物探組合方法在尋找地下巖溶破碎帶中的應(yīng)用

張曉巖+柳夏+高峰+孫加滿

摘 要：介紹了瞬變電磁法和可控源音頻大地電磁法的工作原理、特點及工作方法。兩種方法對低阻充水?dāng)鄬印⒊淠喑渌芏吹认鄬Φ妥枘繕?biāo)物敏感，巖溶含水巖組及斷層破碎帶的電阻率與其完整的圍巖有明顯的電性差異。所以主要用于探測含水層、溶洞、陷落柱、含水?dāng)鄬拥鹊刭|(zhì)構(gòu)造情況。選用適當(dāng)?shù)难b置可將兩種方法應(yīng)用于巖溶裂隙發(fā)育情況的探測。兩種方法的結(jié)合應(yīng)用，可以很好地解決工程地質(zhì)問題。

關(guān)鍵詞：瞬變電磁法 可控源音頻大地電磁法 原理 視電阻率 巖溶裂隙

中圖分類號：P641 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）12（a）-0090-02

在山區(qū)工程項目施工中，常會遇到?jīng)_水?dāng)鄬印⒊淠喑渌芏础r溶破碎帶等不良地質(zhì)體。可能造成突水突泥、塌方等突發(fā)事件，嚴(yán)重影響施工，甚至造成重大的安全事故，開展這方面的前期預(yù)防工作尤為重要。由于地質(zhì)問題的復(fù)雜性，僅僅應(yīng)用地質(zhì)學(xué)方法預(yù)報的準(zhǔn)確度往往很低，要提高準(zhǔn)確率，必須結(jié)合物探等方法。物探單一方法往往不能獨立解釋異常，需要多方法互補解釋。

瞬變電磁法（TEM）作為一種重要的電磁勘探方法[1]，以其獨特的優(yōu)點（經(jīng)濟、無損、精度高、信息豐富等）廣泛應(yīng)用于資源勘探與工程勘察中。瞬變電磁法有對溶洞、巖溶裂隙等不良地質(zhì)體反映靈敏的特點，而且接收探頭中接收到的由激發(fā)渦流感應(yīng)出的二次場，不論目標(biāo)體產(chǎn)狀如何，均能收到有用信號，并對目標(biāo)體進行成像[2-3]。

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）是電磁法的一種，主要特點是用人工場源作頻率測深，具有工作效率高、勘探深度范圍大、垂向及水平分辨率高、地形影響小、易于校正、高阻的屏蔽作用小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于油氣勘察、地?zé)豳Y源調(diào)查、工業(yè)礦產(chǎn)調(diào)查、地下水勘探、環(huán)境工程勘察、地質(zhì)填圖、礦藏監(jiān)測系統(tǒng)等領(lǐng)域。

1 方法原理

1.1 TEM工作原理

TEM是利用不接地回線或接地電偶源向地下發(fā)送一次場，在一次場的間歇期間利用回線或電偶極觀測二次渦流場的方法。基本工作方法是：于地面或井下設(shè)置一定波形電流的發(fā)射線圈，在其周圍空間產(chǎn)生一次磁場，地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流。斷電后，感應(yīng)電流隨時間衰減。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小；而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征[5-6]。該方法是在一次場斷電的瞬間觀測純二次場，消除了由一次場產(chǎn)生的裝置耦合噪聲，具有體積效應(yīng)小、橫向分辨率高、對低阻反映靈敏、與探測地質(zhì)體有最佳耦合、受旁側(cè)地質(zhì)體影響小的特點。

1.2 CSAMT工作原理

CSAMT的原理是根據(jù)不同頻率的電磁波在地下傳播，具有不同的趨膚深度，通過對不同頻率電磁場強度的測量，可以得到該頻率所對應(yīng)深度的地電參數(shù)，從而達到探測的目的[7]。由電磁波的趨膚效應(yīng)理論，導(dǎo)出趨膚深度公式：

