姚麗芳，張順中，陳興海，潘樂(lè)荀，湯連生

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

巖溶不良地質(zhì)現(xiàn)象在工程建設(shè)中常常引發(fā)工程地質(zhì)問(wèn)題，為了查清擬建某玻璃管項(xiàng)目場(chǎng)地范圍內(nèi)巖溶分布及發(fā)育情況，根據(jù)測(cè)區(qū)已知的工程地質(zhì)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(jié)合的綜合物探手段以實(shí)現(xiàn)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(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)。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(shù)據(jù)采集方法，大大增加電法勘探中數(shù)據(jù)采集量和勘探分辨率[1]。近年來(lái)，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(chǎng)分布信息，然后利用三維正演模擬和反演計(jì)算進(jìn)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(fā)展迅速,其大定源回線裝置采用邊長(zhǎng)數(shù)百米至數(shù)千米的矩形發(fā)射回線，在回線內(nèi)布置測(cè)線和測(cè)點(diǎn)，沿測(cè)線逐點(diǎn)觀測(cè)，能夠適應(yīng)復(fù)雜的地面施工條件，因發(fā)射回線面積大且固定，采用大功率設(shè)備供電，能夠提供較強(qiáng)的發(fā)射磁矩，有利于大深度探測(cè)[2]。

1 工程地質(zhì)概況

某玻璃管擬建場(chǎng)地位于浙江省麗縉五金科技產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，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(chǎng)地現(xiàn)狀為經(jīng)人工挖方、填方形成的整體場(chǎng)地，自西北向東南略有傾斜，屬山前地帶，西側(cè)為山體。場(chǎng)區(qū)地層可分4個(gè)工程地質(zhì)層、7個(gè)亞層。地層依次為：①層新近填土、②層粉質(zhì)黏土、③-2 層強(qiáng)風(fēng)化流紋質(zhì)含火山角礫巖屑晶屑凝灰?guī)r、③-3層中風(fēng)化流紋質(zhì)含火山角礫巖屑晶屑凝灰?guī)r、④-1 層全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、④-2 層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、④-3 層中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。該區(qū)域出露兩種下覆巖層，其中靠西側(cè)大部地區(qū)為③層流紋質(zhì)含火山角礫巖屑晶屑凝灰?guī)r，靠東側(cè)部分為④層中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。場(chǎng)區(qū)淺部地下水為孔隙型潛水，水位埋藏較淺，補(bǔ)給來(lái)源主要由大氣降水入滲及地表水側(cè)向補(bǔ)給，排泄方式以蒸發(fā)消耗為主。由于潛水與大氣降水和地表水的關(guān)系十分密切，故水位呈季節(jié)性波動(dòng)。

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(bǔ)充鉆孔BH17，仍發(fā)現(xiàn)空洞。3個(gè)鉆孔中發(fā)現(xiàn)的空洞高度為0.70～5.50 m，鉆進(jìn)時(shí)在空洞區(qū)域鉆桿自動(dòng)下沉(掉鉆)，推測(cè)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(chǎn)生地面塌陷，需要詳勘期間利用物探方法查明相關(guān)情況[3-6](圖1)。

圖1 某玻璃管擬建場(chǎng)地探測(cè)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(jù)資料及現(xiàn)場(chǎng)勘察，場(chǎng)地以晶屑灰?guī)r、凝灰?guī)r等火成巖為主，在電性上表現(xiàn)為高阻，采坑被填充后，填充部分的密實(shí)度相對(duì)于完整巖石低，在大氣降水及地下水的作用下，其空隙內(nèi)被水充填，不密實(shí)部分或空洞區(qū)相對(duì)于密實(shí)區(qū)域水量更大，電性上表現(xiàn)為封閉的最低阻區(qū)域?，F(xiàn)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(cè)方法和原理

三維直流并行高密度電法具有集電測(cè)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(shí)，還具有多次覆蓋疊加的優(yōu)勢(shì)，能夠探測(cè)測(cè)線外圍一定范圍的能力，最大側(cè)向探測(cè)距離為電極控制段的長(zhǎng)度。由于采用并行數(shù)據(jù)采集技術(shù)，在數(shù)據(jù)采集時(shí)具有同時(shí)性和瞬時(shí)性，可得到供電時(shí)的測(cè)線上的全部電位曲線(圖2)，使得電法圖像更加真實(shí)合理，大大提高了視電阻率的時(shí)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(diǎn)，已在資源勘查、工程和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)廣泛應(yīng)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(jù)電極觀測(cè)裝置的不同，并行高密度電法數(shù)據(jù)采集方式分為兩種：AM法和ABM法。在現(xiàn)場(chǎng)工作中，測(cè)區(qū)內(nèi)分別布置平行的電法測(cè)線，通過(guò)兩條或兩條以上的電法測(cè)線，可以獲取測(cè)線間電性分布情況。提取供電電極和測(cè)量電極之間的電流電位信息，進(jìn)行側(cè)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(zhì)的電阻率有明顯差異，呈現(xiàn)低阻。

