等值反磁通瞬變電磁法在地質(zhì)災害探測中的應用思考

周先福

（四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心，四川 成都 610000）

近些年來，由于地質(zhì)災害問題日益凸顯，給人們生命及財產(chǎn)安全帶來極大的威脅，國家對于地質(zhì)災害的防范和治理越來越重視，特別是在對地質(zhì)災害的探測方面。就以往常規(guī)的地質(zhì)災害物探探測方法來看，由于受到場地地形、地質(zhì)條件方面的限制，存在一定的局限性。而采用OCTEM進行地質(zhì)災害探測，能夠有效解決水田、民房建筑以及交通道路在常規(guī)物探方面的限制問題。對此種新型探測方法進行研究，對今后地質(zhì)探測工作的開展具有重要的實際意義。本文以某項工程案例為背景來對OCTEM探測技術的應用進行分析。

1 工程案例

針對某地坍塌、滑坡等地質(zhì)災害進行探測，探測區(qū)域的地形在總體上呈現(xiàn)斜向構造形式，地層呈現(xiàn)自下而上的形態(tài)，該形態(tài)又分為二疊系、三疊系和第四系。其中，二疊系屬于含煤地層，該層在巖性成分上主要包括粉砂巖和砂巖，具有較低的電阻率。該區(qū)域的地質(zhì)災害問題通常表現(xiàn)在井水水位下降方面，另外，還存在地面變形等情況，特別是地面鼓起或周邊居民房屋墻體出現(xiàn)開裂等現(xiàn)象。所以本次探測采用OCTEM的方式來進行。

2 OCTEM工作原理

OCTEM主要是利用相同線圈通以反向電流，在通以反向電流的過程中產(chǎn)生等值反向磁通，以此為依據(jù)，再利用兩個上下平行共軸的相同線圈來作為發(fā)射線圈，而后進行測量，分別通以大小相等且方向相反的電流，并將其作為發(fā)射源，此時，接收線圈處在兩個發(fā)射線圈中心位上，也就是由雙線圈源進行合成后的一次場零磁通平面上，從而使發(fā)射線圈對一次場的影響得以消除，進而能夠?qū)Φ刂行鸟詈系募兌螆鲞M行探測。此種探測方法較傳統(tǒng)瞬變電磁法而言，由于OCTEM接收線圈主要是在一次場零磁通平面上進行，若將發(fā)射電流切斷，此時接收面一次場的磁通變?yōu)榱?，接收線圈本身是不會發(fā)生電磁振蕩的，而接收信號則是受到地質(zhì)體渦流的響應，因為該探測方法消除了接收線圈對一次場的影響，從而使OCTEM實現(xiàn)了100米以內(nèi)的淺層勘探。由于OCTEM線圈采用的是上下大小相同的雙線圈，發(fā)射電流是相同的，而方向是相反的，所以，雙線圈無窮遠處以及幾何中心水平面的一次垂直磁場則為零。但發(fā)送電源處于斷開狀態(tài)時，其他空間中的一次垂直磁場接近地表位置，此時，發(fā)射線圈所產(chǎn)生的磁場最大，這就可以得出，在變化時間相同的條件下，地表附近所產(chǎn)生的感應漩渦流最大，且感應磁場也是最強的。若電源開關斷開是在間歇性延遲的情況下，則又會出現(xiàn)新的感應渦流，此時的感應渦流處于極大直面，同時，還會逐漸與垂直發(fā)射線圈相遠離，并朝著遠離的方向不斷擴散，在此過程中，極大值的衰減幅度和擴散速度兩者均與大地電阻率相關。局部良導體以及大地電導率的埋深是大地介質(zhì)當中影響衰減幅度和渦流擴散速度的主要參數(shù)。通常將大地介質(zhì)當中的電導率看作常數(shù)，而影響極大值的衰減變化幅度以及擴散速度的主要因素是局部地質(zhì)體的形態(tài)、電導率、埋深以及規(guī)模等參量的變化。通常情況下，若只考慮電導率，當具體地質(zhì)體當中的電導率較大時，極大值在衰減幅度以及擴散速度方面也就越小[1]。

3 OCTEM在地質(zhì)災害探測中的應用

（1）儀器設備使用說明

在進行地質(zhì)探測的過程中，通常需要進行地下巖溶的勘探，地下巖溶發(fā)育范圍在地下100米以內(nèi)，為了查明地下巖溶的發(fā)育情況，采用HPTEM-08 型具有高精度的瞬變電磁儀器來進行勘探，該儀器最大的地下勘探深度可達300米左右，完全可以滿足勘探的需求。該系統(tǒng)主要是在傳統(tǒng)的瞬變電磁勘探當中，抗電磁干擾能力弱、以及存在勘探盲區(qū)等問題下進行研發(fā)的，其較好的運用了等值反磁通這一技術，使收發(fā)線圈之間存在的感應耦合得以消除，同時利用對偶中心耦合這一原理，來提高橫向分辨率。另外，微線圈采用了統(tǒng)一標準，采用了較高靈敏度的傳感器，使用了高速24位的數(shù)據(jù)采集卡，加上高密度的測量技術，從而達到對淺層地質(zhì)的高精度瞬變電磁探測。HPTEM-08型高精度瞬變電磁系統(tǒng)組成部分有：操作電腦、12V的外接電池、HPTEM天線及儀器主機。其中，儀器天線的質(zhì)量在25kg左右，直徑為1.5米，野外作業(yè)只需三個人就能完成，同時還可以在城鎮(zhèn)街巷以及狹小的村莊開展勘探工作，一個探測點僅僅只用1到5分鐘便能完成測量，具有高效和輕便的優(yōu)勢[2]。