式中：ρ為地層電阻率；f為電磁波頻率。

可見介質(zhì)的電阻率越高，工作頻率越低，探測深越大現(xiàn)場進行觀測時，向大地自動定時發(fā)射不同頻率的電磁信號，在距離發(fā)射場源大于500 m的地面上，根據(jù)需要和地形情況布置若干條測線，測線走向平行于發(fā)射場源Tx的兩個電極A和B的連線。將一組電極等間距布置在某條測線上，再將一只磁場接收磁棒埋設(shè)在地下。將電極和磁棒同時接到接收機上。當(dāng)接收機接收到同步信號后，同時采集各電極的電位信號Ex和磁場強度Hy信號[7]。地層電阻率ρs與電場分量和磁場分量的關(guān)系式如下：

單位為。為頻率，單位為。

其阻抗相位為：

其中表示電場相位，表示磁場相位。

測量完成后，通過數(shù)據(jù)分析和處理，計算卡尼亞電阻率和阻抗相位，而后用繪圖軟件完成各剖面的電阻率繪制，從而達到探測不同埋深地質(zhì)目標(biāo)體的目的

1.3 儀器選擇

1.3.1 PROTEM瞬變電磁勘探系統(tǒng)

該系統(tǒng)由加拿大Geonics公司生產(chǎn)，包括：PROTEM47、PROTEM47HP、PROTEM57-MK2、PROTEM67、加強型PROTEM67；本次勘探使用PROTEM47系統(tǒng)，采用10m×10m單匝回線發(fā)射，有效面積31.4 m2圓形探頭進行采集，其性能參數(shù)為：

1.3.2 V8多功能電法工作站

V8多功能電法工作站，是目前世界上技術(shù)先進、功能齊全的電法類勘探儀器。該設(shè)備由發(fā)射系統(tǒng)、采集（接收）系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄處理系統(tǒng)組成。V8多功能電法工作站含有多個測量功能模塊，具備時間域的常規(guī)電剖面、電測深、高密度電法、瞬變電磁測量功能；具備頻率域的MT（大地電磁法）、AMT（音頻大地電磁法）、CSAMT（可控源音頻大地電磁法）、SIP（頻譜激電）電法勘探測量功能。數(shù)據(jù)處理方面具備功能齊全的正反演解釋軟件。

本次可控源音頻大地電磁法勘探使用V8多功能電法工作站，由發(fā)射系統(tǒng)與電磁信號接收系統(tǒng)組成；發(fā)射系統(tǒng)主要有發(fā)射機、發(fā)電機等，接收系統(tǒng)為主機、磁棒、不極化電極等。確定工作參數(shù)為：頻段為7680～1 Hz，收發(fā)距8 km。

2 應(yīng)用實例分析

2.1 區(qū)域地質(zhì)背景

勘探區(qū)大地構(gòu)造位置隸屬重慶秀山凸起褶皺帶內(nèi)。秀山凸起褶皺帶包括酉陽向斜、雞公嶺背斜、平陽蓋向斜、秀山背斜等一系列北北東至北東向展布的內(nèi)部構(gòu)造以及大致同向的馬家廠、岑龍正斷層和百福司、涌洞逆斷層等。秀山背斜全長約100 km，呈NE20°方向展布，背斜轉(zhuǎn)折端寬緩平滑，兩翼東陡西緩，軸部50～100 m范圍內(nèi)巖層產(chǎn)狀近于水平，次級褶皺不甚發(fā)育，樞紐向北北東傾伏。背斜中部出露震旦系及以下地層，兩翼出露寒武系、奧陶系地層，背斜軸部為岑龍正斷層及三陽樞紐斷層切割破壞。endprint

