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[摘要]为开发某景区溶洞旅游资源，实现景观可持续发展，在景区内开展了物探勘查工作，目的是通过物探方法对景区内溶洞的位置、范围、边界等进行勘查与评价，为溶洞的布孔勘查提供详实可靠的物探基础资料。本文根据工程实践，介绍了瞬变电磁法在溶洞勘查工作中的应用。
[关键词]瞬变电磁法 溶洞勘查
[中图分类号] P62 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-5-196-2
0引言
河北省某景区以造型奇特的暖温带卡斯特地貌景观名扬中外，近年来，在景区范围内成功开发了一处溶洞景观，并相继发现了多处露天钟乳石等岩溶景观。为开发景区溶洞旅游资源，实现景观可持续发展，在景区内开展了物探勘查工作，目的是通过物探方法对溶洞的位置、范围、边界等进行勘查与评价，为溶洞的布孔勘查提供详实可靠的物探基础资料。通过方法实验及对勘查区前人资料的收集、分析，物探勘查工作主要采用了地面瞬变地磁法和时间域激发极化法（中间梯度装置），取得了较理想的勘查效果。本文根据工程实践，介绍了瞬变电磁法在溶洞勘查工作中的应用。
1勘查区地质及地球物理特征
1.1地层
勘查区出露地层有元古界蓟县系雾迷山组和新生界第四系上更新统地层。
（1）元古界蓟县系雾迷山组（Jxw）
主要为燧石白云岩，分为六段，各段之间均呈整合接触。勘查区出露的主要为四段、五段和六段。
a四段（Jxw4）：灰、灰黑色，厚、巨厚层燧石白云岩，总厚度186m。本段白云岩以颜色较深，上部夹薄层泥质白云岩为重要标志。
b五段（Jxw5）：深灰色，中厚、厚、巨厚层细晶燧石白云岩，总厚度257m。
c六段（Jxw6）：浅灰色，中厚、厚、巨厚层微晶燧石白云岩，总厚度295m。在勘查区广泛分布。
（2）新生界第四系（Q）
第四系地层在勘查区内的沟谷、缓坡区广泛分布。
上更新统冲洪积堆积层（Q3a1+p1）：主要为黄土状粉质、砂质粘土和砾石层。
全新统冲积层（Q4a1）：主要为砂、砾石、细砂或粉砂。
1.2构造
勘查区以近东西向的枢纽断裂为主导，西段以北东向正断裂向西南收敛，与枢纽断裂交汇，东段以北东向断裂向东北收敛交汇于同一枢纽断裂上。两组断裂间的枢纽断裂为枢纽中心，垂直断距为零，南盘向东、北盘向西相对错移的平推。
1.3水文地质条件
区内地下含水层类型可分为第四系松散岩类浅层孔隙水和碳酸盐岩裂隙溶洞水两种。
（1）第四系松散岩类浅层孔隙水：主要分布于第四系冲洪积区及山间沟谷。含水层岩性为粉质砂质粘土、砂、砾石、细砂或粉砂，含水层厚度在纵向或横向上都随基岩的起伏而变化。
（2）碳酸盐岩裂隙溶洞水：为勘查区主要地下水类型。含水层岩性为蓟县系雾迷山组白云岩，岩溶发育程度不均，局部发育溶洞，地下水的富水性与地貌构造条件极为密切。
1.4岩土体的地球物理特征
区内出露基岩均为蓟县系雾迷山组地层，可详分为白云质灰岩、灰质白云岩、灰泥质白云岩等三类，工作中采集测定了此三类岩石标本的电性参数，并收集了邻近地区的第四系电性资料。
由上表可见，勘查区基岩电阻率自高至低依次为：灰质白云岩——白云质灰岩——灰泥质白云岩，三者之间有着较明显的差异。而在岩石的可溶性方面，本区基岩可溶程度自高至低则为：白云质灰岩——灰质白云岩——灰泥质白云岩。
1.5岩溶发育区的电性特征
由勘查区地质调查资料可知，区内出露的岩溶发育区均位于破碎带或裂隙较为密集部位，岩溶充填物多为棕红色粘土，且大部分岩溶发育区裂隙内常年有水（部分地区形成泉眼），在这种情况下，岩溶区表现为相对低阻特征，与围岩之间有一定的电性差异，具有较充分的地球物理前提。可运用物探方法在勘查区寻找与岩溶发育有直接关系的构造破碎带，进而达到寻找溶洞的目的，
