李巧靈，雷曉東，李 晨，羅 勇，張 輝，韓宇達，趙旭辰

(1.北京市生態(tài)地質(zhì)研究所,北京 100120;2.北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測所,北京 100195;3.中國地質(zhì)科學(xué)院,北京 100037)

1 引言

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method,TEM)屬于時間域電磁探測方法,該方法利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖電磁場,并在一次脈沖間歇觀測地下渦流場。二次磁場隨時間衰減規(guī)律主要受異常體導(dǎo)電性、體積規(guī)模、埋深以及發(fā)射電流的形態(tài)及頻率影響,基于此便可推斷異常體的空間分布形態(tài)。TEM在礦產(chǎn)資源探測、地質(zhì)災(zāi)害、建筑工程以及水文地質(zhì)工程中應(yīng)用廣泛。金中國等分析了瞬變電磁法在鉛鋅礦區(qū)的工作效果,認為該方法在尋找高阻圍巖下深部隱伏金屬礦體中非常有效[1]。薛國強等將瞬變電磁法用于煤礦采空區(qū)、采煤工作面內(nèi)部和掘進巷道前方水文鉆孔位置、隱伏含水陷落柱構(gòu)造等方面,均取得了不錯的應(yīng)用效果,為煤礦防治水工作提供了可靠資料[2-4]。李貅等利用瞬變電磁法進行隧道不良地質(zhì)體超前預(yù)報,認為該方法對低阻含水斷層、充泥充水溶洞、含水含泥破碎帶等不良地質(zhì)體反映靈敏,在隧道掌子面前方水體病害預(yù)報中效果明顯[5,6]。于景邨等將瞬變電磁應(yīng)用到井下巷道內(nèi)開展工作,利用非接觸式、多匝數(shù)和小回線井下測量裝置,對深部采場突水構(gòu)造位置探測非常有效[7]。馬為利用瞬變電磁法對水下巖層垂向結(jié)構(gòu)及隱伏斷裂進行了探測,探測深度可達200 m,垂向分辨厚度可達21～50 m[8]。由此可見,瞬變電磁法具有對含水帶結(jié)構(gòu)等低阻異常反映敏感、空間分辨率高和探測空間大等特點。

但是,瞬變電磁法在發(fā)射電流關(guān)斷時,接收線圈本身產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢疊加地下渦流場產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢,會造成早期信號失真,從而形成淺層探測盲區(qū)。為避免上述問題,席振銖等提出了等值反磁通瞬變電磁法(Opposing Coils Transient Electromagnetic Method,OCTEM),并逐漸得到推廣應(yīng)用[9]。王亮等通過正演的方式分析了OCTEM在城市淺部空洞探測中的有效性以及不同埋深、厚度等情況下的瞬變電磁響應(yīng)相對異常,認為其對低阻薄層較對高阻薄層更敏感,薄層與圍巖電阻率差異越大,薄層厚度與埋深比越大,越容易被探測到[10,11]。楊建明等證明了OCTEM在道路地下溶蝕發(fā)育情況探測、巖溶塌陷區(qū)的形態(tài)和規(guī)模探測、隧道開挖塌陷搶險探測等方面的有效性,認為OCTEM能有效避免一次場關(guān)斷對二次場的影響,基本消除了淺層盲區(qū),實現(xiàn)了淺層地層的準確探測,此外,OCTEM設(shè)備輕便,施工便捷,作業(yè)效率高,適合淺層快速探測[12-16]。高遠等則利用OCTEM對煤礦、石膏礦等礦產(chǎn)資源開采區(qū)巖溶分布、采空區(qū)范圍等進行了探測,認為該方法探測效果較好,受地形限制小,能大大提高野外施工效率,為礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查提供詳實的資料[17,18]。另一方面,OCTEM在路基潛在病害、地鐵孤石探測等方面也有很好的應(yīng)用效果,能適用于干擾嚴重、交通繁忙和建筑密集的城市復(fù)雜環(huán)境[19,20]。綜上所述,OCTEM在瞬變電磁法的基礎(chǔ)上克服了一次場關(guān)斷對二次場探測的影響,沒有探測盲區(qū),在淺層工程地質(zhì)問題探測方面具有獨特優(yōu)勢。

