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电法探测深地下空洞的方法探讨 李 成 韩吉民 杨 峰 陈剑杰 王 巍 (西北核技术研究所西安710024) 摘 要隐伏地下土洞严重危及到工程建设和工程设施的安全，其探测已成为人们愈加关注的工 程问题之一。本文介绍了在地表运用电法勘探探测地下土洞的基本原理以及方法技术。运用直流 电测深法和瞬变电磁法对土体中隐伏洞穴，进行了模型正演和实际探测．分析和应用表明瞬变电 磁法探测土洞实际效果较好。 关键词 电法勘探瞬变电磁法 深埋土洞 电测深 1 引言 地下洞穴、开采所形成的巷道可能会导致地面的沉陷和坍塌，危及到地表工程的安全，造 成较大的损失，因此地下洞穴的探测已成为人们愈来愈关注的工程探测问题之一。在确定洞 穴的位置及规模大小的方法上，物探方法有着较好的应用效果，常用的物探方法有电阻率法、 瞬变电磁法、地质雷达、地震、微重力等。本文介绍了电法勘探探测埋深较大土洞的方法技 术。 电法勘探以介质电磁学性质的差异为基础。某土洞测区分布有第四纪冲洪积砾石、砂和 黏性土，不含水，其电阻率变化范围为咒×101～咒×103Q·m，土洞内充填介质为空气。分析 土洞及其围岩的电性特征可知，原有沉积地层为相对低阻区，而土洞和洞内松散堆积物在电 性上表现为相对高阻，这为电法勘探提供了勘察前提，土洞探测的目标体就是土体中相对高 阻区。 2基本原理 直流电测深法是以地壳不同岩石和地层的导电性差异为基础，通过观测与研究人工建立 的地中稳定电流场的分布规律以达到解决地质问题的一种电法勘探分支方法，利用导电电极 直接向地下供以恒定的电流，利用测量电极探测稳定电流场中地层的视电阻率变化，以此来 确定地层和异常目标体的物性参数口’2]。在土洞探测中使用直流电测深法，是在同一测点上逐 渐扩大电极距，观测垂向上由浅到深的视电阻率的变化情况。 Method)是地球物理探测的主要手段之一，其 瞬变电磁法(TransientElectromagnetic 基本原理是通过向地下发射电磁波激励地下目标，接收其产生的二次场，确定被测目标的物 理参数。瞬变电磁法测量装置由发射回线和接收回线两部分组成，工作过程分为发射、电磁 感应和接收三部分。在发射回线中通以阶跃电流，当发射电流突然下降到零时，根据电磁感 应理论，发射回线中电流的突然变化必将在其周围产生磁场，该磁场称为一次磁场，一次磁 ， 一129— 场在向周围传播过程中，如遇到地下良导电地质体，将在其内部激发产生感应电流，又称涡 流或二次电流，由于二次电流随时间变化，因而在其周围又产生新的磁场，称为二次磁场。由 于良导电地质体内感应电流的热损耗，二次磁场大致随时间按指数规律衰减，形成瞬变磁场， 二次磁场主要来源于良导电地质体的感应电流，因此它包含着与地质体有关的地质信息，通 过接收回线观测二次磁场，并对观测到的数据进行分析和处理，进而可以对地下地质体的相 关物理参数进行解释[3．4]。 3 方法比较 直流电测深法测量的是稳定电场中测量电极的电位差，其优点为供电功率小，工作开展 方便，测量的是一次场的电位差，测量值相对稳定。但由于是直接向地下供电，所以其缺点 也较为明显，受到接地电阻、地表介质的不均匀性和干旱地区的地表地层极化等因素的影响 较大，同时因为是体积勘探，受到目标体规模和围岩、埋深等因素的限制，对埋深较大、电 阻率相差不大的目标体不能很好地反映。瞬变电磁法具有采样率高、能接收多时间道的丰富 地层信息等优点，不用考虑接地和地层极化等影响，与直流电法相比能够更好地反应出地下 目标体的电性异常。 4 方法实验 根据土洞的物性特点，设计了土洞的地层模型，并运用直流电法和瞬变电磁法对模型进 行了正演计算和野外实际测量。土洞的地层模型可以简化为在均匀的空间中埋藏有一高阻的 球体，在地层条件一定的情况下通过改变高阻球体的电阻率值和埋深可以计算出相应的一系 列数据。根据计算结果可以得出不同电阻率球体的瞬变电磁响应特征，可以得出电阻率越小 响应异常幅值越大。土洞不同埋深情况下的瞬变电磁响应特征是埋深越浅，响应幅值越大。 图1是瞬变电磁法在土洞地表上方探测的视电阻率曲线图，该曲线类型为K型三层曲 线，首支和尾支为低阻，中间为高阻。曲线能明显地反映出土洞的高阻异常特征(横坐标为