航空瞬變電磁法探測地下隱蔽洞體的前景淺析

劉 偉

(中國人民武裝警察部隊黃金第二支隊, 呼和浩特 010010)

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【基礎理論與應用研究】

航空瞬變電磁法探測地下隱蔽洞體的前景淺析

劉 偉

(中國人民武裝警察部隊黃金第二支隊, 呼和浩特 010010)

以瞬變電磁的電磁場理論和磁法勘探原理為基礎，在充分分析地下隱蔽洞體電磁特征的前提下，結合地面瞬變電磁法對地下隱蔽洞體(采空區(qū)、巖溶洞穴、防空洞)探測的實例，介紹了航空瞬變電磁法在特殊復雜環(huán)境下探測地下隱蔽洞體的典型事例。

航空瞬變地磁法；地下隱蔽洞體；軍事偵察

地下隱蔽洞體是一類特殊的地質現(xiàn)象，埋藏于地表以下不同深度，根據(jù)其形成原因，可分為兩種：一種天然形成，如巖溶洞、土洞、地下暗河、陷落柱等；另一種由人為作用形成，如采空區(qū)、坑道、洞庫、隧道、防空洞、地下軍事指揮所等[1]。地下隱蔽洞體具有分布多呈孤立狀、大小不等、形狀不規(guī)則等特點，多數(shù)埋藏于地下或多被植被覆蓋，而且地下洞體的體積較小較難探測[2]。目前雖然地面瞬變電磁法對地下隱蔽洞體的探測取得了良好的應用效果，但是由于受自然環(huán)境、地理位置、地形條件等復雜因素等影響，其使用有嚴重的局限性。而航空瞬變電磁法速度快、效率高、成本低、覆蓋面廣、信息量大，較短時間內可獲取海域和陸域等大面積區(qū)域勘測資料，且受地形地貌影響較小，能夠進入山區(qū)、原始森林、海洋、湖泊、沼澤、沙漠等地形復雜人員無法到達或者工作難以開展區(qū)域進行地球物理勘查，能收到一般探勘手段難以達到的效果[3-5]。

航空瞬變電磁法(ATEM,Airborne Transion electromagnetic)又稱時間域航空電磁法(Airborne Time-domain electromagnetic)，是一種以飛機為運載工具進行地下目標體探測的方法。它通過測量大地的二次磁場分析地層沿水平和垂直方向的電性差異，描述地電斷面的電性特征，從而了解地質構造情況[6]。Doll認為航空勘查技術的性能已接近地面裝置[2,7]。航空電磁法作為勘探地球物理的一個重要分支，是航空物探常用的測量方法之一，能實現(xiàn)普通物探方法難以完成的任務，它具有獨特的優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景，已成為當前國內外很受歡迎的物探方法之一。尤其是最近幾十年，航空瞬變電磁法從理論到應用都取得了較大發(fā)展。在理論方面，不少學者進行了一維、二維、三維正演模擬[8-15]和一維反演方面的工作[16-18]，同時還發(fā)展了2.5維和三維正反演技術[19-21]，提高了對實測數(shù)據(jù)的解釋水平。在應用方面，國內外區(qū)域地質調查、多金屬和非金屬礦勘查、石油天然氣勘查等領域都得到廣泛的應用，并拓展到地下水勘查、環(huán)境監(jiān)測、城市環(huán)境基礎調查、國家重要設施建設的選址調查、農業(yè)生態(tài)地質調查和環(huán)境調查等方面[4,22-30]。而利用航空瞬變電磁法對地下隱蔽洞體探測的研究報道極少，有代表性的僅有Hodges提出利用直升機電磁法對地下管道進行規(guī)劃和檢測[31]；Ogilvy R D對不同時間和不同觀測位置的地下洞體的瞬變電磁響應做了物理模擬[32]。方濤等采用無人機地空瞬變電磁系統(tǒng)，開展了南京六合區(qū)地下巷道探測實驗，采用三維矢量有限元法對地下巷道進行了三維數(shù)值模擬，繪制了地下巷道的視電阻率分布斷面圖，實驗結果與數(shù)值模擬結果吻合度較高[33]。

