瞬變電磁與高密度電法在巖溶區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

王霽霞，彭曙光，張?jiān)份x

（廣東省工程勘察院，廣東廣州 510510）

隨著中國(guó)城市化建設(shè)的日益進(jìn)展,基礎(chǔ)建設(shè)工程已經(jīng)成為了一個(gè)關(guān)乎民生的重大工程項(xiàng)目,并受到了社會(huì)各界的普遍重視。而巖溶與空洞也都是基礎(chǔ)建設(shè)工程中無(wú)法回避的重大的地質(zhì)問(wèn)題。因?yàn)槿芏瓷L(zhǎng)的相當(dāng)隨機(jī)而且很不易找到,所以傳統(tǒng)的勘察技術(shù)常常很難精確高效地探明地質(zhì)狀況。于是,溶洞的勘探問(wèn)題就變成了阻礙工程的很關(guān)鍵的因素。而瞬變電磁法和高密度電法利用了巖溶景觀和所處巖體結(jié)構(gòu)在電性上具有一定不同的特性,從而可以很快速地測(cè)定出區(qū)域的地形特征、巖塊結(jié)構(gòu)、喀斯特布局等地質(zhì)學(xué)構(gòu)成,然后利用鉆孔等常規(guī)的勘察方法持續(xù)測(cè)試，從而提高工程地貌勘查成果的精確性和經(jīng)濟(jì)性。近年來(lái)，電法勘查方式也隨著瞬變電磁技術(shù)與高密度電法勘探技術(shù)的發(fā)展而不斷被應(yīng)用和普及。

1 方法原理

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)包括一個(gè)發(fā)射循環(huán)設(shè)備和一個(gè)接收循環(huán)設(shè)備。處理過(guò)程分為傳輸、電磁感應(yīng)和接收。瞬變電磁法的試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)分為一個(gè)發(fā)送循環(huán)設(shè)備和一個(gè)接受循環(huán)設(shè)備。處理過(guò)程包括了傳送、電磁感應(yīng)和接收。因此瞬變電磁法也是時(shí)域映射電磁感應(yīng)法的一部分。其檢測(cè)機(jī)理為,當(dāng)發(fā)射電流被供電給傳輸線圈時(shí),在輸入線圈附近形成有相同頻率和相位的交變磁場(chǎng),該交變磁場(chǎng)叫做一次磁場(chǎng)。而如果磁場(chǎng)通過(guò)了地下良導(dǎo)體,則由于電磁效應(yīng),在良導(dǎo)體中會(huì)形成二次感應(yīng)電流。該輸出電壓在周?chē)諝庵挟a(chǎn)生的該次交變磁場(chǎng),也叫做二次磁場(chǎng)。如果沒(méi)有良導(dǎo)體,應(yīng)該分析二次磁場(chǎng)磁性衰減的速度。當(dāng)存在良性導(dǎo)體時(shí)，在電路切斷的瞬間，為了維持一次磁場(chǎng)的短路，導(dǎo)體中會(huì)出現(xiàn)渦流電流，此時(shí)觀察到二次磁場(chǎng)磁性衰減進(jìn)度會(huì)變換。最后通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納和處理，從而對(duì)地下異常電性指數(shù)進(jìn)行詮釋分析。

瞬變電磁法具有水平和垂直信號(hào)強(qiáng)、勘察范圍大、設(shè)備體積小、工作效率高、對(duì)地質(zhì)影響小、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。它被廣泛用于幾乎所有類(lèi)型的工程建設(shè)溶巖勘查中。然而，瞬變電磁法也容易受到其他因素的影響，如井探期間的支架和隧道設(shè)備、近地面勘探的輸電線路和信號(hào)塔等。同時(shí)，瞬變電磁法也存在一些缺點(diǎn)，如當(dāng)前理論支持不充分、測(cè)量異常范圍大、地下位置定位缺少準(zhǔn)確度等。

1.2 高密度電法

高密度電法作為新技術(shù)，是集中了電剖面、電探測(cè)等方法的優(yōu)點(diǎn)的一種物理勘察方法，它不僅能勘察到地下一定深度的電氣性能的橫向變化，它還能提供垂直電氣性能變化的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。由于地下巖層組成和分布的非均質(zhì)性，會(huì)導(dǎo)致電流分布發(fā)生不同的變化。高密度電法技術(shù)就是通過(guò)利用地下介質(zhì)的這種特性，將地下環(huán)境電位的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電阻率，通過(guò)觀察固定相應(yīng)電阻率的差異，研究不同地下空間環(huán)境中電阻率的分布特征和變化規(guī)律，從而形成多方位的投影數(shù)據(jù)，最終由計(jì)算機(jī)生成圖像，得到隱藏的地質(zhì)構(gòu)造和巖溶層、風(fēng)化層，滑坡和其他地下巖層數(shù)據(jù)，以及其精確結(jié)構(gòu)。

