音頻大地電磁法探測管道區溶洞的應用分析

王少一，張永生，葉學松

（安徽省交通勘察設計院有限公司，安徽 合肥 230011）

1 概述

該工程位于安徽省寧國市，管道DN1000污水壓力管長6.18km，管道采用明挖和頂管施工。管道穿越一丘陵坡，巖性為石灰巖，最大埋深為45.60m，樁號范圍為K10+767-K11+064，勘察中發現溶洞直徑為0.50～3.80m不等，管道溶洞以空洞為主，充填少量的水及土質。由于巖石的結構、構造及礦物成分存在差異，巖層與地質構造的導電性也存在差異，這就給利用物探法探測工程地質條件提供了先決條件。本工程石灰巖中存在溶洞，溶洞充填有水及土質與周圍石灰巖介質的導電性存在差異，本次利用音頻大地電磁法對溶洞特征、分布進行探測。

2 工程地質條件

2.1 氣象條件

項目區屬北亞熱帶濕潤季風氣候區，氣候溫暖濕潤，四季分明，雨量充沛，梅雨顯著，日照充足，無霜期長。根據寧國市氣象局1955-2006年資料：區內無霜期226天左右；多年平均氣溫15.4℃，極端最高氣溫41.4℃，年極端最低氣溫 -14.5℃。多年平均降水量1589.7mm，最大年降水量為1989.9mm，最小年降水量為1206.2mm，最大日降水量可達248.7mm，降水量變化一般有一定規律，總體上由北向南遞增，海拔高度的增高降水量也明顯增加；降水各月分配也不均勻，一般5～8月為豐水期，降水量約占全年的60%～70%，其中6月15日～7月15日為梅雨季節，這期間，降水量可達200～360mm，由于經常出現暴雨，極易誘發地質災害；一年中的3～4月及9～11月為平水期；12月～翌年2月為枯水期。

2.2 地質構造

項目區所處大地構造單元屬揚子準地臺（Ⅲ），下揚子臺坳（Ⅲ），皖南陷褶斷帶（Ⅲ）。擬建場地未發現活動斷裂及其他影響工程穩定性的地質構造，區域穩定性較好。

2.3 地層巖性

本次管道工程勘察查明，在鉆探所達深度范圍內，基巖為奧陶系下統寧國組（On）青灰色、黃灰色石灰巖。

2.4 水文地質條件

工程區地下水按賦存特征及水理性質，可分為裂隙水和巖溶水兩類。裂隙水主要賦存于基巖節理裂隙之中，巖溶水主要賦存于溶洞中，本次勘察期間鉆孔深度范圍及坡體未見泉水露頭。地下水主要補給來源于大氣降水及斜坡地表徑流，受季節及天氣影響大。

3 音頻大地電磁法

3.1 音頻大地電磁法原理

大地電磁法是利用天然電磁場作為場源的一種地球物理方法，實際上是通過測量各種頻率下的地表水平電場分量Ey（或Ex），與正交的水平磁場分量Hx（或Hy）之比，從而達到了解地下電性結構的目的。音頻大地電磁法(Audio-frequency Magnetotelluries)簡稱為AMT法，是大地電磁（MT）法的一個分支。測深的實質是測量由于太陽風或太陽黑子活動及赤道區的閃電雷擊在地球表面產生的各種頻率的水平電場Ex、Ey和水平磁場 Hx、Hy、Hz，然后通過阻抗與電阻率的關系計算視電阻率從而了解地下電性結構。

本次音頻大地電磁法測量工作使用儀器為德國Metronix公司生產的多通道大地電磁測量系統GMS-07e。

技術特點：①采用天然源方式，即可開展頻率范圍0.1kHz～4kHz的天然場源頻率測深方式；②采用分段時序采集辦法，分別進行高低頻的運算，提高了頻點的采集密度（1Hz～4kHz為50個頻點），從客觀上提高了電磁法的縱向分辨能力。

3.2 音頻大地電磁法數據處理

數據處理采用利用德國Metronix公司Mapros 1.54處理軟件和中國地震局地質研究所“大地電磁資料處理與解釋的可視化集成系統Pioneer 4X”。由于測區地形高程變化較大，在單點反演的基礎上，在進行二維反演時，進行了靜態地形改正，消除地形變化引起的干擾。

3.3 解譯依據

地球物理探測方法的選擇是根據地層深度及構造、破碎帶與圍巖的物性差異而綜合確定的方法技術。本次要探測的是沿管道走向帶中溶洞的分布及特征。

根據常見巖（礦）石電阻率表石灰巖電阻率為60Ω·m～6.0×10Ω·m。

3.4 資料解釋及地質推斷

現場探測的瞬變電磁反演如圖1所示，在標高32.30～36.00m范圍，發現一系列的電阻率異常區，異常區電阻率為400Ω ·m～700Ω ·m，周圍電阻率為800Ω·m～1400Ω·m。通過微動視剖面，推測的異常區高度約3.2m，長度約5.7m。鉆探發現的溶洞高度為2.4m，基本與大地電磁法探測結果一致。

圖1 瞬變電磁反演剖面圖

4 存在差異問題解釋

音頻大地電磁法與大地電磁法相比，具有頻率較高，對淺部的分辨率較高的優點，可以為溶洞探測提供相對可靠的數據參考。經過與鉆探及施工中實際的分布對比，該方法可基本有效地區分出疑似溶洞分布位置。

而存在差異問題的主要原因：①測量中，選擇的采集數據方法、參數選擇等與現場地質條件符合度差異，測量人員的經驗、解釋過程等主觀性對結果都有或多或少的影響；②工程區內地形高差變化較大，測線沿管道走向布置，沿線的高壓電線、水文地質條件變化等對采集過程造成不同程度的影響。對成果解譯應在廣泛收集地質資料的基礎上，最大程度地排除干擾；③音頻大地電磁法是基于巖土體電性差異進行的異常解譯，而引起巖土體電性差異的因素是多方面的，這就造成了成果的多解性。這就要求物探要與鉆探方法相結合，取兩種勘探方法的優點從點到面對工程巖土體進行勘探，以達到查明工程地質條件的目的，更好地為工程服務。

圖2 微動視Vs剖面圖

5 結論

音頻大地電磁法具有頻率較高，對淺部的分辨率較高的優點，對溶洞分布位置及大小特征的探測是相對可靠的。本次對管道工程的溶洞探測也有局限性，由于場地地形高差較大，而探測目標又是埋藏較深的管道區，溶洞的大小相對于地形高差來說，目標較小，造成一部分較小的溶洞異常區不明顯，解譯結果也沒有顯示。物探要與鉆探等其他方法相結合，集多種勘探方法的優點從點到面對工程巖土體進行勘探，以達到查明工程地質條件的目的，更好地為工程服務。