山东省第七地质矿产勘查院 山东临沂 276000
摘要：岩溶是工程建筑中频繁遇到的一种典型的地质灾害，它给工程建筑安全带来了极大的安全隐患。为了查明建筑地基岩溶分布及发育情况，受场地条件限制，常规物探方法基本不能开展工作。因此根据岩溶与围岩的电性差异特征，运用瞬变电磁法（ＴＥＭ）对建筑场地岩溶发育区进行探测。实践证明，瞬变电磁法的应用对查明建筑场地内溶洞的分布范围、规模大小和埋深有良好的效果，能为后期勘察工作提供重要的参考价值及指导性意义。
关键词：岩溶地区；瞬变电磁法；地基勘察；应用
1瞬变电磁法工作原理
瞬变电磁法（ＴＥＭ）的工作原理是：在发送回线上提供一电流脉冲，当发射回路中的稳定电流突然切断后，根据电磁感应理论，发射回路中的电流突然变化，必将在其周围产生磁场，该磁场为一次磁场；一次磁场在向周围传播过程中，如遇到地下的良导电的地质体，将向其内部激发产生感应电流，又称涡流或二次电流，由于二次电流随时间变化，因而又在其周围产生新的磁场，为二次磁场，由地面的接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地下地质体的电性分布情况（图１）。由于该方法是纯二次场观测，故与其他电性方法相比，具有体积效应小、纵横向分辨率高、对低阻反映敏感等特点。
2应用实例
2. 1 地质背景及地球物理特征
2.1.1地质背景
济南地区位于鲁西隆起区东北边缘，地势南高北低，地质构造总体是以古生代地层为主体的北倾单斜构造。济南泉域属于华北地层鲁西分区，区内出露地层由老至新主要为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系及第四系。新生代喜山运动形成的济南地区区域性缓倾单斜构造和断裂分割后的各断块水文地质条件控制了本区地表或地下岩溶在不同地段的总体分布和发育方向。南部山区为补给径流区，地表基岩裸露，裂隙发育，接受降雨及地表径流的补给，在深部形成南北及北西向层状非均匀地下溶隙 － 溶孔径流。北部山前平原区为汇流、排泄区，南部山区径流向北汇流后形成近东西向径流带。岩溶发育比较均匀，形成网络孔洞系统，具有统一平缓的岩溶水面，尤其以火成岩接触带附近及大泉排泄区附近更为发育。根据地表地质和工程揭露，济南市工程地质结构大致可以分为五区 ( 图 2) : 单元体结构包括主城区北部的第四系覆盖区 ( Ⅰ) 和城区南部的灰岩裸露区 ( Ⅱ) ; 双元结构包括城区中北部的第四系土体 + 辉长岩体的双层结构区 ( Ⅲ区) 和城区中南部的灰岩隐伏区 ( Ⅳ区) 两类; 多元结构类型主要为第四系土体 + 辉长岩 + 灰岩组合 ( Ⅴ区) 类型，分布在泉水出露区。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ区地层结构复杂，第四系主要为填土、粉质粘土、碎石等，辉长岩及石灰岩是第四系沉积基底，整体由南向北逐渐加深。
2.1.2地球物理特征
岩石物性参数是研究地球物理场响应的基础，物性差异是引起地球物理场异常的基本条件。电法勘探是以目标体的电性差异为勘查对象及解释依据，勘查目的层与围岩的电性差异大小、明显与否直接影响勘查成果的精度，决定电法方法的可行性。本区出露的地层主要为第四系、二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系，一般来说，电阻率随岩性和密度的变化而变化，时代越早，密度越大，相应的电阻率越大。第四系的电阻率通常小于 100Ω·m，而灰岩的电阻率通常大于 2000Ω·m。当遇到岩石裂隙、灰岩溶洞充水或充泥时，地层电阻率急剧下降，并且随着岩石的孔隙度或饱和度的增加，电阻率变化更为明显。根据工程钻探结果，本区泉群广泛出露、地下泉水径流较多，岩溶含水度高，泉水径流层或岩溶区电阻率远小于完整岩石的电阻率。这为本次瞬变电磁法探测地下泉水及岩溶的分布提供了地球物理前提。
2.2数据采集与处理使用
加拿大 Geonics 公司研制的 PＲOTEM 47 瞬变电磁系统，采用分离回线装置、发射线圈和接收线圈保持固定间距在测线上同步移动的测量方式。考虑到测线位于干扰较大的市区，采用 1mx1m 的多匝( 120 匝) 小线框发射信号来压制噪声，工作参数为: 发射电流 1A，关断时间 80μs，收发距10m，测点间距10m，测线长度分别为350m、250m、270m。为了得到较好的原始数据，在测量过程中，系统地采集、分析了环境噪音信号，在数据预处理过程中对这些干扰进行了滤波处理; 同时，在室内处理时，删除了畸变数据和晚期较弱的不稳定信号，保留连续性较好的晚期信号数据参与反演。数据预处理后，采用中国科学院地质与地球物理研究所开发的瞬变电磁专用处理软件进行反演。通过正演计算，直接从感应电动势入手，得出感应电动势是电阻率的非线性函数，通过迭代求取最优解。具体步骤是以 bostick 时深转换模型为初始模型对每个测深点分别进行一维单点光滑模型反演，最后形成拟断面二维视电阻率等值线图。