國內學者在研究瞬變電磁法探測洞體方面開展了大量的工作。我國煤炭、金屬等固體礦產經過長期高強度開采后，形成了許多分布不明的采空區(qū)或老窯，許多學者嘗試使用瞬變電磁法探測采空區(qū)，取得了良好效果[34-49]。在公路、鐵路、城市等建設場地中，采用瞬變電磁法對巖溶洞穴進行了勘查取得了較好的效果[50-53]。郭寧寧等采用瞬變電磁法對某城區(qū)地下掩體工程防空洞進行了探測，證實了瞬變電磁法在探測地下空洞中的有效性[54]。牛之璉給出了球體的瞬變電磁響應的計算公式[55]；閆述[1]和薛國強等[56]從理論和實際應用分析了瞬變電磁法探測洞體的有效性及其電磁響應特征。李成等采用高阻球體作為研究目標，通過球體電磁響應的計算，對低阻圍巖中高阻球體模型電磁響應測量結果進行了分析，獲得了高阻球體的異常特征，并在高阻空洞的實際探測中取得較好的效果[57]。李新均等運用瞬變電磁法測量地下高阻空腔取得了良好的效果[58]。

本文主要介紹地下隱蔽洞體電磁特征和地面瞬變電磁法應用實例。

1 工作原理

航空瞬變電磁法是利用機載線圈發(fā)射脈沖電磁波，通過接收線圈測量二次感應電磁場的航空物探方法(圖1)。其探測原理與地面瞬變電磁法相同，均屬于時間域電磁感應方法，它主要遵循電磁感應原理。利用接地回線(電偶源)或者是不接地回線(電磁源)向地下發(fā)射一次脈沖場。當發(fā)射線圈中的一次場突然斷電后,則一次磁場會急劇衰減,這就使處于該磁場中的導體內部由于磁通量Φ的變化而產生感應電動勢ε=-dΦ/dt，感應電動勢在良導地質體中產生二次渦流，該渦流場并不能立即消失，有一個衰減過程，二次渦流由于焦耳熱消耗而衰減又會產生一個衰減的二次磁場。二次磁場向地表傳播，再由地面的接收線圈來接收二次磁場。由于二次場的衰變規(guī)律與地下地質體的導電性有關，導電性越好，二次場衰減越慢；導電性越差，二次場衰減越快。M.N.Nabighan研究指出：斷電后，產生二次電磁場的渦流以等效電流環(huán)向下并向外擴散，形如“煙圈”。隨著時間的推移，煙圈的傳播與分布受到地下介質的影響[59]。根據(jù)煙圈效應，認為早期瞬變電磁場是近地表感應電流產生的，反映淺部電性分布。晚期瞬變電磁場主要是由深部的感應電流產生的，反映深部的電性分布。所以，瞬變電磁法測得的二次場含有地下地質體豐富的地電信息，通過對這些相應信息的提取，分析瞬變電場隨時間的變化規(guī)律，即可探測地下地質體的分布情況。

圖1 航空瞬變電磁法工作原理示意圖

2 地下洞體地球物理特征

瞬變電磁法以巖礦石的導電性、導磁性差異為物質基礎，以地下目標體與圍巖的電性差異為探測對象及解釋依據(jù)，探測目標體與圍巖電性差異大小、明顯與否將直接影響探測目標體的探測精確度。由于人類活動和自然原因，在地下巖層中某一部位形成空洞，破壞了原有巖層的完整性和連續(xù)性，導致空洞與圍巖存在明顯的電性差異。當?shù)叵驴斩匆?guī)模較小、采空率較低，或者受到人為的加固支護，空洞上部巖體完整，不會引起坍塌；當?shù)叵驴斩匆?guī)模較大、采空率較高，其原有的應力平衡狀態(tài)被破壞，導致空洞上覆巖體發(fā)生變形，形成冒落帶、斷裂帶、彎曲帶，這些地質因素的變化導致空洞附近巖體的地球物理特征發(fā)生明顯的變化[35,39,42]。地下空洞未發(fā)生塌陷且內部沒有充水，充滿空氣，使得其導電性降低，在電性上表現(xiàn)為局部特高阻異常；空洞中有大量積水或墻壁有大量的鋼鐵支撐物，使得傳播于其中的導電性提高，在電性上可能表現(xiàn)為低阻異常[60]。地下空洞發(fā)生塌陷，其充填物為散體狀和碎裂形態(tài)巖石，其導電性變差，巖石的電阻率明顯變大；如果充填物為水、泥沙或者其他較軟雜質，在電性上表現(xiàn)為低電阻率[36]。

