等值反磁通瞬變電磁法在地裂縫調查中的應用

李巧靈，雷曉東，李 晨，羅 勇，張 輝，韓宇達，趙旭辰

(1.北京市生態地質研究所,北京 100120;2.北京市地質環境監測所,北京 100195;3.中國地質科學院,北京 100037)

1 引言

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method,TEM)屬于時間域電磁探測方法,該方法利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖電磁場,并在一次脈沖間歇觀測地下渦流場。二次磁場隨時間衰減規律主要受異常體導電性、體積規模、埋深以及發射電流的形態及頻率影響,基于此便可推斷異常體的空間分布形態。TEM在礦產資源探測、地質災害、建筑工程以及水文地質工程中應用廣泛。金中國等分析了瞬變電磁法在鉛鋅礦區的工作效果,認為該方法在尋找高阻圍巖下深部隱伏金屬礦體中非常有效[1]。薛國強等將瞬變電磁法用于煤礦采空區、采煤工作面內部和掘進巷道前方水文鉆孔位置、隱伏含水陷落柱構造等方面,均取得了不錯的應用效果,為煤礦防治水工作提供了可靠資料[2-4]。李貅等利用瞬變電磁法進行隧道不良地質體超前預報,認為該方法對低阻含水斷層、充泥充水溶洞、含水含泥破碎帶等不良地質體反映靈敏,在隧道掌子面前方水體病害預報中效果明顯[5,6]。于景邨等將瞬變電磁應用到井下巷道內開展工作,利用非接觸式、多匝數和小回線井下測量裝置,對深部采場突水構造位置探測非常有效[7]。馬為利用瞬變電磁法對水下巖層垂向結構及隱伏斷裂進行了探測,探測深度可達200 m,垂向分辨厚度可達21～50 m[8]。由此可見,瞬變電磁法具有對含水帶結構等低阻異常反映敏感、空間分辨率高和探測空間大等特點。

但是,瞬變電磁法在發射電流關斷時,接收線圈本身產生的感應電動勢疊加地下渦流場產生的感應電動勢,會造成早期信號失真,從而形成淺層探測盲區。為避免上述問題,席振銖等提出了等值反磁通瞬變電磁法(Opposing Coils Transient Electromagnetic Method,OCTEM),并逐漸得到推廣應用[9]。王亮等通過正演的方式分析了OCTEM在城市淺部空洞探測中的有效性以及不同埋深、厚度等情況下的瞬變電磁響應相對異常,認為其對低阻薄層較對高阻薄層更敏感,薄層與圍巖電阻率差異越大,薄層厚度與埋深比越大,越容易被探測到[10,11]。楊建明等證明了OCTEM在道路地下溶蝕發育情況探測、巖溶塌陷區的形態和規模探測、隧道開挖塌陷搶險探測等方面的有效性,認為OCTEM能有效避免一次場關斷對二次場的影響,基本消除了淺層盲區,實現了淺層地層的準確探測,此外,OCTEM設備輕便,施工便捷,作業效率高,適合淺層快速探測[12-16]。高遠等則利用OCTEM對煤礦、石膏礦等礦產資源開采區巖溶分布、采空區范圍等進行了探測,認為該方法探測效果較好,受地形限制小,能大大提高野外施工效率,為礦區地質災害調查提供詳實的資料[17,18]。另一方面,OCTEM在路基潛在病害、地鐵孤石探測等方面也有很好的應用效果,能適用于干擾嚴重、交通繁忙和建筑密集的城市復雜環境[19,20]。綜上所述,OCTEM在瞬變電磁法的基礎上克服了一次場關斷對二次場探測的影響,沒有探測盲區,在淺層工程地質問題探測方面具有獨特優勢。

地裂縫是一種典型的地質災害,其發育具有隱蔽性和不確定性、勘查難度較大等特點。地裂縫調查工作主要以研究區域第四紀地層、地震及構造等地質環境條件為基礎,結合測量、勘查手段,獲取地裂縫空間分布、規模、形態特征,并揭示其成因的綜合性地質工作。地球物理探測具有直觀準確、快速高效等優點,近年來被廣泛地應用于地裂縫探測方面。常用的物探方法有淺層反射地震法、地震映像法、高密度電阻率法、探地雷達法、多道瞬態面波法、瞬變電磁法等[21-25]。OCTEM在地裂縫調查中的應用少見報道,鑒于其較瞬變電磁法的優勢,本次在宋莊地裂縫發育典型地段布設了4條OCTEM測量剖面,并對其探測效果進行了研究分析。

