等值反磁通瞬變電磁法在成都市地下空間資源地質調查中的應用

陳 挺，余 舟，龐有煒，嚴 迪，鄭福龍，韓 磊，冉中禹，劉 鵬

等值反磁通瞬變電磁法在成都市地下空間資源地質調查中的應用

陳 挺1,2，余 舟1,2，龐有煒1,2，嚴 迪1,2，鄭福龍1,2，韓 磊1,2，冉中禹1,2，劉 鵬1,2

（1.四川省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局物探隊，成都 610072；2.四川省地球物理勘查研究院，成都 610072）

成都市鈣芒硝、富水砂礫卵石層等不良巖土體以及隱伏斷裂構造對地下空間的利用形成嚴重制約。據(jù)現(xiàn)有鉆孔資料顯示鈣芒硝層多分布在30～150m深度、砂礫卵石層多分布在10～100m深度，屬于等值反磁通瞬變電磁法的有效探測范圍。首先對城區(qū)電磁干擾源進行了調查，總結了提高數(shù)據(jù)采集質量的具體措施；然后布置了過已知鉆孔的等值反磁通瞬變電磁法試驗剖面，過井剖面反演視電阻率值與不同深度的測井視電阻率值吻合較好，說明反演初始模型參數(shù)選取正確，定量反演精度較高；最后布置了三條等值反磁通瞬變電磁法試驗剖面，試驗結果表明等值反磁通瞬變電磁法結合鉆探和其它物探手段，能有效劃分出不良地質體的分布范圍和對隱伏斷裂進行識別。

瞬變電磁法；等值反磁通；不良巖土體；隱伏斷裂

成都作為中國西部地區(qū)重要的中心城市，目前正處于加快建設國家中心城市的重要時期，查明地下不良巖土體及隱伏斷裂構造的分布情況，對優(yōu)化成都城市規(guī)劃布局、空間轉型升級具有重要作用。成都市第四系上更新統(tǒng)富水砂礫卵石層和白堊系富含鈣芒硝砂泥巖層電阻率幅值較高，相對圍巖表現(xiàn)為高阻特征，為下一步利用瞬變電磁法進行解釋提供了物性依據(jù)。傳統(tǒng)瞬變電磁法是通過觀測人工激發(fā)的交變電磁場信號在地下隨時間的衰減規(guī)律來探測地質體的電阻率特征，具有穿透高阻覆蓋能力強、分辨率高、設備輕便、工作效率高等特點，但未從根本上解決一次場關斷對二次場探測的影響，嚴重制約了瞬變電磁法在工程勘察中的應用（徐洪苗等，2017；楊金鳳等，2014；陳魁奎等，2016；田衛(wèi)東，2015；李成等，2012；閻述等，1999；吳有信等，2012；郝紅兵等，2019）。而等值反磁通瞬變電磁法，采用收發(fā)一體的微型天線，提高了瞬變電磁法淺層探測能力，對于地形復雜的地區(qū)，施工較方便，它具有對電阻率異常體反應靈敏的特點。本文通過對成都市區(qū)3條典型等值反磁通瞬變電磁法剖面的反演解釋，結合鉆探和其它物探手段，圈定了鈣芒硝、富水砂礫卵石層等不良地質體的分布范圍，識別了隱伏斷裂的具體位置，取得了較好的工程應用效果。

1 地質概況

1.1 地層

成都市域主要出露第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)、下更新統(tǒng)，白堊系上統(tǒng)、下統(tǒng)，侏羅系上統(tǒng)、中統(tǒng)地層。新生界第四系地層分布于龍泉山以西廣闊的臺地和平原區(qū)，全新統(tǒng)至下更新統(tǒng)地層齊全，厚度由西向東變薄，溫江地區(qū)厚達300余米，東部臺地一般數(shù)米至20余米。中生界地層出露受地質構造控制，侏羅系地層主要沿龍泉山背斜核、翼及蘇碼頭背斜核部呈北東向展布，白堊系地層少量出露于龍泉山背斜西翼及蘇碼頭背斜兩翼。地層分區(qū)表見表1。

1.2 水文地質特征

根據(jù)地下水形成的自然條件和水文地質特征本區(qū)劃分為西部平原區(qū)、中部臺地區(qū)及東部低山區(qū)三個水文地質單元。根據(jù)地層、巖性特征及分布，將地下水類型劃分為三大類：第四系松散堆積砂礫卵石層孔隙潛水、侏羅-白堊系砂泥巖風化帶裂隙-孔隙潛水和夾關組砂巖裂隙-孔隙層間水。

