等值反磁通瞬變電磁法在巖溶塌陷區探測應用

謝 嘉，劉 洋，李興強，魯玉龍，李干龍

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201；2.湖南省有色地質勘查局二總隊，湖南 湘潭 411102)

湖南瀏陽市某鎮為典型的巖溶及地面塌陷等地質災害頻發地區，自1974 年該區域礦區開發建設以來，相繼發生過不同規模的巖溶地面塌陷。根據各塌陷區巖溶發育的基礎地質條件、地下水動力條件，進行巖溶塌陷危險性分區評價，劃分巖溶塌陷危險區范圍，將巖溶塌陷地質災害高危險區作為物探重點工作區，以塌陷區為主，分為重點研究區和一般研究區。重點研究區位于巖溶和地面塌陷強烈發育和分布集中、可能危害居民、環境破壞嚴重的地帶，包括集鎮、居民居住區、道路兩側等電磁干擾及人為因素干擾嚴重的區域，對于常規物探方法的開展有著很大的制約。區內地質構造較為復雜，巖溶發育強烈，巖溶、地面塌陷等地質災害及其引起的房屋開裂等時有發生[1]；一般研究區位于溝谷中間或人煙稀少的地區，巖溶地面塌陷影響極小，故不作為本次研究對象。

目前探測隱蔽巖溶以及地層塌陷主要采取地球物理探測的方法，如：地震勘探，其技術原理是根據地震波在不同物理特性的地層界面構造及介質中傳播的運動學和動力學特征差異，勘探地層結構構造及巖體埋深等，利用剖面反映的折射波及反射波特征判定斷層、溶洞、塌陷的存在并確定其產狀等基本參數，其在此類判定上具有較高的精度[2]。但是地震勘探易受周圍人文強干擾的影響，獲得高質量的數據需要炸藥震源，可能造成周圍環境的破壞；地質雷達法是一種淺層地質超前預報方法，它利用電磁波在地層介質中傳播時間的長短差別來確定前方地質體的屬性和產狀[3]，是一種應用電磁波的探測技術，如果前方存在不明地質體或地質界面異常，電磁波將產生反射以及折射，相位、振幅和頻率隨之變化，該方法具有便于操作、靈活快捷、剖面圖分辨率高、去噪簡易、數據處理迅速等優點，但其預報距離較短，高頻電磁波探測深度只有幾米，無法滿足對地層深處數十米巖溶埋藏狀態及產狀的勘探要求[4]；高密度電阻率法是一種陣列式勘探方法[5]，以巖體、土體之間電性差異為前提[6]，野外測量時將電極置于測點上，然后利用電測儀便可實現數據的自動采集和快速處理，并給出關于地層剖面、巖土體分布的各種物理解釋，通過測量到的地下介質的電阻率，推斷地下的地質結構構造，解決各種工程地質問題的方法，施工快捷，數據量大，分辨率高[7]，但其效果受施工區的接地條件影響較大[8]，研究區周圍的民房村巷以及道路極大地影響接地供電以及探測深度。綜合考慮其他物探方法的局限，等值反磁通瞬變電磁法(Opposing Coils Transient Electromagnetics Method，OCTEM)相較于其他地球物理探測方法有其特有的優勢，如便于移動、在復雜地形施測更加方便等，因此，常常用來探測地層界面及其下發育的不良地質現象或地質體[9]，且抗干擾能力較強、靈敏度、信噪比，縱向分辨率較高[10]，受周圍地質環境影響小[11]，工作效率高，在周圍巖體電阻率不同產生電性差異時成圖效果更優良[12]，信噪比高，儀器輕便，幾乎不受場地條件的限制，適合于在房屋密布、接地條件不好、電磁波干擾大的村莊、城鎮等地方開展工作，是探測巖溶、采空區、活動斷層的有效手段[13-14]。