2 方法原理

為避免一次場對早期二次場的干擾,盡量消除瞬變電磁法的淺層盲區,席振銖等提出了等值反磁通瞬變電磁法,采用上下平行共軸的兩個相同線圈通以反向電流作為發射源,在雙線圈源的中間平面接收地下二次場。由于接收面為上下兩線圈的等值反磁通平面,一次場磁通始終為零[9]。

基于Jackson推導的單線圈在自由空間球坐標系下的磁場表達式,將坐標變換至柱坐標系,可得單線圈電流環產生的磁場分量在半徑為R,電流為I的情況下,以原點O為中心的磁場各分量表達式如下:

(1)

其中,K(c)和E(c)分別為第一類和第二類完全橢圓積分:

(2)

3 研究區概況

研究區位于北京市通州區徐辛莊附近(圖1),屬于典型的溫帶大陸性半濕潤季風氣候。具有春秋干旱多風、夏季炎熱多雨、秋季天高氣爽、冬季寒冷干燥的四季分明的氣候特點。區內地下水儲存條件好,地下水位受區域地質和水文地質條件制約。潛水水位一般年初開始緩慢下降,5、6月出現潛水最低水位值,7月至9月水位回升,夏末秋初出現最高水位值,10月后緩慢下降。除100 m以下保持自然動態特征外,100 m以上淺層承壓水形成嚴重超采區,在5、6月份形成常年或季節性水位降落漏斗,水位逐年下降。區內地勢略有起伏,趨于平坦,地貌可分為階地地貌、泛濫平原地貌、河漫灘地貌、沙丘地貌、人為地貌等。由張家灣東北經通州鎮至宋莊一線西北部地區,地面高程均在20 m以上,地形較為復雜,有明顯陡坎、沖溝,呈緩坡狀態遺跡和沙丘等階地地貌特征。北運河與潮白河之間地區,由于近代河流泛濫堆積作用,其地勢表現為近河床高、遠河床低的態勢,形成順河床延伸的條形洼地。西部與南部為永定河作用地域,局部區域呈現東高西低或西南高東北低之勢。

研究區主要發育有南苑—通縣斷裂。該斷裂是由多條斷裂組成的隱伏斷裂帶,是北京斷陷與大興隆起的分界線。斷裂南起碼頭,經窯上至公義莊主要表現為一條斷裂,從公義莊起,經葫蘆垡、西蘆城、西紅門、潘家園表現為兩條斷裂(北支斷裂稱為西紅門斷裂,南支斷裂稱為南苑—通縣斷裂),從高碑店起,經通州、富豪,至南莊附近主要表現為一條斷裂,總稱為南苑—通縣斷裂帶。據北京市勘察技術院2018年《北京市平原區1∶5萬區域重力測量》成果顯示,重力梯度帶連續向北東方向,可能延伸至孫河斷裂,在315°水平方向導數圖上,斷裂帶最大梯度達-6.6 m Gal/km,梯度帶寬度2～3 km。斷裂南段可能被一系列北西向斷層錯斷,這些北西向斷層在45°水平方向導數圖上呈現平行排列的、長度大致相近的明顯高值異常。經鉆孔證實,南苑—通縣斷裂傾向北西,傾角約60°,為正斷層,控制了古近系及新近系的分布,斷裂形成時間尚未查清,但在古近紀早期斷裂北西盤下降,接受了古近紀—新近紀沉積,推斷斷裂在古近紀曾有過活動,而且活動比較激烈,形成2 000 m厚度的古近紀—新近紀沉積。南苑—通縣斷裂在公義莊被北西向的公義莊斷裂錯斷,在南苑被南北向斷裂錯開,在蘆城西南被永定河斷裂錯斷,在小南莊被東風斷裂錯斷。

本次研究內容屬于宋莊地裂縫的一部分,據已有資料表明,宋莊地裂縫走向北東向,與南苑—通縣斷裂走向近似平行,呈斷續分布,波及溝渠莊村、大龐村、雙埠頭等。本次經過實地勘查和走訪村民,發現溝渠莊村和大龐村內部分房屋墻體開裂,道路因沉降出現不同程度的起伏和裂縫,典型開裂點平面上呈北東向線性分布,與南苑-通縣斷裂走向相近。為分析第四系巖土體結構和淺地表構造異常,以及地裂縫向下發育情況,在過地面典型地裂縫處布設等值反磁通瞬變電磁測線4條,具體位置見圖1。

