高密度電阻率法和等值反磁通瞬變電磁法在巖溶勘察區中的綜合應用

（貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司， 貴州 貴陽 550001）

0 引言

隨著我國高速公路的快速發展，巖溶這一不良地質體對其危害受到越來越多的關注，因此查明巖溶的發育情況極其重要。物探方法是巖溶勘察中十分重要的方法，它具有高效、經濟、無損的特點[1]。

高密度度法[2]（High density resistivity）起源于20世紀70年代末期，由英國學者所設計的電測深偏置系統，它對巖溶、斷層、裂隙等不良地質體具有顯著的效果。瞬變電磁法（TEM）是一種重要的電磁勘探方法，它是利用不接地回線或接地線源向下發射一次脈沖電磁場，且在一次脈沖間隙觀測地下渦流場的方法[3]，由于它存在盲區，對淺層的分辨率較低，探測效果較差。而等值反磁通瞬變電磁法[4]有三個線圈，接收線圈位于發射線圈的中間，通過分析雙線圈源的一次場分布規律，表明在雙線圈源的中間存在一次場零磁通平面，接收線圈置于該平面可測得純二次場，以此來提高早期的信號質量，實現淺部勘探。本文通過高密度電阻率法與等值反磁通瞬變電磁法聯合勘探的方法對某高速公路路基進行勘察，有效地確定了巖溶的位置、以及發育方向，為工程的安全實施提供了科學的保證。

1 基本原理

1.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法是20世際80年代興起的一種新型電阻率法，它與常規電阻率法一樣是以地殼中巖礦石的電阻率差異為物性前提條件，通過觀測和研究人工電流場的變化和分布規律，來進行不良地質體探測的一種勘探方法。

高密度電阻率法工作系統[5]如圖 1所示，向供電電極A、B供以直流電I，然后對測量電極（M,N）間的電位差進行觀測，從而計算出視電阻率，其中K為裝置系數。

根據實測的視電阻率值，進行計算、處理、分析便可獲得地殼中巖石電阻率的分布情況，從而對不良地質體進行勘察與圈定。

圖1 高密度電阻率法工作示意圖

1.2 等值反磁通瞬變電磁法

瞬變電磁法或稱時間域電磁法[6]，是利用階躍波或其他脈沖電流場激勵源，測量由地下介質產生的二次感應電磁場隨時間變化的衰減特性，從而推斷地下目標體的分布性態。

等值反磁通瞬變電磁法[4]（OCTEM）是測量等值反磁通電磁場衰減擴散的一種新的瞬變電磁法。它是采用共軸上下平行的兩組相同線圈作為發射源，并向線圈通以反向電流時產生產生等值反向磁通的電磁場時空分布規律，且在一次零磁通平面上，測量對地中心耦合的純二次場，如圖 2所示：雙線圈在地面發射瞬態脈沖電磁場信號，其中一個線圈置于近地表面，在瞬態脈沖斷電瞬間，近地表疊加磁場最大，因此，在相同的時間變化下，感應渦流的極大值集中在近地表，感應渦流產生的磁場最強，隨著關斷間歇的延時，地表感應渦流逐漸衰減又產生新的極大值面，并逐漸向深部、邊部方向擴散，即M.N.Nabighian所描述的瞬變電磁的‘煙圈效應’（圖3）。

圖2 等值反磁通瞬變電磁裝置示意圖

渦流極大值面的擴散速度和感應渦流場值的衰減速度與大地電性參數有關，一般在非磁性大地中，主要與電導率有關，電導率越大，擴散速度越小，衰減的越慢。根據地表接收到的渦流場信號隨時間的衰減規律即可獲得地下電導率信息，這就是等值反磁通方法的物理原理。

圖3 瞬態渦流擴散極大值示意圖

2 工區地質概況與地球物理條件

2.1 工區地質概況

場區位于揚子準地臺黔北臺隆遵義斷拱之貴陽復雜構造變形區。

根據地質調繪，場區發育一性質不明斷層F1。斷層F1于線位樁號YK30+355處穿過，呈南西～北東走向，為一非活動性正斷層。其上盤綜合地層產狀305°∠19°，主要節理產狀為174°∠43°、303°∠53°兩組，多為密閉型節理，節理密度200～300mm；下盤綜合地層產狀30°∠27°，主要節理產狀為49°∠73°、295°∠63°兩組，多為張節理，節理密度200～300mm。