在綜合考慮常規物探方法的基礎上，對研究區巖溶地面塌陷等災害綜合分析，提出采用等值反磁通瞬變電磁法與工程地質鉆探相結合的方法，通過對物探反演圖以及鉆孔信息的分析研究，對巖溶發育區充填的溶洞溶槽等進行有效預報預測，為相似的地質災害防治規劃和實施地質災害預警預報工作提供理論與實際依據。

1 研究區地質概況及地球物理特征

1.1 地質概況

研究區主要為溶蝕侵蝕河谷地貌，由第四系全新統上部粉質黏性土及砂礫石層形成的侵蝕堆積地形，構成研究區內的寬谷、河谷準平原。地層巖性有第四系全新統人工填土，第四系沖洪積含礫粉質黏土，第四系殘坡積粉質黏土、碎石土，二疊系下統棲霞組、石炭系中上統壺天群灰巖、泥質灰巖、白云質灰巖。研究區內經歷了多次構造運動，造成了較為復雜的構造形象，其中斷裂縱橫交錯，十分發育，褶皺多被破壞或保存不完全，其地質構造的形成、活動既有持續時間較長的區域性大斷裂，也有主要生成于燕山期的大量斷裂和少量褶皺。區內地下水徑流分布廣泛，按巖性組合、巖層富水性和地下水的賦存條件，地下水類型分為巖溶水、基巖風化裂隙水和松散巖類孔隙水3 個大類。礦區內主要含水層包括以石炭系中上統壺天群灰巖溶洞含水層、二疊系下統茅口組灰巖含水層等為主的巖溶水含水層，其主要分布于勘查區南部的以變質巖風化裂隙含水層為主的基巖風化裂隙含水層。研究區地質災害主要為巖溶塌陷地質災害，危害面積廣，威脅人口多，潛在經濟損失巨大，且具備巖溶發育的3 個基本條件：具有可溶性巖石即以泥質灰巖為主的碳酸鹽巖；具有溶蝕能力的水及具有良好的水循環交替條件。該區域多是覆蓋型巖溶，其巖溶洞隙直接帶走上部土粒形成土洞使地面產生陷落[14]，引起地面塌陷。在研究區面積14 km2的范圍內，目前共發生巖溶塌陷30 余處，如圖1 所示。塌陷主要分布于斷裂發育、地表水與地下水聯系密切的可溶巖發育區域，塌陷災害個體以塌陷坑為主，次為地面沉降引發房屋開裂及地面開裂和水塘漏水。

圖1 研究區巖溶地面塌陷點分布Fig.1 Distribution of karst surface collapse points in the study area

1.2 地球物理特征

研究區淺部覆蓋層主要為填土、黏土、粉土等，電阻率普遍偏低，與基巖存在明顯差異，且其土樣相對比較單一，等值線變化平緩，在易發生巖溶的基巖部分，形成的溶槽溶溝等溶蝕發育區域，其等值線橫向出現較大變化，整體表現出曲折崎嶇，由此可以清晰分辨出土石及覆蓋層界面。通過對比反演電阻率圖上的電阻率橫向差異，再結合地形地貌及水文地質條件，在實地鉆探調查的基礎上可以判斷溶洞埋深、大小等發育情況。

通過分析比較相應的電阻率以及等值線的變化規律可以確定覆蓋層深度及巖溶發育區。根據溶洞大小、填充物與覆蓋層之間的關系可以將巖溶異常分為：溶洞–充填泥沙、碎石土等，其中小型溶洞多由溶隙擴展或沿不同巖性界面蝕溶而成，多為孤立狀洞穴。在溶隙發育段或斷層帶附近，由溶隙將其相互溝通并形成中、大型溶洞。研究區溶洞由于充填物以松散雜石為主，加上水的滲透，電性表現為低阻異常區，等值線表現為低阻閉合圈；溶槽、溶溝型巖溶發育區由于地表水沿可溶性巖石的節理裂隙流動而不斷的進行溶蝕和侵蝕，在巖石接觸面或細小裂隙表面形成凹槽、U 型空洞形態，且通常被泥沙充填，電性表現為低阻特性，等值線呈低阻凹陷；溶蝕發育區主要沿土石界面發育，多呈溶孔狀，使得原本平緩的等值線會產生擾動或起伏。

