三維直流并行高密度電法與瞬變電磁法在某玻璃管擬建場地勘察中的應用

姚麗芳，張順中，陳興海，潘樂荀，湯連生

(1.廣州航海學院航務工程學院, 廣州 510725； 2.浙江省工程勘察院，寧波 315012； 3.安徽惠洲地質安全研究院股份有限公司，合肥230601； 4.中山大學地球科學與工程學院，廣州 510275)

巖溶不良地質現象在工程建設中常常引發工程地質問題，為了查清擬建某玻璃管項目場地范圍內巖溶分布及發育情況，根據測區已知的工程地質資料和初勘階段資料分析，采用三維直流并行高密度電法、瞬變電磁法相結合的綜合物探手段以實現溶洞分布的勘察。三維直流并行高密度電法是直流電阻率法的一種，是在高密度電法勘探基礎之上發展起來的一種新技術。并行高密度電法采用了類似地震勘探中多通道分布式的數據采集方法，大大增加電法勘探中數據采集量和勘探分辨率[1]。近年來，并行式三維電法勘探采用多通道分布式盡可能地記錄地下三維立體空間的電場分布信息，然后利用三維正演模擬和反演計算進行資料處理解釋，從而提高電法勘探分辨軟件率[1]。瞬變電磁法近幾十年發展迅速,其大定源回線裝置采用邊長數百米至數千米的矩形發射回線，在回線內布置測線和測點，沿測線逐點觀測，能夠適應復雜的地面施工條件，因發射回線面積大且固定，采用大功率設備供電，能夠提供較強的發射磁矩，有利于大深度探測[2]。

1 工程地質概況

某玻璃管擬建場地位于浙江省麗縉五金科技產業集聚區，地貌屬于永康-麗水-縉云斷陷盆地，形成于中生代，以低崗緩丘地貌為主。場地現狀為經人工挖方、填方形成的整體場地，自西北向東南略有傾斜，屬山前地帶，西側為山體。場區地層可分4個工程地質層、7個亞層。地層依次為：①層新近填土、②層粉質黏土、③-2 層強風化流紋質含火山角礫巖屑晶屑凝灰巖、③-3層中風化流紋質含火山角礫巖屑晶屑凝灰巖、④-1 層全風化泥質粉砂巖、④-2 層強風化泥質粉砂巖、④-3 層中風化泥質粉砂巖。該區域出露兩種下覆巖層，其中靠西側大部地區為③層流紋質含火山角礫巖屑晶屑凝灰巖，靠東側部分為④層中風化泥質粉砂巖。場區淺部地下水為孔隙型潛水，水位埋藏較淺，補給來源主要由大氣降水入滲及地表水側向補給，排泄方式以蒸發消耗為主。由于潛水與大氣降水和地表水的關系十分密切，故水位呈季節性波動。

初步勘察階段揭示在鉆孔BH10、BH11下部有空洞，后在BH11孔附近補充鉆孔BH17，仍發現空洞。3個鉆孔中發現的空洞高度為0.70～5.50 m，鉆進時在空洞區域鉆桿自動下沉(掉鉆)，推測充填物為水或泥漿，空洞成因尚不明確。由于地下空洞的存在，易產生地面塌陷，需要詳勘期間利用物探方法查明相關情況[3-6](圖1)。

圖1 某玻璃管擬建場地探測范圍Fig.1 Detection range of a proposed glass tube site

2 地球物理特征及方法選擇

根據資料及現場勘察，場地以晶屑灰巖、凝灰巖等火成巖為主，在電性上表現為高阻，采坑被填充后，填充部分的密實度相對于完整巖石低，在大氣降水及地下水的作用下，其空隙內被水充填，不密實部分或空洞區相對于密實區域水量更大，電性上表現為封閉的最低阻區域?，F采用三維直流并行高密度電法視電阻率并行電法和瞬變電磁法的物探方法。

2.1 三維直流并行高密度電法探測方法和原理

三維直流并行高密度電法具有集電測深和電剖面法于一體的多裝置、多極距的高密度組合功能；同時，還具有多次覆蓋疊加的優勢，能夠探測測線外圍一定范圍的能力，最大側向探測距離為電極控制段的長度。由于采用并行數據采集技術，在數據采集時具有同時性和瞬時性，可得到供電時的測線上的全部電位曲線(圖2)，使得電法圖像更加真實合理，大大提高了視電阻率的時間分辨率[7-8]。三維直流電法具有分辨率高、效率高和成本低等特點，已在資源勘查、工程和環境監測等領廣泛應用。

圖2 并行高密度電法采集電位圖Fig.2 Parallel high-density electrical potential acquisition

根據電極觀測裝置的不同，并行高密度電法數據采集方式分為兩種：AM法和ABM法。在現場工作中，測區內分別布置平行的電法測線，通過兩條或兩條以上的電法測線，可以獲取測線間電性分布情況。提取供電電極和測量電極之間的電流電位信息，進行側線間三維直流并行高密度電法電阻率反演，獲取空間立體電性分布圖。一般情況下，空洞的電阻率與周圍介質的電阻率有明顯差異，呈現低阻。

