等值反磁通瞬變電磁法在淺層地質結構探測的應用

謝紹彬

（廣西壯族自治區地球物理勘察院，廣西 柳州 545005）

隨著科學技術的進步，工程物探技術的發展日趨成熟，而且新的方法技術不斷涌現，工程物探技術在工程地質勘察領域越來越受到重視，它是地質科學中一門新興的、十分活躍、發展很快的學科，它又是工程勘察的重要方法之一，在某種程度上講，它的應用與發展已成為衡量地質勘察現代化水平的重要標志[1]。

隨著工程建設項目的增多，各種不同種類的工程所在的建設區域有著不同的地形地質特征，極大地增加了勘察工作的復雜程度。復雜的地形地貌影響著巖土工程勘察工作的順利進行，山地、盆地、丘陵以及不同地形相互交錯的地形構造極為復雜，巖土性質也各不相同，甚至在同一區域存在著幾種不同性質的巖土[2]。此外，地下水、地下暗河、巖層結構、巖溶等諸多因素的地質環境形成地下溶洞、上覆土體中形成土洞造成的巖溶塌陷對建筑物、基礎建設工程、大型地下工程等造成嚴重的破壞。在實際工程項目中，要了解工作區的巖溶發育情況和分布特征，就必須首先查清楚該工作的地質情況，包括：巖性分層、基巖面埋深及起伏、活動斷裂、地裂縫、孤石、空洞、富水性等。而一些大規模、高要求的基礎建設工程，對地質情況的查清程度要求也越來越高，要求詳細查明地下一定范圍內的工程地質、水文地質、構造、地質異常體等情況。

地質結構特征是巖溶發育狀況綜合地質調查的重要內容，地球物理探測是地質結構探測的關鍵技術手段，包括重、磁、電、震多種技術方法。但是目前的多種方法都有著很大的局限性，且存在勘探盲區，特別是在城市的施工中，存在外界干擾嚴重，地表施工條件不滿足等情況，使得在城市中的地球物理探測困難重重[3]。為突破淺層地質結構探測的技術瓶頸，席振銖等提出了一種等值反磁通原理的淺層瞬變電磁法，該方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（雙線圈源），并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，其一次場磁通始終為零，而地下空間卻仍然存在一次場，因此一次場關斷時，接收線圈測量的是地下的純二次場響應；通過分析雙線圈源觀測的在均勻半空間地下激勵的瞬變二次場，提高早期信號質量，實現淺部探測。

本文首先簡述了等值反磁通瞬變電磁法的原理，然后結合該法在淺層地質結構探測中的應用實例，將利用該方法探測的成果資料與鉆孔資料進行對比分析，驗證了該方法在復雜的城市環境下，可以有效的探測淺層地質結構和巖溶分布的能力。

1 等值反磁通瞬變電磁法原理

等值反磁通瞬變電磁法（OCTEM）是測量反磁通瞬態電磁場衰減擴散的一種物理勘探方法。等值反磁通瞬變電磁法采用上下平行共軸的兩組相同線圈為發射源，且在該雙線圈源合成的一次場零磁通平面上測量對地中心耦合的純二次場，裝置示意圖見圖1。雙線圈在地面發射瞬態脈沖電磁場信號，其中一組線圈置于近地表，在瞬態脈沖斷電瞬間，近地表疊加磁場最大。因此，在相同的變化時間下，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渦流極大值面，并逐漸向遠離發射線圈的深部、邊部方向擴散，即為瞬變電磁法的“煙圈效應”（見圖2）。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：大地電導率越大，擴散速度越小，衰減得越慢。根據地表接收到得渦流場信號隨時間得衰減規律，即可獲得地下電導率信息，這就是等值反磁通瞬變電磁法得物理原理。