2.2 瞬變電磁法探測(cè)方法和原理

瞬變電磁法屬時(shí)間域電磁感應(yīng)方法。其探測(cè)原理是：在發(fā)送回線上供一個(gè)電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產(chǎn)生一個(gè)向發(fā)射回線Tx法線方向傳播的一次磁場(chǎng)，在一次磁場(chǎng)的激勵(lì)下，地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流(圖3)，其大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電程度，在一次場(chǎng)消失后，該渦流不會(huì)立即消失，它將有一個(gè)過(guò)渡(衰減)過(guò)程。該過(guò)渡過(guò)程又產(chǎn)生一個(gè)衰減的二次磁場(chǎng)向地質(zhì)體內(nèi)傳播，由接收回線接收二次磁場(chǎng)，該二次磁場(chǎng)的變化將反映地質(zhì)體的電性分布情況(圖4)。

瞬變電磁場(chǎng)在大地中主要以擴(kuò)散形式傳播，在這一過(guò)程中，電磁能量直接在導(dǎo)電介質(zhì)因傳播而消耗，由于趨膚效應(yīng)，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(kuò)大。瞬變電磁法視電阻率ρ的計(jì)算公式[9-12]為

圖3 半空間中的等效感應(yīng)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(shù)設(shè)置

擬建場(chǎng)地物探采用惠洲地質(zhì)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(jìn)行探測(cè)[13-15,17]。

三維直流并行高密度電法共布置測(cè)線15條，重點(diǎn)探測(cè)區(qū)域內(nèi)布置9條測(cè)線，每條測(cè)線間距20 m，非重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)布置6條測(cè)線，每條測(cè)線間距35 m。每條測(cè)線共布置79個(gè)電極，電極間距2 m，布置測(cè)線長(zhǎng)156 m，共完成測(cè)線總長(zhǎng)2 340 m。測(cè)量參數(shù)為：AM法，供電時(shí)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(cè)線67條，每條測(cè)線布置32個(gè)采集點(diǎn)，采集點(diǎn)間距5 m。共采集2 144個(gè)數(shù)據(jù)，完成測(cè)線總長(zhǎng)10 385 m。測(cè)量參數(shù)為：發(fā)射頻率12.5 Hz，采樣頻率1.25 MHz，疊加次數(shù)256次，測(cè)道數(shù)80道。

3.2 資料解釋與推斷

三維直流并行高密度電法探測(cè)共得到15張直流電法電測(cè)深剖面圖、1張三維直流并行高密度電法立體結(jié)果圖(圖5)、1張異常區(qū)平面分布圖、1張異常區(qū)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(qū)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(cè)區(qū)范圍內(nèi)的視電阻率介于2～80 Ω·m，以小于26 Ω·m的區(qū)域作為場(chǎng)地直流電阻率法探測(cè)劃定的相對(duì)低阻異常區(qū)，共劃分異常區(qū)17個(gè)，分別為YC1～YC17，具體解釋見(jiàn)表1。

瞬變電磁法探測(cè)共得到1張三維直流并行高密度電法立體結(jié)果圖(圖7)、1張異常區(qū)平面分布圖、1張異常區(qū)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(cè)區(qū)范圍內(nèi)的視電阻率介于2～40 Ω·m，以小于16 Ω·m的區(qū)域作為本次直流電阻率法探測(cè)劃定的相對(duì)低阻異常區(qū)，共劃分異常區(qū)9個(gè)，分別為DZ1～DZ9，具體解釋見(jiàn)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(chǎng)地共劃分20個(gè)相對(duì)低阻異常區(qū)，分別為KD1～KD20，具體解釋見(jiàn)表3。

4 結(jié)論

(1)綜合三維直流并行高密度電法和瞬變電磁法結(jié)果，KD11、KD12、KD13、KD14、KD17與現(xiàn)場(chǎng)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(fā)育造成淺層局部賦水，KD20不是空洞，但富水性較強(qiáng)。

表1 三維直流并行高密度電法探測(cè)解釋異常區(qū)分析

表2 瞬變電磁法探測(cè)解釋異常區(qū)分析

續(xù)表2

表3 綜合物探異常區(qū)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(cè)區(qū)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?guī)r視電阻率相對(duì)較高，240～368 m地層為風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖視電阻率相對(duì)較低，存在空洞的可能性較小。

(3)物探的探測(cè)精度與測(cè)點(diǎn)間距、外部干擾條件等多種因素相關(guān)，理論上測(cè)點(diǎn)間距越小，探測(cè)分辨率越高，受場(chǎng)地條件限制，可能存在的部分小尺寸空洞在結(jié)果中反應(yīng)不明顯，探測(cè)結(jié)果中可能存在部分空洞有遺漏。

(4)物探方法探測(cè)空洞異常為定性解釋，根據(jù)異常區(qū)的范圍來(lái)推測(cè)疑似空洞的形態(tài)及范圍，但定量解釋需結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)一步精細(xì)分析異常為空洞或破碎帶。