鄂 飛 張向東 劉 洋

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000)

1 概述

工程物探是工程地球物理勘探的簡稱，其定義是基于地下巖土層的物理性質(zhì)差異，通過儀器觀測物理場的變化，以確定地下地質(zhì)體的空間分布范圍(大小，形狀和深度等)。在資源探測和異常體勘查中，工程物探發(fā)揮著非常重要的作用。本文重點(diǎn)闡述了高密度電法和瞬變電磁法兩種物探方法的特點(diǎn)、異同及工程應(yīng)用。

2 高密度電阻率法

高密度電阻率法(Multi-electrode Resistivity Method)又稱高密度電法，是一種采用高密度布點(diǎn)進(jìn)行二維地電斷面測量陣列勘探方法。在野外測量過程中，所有的電極(幾十到數(shù)百個)都需要放置在觀測斷面的每個測點(diǎn)上，再通過電極轉(zhuǎn)換裝置和微機(jī)工程機(jī)電測量儀實(shí)現(xiàn)快速、自動的數(shù)據(jù)采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)電阻率的差異，給出地質(zhì)剖面分布的各種圖形結(jié)果[1]。通過研究地球物理勘探方法中與空間不同電場有關(guān)的分布特征和變化規(guī)律，地下結(jié)構(gòu)體系和不均勻電體可以有效地識別[2]。其工作原理如圖1所示，通過A，B電極向地下供電流I，在M，N極間測量電位差ΔV，從而可求得該點(diǎn)(M，N的中點(diǎn))的視電阻率p=KAV/I，其中，K為裝置系數(shù)[3]。

2.1 高密度電法具體工作流程

高密度電法主要通過低頻交流電供電，并通過地層視電阻將測量結(jié)果呈現(xiàn)出來。因此，高密度電法的本質(zhì)是直流電阻率法[2]，具體工作流程見圖2。

勘探結(jié)束后先將勘探過程中各測點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)自動存儲在主機(jī)上，再利用通信軟件將原始數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)先根據(jù)所需的格式處理數(shù)據(jù)，再根據(jù)軟件對模塊的要求完成相應(yīng)的模塊校正等預(yù)處理工作，然后通過二維反演的方式呈現(xiàn)[4]。

2.2 高密度電法特點(diǎn)

與現(xiàn)有電方法相比，高密度電法的優(yōu)點(diǎn)是：

1)一次完成電極放置，減少了電極設(shè)置所造成的干擾和由電極設(shè)置引起的測量誤差。2)可以有效地根據(jù)各種電極的排列獲得關(guān)于地電結(jié)構(gòu)狀態(tài)的豐富地質(zhì)信息。3)數(shù)據(jù)的采集是自動實(shí)現(xiàn)的，避免了人工操作帶來的誤差。4)數(shù)據(jù)可以實(shí)時、離線進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理程序更加合理，大大的提高了勘察的工作效率[5]。

高密度電法在工程物探中的應(yīng)用，要求必須根據(jù)應(yīng)用場所的具體情況執(zhí)行相應(yīng)的具體應(yīng)用計(jì)劃，一方面提升工程物探準(zhǔn)確性，更重要的是確保工程建設(shè)的安全性，以促進(jìn)工程地球物理勘探的發(fā)展[6]。

3 瞬變電磁法

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method)簡稱TEM。其主要原理是利用脈沖磁場感應(yīng)產(chǎn)生的渦流場的運(yùn)動特性來得到地質(zhì)體的地電特性，在一個場的激勵下，使用間歇周期性步進(jìn)脈沖磁場作為激勵(稱為主場)周圍介質(zhì)中激起的感應(yīng)渦流將產(chǎn)生隨時間變化的感應(yīng)電磁場(稱為二次場)。由于二次場富含周圍介質(zhì)的地電信息，因此在主場的間隔期間接收二次場，從而反轉(zhuǎn)地層信息[7]。作為目前工程中使用較多的一種探測手段，在近些年也得到了飛速的發(fā)展，在2012年譚劭聰?shù)忍岢隽巳至繖z測解釋理論[8]，在2015年陳嘉輝等詳細(xì)解釋了瞬變電磁法三分量電磁探頭[9]，王斌等提出了陣列式多分量瞬變電磁套管損傷檢測方法[10]。王益等使用物理模擬提出對采空區(qū)積水使用地面回線源發(fā)射、水平巷道或水平鉆孔接收的瞬變電磁法，探測周圍地質(zhì)異常體的方法[11]。