2.2 地球物理特征

不同巖層具有不同的導(dǎo)電性，一般泥巖、粉砂巖、中粗砂巖其電阻率值依次增高。如果地層中遇有巖溶裂隙充水、或斷層破碎帶含水水時，由于水體良好的導(dǎo)電性，使該區(qū)域與圍巖產(chǎn)生明顯的電性差異，在電性上表現(xiàn)為相對低阻異常，這就是用電磁法進行水文地質(zhì)探測的地球物理前提。

2.3 資料分析解釋

TEM資料解釋主要依據(jù)反演后的視電阻率斷面圖，分析同一地層的相對低阻異常，判斷淺部巖溶裂隙發(fā)育情況。

圖1為S2線視電阻率斷面圖，點號1000～1400點。圖中橫坐標(biāo)為測點號，縱坐標(biāo)為坐標(biāo)高程。圖中紅色～黃色～青色～藍色的過渡表示視電阻率值由高～低的變化。該測線基本反映了地層的淺部信息。結(jié)合已知二維地震和地表出露情況，該區(qū)地層相對平緩，傾角較小。從斷面圖上看，淺部地電信息與地形比較吻合，該斷面小號點位置電阻率值相對較低，1000～1050點處，在1275點位置淺部電阻率值不連續(xù)，為一低阻異常。

CSAMT勘探數(shù)據(jù)處理步驟包括：數(shù)據(jù)整理、格式轉(zhuǎn)換輸出、解析與反演，經(jīng)上述各項數(shù)據(jù)處理后，最終選用經(jīng)過評價的數(shù)據(jù)，采用MtSoft2D軟件進行反演，初始模型為平滑模型，其余參數(shù)根據(jù)實際情況選取。

圖2為L9線反演電阻率與反射系數(shù)斷面。圖通過CSAMT斷面與已知二維地震資料對比，分析地層界面和巖溶構(gòu)造發(fā)育情況。通過已知二維地震資料，大致劃分地層，結(jié)合CSAMT剖面圖分析巖溶裂隙發(fā)育情況。在反射系數(shù)圖上較明顯的能看出地層傾向，地層傾角較緩，與已知地震資料反映一致，從反演視電阻率圖上看，L9線在1450號點+520 m標(biāo)高為一封閉低阻異常，850和1450點也有低阻異常反映。

由于TEM與CSAMT測線交叉，TEM -S2線1025號點與CSAMT-L9線1450號點為交叉點，且同一點在TEM與CSAMT視電阻率斷面圖上同深度附近都有異常反映，地表無任何干擾，因此推測此處巖溶裂隙發(fā)育。

3 結(jié)語

上述實例證明了采用TEM與CSAMT交叉探測解釋的方法能較為有效的反映出巖溶裂隙的發(fā)育情況。采用靈敏度高的小線框（10 m×10 m）中心回線裝置進行TEM探測，查明了淺部地電信息，能較靈敏的反映淺部不均勻地質(zhì)體的變化和淺部巖溶裂隙發(fā)育情況，采用CSAMT探測勘探區(qū)深部巖溶裂隙發(fā)育情況，反演電阻率斷面圖反映地層電性信息，反射系數(shù)斷面圖反映地層變化信息，分辨率較高。由于基巖地區(qū)含水層呈相對低阻反映，因此，與其它物探方法相比，上述兩者方法結(jié)合應(yīng)用進行地下水巖溶裂隙勘查具有明顯的優(yōu)勢，基于電性差異來劃分不同巖性地層、構(gòu)造破碎帶等異常地質(zhì)體，具備地球物理勘察的電性依據(jù)。另外，應(yīng)注意區(qū)域地層、巖性和構(gòu)造特征的研究。這樣，該組合方法對于規(guī)避施工風(fēng)險和預(yù)防施工中可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，具有重要意義。

參考文獻

[1] 李貅.瞬變電磁測深的理論與應(yīng)用[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

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[4] 湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁法[M].長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1990.

[5] 方文藻.瞬變電磁測深法原理[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1993.

[6] 蔣幫遠(yuǎn).實用近區(qū)磁源瞬變電磁法勘探[M].北京：地質(zhì)出版社，1998.