實際測量中，二次場的衰減速度與地下目標體的電阻率有關。電阻率越高，二次場衰減越快；電阻率低，二次場衰減越慢。對于地下空洞來說，若內部充填水、含水性較強物質或大量鋼鐵等，二次場衰減較慢，在視電阻率斷面圖上表現(xiàn)為低阻異常。若不充水則二次場衰減快，在視電阻率斷面圖上表現(xiàn)為高阻異常[42,61]。所以不論是高阻異常還是低阻異常，地下洞體與圍巖視電阻率存在明顯差別，據(jù)此把洞體從地質背景中區(qū)分出來，這也是應用瞬變電磁法于地下洞體探測時的地球物理前提條件。

3 應用實例

目前，瞬變電磁法已成功應用于多種不同類型地下隱蔽洞體。這里介紹探測不同類型的地下隱蔽洞體的部分典型實例。

3.1 采空區(qū)探測

采空區(qū)是地下固體礦產開采后的空間及其圍巖失穩(wěn)而產生位移、開裂、破碎垮塌，直到上覆巖層整體下沉、彎曲所引起的地表變形和破壞的地區(qū)或范圍。采空區(qū)及其影響區(qū)巖層完整性被破壞，從而改變了其密度、電性、磁性等物性特征。這里介紹利用瞬變電磁法在新疆某地區(qū)探測地下采空區(qū)的實例[39]。

測區(qū)主要由第四系覆蓋層、煤層、煤田采空區(qū)及破壞區(qū)、基巖等四個主要地質單元組成。第四系覆蓋層，厚度35～55 m，其上部為2～12 m黃土，下伏為礫石層。含煤地層巖層為陡傾，走向80°，傾角45°～50°。本次工作設置1條測線(TEM-1)，因受高壓輸電線、公路等場地影響，測線斜交于煤層走向，從南向北分別穿過42#、43#、45#煤層(圖2)。

圖2 測線示意圖(據(jù)文獻[39]修改)

圖3為TEM-1剖面視電阻率斷面等值線圖，300～580 m測點下方110～270 m深度為高阻異常區(qū)，其具有三個高阻異常中心，推斷為采空區(qū)。根據(jù)煤礦地質資料，在測線360～440 m測點附近和560 m測點以東25 m為采空塌陷坑，以西20 m ZK1鉆孔驗證116 m為采空區(qū)。因此，推斷500～570 m測點下伏髙阻異常為45#煤層采空區(qū)，其采空頂面深度110～140 m，向南最大采深210～240 m；360～440 m測點附近采空塌陷坑(圖2)表明該段深部為采空區(qū)，300～460 m測點間下伏高阻推斷為42#和43#煤層采空區(qū)，采空頂面深度110～140 m，向南最大采深240～280 m。TEM-1剖面電阻率斷面等值線圖高阻異常反映了地下采空區(qū)空間位置特征，瞬變電磁法能達到有效勘察煤田深部采空區(qū)的目的。

3.2 防空洞探測

防空洞用于戰(zhàn)備，是為了躲避敵人炮火的轟炸，用來保護人身、財物的安全而挖掘的洞穴。通常外壁由水泥、鋼筋、磚塊或石塊組成。其與天然巖層之間的物性差異較大，導電性差異明顯。下面分析一個利用瞬變電磁法探測某中心城區(qū)地下掩體工程防空洞的事例[54]。

圖3 TEM-1剖面視電阻率斷面等值線圖(引自文獻[39])