3.1 瞬變電磁法工作流程

在瞬變電磁檢測中，首先將線圈布置在現(xiàn)場，然后將采集到的數(shù)據(jù)存儲在計(jì)算機(jī)中。在數(shù)據(jù)處理的后期階段，第一步是對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，并根據(jù)后期場或全周期場的公式計(jì)算視電阻率曲線;然后，執(zhí)行時間—深度轉(zhuǎn)換過程以獲得每條線的視電阻率中斷。其流程為:開始→原始數(shù)據(jù)處理→數(shù)據(jù)格式處理→繪制初始多測道斷面圖→選擇處理時窗范圍、濾波參數(shù)、畸變數(shù)據(jù)剔除→繪測多測道斷面圖、視電阻率斷面圖→結(jié)束。最后，根據(jù)勘探區(qū)域的地球物理特征，分析了瞬態(tài)電磁響應(yīng)的時間特征和空間分布特征，并對地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合解釋[12]。

3.2 瞬變電磁探測特點(diǎn)

瞬變電磁法在應(yīng)用中具有橫縱向信息豐富、體積效應(yīng)小、探測范圍廣、作業(yè)效率高、受地質(zhì)體影響性小、反應(yīng)靈敏度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，長期以來在各類煤礦采空區(qū)的探測中得到了十分廣泛的使用[13]。然而，瞬變電磁法也容易受到電磁干擾，例如在井中探測時的支護(hù)與掘進(jìn)設(shè)備，地面勘探時附近的高壓線路和信號塔等。同時，瞬變電磁法也存在著理論發(fā)展相對不完善，測得的異常范圍較大，異常位置定位普遍不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)[14]。

4 探測實(shí)例

現(xiàn)以某礦區(qū)工程物探為例介紹高密度電阻率法和瞬變電磁法的應(yīng)用。工作目標(biāo)是在場地的一定范圍內(nèi)勘察滑坡面、裂縫帶、塌陷帶、地下采空區(qū)及巷道。

本次物探試驗(yàn)共布置有6條勘探線，H1，H2勘探線沿東西方向水平布置，長度均為1 000 m。Z1～Z4勘探線沿南北方向豎直方向布置，長度分別為502 m，694 m，182 m，550 m?？碧骄€均采用礦用GPS確定測點(diǎn)，各勘探線端點(diǎn)坐標(biāo)見表1。

表1 勘探線參數(shù)

其中，H1，H2勘探線采用瞬變電磁法和高密度電法共同勘探，其余勘探線僅采用瞬變電磁法勘探。

4.1 TEM成果資料解析

根據(jù)已知地質(zhì)情況，圖3中G3，G4和G5區(qū)為高阻區(qū)，可以確定為煤礦巷道。圖4中D5和D6區(qū)為低阻區(qū)，可以確定為煤礦采空區(qū)。在Z3，Z4測線剖面圖中可見地面沉陷帶，分別為圖4中D3區(qū)。同時在Z4測線剖面圖中可見地面塌陷帶，為圖4中D4區(qū)。

4.2 高密度電法成果資料解析

勘探區(qū)內(nèi)已知有滑坡，其西部邊界H1，H2測線剖面圖中均可見，分別為圖5中G1區(qū)和圖6中G2區(qū)。滑動面在該方向上視傾角約為27°。裂縫帶在H1，H2測線剖面圖中均可見，分別為圖5中D1區(qū)、圖6中D2區(qū)，在圖6中清晰可見5條地裂縫，裂縫在該方向上視傾角約為37°。東部裂縫帶西邊界為圖5中G1區(qū)和圖6中G2區(qū)。

5 兩種物探方法的異同

5.1 兩種方法的異性

在勘探所需的空間上：瞬變電磁法使用時需要的空間相對較少，可在小范圍內(nèi)作業(yè)，而高密度電法更適用于在開闊地帶作業(yè)；在抗干擾能力方面上：高密度電法在受電磁場干擾方面影響稍小，可應(yīng)用于市區(qū)，瞬變電磁法在干擾較小情況下精度要更高。

5.2 兩種手段的共性

兩種方法都能夠?qū)崿F(xiàn)電阻率的快速測試，同時還具備高效率，高信噪比，強(qiáng)分辨率，大檢測深度和快速檢測速度等特點(diǎn)。兩者也都有局限性和適應(yīng)性：在遠(yuǎn)離市中心，避免地下電力，通信，燃?xì)夤芫W(wǎng)等干擾情況下，探測效果較好[15]。

總之，兩種物探方法均是目前比較先進(jìn)的物探技術(shù)之一，且都已經(jīng)具有了較高的研究水平，在不同的工程地質(zhì)條件下可以根據(jù)其地質(zhì)特點(diǎn)采用合適的方法手段，也可以通過兩種方式相互驗(yàn)證，相互補(bǔ)充，以更好地解決工程地質(zhì)問題。