劉海彬，王　燦（湖南省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，湖南　株洲　412003）

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綜合電法勘探在湖南某井場(chǎng)調(diào)查項(xiàng)目中的應(yīng)用

劉海彬，王燦（湖南省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，湖南株洲412003）

溶洞等不良地質(zhì)體的存在是引起的地面沉陷、建筑物沉降以及基礎(chǔ)坍塌等地質(zhì)災(zāi)害的主要原因，其發(fā)育范圍勘探是地質(zhì)災(zāi)害治理的首要任務(wù)。本文具體介紹了高密度電阻率法和瞬變電磁法兩種電法勘探方法的理論基礎(chǔ)，并針對(duì)在湖南某井場(chǎng)調(diào)查項(xiàng)目中的勘探實(shí)例介紹這兩種方法在綜合應(yīng)用中成果。

高密度電阻率法；瞬變電磁法；巖溶

溶洞等不良地質(zhì)體的存在是引起的地面沉陷等地質(zhì)災(zāi)害的主要原因，其發(fā)育范圍勘探是地質(zhì)災(zāi)害治理的首要任務(wù)。

高密度電阻率法（Multi-electrode resistivity method）是一種陣列式電阻率測(cè)量方法，該法可以實(shí)現(xiàn)電阻率的快速采集和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，它集電剖面和電測(cè)深于一體，采用高密度布點(diǎn)，進(jìn)行二維地電斷面測(cè)量，提供的數(shù)據(jù)量大、信息多，并且觀測(cè)精度高、速度快，是灰?guī)r地區(qū)尋找溶洞及構(gòu)造破碎帶最有效的物探方法之一［1～2］。

瞬變電磁法（Transient electromagnetic method，TEM）是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間利用線圈或接地電極觀測(cè)地下介質(zhì)中引起的二次感應(yīng)渦流場(chǎng)，從而探測(cè)介質(zhì)電阻率的一種方法［3］。瞬變電磁法具有體積效應(yīng)小、等值范圍窄、測(cè)地工作簡(jiǎn)單、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)［4］。

本文以高密度電阻率法和瞬變電磁法兩種方法在湖南某井場(chǎng)調(diào)查項(xiàng)目中的綜合應(yīng)用為例進(jìn)行說(shuō)明。

1　任務(wù)和目的

查明湖南某井場(chǎng)200m×200m范圍內(nèi)300m以淺溶洞等不良地質(zhì)體分布情況，為井位的選取提供地球物理依據(jù)。

2　方法與技術(shù)

由于瞬變電磁測(cè)深法在地表淺層存在盲區(qū)，故采用高密度電阻率法確定表層50m以淺不良地質(zhì)體的分布情況，采用瞬變電磁測(cè)深法確定深度300m以淺不良地質(zhì)體的分布情況。工程布置示意圖如圖1所示。

圖1　工程布置示意圖

2.1高密度電阻率法的方法與技術(shù)

高密度電阻率法的方法原理和技術(shù)參數(shù)設(shè)置如下：施工時(shí)預(yù)先將所探測(cè)剖面位置的所有電極布設(shè)好，經(jīng)人工選擇觀測(cè)裝置，由儀器的自動(dòng)控制程序分別接通被選觀測(cè)裝置所需位置的電極，并沿測(cè)線供電和測(cè)量，分層采集數(shù)據(jù)，得到高密度電阻率剖面。

本次施工采用溫納裝置，其觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)置如圖2所示。

圖2　溫納裝置觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)置圖

溫納裝置：裝置系數(shù)K=2πr，其中r為電極間距，n為隔離系數(shù)，AM=MN= NB=nr。

在調(diào)查項(xiàng)目中，根據(jù)目的層深度，高密度電阻率法共布設(shè)11條測(cè)線，電極距為8m，線距20m，使用的儀器為重慶奔騰數(shù)控研究所生產(chǎn)的WGMD-9型超級(jí)高密度電法系統(tǒng)。

2.2瞬變電磁法的方法與技術(shù)

瞬變電磁法施工時(shí)將線圈與儀器連接好后，線圈中心置于測(cè)量點(diǎn)上，通過(guò)儀器控制給發(fā)射線圈供以脈沖電流，然后關(guān)斷線圈電源，利用接收線圈接收該脈沖電磁感應(yīng)場(chǎng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場(chǎng)。將儀器接收的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)處理后可得到地下三維空間的電阻率分布情況，以此來(lái)判斷地下溶洞及富水區(qū)的分布情況。

本次施工采用同一回線裝置，共布設(shè)11條測(cè)線，線距20m，點(diǎn)距20m，使用的儀器為澳大利亞產(chǎn)TerraTEM瞬變電磁系統(tǒng)。