（2）測線布置方式

對現(xiàn)場進行踏勘，并結(jié)合相關地質(zhì)資料，對探測區(qū)域范圍內(nèi)塌陷的地方進行了六條瞬變電磁法測線的布置，由于地物的影響，在測線長度上有所不同，測線長度最短為280米，最長達到340米，測線距離也不相同，有十多米也有四十多米，而測線的總體方位呈305度角，且與地層的總體走向相垂直，角度在25度左右。根據(jù)勘查到的資料顯示，區(qū)域內(nèi)的地面塌陷屬于群洞，且分布范圍在100米左右，所以點距的設置應選擇10米，以此便能達到更好的探測效果。

（3）自檢調(diào)平校驗

在進行探測之前，需進行自檢調(diào)平校驗。具體方法是：將接收及發(fā)射線框在水平方向進行放置，并對接收線框以及發(fā)射線框進行相對位置的調(diào)整，對衰減曲線進行觀測。在此過程中，如果衰減穩(wěn)定，且衰減曲線未出現(xiàn)負值，則表明儀器正常，在完成調(diào)平校驗之后，便可以進行采集。

（4）頻率的選擇

在使用HPOCTEM-08的高精度瞬變電磁儀時，其勘探的深度與發(fā)送頻率有著很大的關系，若探測的深度越深，則發(fā)送頻率會越小，若探測深度越淺，則發(fā)送頻率會越大。該儀器在使用過程中經(jīng)常用到的3個發(fā)送頻率分別是2.5赫茲、6.25赫茲以及25赫茲。在實地測量的基礎上，對本次探測工作頻率選取6.25赫茲時，探測深度能夠達到200多米，且能夠滿足探測需求。

（5）疊加次數(shù)的選擇

在進行疊加次數(shù)的選擇時，主要是與探測區(qū)域內(nèi)以及周邊的噪聲水平相關，從理論上來講，若疊加次數(shù)較大，所采集到的衰減曲線信號在信噪比上就會越高。然而，在進行實際的探測工作時，通常要兼顧并考慮工作效率問題，這就需要將探測工作頻率選擇為6.25赫茲，而此時的疊加次數(shù)也會達到300次左右，在這樣的情況下，進行兩次重復的觀測尤為重要，且效果更佳。此外，HPOCTEM-08高精度瞬變電磁儀主要是在等值反磁通這一原理的基礎上進行設計的，所以受電磁波的干擾影響相對要小，但在探測過程中，仍然需要盡量的避開鐵器、鐵門、汽車以及電線等干擾源，而后按照實際測量的情況，需將儀器遠離這些干擾源，且距離應大于5米，此時數(shù)據(jù)的信噪比較高，探測精準度以及數(shù)據(jù)質(zhì)量也就更好[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，通過本次探測發(fā)現(xiàn)OCTEM具有良好的探測效果，不僅可以在接地條件差、房屋密集的地方進行探測，還可以在受電磁波干擾比較大的城鎮(zhèn)和村莊進行探測，突破了地域條件方面的限制。通過本次探測發(fā)現(xiàn)，探測區(qū)域內(nèi)的地面塌陷主要是由于地下水運動引起的，在地下水運動的過程中，將巖溶內(nèi)部的砂礫和黏土等填充物帶走，從而發(fā)生巖土結(jié)構的坍塌，所以對于這類地質(zhì)災害區(qū)域應加強治理及防范。因此，通過本次探測得知地面塌陷等地質(zhì)災害極容易出現(xiàn)在灰?guī)r地區(qū)以及巖溶較發(fā)育的范圍內(nèi)，若區(qū)域附近還存在采礦等活動，對于巖溶和地下水平衡會造成極大的破壞，進而引發(fā)塌陷事故。為了對地質(zhì)災害影響進行控制，在今后的工作中，相關工作人員應采取科學合理的探測方法，常規(guī)下一般采用物探方法進行，若探測場地受限，則可以采用OCTEM進行，并在今后的探測過程中注重每一個環(huán)節(jié)，做到認真細致，對該探測技術進行重點及熟練的掌握，同時結(jié)合現(xiàn)場實際情況，靈活運用等值反磁通瞬變電磁法探測方式，使其發(fā)揮出最大效用。