2.2 瞬變電磁法探測方法和原理

瞬變電磁法屬時間域電磁感應方法。其探測原理是：在發送回線上供一個電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產生一個向發射回線Tx法線方向傳播的一次磁場，在一次磁場的激勵下，地質體將產生渦流(圖3)，其大小取決于地質體的導電程度，在一次場消失后，該渦流不會立即消失，它將有一個過渡(衰減)過程。該過渡過程又產生一個衰減的二次磁場向地質體內傳播，由接收回線接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映地質體的電性分布情況(圖4)。

瞬變電磁場在大地中主要以擴散形式傳播，在這一過程中，電磁能量直接在導電介質因傳播而消耗，由于趨膚效應，高頻部分主要集中在地表附近，且其分布范圍是源下面的局部，較低頻部分傳播到深處，分布范圍逐漸擴大。瞬變電磁法視電阻率ρ的計算公式[9-12]為

圖3 半空間中的等效感應電流圖Fig.3 Equivalent induced current diagram in half space

圖4 瞬變電磁法原理圖解Fig.4 Principle diagram of transient electromagnetic method

(1)

3 資料分析與解釋

3.1 儀器參數設置

擬建場地物探采用惠洲地質安全研究院HZE11D并行高密度電法儀[13-16]和 YCS360A中功率瞬變電磁儀進行探測[13-15,17]。

三維直流并行高密度電法共布置測線15條，重點探測區域內布置9條測線，每條測線間距20 m，非重點區域內布置6條測線，每條測線間距35 m。每條測線共布置79個電極，電極間距2 m，布置測線長156 m，共完成測線總長2 340 m。測量參數為：AM法，供電時間0.5 s，采樣間隔50 ms，供電電壓48 V。

瞬變電磁法共布置測線67條，每條測線布置32個采集點，采集點間距5 m。共采集2 144個數據，完成測線總長10 385 m。測量參數為：發射頻率12.5 Hz，采樣頻率1.25 MHz，疊加次數256次，測道數80道。

3.2 資料解釋與推斷

三維直流并行高密度電法探測共得到15張直流電法電測深剖面圖、1張三維直流并行高密度電法立體結果圖(圖5)、1張異常區平面分布圖、1張異常區圈定解釋圖[18](圖6)。

圖5 三維直流并行電法三維立體圖(局部)Fig.5 Three-dimensional direct current parallel electrical method three-dimensional stereogram (local)

圖6 三維直流并行電法異常區圈定解釋Fig.6 Three-dimensional direct current parallel electrical method for delineation of abnormal areas

綜合得到的成果圖可以看出：直流電阻率法得到的有效測區范圍內的視電阻率介于2～80 Ω·m，以小于26 Ω·m的區域作為場地直流電阻率法探測劃定的相對低阻異常區，共劃分異常區17個，分別為YC1～YC17，具體解釋見表1。

瞬變電磁法探測共得到1張三維直流并行高密度電法立體結果圖(圖7)、1張異常區平面分布圖、1張異常區圈定解釋圖[19-21](圖8)。

綜合得到的成果圖可以看出：瞬變電磁法得到的有效測區范圍內的視電阻率介于2～40 Ω·m，以小于16 Ω·m的區域作為本次直流電阻率法探測劃定的相對低阻異常區，共劃分異常區9個，分別為DZ1～DZ9，具體解釋見表2。

綜合三維直流并行高密度電法和瞬變電磁法成果得出，擬建場地共劃分20個相對低阻異常區，分別為KD1～KD20，具體解釋見表3。

4 結論

(1)綜合三維直流并行高密度電法和瞬變電磁法結果，KD11、KD12、KD13、KD14、KD17與現場鉆孔揭露空洞相吻合，KD2、KD3、KD5、KD6、KD7、KD8、KD10、KD15、KD16可能為空洞，KD1、KD4、KD9、KD18、KD19可能受裂隙發育造成淺層局部賦水，KD20不是空洞，但富水性較強。

表1 三維直流并行高密度電法探測解釋異常區分析

表2 瞬變電磁法探測解釋異常區分析

續表2

表3 綜合物探異常區解釋分析表

圖7 瞬變電磁法三維立體圖(局部)Fig.7 Transient electromagnetic method 3-D stereogram (local)

(2)探測區域0～240 m段與240～368 m段視電阻率差異明顯，分析由于兩段地層巖性不一所致，0～240 m地層為凝灰巖視電阻率相對較高，240～368 m地層為風化泥質粉砂巖視電阻率相對較低，存在空洞的可能性較小。

(3)物探的探測精度與測點間距、外部干擾條件等多種因素相關，理論上測點間距越小，探測分辨率越高，受場地條件限制，可能存在的部分小尺寸空洞在結果中反應不明顯，探測結果中可能存在部分空洞有遺漏。

(4)物探方法探測空洞異常為定性解釋，根據異常區的范圍來推測疑似空洞的形態及范圍，但定量解釋需結合地質資料進一步精細分析異常為空洞或破碎帶。