謝紹彬

（廣西壯族自治區(qū)地球物理勘察院，廣西 柳州 545005）

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，工程物探技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，而且新的方法技術(shù)不斷涌現(xiàn)，工程物探技術(shù)在工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域越來(lái)越受到重視，它是地質(zhì)科學(xué)中一門新興的、十分活躍、發(fā)展很快的學(xué)科，它又是工程勘察的重要方法之一，在某種程度上講，它的應(yīng)用與發(fā)展已成為衡量地質(zhì)勘察現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志[1]。

隨著工程建設(shè)項(xiàng)目的增多，各種不同種類的工程所在的建設(shè)區(qū)域有著不同的地形地質(zhì)特征，極大地增加了勘察工作的復(fù)雜程度。復(fù)雜的地形地貌影響著巖土工程勘察工作的順利進(jìn)行，山地、盆地、丘陵以及不同地形相互交錯(cuò)的地形構(gòu)造極為復(fù)雜，巖土性質(zhì)也各不相同，甚至在同一區(qū)域存在著幾種不同性質(zhì)的巖土[2]。此外，地下水、地下暗河、巖層結(jié)構(gòu)、巖溶等諸多因素的地質(zhì)環(huán)境形成地下溶洞、上覆土體中形成土洞造成的巖溶塌陷對(duì)建筑物、基礎(chǔ)建設(shè)工程、大型地下工程等造成嚴(yán)重的破壞。在實(shí)際工程項(xiàng)目中，要了解工作區(qū)的巖溶發(fā)育情況和分布特征，就必須首先查清楚該工作的地質(zhì)情況，包括：巖性分層、基巖面埋深及起伏、活動(dòng)斷裂、地裂縫、孤石、空洞、富水性等。而一些大規(guī)模、高要求的基礎(chǔ)建設(shè)工程，對(duì)地質(zhì)情況的查清程度要求也越來(lái)越高，要求詳細(xì)查明地下一定范圍內(nèi)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、構(gòu)造、地質(zhì)異常體等情況。

地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征是巖溶發(fā)育狀況綜合地質(zhì)調(diào)查的重要內(nèi)容，地球物理探測(cè)是地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)手段，包括重、磁、電、震多種技術(shù)方法。但是目前的多種方法都有著很大的局限性，且存在勘探盲區(qū)，特別是在城市的施工中，存在外界干擾嚴(yán)重，地表施工條件不滿足等情況，使得在城市中的地球物理探測(cè)困難重重[3]。為突破淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)的技術(shù)瓶頸，席振銖等提出了一種等值反磁通原理的淺層瞬變電磁法，該方法采用上下平行共軸的兩個(gè)相同線圈通以反向電流作為發(fā)射源（雙線圈源），并在雙線圈源的中間平面接收地下二次場(chǎng)。由于接收面為上下兩線圈的等值反磁通平面，其一次場(chǎng)磁通始終為零，而地下空間卻仍然存在一次場(chǎng)，因此一次場(chǎng)關(guān)斷時(shí)，接收線圈測(cè)量的是地下的純二次場(chǎng)響應(yīng)；通過(guò)分析雙線圈源觀測(cè)的在均勻半空間地下激勵(lì)的瞬變二次場(chǎng)，提高早期信號(hào)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)淺部探測(cè)。

本文首先簡(jiǎn)述了等值反磁通瞬變電磁法的原理，然后結(jié)合該法在淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)中的應(yīng)用實(shí)例，將利用該方法探測(cè)的成果資料與鉆孔資料進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了該方法在復(fù)雜的城市環(huán)境下，可以有效的探測(cè)淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖溶分布的能力。

1 等值反磁通瞬變電磁法原理

等值反磁通瞬變電磁法（OCTEM）是測(cè)量反磁通瞬態(tài)電磁場(chǎng)衰減擴(kuò)散的一種物理勘探方法。等值反磁通瞬變電磁法采用上下平行共軸的兩組相同線圈為發(fā)射源，且在該雙線圈源合成的一次場(chǎng)零磁通平面上測(cè)量對(duì)地中心耦合的純二次場(chǎng)，裝置示意圖見圖1。雙線圈在地面發(fā)射瞬態(tài)脈沖電磁場(chǎng)信號(hào)，其中一組線圈置于近地表，在瞬態(tài)脈沖斷電瞬間，近地表疊加磁場(chǎng)最大。因此，在相同的變化時(shí)間下，感應(yīng)渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)最強(qiáng)。隨著關(guān)斷間歇的延時(shí)，地表感應(yīng)渦流逐漸衰減又產(chǎn)生新的渦流極大值面，并逐漸向遠(yuǎn)離發(fā)射線圈的深部、邊部方向擴(kuò)散，即為瞬變電磁法的“煙圈效應(yīng)”（見圖2）。渦流極大值面的擴(kuò)散速度和感應(yīng)渦流場(chǎng)值的衰減速度與大地電性參數(shù)有關(guān)：大地電導(dǎo)率越大，擴(kuò)散速度越小，衰減得越慢。根據(jù)地表接收到得渦流場(chǎng)信號(hào)隨時(shí)間得衰減規(guī)律，即可獲得地下電導(dǎo)率信息，這就是等值反磁通瞬變電磁法得物理原理。