地裂縫是一種典型的地質(zhì)災(zāi)害,其發(fā)育具有隱蔽性和不確定性、勘查難度較大等特點。地裂縫調(diào)查工作主要以研究區(qū)域第四紀地層、地震及構(gòu)造等地質(zhì)環(huán)境條件為基礎(chǔ),結(jié)合測量、勘查手段,獲取地裂縫空間分布、規(guī)模、形態(tài)特征,并揭示其成因的綜合性地質(zhì)工作。地球物理探測具有直觀準確、快速高效等優(yōu)點,近年來被廣泛地應(yīng)用于地裂縫探測方面。常用的物探方法有淺層反射地震法、地震映像法、高密度電阻率法、探地雷達法、多道瞬態(tài)面波法、瞬變電磁法等[21-25]。OCTEM在地裂縫調(diào)查中的應(yīng)用少見報道,鑒于其較瞬變電磁法的優(yōu)勢,本次在宋莊地裂縫發(fā)育典型地段布設(shè)了4條OCTEM測量剖面,并對其探測效果進行了研究分析。

2 方法原理

為避免一次場對早期二次場的干擾,盡量消除瞬變電磁法的淺層盲區(qū),席振銖等提出了等值反磁通瞬變電磁法,采用上下平行共軸的兩個相同線圈通以反向電流作為發(fā)射源,在雙線圈源的中間平面接收地下二次場。由于接收面為上下兩線圈的等值反磁通平面,一次場磁通始終為零[9]。

基于Jackson推導(dǎo)的單線圈在自由空間球坐標系下的磁場表達式,將坐標變換至柱坐標系,可得單線圈電流環(huán)產(chǎn)生的磁場分量在半徑為R,電流為I的情況下,以原點O為中心的磁場各分量表達式如下:

(1)

其中,K(c)和E(c)分別為第一類和第二類完全橢圓積分:

(2)

3 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市通州區(qū)徐辛莊附近(圖1),屬于典型的溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候。具有春秋干旱多風(fēng)、夏季炎熱多雨、秋季天高氣爽、冬季寒冷干燥的四季分明的氣候特點。區(qū)內(nèi)地下水儲存條件好,地下水位受區(qū)域地質(zhì)和水文地質(zhì)條件制約。潛水水位一般年初開始緩慢下降,5、6月出現(xiàn)潛水最低水位值,7月至9月水位回升,夏末秋初出現(xiàn)最高水位值,10月后緩慢下降。除100 m以下保持自然動態(tài)特征外,100 m以上淺層承壓水形成嚴重超采區(qū),在5、6月份形成常年或季節(jié)性水位降落漏斗,水位逐年下降。區(qū)內(nèi)地勢略有起伏,趨于平坦,地貌可分為階地地貌、泛濫平原地貌、河漫灘地貌、沙丘地貌、人為地貌等。由張家灣東北經(jīng)通州鎮(zhèn)至宋莊一線西北部地區(qū),地面高程均在20 m以上,地形較為復(fù)雜,有明顯陡坎、沖溝,呈緩坡狀態(tài)遺跡和沙丘等階地地貌特征。北運河與潮白河之間地區(qū),由于近代河流泛濫堆積作用,其地勢表現(xiàn)為近河床高、遠河床低的態(tài)勢,形成順河床延伸的條形洼地。西部與南部為永定河作用地域,局部區(qū)域呈現(xiàn)東高西低或西南高東北低之勢。