3　地質(zhì)概況

高密度電阻率法測(cè)區(qū)內(nèi)的電性特征較簡(jiǎn)單，表層為第四系土層，由耕植土、含碎石粉質(zhì)黏土組成，本場(chǎng)地內(nèi)其視電阻率值相對(duì)比較低，一般小于600Ω·m；若場(chǎng)地內(nèi)基巖巖體較完整，本場(chǎng)地內(nèi)其視電阻率值一般大于1600Ω·m。根據(jù)基巖的裂隙發(fā)育程度，及其含水性，其視電阻率值高低有一定的差別，本場(chǎng)地內(nèi)一般在600～1400Ω·m。場(chǎng)地內(nèi)若存在巖溶，根據(jù)其是否有填充物和填充物的含水性，其視電阻率值相對(duì)周圍巖體表現(xiàn)為低阻異常（含水）或高阻異常（含水少或不含水）。由于本次勘探是在雨季過(guò)后進(jìn)行的，故巖溶一般都會(huì)含水，表現(xiàn)為低阻異常。場(chǎng)地內(nèi)若存在斷層破碎帶，因其巖石破碎，裂隙發(fā)育，含水性較強(qiáng)，表現(xiàn)為低阻異常，且視電阻率值表現(xiàn)為雜亂無(wú)序。因此，高密度電阻率法測(cè)區(qū)內(nèi)的巖溶、斷層破碎帶與其周圍圍巖具有明顯的電阻率差異，可運(yùn)用高密度電阻率法區(qū)分。

瞬變電磁法測(cè)區(qū)內(nèi)上層是奧陶系桐梓組灰?guī)r，下伏巖層為寒武系巖層，灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖等表現(xiàn)為高阻特征，一般大于150Ω·m，其變化范圍總體表現(xiàn)為高阻特性；頁(yè)巖、含碳灰?guī)r（碳質(zhì)灰?guī)r）、泥質(zhì)灰?guī)r、砂巖等電阻率一般表現(xiàn)為相對(duì)低阻，一般情況下會(huì)小于150Ω·m；而受水作用侵蝕的灰?guī)r或溶腔，會(huì)因含水（或潮濕）而使其電阻率往往低于其圍巖，一般會(huì)因含水量的大小或侵蝕規(guī)模的大小而有所變動(dòng)?？傮w上，在灰?guī)r中溶蝕區(qū)表現(xiàn)為比圍巖更低的電性特征，給物探提供了辨識(shí)異常的依據(jù)。由于瞬變電磁方法探測(cè)深度的局限性，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷垂直剖面下部低阻區(qū)為奧陶系灰?guī)r。

4　資料處理與成果解釋

4.1資料處理

4.1.1高密度電阻率法資料處理

高密度電阻率法的資料處理步驟為：首先將采集的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，并將其轉(zhuǎn)換為Surfer所需的文件格式；利用Surfer軟件檢查數(shù)據(jù)、去非值、去干擾值；生成等值線剖面圖。

4.1.2瞬變電磁法資料處理

瞬變電磁法的資料處理步驟為：①把所測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行核查，繪出曲線。②對(duì)于所得的曲線，進(jìn)行圓滑處理，由于各種干擾的影響，使一些曲線的尾支出現(xiàn)畸變，對(duì)此采用個(gè)別圓滑的方法進(jìn)行局部圓滑，對(duì)于一般畸變較小，曲線規(guī)律較好的情況，一般不予圓滑，盡量保存原有信息，以對(duì)解釋提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。③根據(jù)野外工作方法采用TEM磁源初步反演軟件進(jìn)行視深度電阻率數(shù)據(jù)文件輸出。④經(jīng)過(guò)資料預(yù)處理，利用surfer繪制各剖面等值線圖。

4.2成果解釋

本次物探外業(yè)工作結(jié)束后，結(jié)合現(xiàn)有的地質(zhì)資料，對(duì)物探資料進(jìn)行解釋，并獲得本測(cè)區(qū)的綜合探測(cè)成果。根據(jù)所獲得的11條高密度斷面和11條瞬變電磁斷面表明，測(cè)區(qū)內(nèi)在探測(cè)深度范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)多處物探異常點(diǎn)，并且根據(jù)上述理論解釋依據(jù)對(duì)各物探異常點(diǎn)進(jìn)行了物探-地質(zhì)解釋，根據(jù)解釋結(jié)果可知，場(chǎng)地內(nèi)存在多個(gè)巖溶發(fā)育區(qū)。

4.2.1高密度電阻率法成果解釋

高密度電阻率法共布設(shè)11條測(cè)線，獲得11條斷面，本文以G5測(cè)線為例對(duì)斷面圖進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3　高密度電阻率法G5測(cè)線等視電阻率圖及物探地質(zhì)斷面圖

從圖3中可見(jiàn)，G5測(cè)線上探測(cè)出的巖溶發(fā)育區(qū)有4個(gè)，沿測(cè)線方向從左到右分別為：沿測(cè)線方向100.7～144.4m位置，高程在1.1～13.1m范圍；沿測(cè)線方向175.3～264.4m位置，高程在2.5～17.1m范圍；沿測(cè)線方向285.7～302.8m位置，高程在3.5～14.1m范圍；沿測(cè)線方向313.2～531.5m位置，高程在1.7～34.3m范圍。

