测、地质灾害、建筑工程以及水文地质工程中应用广泛。金中国等分析了瞬变电磁法在铅锌矿区的工作效果,认为该方法在寻找高阻围岩下深部隐伏金属矿体中非常有效[1]。薛国强等将瞬变电磁法用于煤矿采空区、采煤工作面内部和掘进巷道前方水文钻孔位置、隐伏含水陷落柱构造等方面,均取得了不错的应用效果,为煤矿防治水工作提供了可靠资料[2-4]。李貅等利用瞬变电磁法进行隧道不良地质体超前预报,认为该方法对低阻含水断层、充泥充水溶洞、含水含泥破碎带等不良地质体反映灵敏,在隧道掌子面前方水体病害预报中效果明显[5,6]。于景邨等将瞬变电磁应用到井下巷道内开展工作,利用非接触式、多匝数和小回线井下测量装置,对深部采场突水构造位置探测非常有效[7]。马为利用瞬变电磁法对水下岩层垂向结构及隐伏断裂进行了探测,探测深度可达200 m,垂向分辨厚度可达21～50 m[8]。由此可见,瞬变电磁法具有对含水带结构等低阻异常反映敏感、空间分辨率高和探测空间大等特点。

但是,瞬变电磁法在发射电流关断时,接收线圈本身产生的感应电动势叠加地下涡流场产生的感应电动势,会造成早期信号失真,从而形成浅层探测盲区。为避免上述问题,席振铢等提出了等值反磁通瞬变电磁法(Opposing Coils Transient Electromagnetic Method,OCTEM),并逐渐得到推广应用[9]。王亮等通过正演的方式分析了OCTEM在城市浅部空洞探测中的有效性以及不同埋深、厚度等情况下的瞬变电磁响应相对异常,认为其对低阻薄层较对高阻薄层更敏感,薄层与围岩电阻率差异越大,薄层厚度与埋深比越大,越容易被探测到[10,11]。杨建明等证明了OCTEM在道路地下溶蚀发育情况探测、岩溶塌陷区的形态和规模探测、隧道开挖塌陷抢险探测等方面的有效性,认为OCTEM能有效避免一次场关断对二次场的影响,基本消除了浅层盲区,实现了浅层地层的准确探测,此外,OCTEM设备轻便,施工便捷,作业效率高,适合浅层快速探测[12-16]。高远等则利用OCTEM对煤矿、石膏矿等矿产资源开采区岩溶分布、采空区范围等进行了探测,认为该方法探测效果较好,受地形限制小,能大大提高野外施工效率,为矿区地质灾害调查提供详实的资料[17,18]。另一方面,OCTEM在路基潜在病害、地铁孤石探测等方面也有很好的应用效果,能适用于干扰严重、交通繁忙和建筑密集的城市复杂环境[19,20]。综上所述,OCTEM在瞬变电磁法的基础上克服了一次场关断对二次场探测的影响,没有探测盲区,在浅层工程地质问题探测方面具有独特优势。

地裂缝是一种典型的地质灾害,其发育具有隐蔽性和不确定性、勘查难度较大等特点。地裂缝调查工作主要以研究区域第四纪地层、地震及构造等地质环境条件为基础,结合测量、勘查手段,获取地裂缝空间分布、规模、形态特征,并揭示其成因的综合性地质工作。地球物理探测具有直观准确、快速高效等优点,近年来被广泛地应用于地裂缝探测方面。常用的物探方法有浅层反射地震法、地震映像法、高密度电阻率法、探地雷达法、多道瞬态面波法、瞬变电磁法等[21-25]。OCTEM在地裂缝调查中的应用少见报道,鉴于其较瞬变电磁法的优势,本次在宋庄地裂缝发育典型地段布设了4条OCTEM测量剖面,并对其探测效果进行了研究分析。

2 方法原理

为避免一次场对早期二次场的干扰,尽量消除瞬变电磁法的浅层盲区,席振铢等提出了等值反磁通瞬变电磁法,采用上下平行共轴的两个相同线圈通以反向电流作为发射源,在双线圈源的中间平面接收地下二次场。由于接收面为上下两线圈的等值反磁通平面,一次场磁通始终为零[9]。