圖1 研究區位置及測線布置Fig.1 Location and survey line layout of research area

4 數據采集

本次等值反磁通瞬變電磁工作采用的儀器是中南大學和湖南五維地質科技有限公司聯合研制生產的HPTEM-18型高精度等值反磁通瞬變電磁系統。該系統運用等值反磁通技術(OCTEM)消除收發線圈之間的感應耦合,利用對偶中心耦合原理提高橫向分辨率,采用統一標準的微線圈對偶磁源、高靈敏度磁感應傳感器、高速24位數據采集卡以及高密度測量技術實現淺層高精度瞬變電磁勘探。

由于村里道路多為東西和南北向,不利垂直構造走向的測線布設。路旁民用電線密布,對等值反磁通瞬變電磁法有一定影響,采集時盡量避讓。本次采用定點測量模式,根據現場試驗確定發射頻率為6.25 Hz,疊加次數400次,每點重復觀測兩次。

5 數據處理及分析

等值反磁通瞬變電磁法數據一般處理流程見圖2,主要包括:①對野外數據進行剔飛值、去噪等數據編輯;②地形校正、平滑濾波等數據預處理;③通過參數分析、曲線類型分析、反演電阻率分析等進行定性分析;④參考已知地質資料,通過定性分析與定量分析進行綜合解譯。其中,定量解釋的正確與否取決于反演的精度,等值反磁通的反演思路是:在收集已知鉆孔資料的情況下,更改約束系數,使反演結果與已知鉆孔統一,從而通過測井反演電阻率曲線完成對反演電阻率反演層位的標定。同時根據反演深度和發射頻率來選擇合適的約束系數,一般約束系數越小,反演的深度越淺,反之越深。本次采用瞬態弛豫反演,得到的是相對電阻率,與真電阻率和視電阻率之間存在一定差異,但是不影響對地裂縫等異常進行判別。

圖2 OCTEM數據處理流程Fig.2 Process flow chart of OCTEM data

圖3～圖6為本次等值反磁通瞬變電磁法二維反演電阻率斷面圖。通過對各探測剖面反演成果進行分析,發現本次探測結果在淺層未形成明顯的盲區,反演成果清晰地反映出了不同位置、不同深度地層電阻率變化情況?？v向上電性結構可大致分為兩層,第一層反演電阻率小于300 Ω·m,推測為淺部松散地層,黏土含量較高。第二層推斷為黏土層。S03線和S04線存在不連續中阻特征,可能為古河道特征顯示,由于古河道不是本次探測目標,故物探剖面未進行針對性的布設,未對疑似古河道異常追蹤探測。圖3～圖6中,橫向上存在不同寬度和深度的“低電阻率異常區”或“電阻率曲線下沉異常區”。由于異常區多為土體完整性和連續性遭到破壞的表現,故本次推斷為裂縫發育區。圖中紅色實線為淺地表已有地裂縫發育位置,紅色虛線為推斷地裂縫發育位置,分述如下:

圖3為等值反磁通瞬變電磁法S01線反演電阻率等值線斷面圖,走向約330°,剖面長約46 m。圖中約12 m和24 m處淺部等值線扭曲變形,向下有一定延伸,且顯示為相對高阻中發育低阻異常,推測可能為地裂縫。該剖面高程-20～-40 m深度范圍內不連續中阻,疑似古河道特征,該處地裂縫發育或與此有關。

圖3 等值反磁通瞬變電磁法S01線斷面Fig.3 S01 section of OCTEM data

圖4為等值反磁通瞬變電磁法S02線反演電阻率等值線斷面圖,走向約355°,剖面長約44 m。圖中約22 m和36 m處淺部等值線扭曲變形,22 m處為相對高阻中發育低阻異常,且地表附近有開裂等地裂縫特征,故推斷此特征為典型地裂縫電性特征。36 m處為相對高阻與低阻過渡帶,等值線變化梯度大,向下有一定延伸,推測可能為地裂縫發育。

圖4 等值反磁通瞬變電磁法S02線斷面Fig.4 S02 section of OCTEM data

圖5為等值反磁通瞬變電磁法S03線反演電阻率等值線斷面圖,走向約345°,剖面長約80 m。圖中約14 m、39 m和74 m處淺部等值線扭曲變形,39 m處地表附近有開裂現象,在淺部為相對高阻與低阻過渡帶,向下為相對高阻中發育低阻特征,推測為地裂縫發育。14 m處特征與39 m處相似,74 m處則是典型的相對高阻中發育低阻異常,故推測可能為地裂縫發育。此外,該剖面高程-20～-40 m深度范圍內不連續中阻,疑似古河道特征,該處地裂縫發育或與此有關。