2 研究方法及工作布置

2.1 研究方法

2.1.1 等值反磁通瞬變電磁法原理

常規瞬變電磁法是一種時間域探測方法[15]，采用不接地的回線并向所探測地層發送一次磁場[16]，通過測量線圈采集隨時間變化的二次感應電動勢[17]，進而達到探測地下地質體的目的。但其有著收發距離和發射回線邊長短，線圈匝數多，收發線圈的互感明顯的缺陷，為了消除其接收線圈本身產生的感應電動勢，使關斷前后接收線圈中的一次場磁通量保持不變，席振銖等[18]提出基于等值反磁通原理的瞬變電磁法(Opposing Coils Transient Electromagnetics Method，簡稱OCTEM)；OCTEM 是一種與傳統的瞬變電磁法原理相同的新型瞬變電磁法，即通過采用上下大小相同、平行布置的微線圈，其發射電流相同，方向相反，因此，在上下微線圈的幾何中心水平面和無窮遠處一次垂直磁場為零，但是其他空間存在一次垂直磁場，斷電后，近地表發射線圈的磁場最大；則在相同變化時間的情況下，地下地質體將會激勵起感應渦流，并隨之產生隨時間變化的感應電磁場；在相同變化時間內，感應渦流的極大值面集中在近地表，而感應渦流在地表產生的磁場最強，隨著關斷間歇的延時，近地表感應的渦流逐漸衰減，產生了新的渦流極大值面，并且逐漸向遠離發射線圈的垂直方向擴散，如圖2 所示，故可以利用磁感應接收傳感器來觀測探測地下地質體或巖溶地面塌陷等[19]。近地表地質體產生的感應渦流沿大地介質向遠離垂直發射線圈的方向擴散，大地電阻率以及局部存在導體的埋深會影響其擴散速度和渦流的整體衰減幅度，而均勻大地介質的電導率一般情況變化較小，大地電導率越大，擴散速度越小，衰減得越慢，在物探反演圖上整體呈現為平緩的等值線，而局部地質體的電導率、規模、埋深、形態等參量的變化是影響電阻率變化的主要因素，在物探反演圖上等值線崎嶇變化明顯，以此來推斷地下介質與地層的產狀變化[20]。

圖2 瞬態渦流極大值面“煙圈”式擴散原理Fig.2 Diagram of ring-type diffusion principle of transient eddy current maximum surface

2.1.2 儀器設備及參數指標

本次瞬變電磁法勘探采用的儀器是HPTEM-08型高精度瞬變電磁系統，可以有效針對抗電磁干擾能力弱的問題，該系統運用等值反磁通技術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了淺層高精度瞬變電磁勘探。其參數及性能指標包括：天線接收等效面積2 000 m2；關斷時間0.5 μs，阻性負載；發送電壓12 V；電流10 A；發送波形為占空比50 %的雙極性方波。

2.2 工作布置

為了探測區域斷裂的走向及與研究區巖溶發育情況的關系，根據研究區現有地質調查成果，設計3條近似南北向跨區域斷層長物探剖面開展小比例尺探測工作，如圖1 所示。為了探測工作區淺層巖溶、土洞的分布、埋深、特征、發育規律以及構造發育情況等，以及探測覆蓋層的厚度，結合現有地質調查成果以及小比例尺探測成果，物探將整個研究區劃分成A、B、C 區共3 個重點工作區開展大比例尺工作。本次野外工作采用定點測量方式，其中測線主要布設于集鎮、居民區，在拐點處采集坐標高程信息，在中間測點坐標高程采用插值處理。內業工作開展時對數據進行統一的2000 國家大地坐標系轉換。以A 區為例，測線測點布置情況如圖3 所示。