在某城區(qū)地表調查中，城區(qū)建筑基坑中出現(xiàn)了一處巷洞和一處小型塌方，為了了解建筑基坑地下空洞延伸情況，以及廢舊人防工程的分布情況，開展地球物理勘探。共設計了兩條平行測線(點位平面布置示意圖中的1號線和2號線)，各14個點，共計28個測點(圖4)。在防空洞(巷洞)的西地表面，設計兩條平行測線(點位平面布置示意圖中3號線和4號線)各個點11，共計22個測點。圖5、圖6、圖7、圖8分別為1號、2號、3號、4號測線的視電阻率斷面等值線圖(縱向為深度，橫向為距離，單位：m)。

圖4 瞬變電磁法勘探平面布置示意(引自文獻[54])

圖5和圖6為視電阻率擬斷面圖，在水平位置20～25 m，發(fā)現(xiàn)一相對的高阻帶，1號線和2號線是平行布置的。根據(jù)現(xiàn)場觀測，在這個區(qū)域位置，剛好中間有一塌方的空洞，由此可以準確判斷1號線和2號線在水平位置20～25 m處的高阻異常是由于空洞所引起的，表明資料是準確可信的。在圖6上，在水平位置10 m處，發(fā)現(xiàn)一夾帶的細長低阻帶，推斷此區(qū)域可能為一含水的巷洞，可能與已發(fā)現(xiàn)巷洞相連通。在圖7上第3號線上，在水平位置7.5～10 m之間，發(fā)現(xiàn)一相對低阻帶，從測線位置看，剛好和2號線圖中的低阻帶在同一區(qū)域。在水平位置12.5 m左右發(fā)現(xiàn)一高阻帶，經過現(xiàn)場實地勘查，初步推斷可能由水泥空洞所處地段引起。在圖8第4號線上，視電阻率由淺變深逐步降低，初步判斷下面的低阻帶是由含水層所引起的，點號由小到大，即由北向南，水位面由高向低。

圖5 第1號線視電阻率擬斷面(引自文獻[54])

圖6 第2號線視電阻率擬斷面(引自文獻[54])

圖7 第3號線視電阻率擬斷面(引自文獻[54])

圖8 第4號線視電阻率擬斷面(引自文獻[54])

針對以上探測異常，綜合考慮各種因素后，進行了鉆孔工程驗證，在第3號線上的12.5 m處見到了空洞，在第2號測線7.5～10 m和第3號測線上10 m左右相交區(qū)域見到了潛水，且證明了與巷洞水相連通。

3.3 巖溶洞穴探測

巖溶是一種復雜的地質現(xiàn)象，是水對可溶性巖石進行以化學溶蝕作用為主，并包含水的物理侵蝕，崩塌作用，以及物質的攜出“轉移”再沉積的綜合作用及由此所產生的現(xiàn)象的統(tǒng)稱。由巖溶作用所形成的地下空間稱為巖溶洞穴。隱伏的溶洞、巖溶化巖體或節(jié)理基巖、土層、巖溶洞穴、巖溶裂隙、巖溶充填物等之間存在著明顯的電性差異。下面分析利用瞬變電磁法在張花高速公路某段段巖溶探測的具體事例[50]。

該區(qū)地面起伏相對較小，地層分布簡單，地表主要為第四系覆蓋，厚度較小，且分布不勻?；鶐r為奧陶紀中厚層泥質灰?guī)r，裂隙較發(fā)育，巖質較軟。該地段地下水垂直循環(huán)與水平循環(huán)較活躍，同時受構造地質作用巖石破碎強烈，為巖溶的形成提供了有利條件。根據(jù)前期資料，在工程影響深度內(勘察深度內)，場地存在溶洞、溶溝和溶蝕裂隙等巖溶不良地質體，局部溶洞呈多層狀，對橋基的穩(wěn)定不利。共布置物探驗證剖面2條，剖面編號為R6-R6′和R7-R7′。剖面R6-R6，起點位于K75+345.4左7.4 m，終點位于K75+368.3右18.3 m。剖面R7-R7′，起點位于K75+347.3右18.2 m，終點位于K75+355.4右8.4 m。