2工作方法与技术
物探工作依据设计书，结合测区地质特征及现场工作条件布置，侧重于通过调查发现的溶蚀程度较深的地段和已揭露溶蚀区布设瞬变电磁工作，重点区域工作网度为20～50×5～20m，边部区域网度为50×15～20m。
2.1工作方式
为保证最佳勘探效果，瞬变电磁法工作方式通过现场试验确定。经试验，选择了定源回线装置，发射回线边长500m×400m，工作频率25Hz，供电电流7—9A。接收装置使用50KHz瞬变探头。
2.2野外工作技术
为保证物探勘查质量，工作中做到了布极准确，测量精度满足设计要求；接收站布置时避开了强干扰源；敷设线框时，将剩余导线呈S型铺于地面；定期检查了导线绝缘性，绝缘电阻大于2MΩ；当测量曲线出现畸变或遇异常点、突变点时均进行了重复观测，必要时加密了测点；每个测点观测完毕，操作员对数据和曲线均进行了全面检查，合格后方搬站。野外观测结果做到了每天及时整理、编目，转贮到计算机中并备份。
2.3资料整理与数据处理
（1）资料整理
野外工作进行到一定程度后进行室内资料整理，内容包括综合整理各种原始资料和图件；总结仪器使用情况，统计各种数据的精度，对存在的问题研究解决途径和办法，发现问题及时进行野外验证。
野外工作全部结束后，对所取得的各种资料进行综合整理、归类，编制各类成果图件。
（2）数据处理
瞬变电磁法资料处理分两部分进行，首先使用凤凰公司的TEM Pro程序对观测数据进行选窗口，去耦合，点位校正，去除因关断时间影响而不准确的早期数据，去除无用的深部干扰信号。并在探测深度对应的时间段内进行加密时间点的重采样。最终得到适合于反演解释的稳定、圆滑曲线。在勘查区资料的反演解释中，根据发射机特性和线圈电流等参数计算的关断时间为0.07ms，晚期数据在7ms之前稳定，根据探深估算公式达 到探测深度。数据处理按照0.07ms到7ms之间重采样成30个时间点进行反演。
电阻率的定量解释选用美国Interpex地球物理有限公司的IX1Dv3软件。该软件可以进行定源（Fixed Loop）瞬变电磁的反演。并且提供关断时间的拟合，有OCCAM平滑1D反演参考模型和人机交互建模等很多优越功能。反演结果比较可信。从最终反演结果和工区的已知地层电性变化对比来看，反演结果可信。
对每个测量点都进行参考模型和交互模型的双重建模，最终得到即符合地质预测又能和观测数据拟合的模型，把最终拟合最好的交互模型按照测线组织形成剖面图。为提供更清晰的地质解释，按照不同的深度进行电阻率切片，以判断构造和电性变化的相互关系并发现明显异常。
3解释与推断
3.1全区综述
由勘查区各测线反演电阻率拟断面图可见，全区视电阻率在水平方向上表现为层状特征，反映出基岩的水平展布规律；在垂直方向上电阻率在几十欧姆米到上万欧姆米之间变化，自浅至深总体表现出“高—低—高—低”的特征，反映出蓟县系雾迷山组地层岩性的变化。为便于说明，将垂向上的电阻率自上而下划分为四个层位进行解释：①电阻率层即浅部的高阻层，电阻率一般大于500欧姆米，最高可达上万欧姆米，推断该层位岩性以灰质白云岩为主，厚度不大，一般在10～40m之间，自L1测线向L5测线逐渐变厚，由于其可溶性较高且出露地表，在自然环境下，局部地区（L1测线）已被风化剥蚀；②电阻率层为低阻层，电阻率小于500欧姆米，推断其岩性以泥灰质白云岩为主，该层位因可溶性低，地层较完整，在各测线均连续分布，且厚度变化不大；③电阻率层为中高阻层，电阻率一般在500至数千欧姆米之间，推断该层位岩性以白云质灰岩为主，除各测线边部外，大部分区域该地层较稳定，呈水平层状产出，且连续性较好，可见虽然该层位的白云质灰岩可溶性较高，但由于地层稳定完整，岩层透水性差，缺少地下水流动的路径，因此该层位大部分区域溶蚀程度不高；④电阻率层为低阻层，电阻率一般小于500欧姆米，推断其岩性以泥灰质白云岩为主，该层位可溶性低，地层较完整，在各测线均连续分布，厚度较大，本次工作未能穿透该层。