基于Jackson推导的单线圈在自由空间球坐标系下的磁场表达式,将坐标变换至柱坐标系,可得单线圈电流环产生的磁场分量在半径为R,电流为I的情况下,以原点O为中心的磁场各分量表达式如下:

(1)

其中,K(c)和E(c)分别为第一类和第二类完全椭圆积分:

(2)

3 研究区概况

研究区位于北京市通州区徐辛庄附近(图1),属于典型的温带大陆性半湿润季风气候。具有春秋干旱多风、夏季炎热多雨、秋季天高气爽、冬季寒冷干燥的四季分明的气候特点。区内地下水储存条件好,地下水位受区域地质和水文地质条件制约。潜水水位一般年初开始缓慢下降,5、6月出现潜水最低水位值,7月至9月水位回升,夏末秋初出现最高水位值,10月后缓慢下降。除100 m以下保持自然动态特征外,100 m以上浅层承压水形成严重超采区,在5、6月份形成常年或季节性水位降落漏斗,水位逐年下降。区内地势略有起伏,趋于平坦,地貌可分为阶地地貌、泛滥平原地貌、河漫滩地貌、沙丘地貌、人为地貌等。由张家湾东北经通州镇至宋庄一线西北部地区,地面高程均在20 m以上,地形较为复杂,有明显陡坎、冲沟,呈缓坡状态遗迹和沙丘等阶地地貌特征。北运河与潮白河之间地区,由于近代河流泛滥堆积作用,其地势表现为近河床高、远河床低的态势,形成顺河床延伸的条形洼地。西部与南部为永定河作用地域,局部区域呈现东高西低或西南高东北低之势。

研究区主要发育有南苑—通县断裂。该断裂是由多条断裂组成的隐伏断裂带,是北京断陷与大兴隆起的分界线。断裂南起码头,经窑上至公义庄主要表现为一条断裂,从公义庄起,经葫芦垡、西芦城、西红门、潘家园表现为两条断裂(北支断裂称为西红门断裂,南支断裂称为南苑—通县断裂),从高碑店起,经通州、富豪,至南庄附近主要表现为一条断裂,总称为南苑—通县断裂带。据北京市勘察技术院2018年《北京市平原区1∶5万区域重力测量》成果显示,重力梯度带连续向北东方向,可能延伸至孙河断裂,在315°水平方向导数图上,断裂带最大梯度达-6.6 m Gal/km,梯度带宽度2～3 km。断裂南段可能被一系列北西向断层错断,这些北西向断层在45°水平方向导数图上呈现平行排列的、长度大致相近的明显高值异常。经钻孔证实,南苑—通县断裂倾向北西,倾角约60°,为正断层,控制了古近系及新近系的分布,断裂形成时间尚未查清,但在古近纪早期断裂北西盘下降,接受了古近纪—新近纪沉积,推断断裂在古近纪曾有过活动,而且活动比较激烈,形成2 000 m厚度的古近纪—新近纪沉积。南苑—通县断裂在公义庄被北西向的公义庄断裂错断,在南苑被南北向断裂错开,在芦城西南被永定河断裂错断,在小南庄被东风断裂错断。

本次研究内容属于宋庄地裂缝的一部分,据已有资料表明,宋庄地裂缝走向北东向,与南苑—通县断裂走向近似平行,呈断续分布,波及沟渠庄村、大庞村、双埠头等。本次经过实地勘查和走访村民,发现沟渠庄村和大庞村内部分房屋墙体开裂,道路因沉降出现不同程度的起伏和裂缝,典型开裂点平面上呈北东向线性分布,与南苑-通县断裂走向相近。为分析第四系岩土体结构和浅地表构造异常,以及地裂缝向下发育情况,在过地面典型地裂缝处布设等值反磁通瞬变电磁测线4条,具体位置见图1。

图1 研究区位置及测线布置Fig.1 Location and survey line layout of research area

4 数据采集

本次等值反磁通瞬变电磁工作采用的仪器是中南大学和湖南五维地质科技有限公司联合研制生产的HPTEM-18型高精度等值反磁通瞬变电磁系统。该系统运用等值反磁通技术(OCTEM)消除收发线圈之间的感应耦合,利用对偶中心耦合原理提高横向分辨率,采用统一标准的微线圈对偶磁源、高灵敏度磁感应传感器、高速24位数据采集卡以及高密度测量技术实现浅层高精度瞬变电磁勘探。