2.2 地球物理條件

場區覆蓋層為殘坡積層（Qel+dl）粘土。下伏基巖為二疊系下統棲霞組（P1q）灰巖、二疊系下統梁山組（P1l）石英砂巖、炭質泥巖及煤層，泥盆系上統堯梭組（D3y）灰巖。根據電阻率的差異，為我們溶洞的探測提供了很好的物理條件，如表1所示：

表1.物理條件參數表

3 工程實例

本次公路巖溶勘察使用的是重慶奔騰儀器廠的WGDM-9高密度電法儀和湖南五維地質科技術有限責任公司的HPIEM-08型高精度瞬變電磁系統。

高密度電阻率法數據采集是使用的是施倫貝爾裝置，工作電壓為 196v，每個排列布置70個電極，為了滿足其探測的分辨率及深度要求，點距為3m。

瞬變電磁法探測使用的是高精度瞬變電磁儀，具有消除或減弱TEM早期過渡過程影響、抗干擾能力強、系統分辨率高、系統采樣率高，可實現高密度時間抽道、采用發射接收一體化的微型天線，施工輕便的特點。工作電壓為12v，發送頻率為25Hz，發送電流7.72A，關斷時間82.5us，疊加次數為300。

實測資料解釋的原則是根據地質為物性前提，綜合解釋來減少其異常的多解性，成果如圖4，6所示：

圖4 高密度電阻率法反演解釋結果

3.1 高密度電阻率法成果解釋

測區內多處可見基巖，從圖4中可以看出水平方向坐標為81～160m，深度約15～36m時，視電阻率值較大，且較均勻，推測為較完整灰巖的表現，深度14.4m以上的低阻，結合實際資料推測為強風化以及裂隙發育的表現；在水平方向69～75m，深度約 8～14m，表現為低阻異常，其上部為高阻，推測其為溶洞，結合地質鉆孔資料對其也進行了很好的驗證。

3.2 等值反磁通成果資料解釋

圖5 原始數據等值線圖

圖5是工區測線的原始數據等

值線圖，圖6是等值反磁通視電阻率斷面圖，從圖5中看出水平方向50～60m附近，測的二次場幅值明顯增大，從圖6中可以看出水平方向在52～60m，標高在 860～905m，存在一個豎向貫通的低阻異常，結合推測該異常為完整灰巖中破碎較嚴重，水流作用所形成的溶洞，結合地質資料也得到很好的驗證。

圖6 等值反磁通視電阻率斷面圖

4 結論

本次物探工作使用高密度電阻率法和等值反磁通瞬變電磁法對巖溶路基進行了勘察，取得了良好的效果，結論如下：

（1）綜合利用高密度電阻率法和等值反磁通瞬變電磁法對破碎帶、巖溶的橫向范圍和深度、分布規律進行了圈定，為公路不良地質體的勘察提供了提供了科學的依據；

（2）高密度電阻率法對淺層不良地質體也有較高的分辨率，深部較差，對接地要求較高；而等值反磁通瞬變電磁法對淺部和深部都有較高的分辨率，抗干擾能力更強，在公路的勘察中應結合不同的廠區條件選擇合適的方法；

（3）應用高密度電阻率法和等值反磁通瞬變電磁法的綜合方法在一定程度上減少了物探解釋的多解性，同時應更大程度的利用地質資料，減少解譯的多解性。

[1]吳奇, 湯井田, 黃文清,等. 物探在城市地下溶洞探測中的應用[J]. 中國農村水利水電, 2008(4):92-94.

[2]王紅兵. 高密度電法在巖溶勘察中的應用和研究[J]. 工程地球物理學報,2012, 09(5):551-554.

[3]牛之璉. 時間域電磁法原理[M]. 中南大學出版社, 2007.

[4]席振銖, 龍霞, 周勝,等. 基于等值反磁通原理的淺層瞬變電磁法[J]. 地球物理學報, 2016, 59(9):3428-3435.

[5]黃紹逵, 歐陽玉飛. 高密度電法在巖溶勘察中的應用[J]. 工程地球物理學報,2009, 6(6):720-723.

[6]朱亞軍, 王艷新. 高密度電法和瞬變電磁法在地下巖溶探測中的綜合應用[J]. 工程地球物理學報, 2012, 9(6):738-742.