3.2岩溶发育区的推断
L1—L5测线西北端均有一贯通上下的低阻异常带，推断为断裂构造F1的反映。该构造走向北东，产状较陡，倾向东南，其在L1测线最宽，宽约100m，向L5测线方向逐渐变窄至10余米。在L1—L5测线东南端亦有一上下贯通的低阻带，推断为断裂构造F2的反映，由于其过于靠近测线边部，异常形态不完整，断裂性质较难判断。
为了能够更系统全面地了解勘查区的地质情况，在L5测线以北的沟谷区域布置了三条短测线L6—L8，在三条测线上均有一低阻带分布，电阻率值一般小于200欧姆米，低阻带宽约100～150m，向北（沟谷口）方向变宽，推断其为断裂构造F3的反映。该断裂宽度较大，延伸较深，破碎严重，综合分析认为F3断裂为勘查区内的主大断裂，而F1、F2断裂则为该断裂的次级断裂。
从岩溶的形成环境和发育条件方面分析认为，断裂构造处的岩石，由于岩石破碎，节理裂隙发育，互相连通形成渗透裂隙网络，是地下水的良好通道，该部位岩溶发育速度快，发育程度高。由此推断， F1、F2断裂构造通过的部位是形成岩溶区的较理想位置，而F3断裂虽然具有岩溶的形成条件和环境，但由于其位于沟谷中且破碎严重，恐难以形成较理想的溶洞。
4结论
本次勘查工作以岩溶发育区为探测目标，基本查明了勘查区范围内地层的分布特征，通过对地质、物探资料的综合研究，推断了岩溶发育区在勘查区范围内的展布，圈定了岩溶发育区的范围，为研究勘查区岩溶发育区的分布提供了较为详实的基础资料。由于勘查区地形复杂，山势陡峭，对物探工作数据的采集产生了一定的影响；同时，瞬变电磁法是基于地质体的电性差异进行异常解释的，引起地质体电性差异的因素很多，使得瞬变电磁法具有多解性。因此，在资料的使用过程中应对推断成果及时进行钻探揭露验证，以便对数据的分析解释进行修正，并指导后续地质工作，提高成果的质量。
[关键词]瞬变电磁法 溶洞勘查
[中图分类号] P62 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-5-196-2
0引言
河北省某景区以造型奇特的暖温带卡斯特地貌景观名扬中外，近年来，在景区范围内成功开发了一处溶洞景观，并相继发现了多处露天钟乳石等岩溶景观。为开发景区溶洞旅游资源，实现景观可持续发展，在景区内开展了物探勘查工作，目的是通过物探方法对溶洞的位置、范围、边界等进行勘查与评价，为溶洞的布孔勘查提供详实可靠的物探基础资料。通过方法实验及对勘查区前人资料的收集、分析，物探勘查工作主要采用了地面瞬变地磁法和时间域激发极化法（中间梯度装置），取得了较理想的勘查效果。本文根据工程实践，介绍了瞬变电磁法在溶洞勘查工作中的应用。
1勘查区地质及地球物理特征
1.1地层
勘查区出露地层有元古界蓟县系雾迷山组和新生界第四系上更新统地层。
（1）元古界蓟县系雾迷山组（Jxw）
主要为燧石白云岩，分为六段，各段之间均呈整合接触。勘查区出露的主要为四段、五段和六段。
a四段（Jxw4）：灰、灰黑色，厚、巨厚层燧石白云岩，总厚度186m。本段白云岩以颜色较深，上部夹薄层泥质白云岩为重要标志。
b五段（Jxw5）：深灰色，中厚、厚、巨厚层细晶燧石白云岩，总厚度257m。
c六段（Jxw6）：浅灰色，中厚、厚、巨厚层微晶燧石白云岩，总厚度295m。在勘查区广泛分布。
（2）新生界第四系（Q）
第四系地层在勘查区内的沟谷、缓坡区广泛分布。
上更新统冲洪积堆积层（Q3a1+p1）：主要为黄土状粉质、砂质粘土和砾石层。