4.2.2瞬變電磁法成果解釋

瞬變電磁法共布設(shè)11條測(cè)線，獲得11條斷面，本文以T5測(cè)線為例對(duì)斷面圖進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4　瞬變電磁法T5測(cè)線等視電阻率圖及物探地質(zhì)斷面圖

從圖4中可見(jiàn)，T5測(cè)線上有3個(gè)巖溶發(fā)育區(qū)，沿測(cè)線方向從左到右分別為：A巖溶發(fā)育區(qū)是沿測(cè)線方向0～200m范圍，高程在630m至地表范圍；B巖溶發(fā)育區(qū)是沿測(cè)線方向160～200m范圍，高程在645～710m范圍；C巖溶發(fā)育區(qū)是沿測(cè)線方向80～120m范圍，高程在640～660m范圍。

結(jié)合該工程項(xiàng)目，為了便于分析，定出適于工程施工的最佳位置，在高程730m至高程510之間按20m間隔做了12個(gè)平面切圖。以650m高程平切圖為例，如圖5所示。A、B、C三個(gè)巖溶發(fā)育區(qū)與圖4中的A、B、C三個(gè)巖溶發(fā)育區(qū)對(duì)應(yīng)一致。

圖5　瞬變電磁高程650m平切等視電阻率圖及平面成果圖

根據(jù)平面切圖的電性分布圈定平面方向的物探異常范圍。測(cè)線T5的T5-1～T5-8在高程650m處明顯體現(xiàn)了出來(lái)。

根據(jù)綜合電法剖面圖的解釋，將各物探剖面圖上的異常點(diǎn)沿測(cè)線的范圍投影到平面圖上，獲得了平面圖上各異常點(diǎn)在測(cè)線上的范圍和位置，將各異常點(diǎn)在測(cè)線上的范圍串聯(lián)到一起，形成了巖溶發(fā)育區(qū)在平面圖中的范圍和位置，并將巖溶發(fā)育程度相對(duì)較低的小范圍位置作為建議井場(chǎng)位置，如圖1中所示。

5　結(jié)束語(yǔ)

（1）本次物探工作結(jié)果表明，井場(chǎng)200m×200m范圍內(nèi)地表300m以淺溶洞等不良地質(zhì)體較為發(fā)育。通過(guò)資料對(duì)比分析，將巖溶發(fā)育程度相對(duì)較低的小范圍位置作為建議井場(chǎng)位置并得到了甲方的認(rèn)可。后期在該位置鉆探實(shí)施過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)現(xiàn)象，從而驗(yàn)證了本次綜合電法勘探的正確性。

（2）實(shí)踐表明綜合運(yùn)用高密度電阻率法和瞬變電磁法對(duì)巖溶發(fā)育區(qū)厚度和范圍探測(cè)具有很好的互補(bǔ)性，該綜合物探模式對(duì)于需要探明近地表巖溶發(fā)育區(qū)和深部巖溶發(fā)育區(qū)范圍具有很好的勘察效果，其成果對(duì)同類勘探工作具有很好的借鑒意義。

（3）物探方法作為地質(zhì)勘探的一種重要而有效的手段，已在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但物探方法是一種間接勘探手段，由于地質(zhì)現(xiàn)象的復(fù)雜性和邊界條件的不確定性，其反演解釋成果具有多解性。在實(shí)際工作中同時(shí)采用多種物探方法進(jìn)行綜合勘探，從不同的角度、用不同的物性參數(shù)進(jìn)行解釋，并對(duì)解釋成果作為相互補(bǔ)充和驗(yàn)證，就可以大大提高物探成果的精度和準(zhǔn)確性。

［1］張臘根，劉 基.高密度電法在巖溶路基勘察中的應(yīng)用［J］.土木基礎(chǔ)，2006，20（5）：69～71.

［2］湯謹(jǐn)暉，方大為，姚 金.高密度電阻率法在某路基巖溶區(qū)勘查中的應(yīng)用［J］.科技廣場(chǎng)，2008，1：179～181.

［3］王俊茹，張吉恒，許柏青.瞬變電磁法在高速公路采空區(qū)勘測(cè)中的應(yīng)用［J］.物探與化探，2007，31（4）：358～360.

［4］湖南頁(yè)巖氣勘查某井場(chǎng)電磁測(cè)深探測(cè)及地表調(diào)查項(xiàng)目報(bào)告［R］.湖南省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，2014.

王 燦（1987-），女，研究生，主要從事電法、地震勘探資料處理工作。

P631.3

A

2095-2066（2016）12-0101-02

2016-4-7

劉海彬（1982-），男，工程師，主要從事工程物探、煤田、頁(yè)巖氣地震勘探工作。