表1 地層分區(qū)表

1）平原區(qū)含水層：分布于測區(qū)西、北部，為岷江水系形成的沖積、沖洪積、冰水堆積的復合大扇中部及前緣。平原上河渠密布，地下水補給十分優(yōu)越，地下水類型為第四系松散堆積砂礫卵石層孔隙潛水。全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)砂礫卵石層中孔隙潛水聯(lián)系密切，無明顯隔水層，構成一個統(tǒng)一的含水層組，埋藏淺，統(tǒng)稱上部含水層組。其下部中、下更新統(tǒng)泥礫卵石層中的孔隙潛水為下部不穩(wěn)定含水層組。

2）臺地區(qū)含水層：區(qū)內稻田、水塘、河流，溪溝密布，是地下水的主要補給源之一。地表大面積覆蓋第四系粘土層或含泥砂礫石層，透水性能差，對地下水的補給起阻擋作用，為非均勻分布的弱富水區(qū)。

3）低山區(qū)含水層：為碎屑巖山地風化帶裂隙水，巖性以侏羅系泥巖為主，因地形陡，河谷深，入滲的地下水容易就地排出，不利儲藏，為貧水區(qū)，僅在斷裂破碎帶附近含水稍富。

2 等值反磁通瞬變電磁法方法原理

在城市物探場地條件受限的情況下，結合本次工作的勘探深度，選擇等值反磁通瞬變電磁法。等值反磁通瞬變電磁法野外工作使用HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統(tǒng)（圖1）。該系統(tǒng)一次場磁通量始終為零，當發(fā)射電流關斷時，上、下兩線圈產(chǎn)生的磁通相互抵消，接收線圈的一次場磁通量為零，地下空間的一次場依然存在，接收的信號是地下純二次場的響應，可根據(jù)接收到的二次磁場隨時間的衰減規(guī)律獲得地下介質的地電信息（席振銖等，2016；周超等，2018；李建平，2018；王銀等，2017；楊建明等，2018）。

3 地球物理特征

本次工作所選擇的工作手段主要為電磁法。電阻率參數(shù)來源包括孔旁電測深、視電阻率測井成果。從上述途徑獲得的電參數(shù)值，利用統(tǒng)計得各巖性層電阻率均值及常見變化范圍值。從物性參數(shù)統(tǒng)計表來看，第四系及白堊系的致密泥砂礫卵石層和富含膏巖泥巖層電阻率幅值最高。電性差異的主要影響因素是顆粒大小和松散程度，中深部的泥質砂礫卵石層由于泥質含量的增大，密實程度加大，導電性有所上升，電阻率略呈下降趨勢?；鶐r中風化層視電阻率較低，隨風化程度不同幅值有所上升。

表2 物性特征統(tǒng)計表

通過鉆孔巖性與對應電阻率特征進行分析，本區(qū)共劃分為5個電性層，其詳細對比分析如表3所示。其中第一、第二與第五電性層均表現(xiàn)為低阻特征，與測井資料對比分析認為的淺表填土，粉砂質粘土以及深部風化基巖相對應；第三、第四電性層主要表現(xiàn)為中高阻特征，對應致密卵石層；Q31、Q2、Q1均為砂礫卵石土地層，在電阻率上差異較小，主要通過鉆孔與測井資料進行標定校正。

4 電磁干擾源調查

在等值反磁通工作開展中，應盡量避開高壓電井，因為高壓電線產(chǎn)生的一次電場會與等值反磁通瞬變電磁法產(chǎn)生的二次電場疊加在一起，降低信噪比，影響數(shù)據(jù)的采集質量。在主城區(qū)二環(huán)路附近雙慶路選擇了一口高壓電井進行了電磁干擾半徑影響試驗，試驗現(xiàn)場見圖2。

圖2 高壓電井干擾源調查現(xiàn)場施工圖

本次工作垂直于高壓電線走向進行了試驗，實驗原始數(shù)據(jù)時道曲線剖面圖見下圖3。

圖3 過高壓電井實驗25HZ原始數(shù)據(jù)剖面圖

從原始數(shù)據(jù)剖面圖可知，在高壓電井正上方，時道曲線出現(xiàn)明顯的畸變，在垂直高壓電線走向的方向上，影響距離大致為5～7m。因此在測線布置時，如果無法避開高壓電線，應盡量使測線與高壓電線垂直或成一定角度，且保持5m以上距離，測線不可與高壓電線平行布置。

5 特定地質體解釋

5.1 根據(jù)測井資料選擇反演約束系數(shù)

定量解釋的正確與否取決于反演的精度，等值反磁通的反演思路是：在收集已知鉆孔資料的情況下，更改約束系數(shù)使反演結果與已知鉆孔統(tǒng)一，從而通過測井視電阻率曲線完成對視電阻率反演層位的標定。同時根據(jù)反演深度和發(fā)射頻率來選擇合適的約束系數(shù)，一般約束系數(shù)越小，反演的深度越淺，反之越深。