[7] 穆海杰，王紅兵.CSAMT法在南水北調(diào)中線采空區(qū)探測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報，2008，5（3）：321-325.endprint

2.2 地球物理特征

不同巖層具有不同的導(dǎo)電性，一般泥巖、粉砂巖、中粗砂巖其電阻率值依次增高。如果地層中遇有巖溶裂隙充水、或斷層破碎帶含水水時，由于水體良好的導(dǎo)電性，使該區(qū)域與圍巖產(chǎn)生明顯的電性差異，在電性上表現(xiàn)為相對低阻異常，這就是用電磁法進行水文地質(zhì)探測的地球物理前提。

2.3 資料分析解釋

TEM資料解釋主要依據(jù)反演后的視電阻率斷面圖，分析同一地層的相對低阻異常，判斷淺部巖溶裂隙發(fā)育情況。

圖1為S2線視電阻率斷面圖，點號1000～1400點。圖中橫坐標(biāo)為測點號，縱坐標(biāo)為坐標(biāo)高程。圖中紅色～黃色～青色～藍色的過渡表示視電阻率值由高～低的變化。該測線基本反映了地層的淺部信息。結(jié)合已知二維地震和地表出露情況，該區(qū)地層相對平緩，傾角較小。從斷面圖上看，淺部地電信息與地形比較吻合，該斷面小號點位置電阻率值相對較低，1000～1050點處，在1275點位置淺部電阻率值不連續(xù)，為一低阻異常。

CSAMT勘探數(shù)據(jù)處理步驟包括：數(shù)據(jù)整理、格式轉(zhuǎn)換輸出、解析與反演，經(jīng)上述各項數(shù)據(jù)處理后，最終選用經(jīng)過評價的數(shù)據(jù)，采用MtSoft2D軟件進行反演，初始模型為平滑模型，其余參數(shù)根據(jù)實際情況選取。

圖2為L9線反演電阻率與反射系數(shù)斷面。圖通過CSAMT斷面與已知二維地震資料對比，分析地層界面和巖溶構(gòu)造發(fā)育情況。通過已知二維地震資料，大致劃分地層，結(jié)合CSAMT剖面圖分析巖溶裂隙發(fā)育情況。在反射系數(shù)圖上較明顯的能看出地層傾向，地層傾角較緩，與已知地震資料反映一致，從反演視電阻率圖上看，L9線在1450號點+520 m標(biāo)高為一封閉低阻異常，850和1450點也有低阻異常反映。

由于TEM與CSAMT測線交叉，TEM -S2線1025號點與CSAMT-L9線1450號點為交叉點，且同一點在TEM與CSAMT視電阻率斷面圖上同深度附近都有異常反映，地表無任何干擾，因此推測此處巖溶裂隙發(fā)育。

3 結(jié)語

上述實例證明了采用TEM與CSAMT交叉探測解釋的方法能較為有效的反映出巖溶裂隙的發(fā)育情況。采用靈敏度高的小線框（10 m×10 m）中心回線裝置進行TEM探測，查明了淺部地電信息，能較靈敏的反映淺部不均勻地質(zhì)體的變化和淺部巖溶裂隙發(fā)育情況，采用CSAMT探測勘探區(qū)深部巖溶裂隙發(fā)育情況，反演電阻率斷面圖反映地層電性信息，反射系數(shù)斷面圖反映地層變化信息，分辨率較高。由于基巖地區(qū)含水層呈相對低阻反映，因此，與其它物探方法相比，上述兩者方法結(jié)合應(yīng)用進行地下水巖溶裂隙勘查具有明顯的優(yōu)勢，基于電性差異來劃分不同巖性地層、構(gòu)造破碎帶等異常地質(zhì)體，具備地球物理勘察的電性依據(jù)。另外，應(yīng)注意區(qū)域地層、巖性和構(gòu)造特征的研究。這樣，該組合方法對于規(guī)避施工風(fēng)險和預(yù)防施工中可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，具有重要意義。