圖1 等值反磁瞬變電磁裝置示意

圖2 瞬態(tài)渦流極大值擴(kuò)散示意

2 工程實(shí)例

某工區(qū)位于A市西南部，地勢(shì)平坦，淺層地質(zhì)巖溶較發(fā)育，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和場(chǎng)區(qū)內(nèi)所揭露地層的地質(zhì)時(shí)代、成因類型、巖性特征、風(fēng)化程度等工程特性，將沿線巖土層分為4層，各層內(nèi)有必要的再細(xì)分亞層，如覆蓋層分為全新統(tǒng)人工填土層(Q4ml)、溶洞充填層(Q4ca)和更新統(tǒng)沖積層(Q3al)等3層，巖性由上至下分別有人工填筑土、粉質(zhì)粘土、粘土等；下伏地層巖性為石炭系下統(tǒng)大塘組（C1d）白云質(zhì)灰?guī)r夾灰?guī)r。物探勘察的目的是查明該區(qū)淺層不良地質(zhì)作用（巖溶、斷裂及破碎帶）的特征、成因、分布范圍、發(fā)展趨勢(shì)和危害程度，為下一步工作部署提供依據(jù)。

在該工區(qū)開展物探工作，傳統(tǒng)應(yīng)用的高密度電阻率法因探測(cè)目標(biāo)和工作環(huán)境的不同，且干擾因素多，施工場(chǎng)地有限等，無(wú)法滿足本次勘探要求。根據(jù)場(chǎng)地的實(shí)際情況及目的要求，綜合考慮在工區(qū)布設(shè)兩條探測(cè)剖面，采用湖南五維地質(zhì)科技有限公司研發(fā)的HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)[4]。工作參數(shù)為：系統(tǒng)采用24bit，625ksps采樣率（采樣間隔1.6μs），沿測(cè)線方向按點(diǎn)量測(cè)，測(cè)量點(diǎn)距為5m，以多周期疊加采樣取平均值作為實(shí)測(cè)記錄信號(hào)。

工區(qū)第四系覆蓋層視電阻率值在20Ω·m～100Ω·m左右，視電阻率較低。完整灰?guī)r、視電阻率值為400Ω·m以上，為本區(qū)視電阻率最高。而節(jié)理、裂隙、破碎發(fā)育的灰?guī)r視電阻率在200Ω·m以下，含地下水巖溶、土洞、溶蝕破碎發(fā)育的灰?guī)r的視電阻率通常較低，在100Ω·m以下。通過(guò)OCTEM探測(cè)并反演成圖（見圖3 I線OCTEM反演電阻率等值線圖、圖4 II線OCTEM反演電阻率等值線圖），如圖所示，縱向上視電阻率從上到下逐步遞增，橫向上高低電阻相間，淺部的低阻帶為覆蓋層或全風(fēng)化巖石的電性反應(yīng)。圖3橫向上在10m～20m、38m～52m之間，圖4橫向上38m～52m、67m～87m、96m～103m、113m～118m之間都有橢圓狀或條帶狀低阻異常，異常編號(hào)分別為RD1-RD6。根據(jù)工作區(qū)的物性參數(shù)值及地質(zhì)資料，推斷低阻異常形態(tài)位置可能為溶洞發(fā)育。為了進(jìn)一步分析引起異常的原因，在RD1、RD2、RD4、RD5分別布置YZK1、YZK2、YZK3鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證（圖3、圖4），鉆孔揭示淺部覆蓋層為：碎石土、角礫土、黏土，基巖為白云質(zhì)灰?guī)r。鉆孔揭示的溶洞與OCTEM反演的電阻率低阻異?；旧舷鄬?duì)應(yīng)，溶洞，上部由黃色、可塑狀黏土充填，下部為溶槽、溶蝕裂隙，取芯呈角礫狀。圖3、圖4中基巖頂面起伏形態(tài)特征明顯，覆蓋層的厚度變化特征刻畫清晰，與鉆孔揭示基本一致，且更加直觀，非常有利于后續(xù)的工作部署。由此可見，等值反磁通瞬變電磁法可以有效的探測(cè)淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖溶分布的能力。

圖3 I線OCTEM反演電阻率等值線圖

圖4 II線OCTEM反演電阻率等值線圖

3 結(jié)語(yǔ)

（1）等值反磁通瞬變電磁法在淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)中，取得良好的應(yīng)用效果，在一些干擾因素較多，場(chǎng)地受限的情況下，等值反磁通瞬變電磁法有較好的適用性。

（2）等值反磁通瞬變電磁法在工程地質(zhì)勘探的實(shí)際應(yīng)用中，從反演所得到的淺部電性信息較豐富，具有良好的分辨率。

（3）等值反磁通瞬變電磁法結(jié)合鉆孔資料，可以精確分析淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特征，進(jìn)一步查明淺層的地質(zhì)構(gòu)造格架、基巖頂界面埋深及地層劃分等情況，此技術(shù)對(duì)勘察區(qū)內(nèi)大型建筑和不易施工的地區(qū)是一個(gè)良好的補(bǔ)充。