表3 地層巖性與電性特征綜合分析表

本次工作在國際生物城ZK13號鉆孔上完成一條南北向過井剖面。過井剖面長度為200m，點距10m。反演參數(shù)選取如下：約束系數(shù)：2.5，反演系數(shù)：0.5，基準阻值：50Ω·m，目標深度：150，開始時間80us，結束時間：20000us。從反演結果圖知，電阻率從上到下表現(xiàn)為低-高-低-高的四層電性特征。

為了對解釋推斷結果可靠性和精確度進行分析，對比了ZK13處不同深度的測井視電阻率與反演視電阻率值（圖5），兩支曲線從20m深度開始電阻率逐漸抬升，大致到達65m深度時，電阻率值開始同步下降，在深度100～110m之間為整支曲線的極小值區(qū)，110～150m深度曲線再次同步抬升。表明該處反演結果與測井資料吻合較好，說明對定量反演的處理結果的精度較高。

圖4 過井剖面反演視電阻率與測井視電阻率對比結果圖

圖5 反演視電阻率與測井視電阻率曲線對比圖

結合鉆孔和反演結果推斷，過井剖面淺部0-30米低阻異常主要由粉砂巖、泥巖等低阻地層引起；30～80m高阻異常主要由于粉砂巖中充填了大量的鈣芒硝礦所致；另外參考鉆井資料成果，20～110m巖層孔隙度變化不大，聲波時差穩(wěn)定，在250us/m左右變化，故認為80～120m低阻異常不可能是富水巖層所引起，而是由于鈣芒硝的含量大幅減少，為低阻泥巖的反應。本次過井剖面工作是為選取合適的初始反演參數(shù)，通過與已知井資料對比，認為工作區(qū)約束系數(shù)取2.0～2.5，反演系數(shù)：0.3～0.8，基準阻值取30～80Ω·m較為合適。

5.2 鈣芒硝層的識別

灌口組鈣芒硝層呈多層分布，與砂泥巖呈互層關系。鈣芒硝層電阻率介于220～386Ω·ｍ之間，相對圍巖表現(xiàn)為高阻特征。依據(jù)鈣芒硝層導致地層視電阻率值變大的特征，結合視電阻率反演結果能分析層位電性的變化，從而為鈣芒硝層的劃分及性質判別提供依據(jù)。

1號剖面位于臺地區(qū)，在鉆孔ZK13附近，該剖面長度為1000m，點距10m。通過對實測單點數(shù)據(jù)分析，剖面周邊電磁干擾較弱。通過對剖面數(shù)據(jù)處理及解釋。等值反磁通瞬變電磁法反演成果圖由淺至深總體呈低阻、中阻、高阻、低阻的四層電性特征，依據(jù)等值線密集條帶、反演電阻率值高低劃分地層、判別地層巖性。

結合ZK13鉆孔資料，對反演結果進行了推斷解釋（圖6）。根據(jù)電性特征的變化，斷面圖上大致可以分為四層，表層粘土層、砂礫卵石層厚約15～20m，反演視電阻率值普遍小于200Ω·m；下伏中風化砂質泥巖層，推測為風化層增厚，視電阻率相對較高，介于400～600Ω·m之間；第三層為含鈣芒硝層，視電阻率為600～800Ω·m左右，主要位于剖面小號端，呈不連續(xù)分布特征；第四層為低阻層，推測為灌口組粉砂質泥巖。

圖6 1號剖面等值反磁通瞬變電磁法反演解釋結果圖

5.3 隱伏斷裂的識別

2號剖面位于平原區(qū)向臺地區(qū)過渡區(qū)域，等值反磁通瞬變電磁法剖面長度為1100m，點距10m。根據(jù)以往水文地質勘探線剖面知，該段上覆地層為廣漢組含泥砂礫卵石層，厚度20m左右，其與下伏上白堊統(tǒng)灌口組不整合接觸。通過本次試驗剖面工作，對府河斷裂位置取得了新認識，以往地質推斷斷裂位置大致位于二環(huán)路雙慶路口附近，通過本次調查認為該斷裂處于以往推斷斷裂西北方向，位于雙林路與雙華路交叉口附近。

推斷的府河斷裂主要根據(jù)電測深、等值反磁通瞬變電磁法等物探技術互相結合、互相驗證、互相補充的原則進行推斷解釋，本次工作布置的等值反磁通瞬變電磁法2號剖面位置與電測深剖面平行。

根據(jù)電測深視電阻率斷面圖可知，在14～16號點間視電阻率斷面圖表現(xiàn)為高阻-低阻-高阻過渡的特征，該處的電性不均勻性也指示斷裂帶的存在。電測深線14～16號點（14與16號點間距離約300m）與等值反磁通瞬變電磁法2號剖面點號550～850區(qū)域對應。