研究區(qū)主要發(fā)育有南苑—通縣斷裂。該斷裂是由多條斷裂組成的隱伏斷裂帶,是北京斷陷與大興隆起的分界線。斷裂南起碼頭,經(jīng)窯上至公義莊主要表現(xiàn)為一條斷裂,從公義莊起,經(jīng)葫蘆垡、西蘆城、西紅門、潘家園表現(xiàn)為兩條斷裂(北支斷裂稱為西紅門斷裂,南支斷裂稱為南苑—通縣斷裂),從高碑店起,經(jīng)通州、富豪,至南莊附近主要表現(xiàn)為一條斷裂,總稱為南苑—通縣斷裂帶。據(jù)北京市勘察技術(shù)院2018年《北京市平原區(qū)1∶5萬區(qū)域重力測量》成果顯示,重力梯度帶連續(xù)向北東方向,可能延伸至孫河斷裂,在315°水平方向?qū)?shù)圖上,斷裂帶最大梯度達-6.6 m Gal/km,梯度帶寬度2～3 km。斷裂南段可能被一系列北西向斷層錯斷,這些北西向斷層在45°水平方向?qū)?shù)圖上呈現(xiàn)平行排列的、長度大致相近的明顯高值異常。經(jīng)鉆孔證實,南苑—通縣斷裂傾向北西,傾角約60°,為正斷層,控制了古近系及新近系的分布,斷裂形成時間尚未查清,但在古近紀早期斷裂北西盤下降,接受了古近紀—新近紀沉積,推斷斷裂在古近紀曾有過活動,而且活動比較激烈,形成2 000 m厚度的古近紀—新近紀沉積。南苑—通縣斷裂在公義莊被北西向的公義莊斷裂錯斷,在南苑被南北向斷裂錯開,在蘆城西南被永定河斷裂錯斷,在小南莊被東風(fēng)斷裂錯斷。

本次研究內(nèi)容屬于宋莊地裂縫的一部分,據(jù)已有資料表明,宋莊地裂縫走向北東向,與南苑—通縣斷裂走向近似平行,呈斷續(xù)分布,波及溝渠莊村、大龐村、雙埠頭等。本次經(jīng)過實地勘查和走訪村民,發(fā)現(xiàn)溝渠莊村和大龐村內(nèi)部分房屋墻體開裂,道路因沉降出現(xiàn)不同程度的起伏和裂縫,典型開裂點平面上呈北東向線性分布,與南苑-通縣斷裂走向相近。為分析第四系巖土體結(jié)構(gòu)和淺地表構(gòu)造異常,以及地裂縫向下發(fā)育情況,在過地面典型地裂縫處布設(shè)等值反磁通瞬變電磁測線4條,具體位置見圖1。

圖1 研究區(qū)位置及測線布置Fig.1 Location and survey line layout of research area

4 數(shù)據(jù)采集

本次等值反磁通瞬變電磁工作采用的儀器是中南大學(xué)和湖南五維地質(zhì)科技有限公司聯(lián)合研制生產(chǎn)的HPTEM-18型高精度等值反磁通瞬變電磁系統(tǒng)。該系統(tǒng)運用等值反磁通技術(shù)(OCTEM)消除收發(fā)線圈之間的感應(yīng)耦合,利用對偶中心耦合原理提高橫向分辨率,采用統(tǒng)一標準的微線圈對偶磁源、高靈敏度磁感應(yīng)傳感器、高速24位數(shù)據(jù)采集卡以及高密度測量技術(shù)實現(xiàn)淺層高精度瞬變電磁勘探。

由于村里道路多為東西和南北向,不利垂直構(gòu)造走向的測線布設(shè)。路旁民用電線密布,對等值反磁通瞬變電磁法有一定影響,采集時盡量避讓。本次采用定點測量模式,根據(jù)現(xiàn)場試驗確定發(fā)射頻率為6.25 Hz,疊加次數(shù)400次,每點重復(fù)觀測兩次。

5 數(shù)據(jù)處理及分析

等值反磁通瞬變電磁法數(shù)據(jù)一般處理流程見圖2,主要包括:①對野外數(shù)據(jù)進行剔飛值、去噪等數(shù)據(jù)編輯;②地形校正、平滑濾波等數(shù)據(jù)預(yù)處理;③通過參數(shù)分析、曲線類型分析、反演電阻率分析等進行定性分析;④參考已知地質(zhì)資料,通過定性分析與定量分析進行綜合解譯。其中,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(jié)果與已知鉆孔統(tǒng)一,從而通過測井反演電阻率曲線完成對反演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。本次采用瞬態(tài)弛豫反演,得到的是相對電阻率,與真電阻率和視電阻率之間存在一定差異,但是不影響對地裂縫等異常進行判別。