參考文獻

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2.2 地球物理特征

不同巖層具有不同的導(dǎo)電性，一般泥巖、粉砂巖、中粗砂巖其電阻率值依次增高。如果地層中遇有巖溶裂隙充水、或斷層破碎帶含水水時，由于水體良好的導(dǎo)電性，使該區(qū)域與圍巖產(chǎn)生明顯的電性差異，在電性上表現(xiàn)為相對低阻異常，這就是用電磁法進行水文地質(zhì)探測的地球物理前提。

2.3 資料分析解釋

TEM資料解釋主要依據(jù)反演后的視電阻率斷面圖，分析同一地層的相對低阻異常，判斷淺部巖溶裂隙發(fā)育情況。

圖1為S2線視電阻率斷面圖，點號1000～1400點。圖中橫坐標(biāo)為測點號，縱坐標(biāo)為坐標(biāo)高程。圖中紅色～黃色～青色～藍色的過渡表示視電阻率值由高～低的變化。該測線基本反映了地層的淺部信息。結(jié)合已知二維地震和地表出露情況，該區(qū)地層相對平緩，傾角較小。從斷面圖上看，淺部地電信息與地形比較吻合，該斷面小號點位置電阻率值相對較低，1000～1050點處，在1275點位置淺部電阻率值不連續(xù)，為一低阻異常。

CSAMT勘探數(shù)據(jù)處理步驟包括：數(shù)據(jù)整理、格式轉(zhuǎn)換輸出、解析與反演，經(jīng)上述各項數(shù)據(jù)處理后，最終選用經(jīng)過評價的數(shù)據(jù)，采用MtSoft2D軟件進行反演，初始模型為平滑模型，其余參數(shù)根據(jù)實際情況選取。

圖2為L9線反演電阻率與反射系數(shù)斷面。圖通過CSAMT斷面與已知二維地震資料對比，分析地層界面和巖溶構(gòu)造發(fā)育情況。通過已知二維地震資料，大致劃分地層，結(jié)合CSAMT剖面圖分析巖溶裂隙發(fā)育情況。在反射系數(shù)圖上較明顯的能看出地層傾向，地層傾角較緩，與已知地震資料反映一致，從反演視電阻率圖上看，L9線在1450號點+520 m標(biāo)高為一封閉低阻異常，850和1450點也有低阻異常反映。

由于TEM與CSAMT測線交叉，TEM -S2線1025號點與CSAMT-L9線1450號點為交叉點，且同一點在TEM與CSAMT視電阻率斷面圖上同深度附近都有異常反映，地表無任何干擾，因此推測此處巖溶裂隙發(fā)育。

3 結(jié)語

上述實例證明了采用TEM與CSAMT交叉探測解釋的方法能較為有效的反映出巖溶裂隙的發(fā)育情況。采用靈敏度高的小線框（10 m×10 m）中心回線裝置進行TEM探測，查明了淺部地電信息，能較靈敏的反映淺部不均勻地質(zhì)體的變化和淺部巖溶裂隙發(fā)育情況，采用CSAMT探測勘探區(qū)深部巖溶裂隙發(fā)育情況，反演電阻率斷面圖反映地層電性信息，反射系數(shù)斷面圖反映地層變化信息，分辨率較高。由于基巖地區(qū)含水層呈相對低阻反映，因此，與其它物探方法相比，上述兩者方法結(jié)合應(yīng)用進行地下水巖溶裂隙勘查具有明顯的優(yōu)勢，基于電性差異來劃分不同巖性地層、構(gòu)造破碎帶等異常地質(zhì)體，具備地球物理勘察的電性依據(jù)。另外，應(yīng)注意區(qū)域地層、巖性和構(gòu)造特征的研究。這樣，該組合方法對于規(guī)避施工風(fēng)險和預(yù)防施工中可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，具有重要意義。

參考文獻

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