圖7 2號試驗剖面水文地質勘探線地質斷面圖及剖面位置示意圖

從等值反磁通瞬變電磁法反演結果圖知，點號300～1100段覆蓋層較薄，厚度大約5～15m，點號1100～1400段覆蓋層較厚，厚度大約10～30m，較為精細的刻畫了基底的起伏特征。反演結果顯示點號650～750區(qū)域呈現(xiàn)出低阻體向下延伸到高阻體內的特征，反應了電性特征的改變。

由于中心城區(qū)電測深剖面測線較短，測點點距較大、供電電極距AB/2較稀疏，很難精確確定斷裂的位置。因此府河斷裂的推斷是在以上兩種方法得到相互印證的基礎上，斷裂的最終位置由縱向分辨率更高的等值反磁通瞬變電磁法確定。

5.4 富水砂卵石層的識別

3號剖面位于平原區(qū)，等值反磁通瞬變電磁法剖面長度為1000m，點距10m。據(jù)物性統(tǒng)計結果，區(qū)內粗粒砂礫卵石含水層電阻率表現(xiàn)為高阻特征，等值反磁通瞬變電磁法對相對富水帶反映得比較明顯，因此結合等值反磁通瞬變電磁法反演結果所顯示的上更新統(tǒng)高阻卵石層位，可以提取出卵石層的頂?shù)捉缑媛裆钚畔?，從而獲取含水層厚度及地下分布特征。

等值反磁通瞬變電磁成果由于早期數(shù)據(jù)的缺失，淺層0～15m的條帶狀低阻異常數(shù)據(jù)不可靠，粘土層和中粒卵石土異常不能有效的區(qū)分。等值反磁通瞬變電磁反演成果顯示的中部高阻層為粗粒卵石土的電性特響應，上頂埋深為25m，下底埋深約為50m，該處粗粒砂礫卵石含水層厚約25m。等值反磁通瞬變電磁成果顯示介于50～80m深度范圍的低阻層應是中粒礫卵石層的電性反應，由于80m以下高阻體是由于反演算法插值的結果，因此該低阻體仍有向下延伸的可能。

圖8 電測深視電阻率斷面圖

6 結論和建議

1） 在城市地質調查中，等值反磁通瞬變電磁法觀測系統(tǒng)布置方便，不受城區(qū)場地限制。在復雜干擾環(huán)境進行等值反磁通瞬變電磁法工作時，電磁干擾主要影響斷電后的最大有效衰減延時，從而制約探測深度。通過干擾源調查試驗表明，在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時根據(jù)時道曲線特征合理避開干擾源，能提高原始數(shù)據(jù)信噪比。

圖9 2號剖面等值反磁通瞬變電磁法反演解釋結果圖

圖10 3號剖面等值反磁通瞬變電磁法反演解釋結果圖

2）根據(jù)過井試驗剖面工作與鉆孔資料成果確定了工區(qū)合適的反演參數(shù)，通過三條典型試驗剖面工作，表明等值反磁通瞬變電磁法在平原區(qū)可用于劃分富水砂卵礫石層，在臺地區(qū)可用于圈定鈣芒硝層以及對隱伏斷裂進行識別，較好的解決了工程實際應用問題。

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The Application of Equivalent Inverse Flux Transient Electromagnetic Method to Geological Survey of Underground Space Resources in Chengdu

CHEN Ting1,2YU Zhou1,2PANG You-wei1,2YAN Di1,2ZHENG Fu-long1,2HAN Lei1,2RAN Zhong-yu1,2LIU Peng1,2

(1-Geophysical Exploration Team, SBGEEMR, Chengdu 610072; 2-Sichuan Institute of Geophysical Exploration, Chengdu 610072)

The utilization of the underground space in Chengdu is seriously restricted by such soft rock and soil mass as glauberite and water-rich sand as well as hidden fault structure. According to the existing borehole data, glauberite layers are buried in 30-150 meters depth and gravel and pebble beds are buried in 10-100 meters depth which lie in the effective detection depth range of the equivalent inverse flux transient electromagnetic method. At first, the electromagnetic interference sources in urban areas are investigated, the concrete measures to improve the quality of data collection are summarized. Then the test cross-section through the known borehole is arranged. The test results show that the inversion of the apparent resistivity of the cross-well section is good agreement with that of the well-log at different depths. The test results of three test sections for equivalent inverse flux transient electromagnetic method show that equivalent inverse flux transient electromagnetic method combined with drilling and other geophysical methods can effectively determine the distribution range of the undesirable geological bodies and identify the hidden faults.

transient electromagnetic method; equivalent inverse flux; soft rock and soil; hidden fault

2020-06-12

中國地質調查局項目（DD20189210）；成都市國土資源局采購項目（5101012018001004）聯(lián)合資助

陳挺（1984－），男，四川綿陽人，高級工程師，研究方向：重磁電正反演

P319

A

1006-0995（2021）02-0299-07

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.02.023