高密度電法與現(xiàn)有傳統(tǒng)的電阻法相比有以下優(yōu)點(diǎn)：①電極的一次性放置能夠降低因?yàn)殡姌O安裝而對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的干擾以及電極安裝導(dǎo)致的測(cè)量誤差；②可根據(jù)不同的電極排列位置，有效地獲得豐富的地質(zhì)構(gòu)造狀態(tài)信息；③數(shù)據(jù)收集是自動(dòng)進(jìn)行的，避免了因?yàn)槭謩?dòng)操作產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；④數(shù)據(jù)處理流程更加快速、便捷。數(shù)據(jù)的即時(shí)、離線處理能夠有效地提高勘察速度。高密度電法在工程勘察中的應(yīng)用，需要根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的特性進(jìn)行，要按照客觀情況采用相關(guān)技術(shù)。一方面是為了提高工程勘察的準(zhǔn)確性，另一方面是為了確保施工安全，促進(jìn)建設(shè)工程物探技術(shù)的發(fā)展。

不管是瞬變電磁法及高密度電法，這兩種技術(shù)都是通過(guò)電性的差異對(duì)地下巖層的構(gòu)成結(jié)構(gòu)進(jìn)行勘察。這兩種技術(shù)的結(jié)合能夠極大提高對(duì)巖溶空間勘察的準(zhǔn)確性和實(shí)效性。

2 實(shí)例應(yīng)用

本次巖溶勘察選擇了由廣州設(shè)備儀器廠生產(chǎn)的型號(hào)為DGI-3A高密度電法測(cè)量設(shè)備。該儀器功能齊全，全觸控屏幕，容易操作。它采用全自動(dòng)數(shù)字測(cè)量技術(shù)，能自動(dòng)補(bǔ)償自然電位、電極極化和漂移。中文大屏幕LCD顯示屏可以在高密度測(cè)量工作模式中直接顯示12種以上的布線工作方式；單機(jī)dgi-3a模式可直接顯示九種電極布置模式，運(yùn)行中可實(shí)時(shí)顯示曲線趨勢(shì)圖等。工作方法和工藝主要是Schbossager裝置。運(yùn)行中的電壓可高到260V。探測(cè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)一線一排列，每個(gè)排列由50個(gè)電極組成，同時(shí)觀察49道。為符合考慮勘探深度的需求，觀測(cè)點(diǎn)的間距為10m。

在利用瞬變電磁法技術(shù)進(jìn)行勘察時(shí)，設(shè)備選用了廣州速程設(shè)備開(kāi)發(fā)研究所出產(chǎn)的HITZ-3C淺部瞬變電磁系統(tǒng)，該設(shè)備具有穩(wěn)定性好、信號(hào)強(qiáng)、便攜度高以及低能耗的特點(diǎn)，其超高速斷電技術(shù)更是領(lǐng)先世界前列。設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中疊加次數(shù)為62次，供電頻率為30Hz，發(fā)射電流為4.15A，延時(shí)測(cè)時(shí)間只有2～15μs，切斷時(shí)間為2～4μs。發(fā)射線圈為單匝25m×25m，單匝6m×6m的接收線圈，接線方式為中央回線。測(cè)量線的軌道由現(xiàn)場(chǎng)提供的控制點(diǎn)進(jìn)行追蹤，全站共設(shè)置兩條基線。通過(guò)測(cè)量繩索（卷尺）來(lái)布置測(cè)量點(diǎn)，以測(cè)量距固定點(diǎn)的距離，每個(gè)點(diǎn)編號(hào)代表1m的現(xiàn)場(chǎng)距離。探測(cè)線的方向?yàn)槟媳狈较颉?/p>