圖2 OCTEM數(shù)據(jù)處理流程Fig.2 Process flow chart of OCTEM data

圖3～圖6為本次等值反磁通瞬變電磁法二維反演電阻率斷面圖。通過對各探測剖面反演成果進行分析,發(fā)現(xiàn)本次探測結(jié)果在淺層未形成明顯的盲區(qū),反演成果清晰地反映出了不同位置、不同深度地層電阻率變化情況。縱向上電性結(jié)構(gòu)可大致分為兩層,第一層反演電阻率小于300 Ω·m,推測為淺部松散地層,黏土含量較高。第二層推斷為黏土層。S03線和S04線存在不連續(xù)中阻特征,可能為古河道特征顯示,由于古河道不是本次探測目標,故物探剖面未進行針對性的布設(shè),未對疑似古河道異常追蹤探測。圖3～圖6中,橫向上存在不同寬度和深度的“低電阻率異常區(qū)”或“電阻率曲線下沉異常區(qū)”。由于異常區(qū)多為土體完整性和連續(xù)性遭到破壞的表現(xiàn),故本次推斷為裂縫發(fā)育區(qū)。圖中紅色實線為淺地表已有地裂縫發(fā)育位置,紅色虛線為推斷地裂縫發(fā)育位置,分述如下:

圖3為等值反磁通瞬變電磁法S01線反演電阻率等值線斷面圖,走向約330°,剖面長約46 m。圖中約12 m和24 m處淺部等值線扭曲變形,向下有一定延伸,且顯示為相對高阻中發(fā)育低阻異常,推測可能為地裂縫。該剖面高程-20～-40 m深度范圍內(nèi)不連續(xù)中阻,疑似古河道特征,該處地裂縫發(fā)育或與此有關(guān)。

圖3 等值反磁通瞬變電磁法S01線斷面Fig.3 S01 section of OCTEM data

圖4為等值反磁通瞬變電磁法S02線反演電阻率等值線斷面圖,走向約355°,剖面長約44 m。圖中約22 m和36 m處淺部等值線扭曲變形,22 m處為相對高阻中發(fā)育低阻異常,且地表附近有開裂等地裂縫特征,故推斷此特征為典型地裂縫電性特征。36 m處為相對高阻與低阻過渡帶,等值線變化梯度大,向下有一定延伸,推測可能為地裂縫發(fā)育。

圖4 等值反磁通瞬變電磁法S02線斷面Fig.4 S02 section of OCTEM data

圖5為等值反磁通瞬變電磁法S03線反演電阻率等值線斷面圖,走向約345°,剖面長約80 m。圖中約14 m、39 m和74 m處淺部等值線扭曲變形,39 m處地表附近有開裂現(xiàn)象,在淺部為相對高阻與低阻過渡帶,向下為相對高阻中發(fā)育低阻特征,推測為地裂縫發(fā)育。14 m處特征與39 m處相似,74 m處則是典型的相對高阻中發(fā)育低阻異常,故推測可能為地裂縫發(fā)育。此外,該剖面高程-20～-40 m深度范圍內(nèi)不連續(xù)中阻,疑似古河道特征,該處地裂縫發(fā)育或與此有關(guān)。

圖5 等值反磁通瞬變電磁法S03線斷面Fig.5 S03 section of OCTEM data

圖6為等值反磁通瞬變電磁法S04線反演電阻率等值線斷面圖,走向約355°,剖面長約200 m。圖中約25 m、45 m、120 m和160 m處淺部等值線扭曲變形,25 m和45 m處為相對高阻中發(fā)育低阻異常,且地表附近有開裂等地裂縫特征,推測為地裂縫發(fā)育。120 m和160 m處電性特征與此相似,皆為相對高阻中發(fā)育低阻異常,推測可能為地裂縫發(fā)育。此外,該剖面高程-10～-50 m深度范圍內(nèi)不連續(xù)中阻,疑似古河道特征,該處地裂縫發(fā)育或與此有關(guān)。