圖3 A 區探測測線布置Fig.3 Diagram of probe line in area A

2.3 數據處理

采用HPTEM Data Process 數據處理系統對等值反磁通瞬變電磁法資料進行處理，處理流程如圖4所示。具體過程如下：

圖4 等值反磁通瞬變電磁法資料處理流程Fig.4 Flow chart of OCTEM data processing

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、曲線類型、視電阻率等分析，進行定性分析；

④ 通過正演、模型擬合、擬二維反演等方法，進行定量分析；

⑤ 參考已知地質資料，通過定性與定量分析進行綜合解譯。

3 數據結果分析解釋

3.1 物探反演圖分析

3.1.1 A 區

根據測點就近形成測線的原則，A 區共布設13條測線，溶蝕強烈發育區反演解譯圖如圖5 所示。剖面淺部電阻率普遍較低，等值線橫向變化不大，推測為覆蓋層的電性反映，覆蓋層厚度8～17 m，在層厚達到20 m 的局部地段，推測為溶槽、溶溝的影響；覆蓋層以下，電阻率等值線橫向變化較大，多為低阻凹陷或低阻團塊，主要發生在70～90 m 高程段，表明該地區巖溶強烈發育。

圖5 A 區等值反磁通瞬變電磁法反演解譯和鉆探驗證Fig.5 Inversion interpretation and drilling verification of OCTEM in area A

3.1.2 B 區

根據測點就近形成測線的原則，B 區布設12 條測線，電阻率變化明顯的巖溶發育區反演解譯圖如圖6 所示，剖面淺部電阻率普遍偏低，等值線橫向變化不大，推測為覆蓋層電性反映，層厚20～30 m，在局部層厚達到45 m 的地段，推測為溶槽溶溝的影響，覆蓋層下等值線橫向變化較大，多為低阻凹陷或團塊，巖溶主要發育在50～80 m 高程段，即該地區巖溶強烈發育。

3.1.3 C 區

根據測點就近形成測線的原則，共布設13 條測線，巖溶強烈發育地區反演解譯圖如圖7 所示，剖面淺部電阻率普遍偏低，等值線橫向變化不大，推測為覆蓋層電性反映，層厚12～28 m，局部地段達到40 m，不排除是溶槽溶溝的影響，下部等值線橫向變化較大，多為低阻凹陷，巖溶主要發育在60～90 m高程段，即該地區巖溶發育強烈。

圖7 C 區等值反磁通瞬變電磁法反演解譯和鉆探驗證Fig.7 Inversion interpretation and drilling verification of OCTEM in area C

3.2 鉆探信息驗證

3.2.1 A 區

根據物探反演圖5 解釋資料，等值線強烈變化的區域推斷為溶蝕發育區，通過在電阻率變化區域布置ZK06、ZK07 鉆孔以驗證，原計劃ZK06 驗證A1-4 號溶槽異常，ZK07 驗證A1-2 號溶溝異常，但因現場不利于鉆機布設，后ZK06 調整到180 號點附近，ZK07 調整到20 號點附近，將鉆孔柱狀圖投影到物探反演剖面圖上，鉆孔揭示的溶洞位置與其附近的溶洞異常基本吻合。結果表明：研究區上部覆蓋層主要為雜填土與粉質黏土，厚度為6～8 m，在反演圖上局部層厚達到20 m 的區域，主要受溶槽溶溝發育影響，且整體符合物探反演圖上等值線橫向變化不大，電阻率整體偏低的表述，鉆孔下部基巖主要為16 m 厚中風化灰巖，局部有蜂窩狀溶蝕，而物探反演圖上出現A1-4 U 型溶槽異常，A1-5 漏斗狀溶槽異常兩處巖溶發育，等值線變化崎嶇不平，與灰巖中溶蝕情況相符，代表巖溶在此處強烈發育，鉆孔揭示資料契合物探反演圖推測。