由于村里道路多为东西和南北向,不利垂直构造走向的测线布设。路旁民用电线密布,对等值反磁通瞬变电磁法有一定影响,采集时尽量避让。本次采用定点测量模式,根据现场试验确定发射频率为6.25 Hz,叠加次数400次,每点重复观测两次。

5 数据处理及分析

等值反磁通瞬变电磁法数据一般处理流程见图2,主要包括:①对野外数据进行剔飞值、去噪等数据编辑;②地形校正、平滑滤波等数据预处理;③通过参数分析、曲线类型分析、反演电阻率分析等进行定性分析;④参考已知地质资料,通过定性分析与定量分析进行综合解译。其中,定量解释的正确与否取决于反演的精度,等值反磁通的反演思路是:在收集已知钻孔资料的情况下,更改约束系数,使反演结果与已知钻孔统一,从而通过测井反演电阻率曲线完成对反演电阻率反演层位的标定。同时根据反演深度和发射频率来选择合适的约束系数,一般约束系数越小,反演的深度越浅,反之越深。本次采用瞬态弛豫反演,得到的是相对电阻率,与真电阻率和视电阻率之间存在一定差异,但是不影响对地裂缝等异常进行判别。

图2 OCTEM数据处理流程Fig.2 Process flow chart of OCTEM data

图3～图6为本次等值反磁通瞬变电磁法二维反演电阻率断面图。通过对各探测剖面反演成果进行分析,发现本次探测结果在浅层未形成明显的盲区,反演成果清晰地反映出了不同位置、不同深度地层电阻率变化情况。纵向上电性结构可大致分为两层,第一层反演电阻率小于300 Ω·m,推测为浅部松散地层,黏土含量较高。第二层推断为黏土层。S03线和S04线存在不连续中阻特征,可能为古河道特征显示,由于古河道不是本次探测目标,故物探剖面未进行针对性的布设,未对疑似古河道异常追踪探测。图3～图6中,横向上存在不同宽度和深度的“低电阻率异常区”或“电阻率曲线下沉异常区”。由于异常区多为土体完整性和连续性遭到破坏的表现,故本次推断为裂缝发育区。图中红色实线为浅地表已有地裂缝发育位置,红色虚线为推断地裂缝发育位置,分述如下:

图3为等值反磁通瞬变电磁法S01线反演电阻率等值线断面图,走向约330°,剖面长约46 m。图中约12 m和24 m处浅部等值线扭曲变形,向下有一定延伸,且显示为相对高阻中发育低阻异常,推测可能为地裂缝。该剖面高程-20～-40 m深度范围内不连续中阻,疑似古河道特征,该处地裂缝发育或与此有关。

图3 等值反磁通瞬变电磁法S01线断面Fig.3 S01 section of OCTEM data

图4为等值反磁通瞬变电磁法S02线反演电阻率等值线断面图,走向约355°,剖面长约44 m。图中约22 m和36 m处浅部等值线扭曲变形,22 m处为相对高阻中发育低阻异常,且地表附近有开裂等地裂缝特征,故推断此特征为典型地裂缝电性特征。36 m处为相对高阻与低阻过渡带,等值线变化梯度大,向下有一定延伸,推测可能为地裂缝发育。

图4 等值反磁通瞬变电磁法S02线断面Fig.4 S02 section of OCTEM data

图5为等值反磁通瞬变电磁法S03线反演电阻率等值线断面图,走向约345°,剖面长约80 m。图中约14 m、39 m和74 m处浅部等值线扭曲变形,39 m处地表附近有开裂现象,在浅部为相对高阻与低阻过渡带,向下为相对高阻中发育低阻特征,推测为地裂缝发育。14 m处特征与39 m处相似,74 m处则是典型的相对高阻中发育低阻异常,故推测可能为地裂缝发育。此外,该剖面高程-20～-40 m深度范围内不连续中阻,疑似古河道特征,该处地裂缝发育或与此有关。