圖6 等值反磁通瞬變電磁法S04線斷面Fig.6 S04 section of OCTEM data

6 討論

地裂縫泛指地表巖土體中產(chǎn)生的線性破裂現(xiàn)象,在許多國家普遍存在,近年來,災(zāi)情發(fā)生頻率與災(zāi)害規(guī)模逐漸加劇。地裂縫發(fā)育不僅會對道路、橋梁、建筑、農(nóng)田、水利設(shè)施等造成直接破壞,還可能引發(fā)一些環(huán)境生態(tài)問題,對人類生活和生產(chǎn)威脅極大[26,27]。北京地區(qū)位于燕山臺褶帶與華北斷坳交匯部位,經(jīng)歷了印支、燕山及喜馬拉雅等多期構(gòu)造運動,斷裂構(gòu)造發(fā)育,是地裂縫災(zāi)害的發(fā)育區(qū)?，F(xiàn)有統(tǒng)計結(jié)果表明,20世紀60年代以來,北京平原區(qū)發(fā)現(xiàn)地裂縫40余條,其中宋莊地裂縫等7條仍在快速發(fā)育。宋莊地裂縫因唐山大地震開啟,最大影響帶寬達400 m,產(chǎn)狀近乎直立,上寬下窄,地面開口最寬1 m,向下逐漸閉合。兩側(cè)地層未見明顯錯動,巖性主要為粉土和粉質(zhì)黏土。主裂縫處充填大量次生堆積物,含水率高于兩側(cè)土體[25,28]。

地裂縫形成為多因素作用疊加結(jié)果,多數(shù)學(xué)者認為區(qū)域構(gòu)造活動與地下水開采引起的地面沉降是地裂縫形成及發(fā)展的主要因素。區(qū)域構(gòu)造活動為地裂縫重要地質(zhì)背景,地震活動造成新巖層破裂或擴展,加劇已有破壞帶。已有研究認為,宋莊地裂縫主要表現(xiàn)為水平拉張,垂直位錯量較小,路面表現(xiàn)為間斷性破裂或塊狀密集無序龜裂。區(qū)域拉張應(yīng)力作用下的基底伸展變形是宋莊地裂縫形成的重要內(nèi)動力條件,南苑—通縣斷裂為地裂縫的形成提供了應(yīng)力積累和傳遞的地質(zhì)條件,地下水超采引發(fā)的土體變形則是誘發(fā)條件[25,28,29]。

本次解釋推斷的潛在地裂縫發(fā)育點大體呈線性分布在南苑—通縣斷裂帶附近,不排除構(gòu)造活動對其形成的影響。此外,基于本次OCTEM探測成果,推測該區(qū)域可能發(fā)育古河道,古河道內(nèi)存在的砂礫石物質(zhì)結(jié)構(gòu)松散、抗壓性弱、沉陷性大,易在地震作用下發(fā)生液化從而產(chǎn)生地裂縫,同時遇到干旱,地下水不能得到補給時,則會產(chǎn)生干裂縫,故古河道對區(qū)內(nèi)地裂縫形成的影響因素應(yīng)加以考慮。

7 結(jié)論

1)等值反磁通瞬變電磁法能準確、快速地查清地裂縫位置及走向等情況,具有儀器輕便、采集時間短、經(jīng)濟快捷、不受施工場地限制及抗干擾能力強等特點,尤其適合在城鎮(zhèn)這種背景干擾強的環(huán)境下工作。本次研究結(jié)果精度較高,結(jié)果可靠,證實了該方法在生態(tài)地質(zhì)及工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

2)本次完成等值反磁通瞬變電磁法測量剖面4條,探測深度80 m,根據(jù)反演電阻率斷面圖顯示的電性結(jié)構(gòu),縱向上大致分為兩層,第一層反演電阻率小于300 Ω·m,推測為淺部松散地層,黏土含量較高。第二層推斷為黏互層。橫向上存在不同寬度和深度的“低電阻率異常區(qū)”或“電阻率曲線下沉異常區(qū)”,推斷為地裂縫發(fā)育特征?；诖?共解釋推斷地裂縫可能發(fā)育點11處。此外,反演電阻率斷面上橫向上不連續(xù)的中阻異常,可能指示古河道發(fā)育,因古河道不是本次探測目標,未對疑似古河道異常進行追蹤探測。

3)基于本次等值反磁通瞬變電磁數(shù)據(jù),獲得了工作區(qū)淺地表地層條件和分布特征,分析了幾處典型地裂縫與地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造之間的相應(yīng)關(guān)系,為該區(qū)地面沉降和地裂縫機理研究提供了地球物理依據(jù)。