全新统冲积层（Q4a1）：主要为砂、砾石、细砂或粉砂。
1.2构造
勘查区以近东西向的枢纽断裂为主导，西段以北东向正断裂向西南收敛，与枢纽断裂交汇，东段以北东向断裂向东北收敛交汇于同一枢纽断裂上。两组断裂间的枢纽断裂为枢纽中心，垂直断距为零，南盘向东、北盘向西相对错移的平推。
1.3水文地质条件
区内地下含水层类型可分为第四系松散岩类浅层孔隙水和碳酸盐岩裂隙溶洞水两种。
（1）第四系松散岩类浅层孔隙水：主要分布于第四系冲洪积区及山间沟谷。含水层岩性为粉质砂质粘土、砂、砾石、细砂或粉砂，含水层厚度在纵向或横向上都随基岩的起伏而变化。
（2）碳酸盐岩裂隙溶洞水：为勘查区主要地下水类型。含水层岩性为蓟县系雾迷山组白云岩，岩溶发育程度不均，局部发育溶洞，地下水的富水性与地貌构造条件极为密切。
1.4岩土体的地球物理特征
区内出露基岩均为蓟县系雾迷山组地层，可详分为白云质灰岩、灰质白云岩、灰泥质白云岩等三类，工作中采集测定了此三类岩石标本的电性参数，并收集了邻近地区的第四系电性资料。
由上表可见，勘查区基岩电阻率自高至低依次为：灰质白云岩——白云质灰岩——灰泥质白云岩，三者之间有着较明显的差异。而在岩石的可溶性方面，本区基岩可溶程度自高至低则为：白云质灰岩——灰质白云岩——灰泥质白云岩。
1.5岩溶发育区的电性特征
由勘查区地质调查资料可知，区内出露的岩溶发育区均位于破碎带或裂隙较为密集部位，岩溶充填物多为棕红色粘土，且大部分岩溶发育区裂隙内常年有水（部分地区形成泉眼），在这种情况下，岩溶区表现为相对低阻特征，与围岩之间有一定的电性差异，具有较充分的地球物理前提。可运用物探方法在勘查区寻找与岩溶发育有直接关系的构造破碎带，进而达到寻找溶洞的目的，
2工作方法与技术
物探工作依据设计书，结合测区地质特征及现场工作条件布置，侧重于通过调查发现的溶蚀程度较深的地段和已揭露溶蚀区布设瞬变电磁工作，重点区域工作网度为20～50×5～20m，边部区域网度为50×15～20m。
2.1工作方式
为保证最佳勘探效果，瞬变电磁法工作方式通过现场试验确定。经试验，选择了定源回线装置，发射回线边长500m×400m，工作频率25Hz，供电电流7—9A。接收装置使用50KHz瞬变探头。
2.2野外工作技术
为保证物探勘查质量，工作中做到了布极准确，测量精度满足设计要求；接收站布置时避开了强干扰源；敷设线框时，将剩余导线呈S型铺于地面；定期检查了导线绝缘性，绝缘电阻大于2MΩ；当测量曲线出现畸变或遇异常点、突变点时均进行了重复观测，必要时加密了测点；每个测点观测完毕，操作员对数据和曲线均进行了全面检查，合格后方搬站。野外观测结果做到了每天及时整理、编目，转贮到计算机中并备份。
2.3资料整理与数据处理
（1）资料整理
野外工作进行到一定程度后进行室内资料整理，内容包括综合整理各种原始资料和图件；总结仪器使用情况，统计各种数据的精度，对存在的问题研究解决途径和办法，发现问题及时进行野外验证。
野外工作全部结束后，对所取得的各种资料进行综合整理、归类，编制各类成果图件。
（2）数据处理
瞬变电磁法资料处理分两部分进行，首先使用凤凰公司的TEM Pro程序对观测数据进行选窗口，去耦合，点位校正，去除因关断时间影响而不准确的早期数据，去除无用的深部干扰信号。并在探测深度对应的时间段内进行加密时间点的重采样。最终得到适合于反演解释的稳定、圆滑曲线。在勘查区资料的反演解释中，根据发射机特性和线圈电流等参数计算的关断时间为0.07ms，晚期数据在7ms之前稳定，根据探深估算公式达 到探测深度。数据处理按照0.07ms到7ms之间重采样成30个时间点进行反演。