圖9分別是利用瞬變電磁法資料反演的R6-R6′和R7-R7′剖面視電阻率斷面等值線圖，圖9(a)中，高低阻分層明顯，于K75+367右12 m處深24-52 m存在一處視電阻率高阻閉合圈，等值線較為密集，推斷為無充填溶洞。由圖9(b)上，在垂直方向視電阻率變化梯度較大，在K75+351右12.2 m處深17-54 m，存在一處視電阻率高阻閉合圈，等值線較為密集，推斷為無充填溶洞。

對剖面抽樣鉆孔驗證，在K75+350.5右11.77 m處，鉆孔資料顯示，在基巖為泥質灰?guī)r中孔深24.5-31.0 m和33.2-65.5 m相應見到兩處無充填溶洞，后經驗證該異常確為溶洞。

圖9 視電阻率斷面等值線圖(引自文獻[50])

3.4 地下巷道探測

地下巷道是用于地下采礦而挖掘的通道(可模擬作為軍事地下工事)。分析利用無人機地空瞬變電磁系統(tǒng)在冶山地下巷道探測的事例[33]。

地下巷道主要位于花崗閃長巖與白云巖接觸帶上。依據(jù)已有資料可知，采掘巷道共有四層，由地表向下依次為海拔標高+7 m，0 m，-10 m，-25 m，南北長約300 m，東西寬約200 m。地面最高海拔230 m，平均海拔90～100 m，地下巷道埋藏深度為地下70～150 m之間．根據(jù)測區(qū)實地情況，特別是已知巷道的分布位置，測線布設在礦山公園的東部位置，測線為東西走向，穿越已知巷道。測區(qū)范圍350 m×300 m，布置地空TEM 3條測線，線距10 m，點距5 m，飛行高度控制在50 m左右，發(fā)射源長230 m。

圖10為測線布置圖，在圖10中可見完成的3條測線跨越巷道上方。在圖11視電阻率斷面圖上，可見明顯的高阻異常特征，這些異常特征反映了巷道的空間位置。圖12為不同海拔標高下視電阻率切平面與實際巷道對比，顯示了高阻異常區(qū)域與地下巷道的空間位置吻合較好，證明了無人機地空瞬變電磁系統(tǒng)探測的有效性和準確性。

圖10 測線布置圖(引自文獻[33])

圖11 實測測線視電阻率斷面圖(引自文獻[33])

圖12 不同海拔標高下視電阻率切平面與實際巷道對比(引自文獻[33])

4 結論

1) 利用航空瞬變電磁法探測地下隱蔽洞體不論是成本上，技術上都是最合適的方法，且具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2)與軍事上傳統(tǒng)的偵察手段相比，航空瞬變地磁法成本低、速度快、通行性好、環(huán)境適應性強且能有效抑制復雜地形影響、面積覆蓋大，尤其適合于森林、沙漠、沼澤、湖泊和廠房居民社區(qū)及植被發(fā)育區(qū)，且能夠穿透地表物質和地下巖體發(fā)現(xiàn)隱蔽的天然的和人為的地下空洞，如巖溶溶洞、土洞、地下工事等。具有一些傳統(tǒng)軍事偵察手段無法比擬的特點。

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(責任編輯 楊繼森)

Prospection for Airborne TEM Systems to Prospecting Shelter Caves in the Subsurface

LIU Wei

(No.2 Gold Geological Team of CAPF, Huhhot 010010, China)

Following the principle of transient electromagnetic and magnetic exploration, we can study geophysical feature of underground caves. Together with some examples for TEM to prospecting shelter caves (Mined-out Area, Karst, Air-raid shelter and so on) in the subsurface, and applicability of Airborne Airborne TEM methods were summed up.

ATEM; underground cave; military reconnaissance

2017-02-15；

2017-03-20

中國地質調查局項目“沿邊及重點地區(qū)軍事地質調查”(201704010203)

劉偉(1989—),碩士研究生，工程師,主要從事勘查工程及地質調查研究。

10.11809/scbgxb2017.06.037

format:LIU Wei.Prospection for Airborne TEM Systems to Prospecting Shelter Caves in the Subsurface[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):169-175.

P631

A

2096-2304(2017)06-0169-07

本文引用格式：劉偉.航空瞬變電磁法探測地下隱蔽洞體的前景淺析[J].兵器裝備工程學報，2017(6):169-175.