圖5 等值反磁通瞬變電磁法S03線斷面Fig.5 S03 section of OCTEM data

圖6為等值反磁通瞬變電磁法S04線反演電阻率等值線斷面圖,走向約355°,剖面長約200 m。圖中約25 m、45 m、120 m和160 m處淺部等值線扭曲變形,25 m和45 m處為相對高阻中發育低阻異常,且地表附近有開裂等地裂縫特征,推測為地裂縫發育。120 m和160 m處電性特征與此相似,皆為相對高阻中發育低阻異常,推測可能為地裂縫發育。此外,該剖面高程-10～-50 m深度范圍內不連續中阻,疑似古河道特征,該處地裂縫發育或與此有關。

圖6 等值反磁通瞬變電磁法S04線斷面Fig.6 S04 section of OCTEM data

6 討論

地裂縫泛指地表巖土體中產生的線性破裂現象,在許多國家普遍存在,近年來,災情發生頻率與災害規模逐漸加劇。地裂縫發育不僅會對道路、橋梁、建筑、農田、水利設施等造成直接破壞,還可能引發一些環境生態問題,對人類生活和生產威脅極大[26,27]。北京地區位于燕山臺褶帶與華北斷坳交匯部位,經歷了印支、燕山及喜馬拉雅等多期構造運動,斷裂構造發育,是地裂縫災害的發育區?，F有統計結果表明,20世紀60年代以來,北京平原區發現地裂縫40余條,其中宋莊地裂縫等7條仍在快速發育。宋莊地裂縫因唐山大地震開啟,最大影響帶寬達400 m,產狀近乎直立,上寬下窄,地面開口最寬1 m,向下逐漸閉合。兩側地層未見明顯錯動,巖性主要為粉土和粉質黏土。主裂縫處充填大量次生堆積物,含水率高于兩側土體[25,28]。

地裂縫形成為多因素作用疊加結果,多數學者認為區域構造活動與地下水開采引起的地面沉降是地裂縫形成及發展的主要因素。區域構造活動為地裂縫重要地質背景,地震活動造成新巖層破裂或擴展,加劇已有破壞帶。已有研究認為,宋莊地裂縫主要表現為水平拉張,垂直位錯量較小,路面表現為間斷性破裂或塊狀密集無序龜裂。區域拉張應力作用下的基底伸展變形是宋莊地裂縫形成的重要內動力條件,南苑—通縣斷裂為地裂縫的形成提供了應力積累和傳遞的地質條件,地下水超采引發的土體變形則是誘發條件[25,28,29]。

本次解釋推斷的潛在地裂縫發育點大體呈線性分布在南苑—通縣斷裂帶附近,不排除構造活動對其形成的影響。此外,基于本次OCTEM探測成果,推測該區域可能發育古河道,古河道內存在的砂礫石物質結構松散、抗壓性弱、沉陷性大,易在地震作用下發生液化從而產生地裂縫,同時遇到干旱,地下水不能得到補給時,則會產生干裂縫,故古河道對區內地裂縫形成的影響因素應加以考慮。

7 結論

1)等值反磁通瞬變電磁法能準確、快速地查清地裂縫位置及走向等情況,具有儀器輕便、采集時間短、經濟快捷、不受施工場地限制及抗干擾能力強等特點,尤其適合在城鎮這種背景干擾強的環境下工作。本次研究結果精度較高,結果可靠,證實了該方法在生態地質及工程地質勘察領域具有很好的應用前景。

2)本次完成等值反磁通瞬變電磁法測量剖面4條,探測深度80 m,根據反演電阻率斷面圖顯示的電性結構,縱向上大致分為兩層,第一層反演電阻率小于300 Ω·m,推測為淺部松散地層,黏土含量較高。第二層推斷為黏互層。橫向上存在不同寬度和深度的“低電阻率異常區”或“電阻率曲線下沉異常區”,推斷為地裂縫發育特征?；诖?共解釋推斷地裂縫可能發育點11處。此外,反演電阻率斷面上橫向上不連續的中阻異常,可能指示古河道發育,因古河道不是本次探測目標,未對疑似古河道異常進行追蹤探測。

3)基于本次等值反磁通瞬變電磁數據,獲得了工作區淺地表地層條件和分布特征,分析了幾處典型地裂縫與地層結構和構造之間的相應關系,為該區地面沉降和地裂縫機理研究提供了地球物理依據。