高密度电阻率法和等值反磁通瞬变电磁法在岩溶勘察区中的综合应用

时间：2024-07-28

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州贵阳 550001）

0 引言

随着我国高速公路的快速发展，岩溶这一不良地质体对其危害受到越来越多的关注，因此查明岩溶的发育情况极其重要。物探方法是岩溶勘察中十分重要的方法，它具有高效、经济、无损的特点[1]。

高密度度法[2]（High density resistivity）起源于20世纪70年代末期，由英国学者所设计的电测深偏置系统，它对岩溶、断层、裂隙等不良地质体具有显著的效果。瞬变电磁法（TEM）是一种重要的电磁勘探方法，它是利用不接地回线或接地线源向下发射一次脉冲电磁场，且在一次脉冲间隙观测地下涡流场的方法[3]，由于它存在盲区，对浅层的分辨率较低，探测效果较差。而等值反磁通瞬变电磁法[4]有三个线圈，接收线圈位于发射线圈的中间，通过分析双线圈源的一次场分布规律，表明在双线圈源的中间存在一次场零磁通平面，接收线圈置于该平面可测得纯二次场，以此来提高早期的信号质量，实现浅部勘探。本文通过高密度电阻率法与等值反磁通瞬变电磁法联合勘探的方法对某高速公路路基进行勘察，有效地确定了岩溶的位置、以及发育方向，为工程的安全实施提供了科学的保证。

1 基本原理

1.1 高密度电阻率法

高密度电阻率法是20世际80年代兴起的一种新型电阻率法，它与常规电阻率法一样是以地壳中岩矿石的电阻率差异为物性前提条件，通过观测和研究人工电流场的变化和分布规律，来进行不良地质体探测的一种勘探方法。

高密度电阻率法工作系统[5]如图 1所示，向供电电极A、B供以直流电I，然后对测量电极（M,N）间的电位差进行观测，从而计算出视电阻率，其中K为装置系数。

根据实测的视电阻率值，进行计算、处理、分析便可获得地壳中岩石电阻率的分布情况，从而对不良地质体进行勘察与圈定。

图1 高密度电阻率法工作示意图

1.2 等值反磁通瞬变电磁法

瞬变电磁法或称时间域电磁法[6]，是利用阶跃波或其他脉冲电流场激励源，测量由地下介质产生的二次感应电磁场随时间变化的衰减特性，从而推断地下目标体的分布性态。

等值反磁通瞬变电磁法[4]（OCTEM）是测量等值反磁通电磁场衰减扩散的一种新的瞬变电磁法。它是采用共轴上下平行的两组相同线圈作为发射源，并向线圈通以反向电流时产生产生等值反向磁通的电磁场时空分布规律，且在一次零磁通平面上，测量对地中心耦合的纯二次场，如图 2所示：双线圈在地面发射瞬态脉冲电磁场信号，其中一个线圈置于近地表面，在瞬态脉冲断电瞬间，近地表叠加磁场最大，因此，在相同的时间变化下，感应涡流的极大值集中在近地表，感应涡流产生的磁场最强，随着关断间歇的延时，地表感应涡流逐渐衰减又产生新的极大值面，并逐渐向深部、边部方向扩散，即M.N.Nabighian所描述的瞬变电磁的‘烟圈效应’（图3）。

图2 等值反磁通瞬变电磁装置示意图

涡流极大值面的扩散速度和感应涡流场值的衰减速度与大地电性参数有关，一般在非磁性大地中，主要与电导率有关，电导率越大，扩散速度越小，衰减的越慢。根据地表接收到的涡流场信号随时间的衰减规律即可获得地下电导率信息，这就是等值反磁通方法的物理原理。

图3 瞬态涡流扩散极大值示意图

2 工区地质概况与地球物理条件

2.1 工区地质概况

场区位于扬子准地台黔北台隆遵义断拱之贵阳复杂构造变形区。

根据地质调绘，场区发育一性质不明断层F1。断层F1于线位桩号YK30+355处穿过，呈南西～北东走向，为一非活动性正断层。其上盘综合地层产状305°∠19°，主要节理产状为174°∠43°、303°∠53°两组，多为密闭型节理，节理密度200～300mm；下盘综合地层产状30°∠27°，主要节理产状为49°∠73°、295°∠63°两组，多为张节理，节理密度200～300mm。

2.2 地球物理条件

场区覆盖层为残坡积层（Qel+dl）粘土。下伏基岩为二叠系下统栖霞组（P1q）灰岩、二叠系下统梁山组（P1l）石英砂岩、炭质泥岩及煤层，泥盆系上统尧梭组（D3y）灰岩。根据电阻率的差异，为我们溶洞的探测提供了很好的物理条件，如表1所示：

表1.物理条件参数表

3 工程实例

本次公路岩溶勘察使用的是重庆奔腾仪器厂的WGDM-9高密度电法仪和湖南五维地质科技术有限责任公司的HPIEM-08型高精度瞬变电磁系统。

高密度电阻率法数据采集是使用的是施伦贝尔装置，工作电压为 196v，每个排列布置70个电极，为了满足其探测的分辨率及深度要求，点距为3m。

瞬变电磁法探测使用的是高精度瞬变电磁仪，具有消除或减弱TEM早期过渡过程影响、抗干扰能力强、系统分辨率高、系统采样率高，可实现高密度时间抽道、采用发射接收一体化的微型天线，施工轻便的特点。工作电压为12v，发送频率为25Hz，发送电流7.72A，关断时间82.5us，叠加次数为300。

实测资料解释的原则是根据地质为物性前提，综合解释来减少其异常的多解性，成果如图4，6所示：

图4 高密度电阻率法反演解释结果

3.1 高密度电阻率法成果解释

测区内多处可见基岩，从图4中可以看出水平方向坐标为81～160m，深度约15～36m时，视电阻率值较大，且较均匀，推测为较完整灰岩的表现，深度14.4m以上的低阻，结合实际资料推测为强风化以及裂隙发育的表现；在水平方向69～75m，深度约 8～14m，表现为低阻异常，其上部为高阻，推测其为溶洞，结合地质钻孔资料对其也进行了很好的验证。