图5 等值反磁通瞬变电磁法S03线断面Fig.5 S03 section of OCTEM data

图6为等值反磁通瞬变电磁法S04线反演电阻率等值线断面图,走向约355°,剖面长约200 m。图中约25 m、45 m、120 m和160 m处浅部等值线扭曲变形,25 m和45 m处为相对高阻中发育低阻异常,且地表附近有开裂等地裂缝特征,推测为地裂缝发育。120 m和160 m处电性特征与此相似,皆为相对高阻中发育低阻异常,推测可能为地裂缝发育。此外,该剖面高程-10～-50 m深度范围内不连续中阻,疑似古河道特征,该处地裂缝发育或与此有关。

图6 等值反磁通瞬变电磁法S04线断面Fig.6 S04 section of OCTEM data

6 讨论

地裂缝泛指地表岩土体中产生的线性破裂现象,在许多国家普遍存在,近年来,灾情发生频率与灾害规模逐渐加剧。地裂缝发育不仅会对道路、桥梁、建筑、农田、水利设施等造成直接破坏,还可能引发一些环境生态问题,对人类生活和生产威胁极大[26,27]。北京地区位于燕山台褶带与华北断坳交汇部位,经历了印支、燕山及喜马拉雅等多期构造运动,断裂构造发育,是地裂缝灾害的发育区。现有统计结果表明,20世纪60年代以来,北京平原区发现地裂缝40余条,其中宋庄地裂缝等7条仍在快速发育。宋庄地裂缝因唐山大地震开启,最大影响带宽达400 m,产状近乎直立,上宽下窄,地面开口最宽1 m,向下逐渐闭合。两侧地层未见明显错动,岩性主要为粉土和粉质黏土。主裂缝处充填大量次生堆积物,含水率高于两侧土体[25,28]。

地裂缝形成为多因素作用叠加结果,多数学者认为区域构造活动与地下水开采引起的地面沉降是地裂缝形成及发展的主要因素。区域构造活动为地裂缝重要地质背景,地震活动造成新岩层破裂或扩展,加剧已有破坏带。已有研究认为,宋庄地裂缝主要表现为水平拉张,垂直位错量较小,路面表现为间断性破裂或块状密集无序龟裂。区域拉张应力作用下的基底伸展变形是宋庄地裂缝形成的重要内动力条件,南苑—通县断裂为地裂缝的形成提供了应力积累和传递的地质条件,地下水超采引发的土体变形则是诱发条件[25,28,29]。

本次解释推断的潜在地裂缝发育点大体呈线性分布在南苑—通县断裂带附近,不排除构造活动对其形成的影响。此外,基于本次OCTEM探测成果,推测该区域可能发育古河道,古河道内存在的砂砾石物质结构松散、抗压性弱、沉陷性大,易在地震作用下发生液化从而产生地裂缝,同时遇到干旱,地下水不能得到补给时,则会产生干裂缝,故古河道对区内地裂缝形成的影响因素应加以考虑。

7 结论

1)等值反磁通瞬变电磁法能准确、快速地查清地裂缝位置及走向等情况,具有仪器轻便、采集时间短、经济快捷、不受施工场地限制及抗干扰能力强等特点,尤其适合在城镇这种背景干扰强的环境下工作。本次研究结果精度较高,结果可靠,证实了该方法在生态地质及工程地质勘察领域具有很好的应用前景。

2)本次完成等值反磁通瞬变电磁法测量剖面4条,探测深度80 m,根据反演电阻率断面图显示的电性结构,纵向上大致分为两层,第一层反演电阻率小于300 Ω·m,推测为浅部松散地层,黏土含量较高。第二层推断为黏互层。横向上存在不同宽度和深度的“低电阻率异常区”或“电阻率曲线下沉异常区”,推断为地裂缝发育特征。基于此,共解释推断地裂缝可能发育点11处。此外,反演电阻率断面上横向上不连续的中阻异常,可能指示古河道发育,因古河道不是本次探测目标,未对疑似古河道异常进行追踪探测。

3)基于本次等值反磁通瞬变电磁数据,获得了工作区浅地表地层条件和分布特征,分析了几处典型地裂缝与地层结构和构造之间的相应关系,为该区地面沉降和地裂缝机理研究提供了地球物理依据。