圖1 等值反磁瞬變電磁裝置示意

圖2 瞬態渦流極大值擴散示意

2 工程實例

某工區位于A市西南部，地勢平坦，淺層地質巖溶較發育，根據區域地質資料和場區內所揭露地層的地質時代、成因類型、巖性特征、風化程度等工程特性，將沿線巖土層分為4層，各層內有必要的再細分亞層，如覆蓋層分為全新統人工填土層(Q4ml)、溶洞充填層(Q4ca)和更新統沖積層(Q3al)等3層，巖性由上至下分別有人工填筑土、粉質粘土、粘土等；下伏地層巖性為石炭系下統大塘組（C1d）白云質灰巖夾灰巖。物探勘察的目的是查明該區淺層不良地質作用（巖溶、斷裂及破碎帶）的特征、成因、分布范圍、發展趨勢和危害程度，為下一步工作部署提供依據。

在該工區開展物探工作，傳統應用的高密度電阻率法因探測目標和工作環境的不同，且干擾因素多，施工場地有限等，無法滿足本次勘探要求。根據場地的實際情況及目的要求，綜合考慮在工區布設兩條探測剖面，采用湖南五維地質科技有限公司研發的HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統進行探測[4]。工作參數為：系統采用24bit，625ksps采樣率（采樣間隔1.6μs），沿測線方向按點量測，測量點距為5m，以多周期疊加采樣取平均值作為實測記錄信號。

工區第四系覆蓋層視電阻率值在20Ω·m～100Ω·m左右，視電阻率較低。完整灰巖、視電阻率值為400Ω·m以上，為本區視電阻率最高。而節理、裂隙、破碎發育的灰巖視電阻率在200Ω·m以下，含地下水巖溶、土洞、溶蝕破碎發育的灰巖的視電阻率通常較低，在100Ω·m以下。通過OCTEM探測并反演成圖（見圖3 I線OCTEM反演電阻率等值線圖、圖4 II線OCTEM反演電阻率等值線圖），如圖所示，縱向上視電阻率從上到下逐步遞增，橫向上高低電阻相間，淺部的低阻帶為覆蓋層或全風化巖石的電性反應。圖3橫向上在10m～20m、38m～52m之間，圖4橫向上38m～52m、67m～87m、96m～103m、113m～118m之間都有橢圓狀或條帶狀低阻異常，異常編號分別為RD1-RD6。根據工作區的物性參數值及地質資料，推斷低阻異常形態位置可能為溶洞發育。為了進一步分析引起異常的原因，在RD1、RD2、RD4、RD5分別布置YZK1、YZK2、YZK3鉆孔進行驗證（圖3、圖4），鉆孔揭示淺部覆蓋層為：碎石土、角礫土、黏土，基巖為白云質灰巖。鉆孔揭示的溶洞與OCTEM反演的電阻率低阻異常基本上相對應，溶洞，上部由黃色、可塑狀黏土充填，下部為溶槽、溶蝕裂隙，取芯呈角礫狀。圖3、圖4中基巖頂面起伏形態特征明顯，覆蓋層的厚度變化特征刻畫清晰，與鉆孔揭示基本一致，且更加直觀，非常有利于后續的工作部署。由此可見，等值反磁通瞬變電磁法可以有效的探測淺層地質結構和巖溶分布的能力。

圖3 I線OCTEM反演電阻率等值線圖

圖4 II線OCTEM反演電阻率等值線圖

3 結語

（1）等值反磁通瞬變電磁法在淺層地質結構探測中，取得良好的應用效果，在一些干擾因素較多，場地受限的情況下，等值反磁通瞬變電磁法有較好的適用性。

（2）等值反磁通瞬變電磁法在工程地質勘探的實際應用中，從反演所得到的淺部電性信息較豐富，具有良好的分辨率。

（3）等值反磁通瞬變電磁法結合鉆孔資料，可以精確分析淺層地質結構的特征，進一步查明淺層的地質構造格架、基巖頂界面埋深及地層劃分等情況，此技術對勘察區內大型建筑和不易施工的地區是一個良好的補充。