3.2.2 B 區

物探反演圖6 上等值線與上部覆蓋層變化較大的區域推斷為溶蝕發育區，通過在電阻率變化區域布置ZK02、ZK03 鉆孔以驗證，結果表明：覆蓋層厚度20～30 m，符合反演圖上剖面淺部電阻率均偏低，等值線變化較小的覆蓋層推測，在溶槽溶溝等巖溶發育的地區，覆蓋層厚45 m 左右，ZK02 深處出現全風化泥質灰巖，風化呈土狀，故其下部的中風化遍布節理裂隙的泥質灰巖中發育有全充填溶洞B12-5，由碎石土充填，有利于巖溶必備的水循環交替，溶蝕強烈發育。ZK03 上部為黏土及雜填土覆蓋層，而溶溝的充填物使得等值線出現扭轉彎曲，在中風化泥質灰巖下1.7 m 見半充填型溶洞，充填物為粉質黏土等，洞下灰巖發育有蜂窩狀溶蝕，B12-4 是漏斗狀溶溝狀異常，故該處為巖溶強烈發育地帶。兩個鉆孔揭示的地層資料均與物探解譯吻合。

3.2.3 C 區

物探反演圖7 表明，電阻率與等值線變化較大的區域推斷為巖溶強烈發育區，通過在溶蝕發育區布置2 個鉆孔ZK11、ZK12 鉆孔以驗證，結果表明：C 區整體淺部地層等值線變化小、電阻率偏低的12～28 m 為覆蓋層，主要為雜填土以及粉質黏土，但在覆蓋層下等值線顯示為低阻凹陷或低阻團塊的區域，多為溶蝕發育區，存在溶槽溶溝等，導致覆蓋層厚度40 余米。ZK11 處鉆孔含有較厚碎石土，下部均出現厚度較小的中風化灰巖，受風化影響，灰巖節理裂隙發育良好，有利于水循環交替，故其中發育有C1-4 漏斗狀溶蝕異常。ZK12 覆蓋層極厚，50 余米，物探反演圖推測為下部有溶槽溶溝等影響，在35 m 厚碎石土下部的中風化灰巖中出現C1-3 巨大的漏斗狀溶溝異常。鉆孔揭示的地層信息契合物探解譯的資料及其推測。研究區共布設物探測線30余條，電阻率及等值線變化較大區域推測為巖溶強烈發育地區，通過布置的工程地質鉆孔對其溶蝕發育區進行驗證，鉆孔揭示的溶蝕異常基本符合物探反演圖預測，驗證率80%左右。由此可見，在建筑物及人文環境因素影響較大，常規地球物理探測方法受到限制時，OCTEM 可有效探測地層潛藏的溶蝕、土洞等特征。

4 結論

a.研究區地層巖溶分布類型以覆蓋型巖溶為主，地質構造復雜，斷層褶皺密集分布并導致研究區圍巖不穩定，易發生地面下沉或塌陷，巖體風化破碎嚴重，影響巖層完整性，降低巖體的強度，且由于充分的地下補給徑流，加速巖溶的發育，使巖溶地面塌陷更加強烈。

b.研究區物探布置線受到建筑物及人文環境因素影響較大，常規地球物理探測方法受到各種限制，而等值反磁通瞬變電磁法受電磁等干擾主要體現在后期分析工作中，在前中期影響較小，且由于探測深度較淺，在有效防止了地層金屬物的干擾情況下，OCTEM 體現出抗干擾能力強，不受工作場地大小制約的特點，可以有效探測研究區淺層巖溶、土洞的埋深、分布、特征等。

c.等值反磁通瞬變電磁法可以有效探測出地層的巖溶地面塌陷情況，物探反演圖表明：電阻率偏低，等值線變化平緩區域推測為覆蓋層，等值線橫向變化較大，電阻率變化明顯區域推測多為可溶巖的基巖部分，通過工程地質鉆探信息驗證，溶蝕發育區的主要基巖為強風化灰巖，鉆探信息契合反演圖推測。綜合分析A、B、C 三個重點研究區，本次在物探反演圖揭示出的巖溶異常發育區布設鉆孔6 個，共有5 處鉆孔直接探明地下溶洞，OCTEM 解釋的溶洞驗證率達80 %以上，進一步說明等值反磁通瞬變電磁法適用于相關地質災害分析研究。