2.3应用效果解释
2.3.1 一维电性特征分析
瞬变电磁法探测的资料解释包括电性特征分析、反演视电阻率断面推断解释两个方面。电性特征分析是根据所获得的原始资料，分析地下不同电性的介质在水平方向或垂直方向的分布特征，以了解工作区内有关地质构造的基本轮廓，从而为电磁测量结果的合理地质解释奠定基础。一维电阻率曲线是各测深点的电性层表征形式，它与测点对应的地质构造、岩层岩性、破碎含水等电性变化带密切相关。不同的沉积环境和岩性组合，其测深曲线是不尽相同的。通过数据预处理，3 条剖面的一维电阻率曲线特征基本相似，电阻率变化成层性明显，以大明湖路为例，对测区地下电性结构进行剖析。图 3 为大明湖路不同测点的一维电阻率特征曲线，从图中可以看出沿水平方向电阻率成层性明显，大致可以分为 3 层: C1 层电阻率迅速减小、C2 层电阻率保持低值、C3 层电阻率逐渐增大，总体呈现垂直地表向下先减小后增大的趋势。C1 层大致深度在 0 ～ 15m，反映出地层第四系厚度，随着孔隙度和饱和度的增加电阻率值逐渐降低; C2层深度大致在 15 ～30m，反映出辉岩、岩溶区的分布范围; C3 层电阻率在约 30m 处发生转折，逐渐增大，大致表示出基岩 ( 灰岩) 的埋藏深度。水平方向从小号点到大号点各层拐点深度略有不同，表征了水平方向地层起伏和岩性的突变，正是本次要探测的目标。
2.3.2反演结果解释
(1) 大明湖路反演结果解释大明湖路探测剖面位于大明湖西南 200m 处，沿大明湖路呈东西走向。图 4 ( a) 所显示的该测线反演视电阻率断面等值线图反映了剖面下方地层的视电阻率变化情况，呈现出清晰的电阻率差异，以视电阻率对数值 0. 1Ω·m 为背景，纵向上可以分为 3 层: 地下深度 －15m 以浅的地表高阻区，横向连续性较好; 中间视电阻率对数值小于 0. 01Ω·m的低阻层，局部存在极低视电阻率值区; 深部 －50m左右，电阻率逐渐增大的高阻层。由图 4 ( a) 中可以看出在深度 －15 ～ －40m 范围内，出现了 5 个低阻等值线异常区。可以分析，在测线下方 －15 ～－ 40m 深度范围内可能存在充水层，根据测区水文及工程地质特征，推测在该范围内，可能存在数个充水裂隙或溶洞。图 4 ( b) 为大明湖路测线对应的工程地质勘探剖面，钻探揭露该区地层岩性主要为第四系土体、辉长岩和灰岩。其中，在深度 －20 ～ －40m 处主要为辉长岩风化层，夹杂局部分布的碎石，岩性破碎含水度高 ( 局部钻探施工过程中有突水现象) ，电阻率值极低。地表浅部的高阻区钻探揭露岩性主要为第四系土层，岩性稳定; 深度 －50m 视电阻率高值区 ( 图 4 ( a) 中白色虚线标出) 大致对应着灰岩顶界面。根据反演视电阻率断面及地质勘探剖面图可以看出，本区岩溶发育区深度大致位置在 －15m 的土石界面到 － 50m 左右的灰岩 ( 基岩) 顶面; 地表－ 15m以浅电阻率高，连续性好，土体结构稳定;岩溶水水位东西向变化统一平缓，水面平均埋深大于 15m。在 测 线 至 西 向 东 30m、85m、170m、200m、240m 附近岩溶发育强烈。
结束语
瞬变电磁法相对于常规电法具有勘探方式灵活多变，场地要求低，经济快速，分辨率与工作效率高等特点，是一种快速有效的城市工程物探方法。对于高层建筑的场地，由于对地下地基的深度及稳定性要求较高，瞬变电磁法能够较准确地查明地基所需深度范围内溶洞的分布、埋深及空间形态特征，为后期桩基设计与施工提供指导性价值。
参考文献
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[3]杨金凤,庞炜,王世杰,闫宇蕾.瞬变电磁法在城市岩溶探测中的应用[J].工程勘察,2014,12:88-93.
论文作者:宗传攀
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年3月下
论文发表时间:2017/7/13
标签：电阻率论文; 岩溶论文; 电磁论文; 地层论文; 大明论文; 深度论文; 径流论文; 《建筑学研究前沿》2017年3月下论文;