地球物理數(shù)據(jù)歸納和分析的主要依據(jù)是地質(zhì)性質(zhì)。本區(qū)第四系覆蓋層與基巖、不同特性基巖之間有著一定的電性差異；巖溶石灰?guī)r發(fā)育區(qū)將產(chǎn)生相應(yīng)的電性變化，可使用適當(dāng)?shù)难b置觀察電性的異常狀態(tài)。其次，根據(jù)演示圖的異常形態(tài)以及相關(guān)特征，可以分析出地下巖層是否存在空洞以及其發(fā)育特征。持此之外，最后的歸納和分析工作也要依照從無(wú)到有的原則，要收集和利用現(xiàn)有地質(zhì)和鉆井資料，對(duì)瞬變電磁演示圖的異常狀態(tài)做出正確解釋，克服地球物理勘察的復(fù)雜化問(wèn)題。

3 成像分析

3.1 高密度電法的成像結(jié)果分析

如圖1所示，顯示的為高密度電法10線視電阻擬斷面圖和推演結(jié)果。圖中上部為實(shí)測(cè)剖面，中部為正剖面，下部為反演剖面。從圖中可以看出，當(dāng)X坐標(biāo)的長(zhǎng)度為0～150m時(shí)，最大電阻異常低于深度21.5m。當(dāng)X坐標(biāo)為150～245m時(shí)，最大異常深度為0～21.5m，因此可以判定該地質(zhì)區(qū)為一個(gè)相對(duì)完整的灰?guī)r地質(zhì)區(qū)；當(dāng)X坐標(biāo)為0～150m，深度大于21.5m時(shí)，判斷其為老粘性土及破碎層分布區(qū)。值得注意的是，在X軸為115～135m、165～175m，深度為21.9～29.5m和26～29m處存在明顯的低阻異常。通過(guò)鉆探試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)X方向125～135m和165～175m處存在巖溶洞穴，實(shí)際上部深度21m，寬度11m。由于反演的異常深度尚未閉合，且?guī)r溶底部情況無(wú)法探明，因此無(wú)法確定巖溶洞穴的最低深度。

圖1 高密度電法演示斷面圖

3.2 瞬變電磁法的成像結(jié)果分析

圖2為設(shè)備HITZ-3C測(cè)線的視電阻率斷面圖，橫坐標(biāo)是編號(hào)的直線距離，縱坐標(biāo)為視深度，點(diǎn)與線之間的距離為2～5.5m。從瞬變電磁成像圖剖面推斷，65m高度之上的灰?guī)r破碎情況嚴(yán)重，處于過(guò)度發(fā)育的狀態(tài)，存在兩個(gè)低電阻異常區(qū)。其中，有一個(gè)“新月”形狀的低電阻異常位于185～220mX坐標(biāo)和38～68m高度處，還有一個(gè)“羊角”形狀的低電阻異常處于189～211mX坐標(biāo)和48m高度處。在經(jīng)過(guò)分析測(cè)線后發(fā)現(xiàn)附近出現(xiàn)帶狀分布的低電阻異常，因此可以假定該處存在由地下流水作用形成的溶洞。

圖2 瞬變電磁法演示斷面圖

3.3 驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果

為了證明勘查結(jié)果的準(zhǔn)確度，在編號(hào)12的高密度線的145m處和瞬變電磁18線的206m以及225m布置了三個(gè)鉆孔。結(jié)果表明，在視深度分別為64.5m和34.5m以及15m處均發(fā)現(xiàn)地下溶洞。這與高密度電法和瞬變電磁法探測(cè)到的結(jié)果基本一致。雖然在通過(guò)勘察得知該地區(qū)地下巖層存在溶洞和裂隙，但是塌方或者地陷的可能性非常小，這說(shuō)明該地區(qū)的巖層相對(duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)于高密度電法和瞬變電磁法的綜合應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)了巖溶地下水平和垂直隱伏溶洞、裂隙區(qū)和溶蝕區(qū)的發(fā)育狀態(tài)和分布趨勢(shì)，具有良好的探測(cè)效果。經(jīng)過(guò)充分的勘探和分析，確定了40個(gè)巖溶區(qū)。這為后期的基礎(chǔ)建設(shè)和設(shè)施施工提供了有效的參考資料的科學(xué)支持；而對(duì)于高層設(shè)施來(lái)說(shuō)，由于對(duì)地基和巖層穩(wěn)定度的要求更高，為了使得勘查結(jié)果更加準(zhǔn)確，必須結(jié)合瞬變電磁法和高密度電法，從而能達(dá)到更高的勘查深度和更加精準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。事實(shí)表明，高密度電阻法和瞬變電磁法的結(jié)合運(yùn)用能夠彌補(bǔ)其他物探方法的缺陷，能夠有效地反映出地下復(fù)雜的地質(zhì)信息，因此非常值得在基建領(lǐng)域進(jìn)行推廣和普及。