电阻率的定量解释选用美国Interpex地球物理有限公司的IX1Dv3软件。该软件可以进行定源（Fixed Loop）瞬变电磁的反演。并且提供关断时间的拟合，有OCCAM平滑1D反演参考模型和人机交互建模等很多优越功能。反演结果比较可信。从最终反演结果和工区的已知地层电性变化对比来看，反演结果可信。
对每个测量点都进行参考模型和交互模型的双重建模，最终得到即符合地质预测又能和观测数据拟合的模型，把最终拟合最好的交互模型按照测线组织形成剖面图。为提供更清晰的地质解释，按照不同的深度进行电阻率切片，以判断构造和电性变化的相互关系并发现明显异常。
3解释与推断
3.1全区综述
由勘查区各测线反演电阻率拟断面图可见，全区视电阻率在水平方向上表现为层状特征，反映出基岩的水平展布规律；在垂直方向上电阻率在几十欧姆米到上万欧姆米之间变化，自浅至深总体表现出“高—低—高—低”的特征，反映出蓟县系雾迷山组地层岩性的变化。为便于说明，将垂向上的电阻率自上而下划分为四个层位进行解释：①电阻率层即浅部的高阻层，电阻率一般大于500欧姆米，最高可达上万欧姆米，推断该层位岩性以灰质白云岩为主，厚度不大，一般在10～40m之间，自L1测线向L5测线逐渐变厚，由于其可溶性较高且出露地表，在自然环境下，局部地区（L1测线）已被风化剥蚀；②电阻率层为低阻层，电阻率小于500欧姆米，推断其岩性以泥灰质白云岩为主，该层位因可溶性低，地层较完整，在各测线均连续分布，且厚度变化不大；③电阻率层为中高阻层，电阻率一般在500至数千欧姆米之间，推断该层位岩性以白云质灰岩为主，除各测线边部外，大部分区域该地层较稳定，呈水平层状产出，且连续性较好，可见虽然该层位的白云质灰岩可溶性较高，但由于地层稳定完整，岩层透水性差，缺少地下水流动的路径，因此该层位大部分区域溶蚀程度不高；④电阻率层为低阻层，电阻率一般小于500欧姆米，推断其岩性以泥灰质白云岩为主，该层位可溶性低，地层较完整，在各测线均连续分布，厚度较大，本次工作未能穿透该层。
3.2岩溶发育区的推断
L1—L5测线西北端均有一贯通上下的低阻异常带，推断为断裂构造F1的反映。该构造走向北东，产状较陡，倾向东南，其在L1测线最宽，宽约100m，向L5测线方向逐渐变窄至10余米。在L1—L5测线东南端亦有一上下贯通的低阻带，推断为断裂构造F2的反映，由于其过于靠近测线边部，异常形态不完整，断裂性质较难判断。
为了能够更系统全面地了解勘查区的地质情况，在L5测线以北的沟谷区域布置了三条短测线L6—L8，在三条测线上均有一低阻带分布，电阻率值一般小于200欧姆米，低阻带宽约100～150m，向北（沟谷口）方向变宽，推断其为断裂构造F3的反映。该断裂宽度较大，延伸较深，破碎严重，综合分析认为F3断裂为勘查区内的主大断裂，而F1、F2断裂则为该断裂的次级断裂。
从岩溶的形成环境和发育条件方面分析认为，断裂构造处的岩石，由于岩石破碎，节理裂隙发育，互相连通形成渗透裂隙网络，是地下水的良好通道，该部位岩溶发育速度快，发育程度高。由此推断， F1、F2断裂构造通过的部位是形成岩溶区的较理想位置，而F3断裂虽然具有岩溶的形成条件和环境，但由于其位于沟谷中且破碎严重，恐难以形成较理想的溶洞。
4结论
本次勘查工作以岩溶发育区为探测目标，基本查明了勘查区范围内地层的分布特征，通过对地质、物探资料的综合研究，推断了岩溶发育区在勘查区范围内的展布，圈定了岩溶发育区的范围，为研究勘查区岩溶发育区的分布提供了较为详实的基础资料。由于勘查区地形复杂，山势陡峭，对物探工作数据的采集产生了一定的影响；同时，瞬变电磁法是基于地质体的电性差异进行异常解释的，引起地质体电性差异的因素很多，使得瞬变电磁法具有多解性。因此，在资料的使用过程中应对推断成果及时进行钻探揭露验证，以便对数据的分析解释进行修正，并指导后续地质工作，提高成果的质量。