瞬变电磁法在复杂场地勘探中应用较广泛。瞬变电磁法在电阻率相差较大，矿山采空区及采空区积水勘探中应用较广。王建国等[1]采用瞬变电磁法根据岩层电阻率与含水量的增大而降小的特性，在龙山煤矿地下水分布情况进行了勘探应用；韦乖强等[2]、秦苏源[3]、黄海昆[4]等在存在采空区废弃矿山，在老窑采空区资料不够祥实、采空区边界提交不够清楚、积水情况也不太明确等背景下采用瞬变电磁法进行应用；任予鑫等[5]在顶板岩性为方粗砂岩层位存在裂隙水影响的矿井水探查中进行应用。随着瞬变电磁法技术不断改进突破，在岩溶勘探应用也进行广泛应用，刘树新等[6]在导水裂隙与岩溶陷落柱形成的导水构造带对存在断距较大或者断层两侧电性变化差异明显的岩性有较好的反映能力；梁风等[7]、赵杨杉[8]在岩溶塌陷区采用瞬变电磁法有效勘探地下溶洞发育的位置和分布空间情况；李世聪[9]在隐伏岩溶区采用瞬变电磁法查清隐伏岩溶分布情况。较多的学者研究成果为瞬变电磁法在岩溶勘探中应用提供方法及理论基础。

瞬变电磁法在矿山采空区、规模较大的岩溶发育区应用取得较好的成果。影响岩溶发育主要优断层及节理裂隙，在岩溶分布地区地下水运移通道比较复杂且规模较小岩溶勘探中应用偏少。研究区2009年2月以来在乌江渡镇乌江右岸34号岩溶泉出现地下水渗漏污染，为查明岩溶地下水运移通道空间位置，为下一步防治提供依据。因此，结合前人研究应用的基础上，针对岩溶地下水运移通道的特征采用地面瞬变电磁法进行探测，以达到探测岩溶地下水运移通道的空间位置。

1、研究方法

1.1 瞬变电磁法基本原理

瞬变电磁法基本原理是利用地下介质之间导电性与导磁性存在差异性为研究前提，利用阶跃波或脉冲电流场源激励，探测地下介质产生的二次感应电磁场与时间变化的衰减规律，根据探测目标体与围岩之间的电性差异推断目标体的分布性态。通过对这些目标体响应信息的提取或分析，达到探测地下介质性状的目的[10]。

1.2 视电阻率计算

地下各种介质的感应场固定时，把介质的电性不均匀分布假设为均匀半空间，探测到的感应场的场值保持一定，则称均匀半空间探测的电阻率为视电阻率[11,12]。采用全区视电阻率取值[13]进行计算，首先假设：εc(p)为实测响应值，ε(p)为理论响应值，其计算式为：

f(ρ)=ε(ρ)-εχ(ρ)=0 (1)

根据v=(μ0σl2/(4t))1/2可求的视电阻率：

ρ(ti)=μ0l24tiu2         (2)

式中：l=(LXLY)1/2。

1.3 极限探测深度估算

据工程物探手册分析可知中心回线装置是瞬变电磁法最优工作装置，极限探测深度结合中心回线装置进行估算，计算公式为：

H=0.55(L2Iρ1η)1/5         (3)η=RmN         (4)

式中：L为发送回线边长；I为发送电流；ρ为上覆电阻率；η为最小可分辨电平，一般为0.2～0.5 nV/m2;Rm为最低限度的信噪比；Rm为噪声电平。

1.4 工作布设及勘探参数

瞬变电磁测量按10 m×10 m规则网布设，测线方向分别为90°和0°。

测量点顺序由西南角起，按90°或270°方位呈“之”字形依次递增编号(1、2、3、…、765)。

东西向剖面编号从南到北，从小到大双号递增(100-100′、102-102′、104-104′、…、170-170′);南北向剖面编号至西向东，从小到大双号递增(200-200′、202-202′、204-204′、…、226-226′)。具体编号情况见实际材料图(图1)。

瞬变电磁勘探参数如下：中心回线(TX)边长：240 m×240 m; 工频：50 Hz; 发射频率：25 Hz; 发射电流：10 A;增益：24;接收(RX)装置：V8瞬变接收探头；滤波：奈奎斯特滤波。

2、研究区地质概况

研究区地理区域属于云贵高原，地形为丘陵-低中山过渡地带，海拔在800～1 100 m之间，高差100～300 m, 地形切割深且起伏大，南部白哨上高程1 422 m为最高点，北部乌江高程609 m为最低点，落差为813 m, 乌江是研究区最低排泄基准面，地势表现为缓坡状的北低南高，近南北向展布的山脉是分水岭。

研究区以三叠系地层为主，岩性主要有灰岩、白云岩、页岩、泥岩、砂岩等，岩性以灰岩和白云岩为主的碳酸盐岩占90%以上。研究区水文地质单元主要含水层为三叠系茅草铺组的灰岩、溶塌角砾白云岩、白云岩。堆场区底板为三叠系松子坎组二段薄～中厚层白云岩、白云质灰岩与粘土岩互层，为相对隔水地层，在浸蚀及剥蚀等地质作用下，松子坎组地层只剩一个“外壳”,下覆三叠系茅草铺组的灰岩、溶塌角砾白云岩、白云岩含水层，之下为三叠系夜郎组三段泥岩隔水底板。

图1 岩溶槽谷延伸方向与节理发育关系分析图  

研究区按赋水特征，按含水岩性不同有松散岩类孔隙水含水层、三叠系碎屑岩类基岩裂隙水含水层、三叠系碳酸盐岩类岩溶水含水层三种含水层。具体为：松散岩类孔隙水含水层主要为第四系地层组成，岩性为冲积砂砾、亚粘土等，含水介质空间形态为孔隙，分散溢流，常出露于缓斜坡、沟谷地带，泉流量一般小于0.1 L/s, 枯季断流，富水性弱；三叠系碎屑岩类基岩裂隙水含水层为松子坎组、夜郎组地层组成，岩性主要为互层状灰岩与粘土岩、互层状白云岩与粘土岩、粘土岩夹灰岩、粘土岩等，含水介质空间形态为风化裂隙、基岩裂隙、构造裂隙，裂隙发育深度较浅，并呈“X”型网状结构，具有延伸短、方向性不明显的特点，含基岩裂隙水，常出露于斜坡地带，径流模数枯水期为0.1～1 L/s·km2;三叠系碳酸盐岩类岩溶水含水层为狮子山组、松子坎组、茅草铺组、夜郎组等地层，岩性主要为石灰岩、白云岩。其含水介质空间形态为溶蚀裂隙、溶洞、管道，落水洞、洼地、溶沟、石芽等，径流模式以管道流为主，富水性差异性较大，径流模数枯水期为5～7 L/s·km2。

研究区褶皱轴向近南北，从西向东，背斜、向斜相间排列分布，依次为茶沟-大皮山向斜、大坡-后坝背斜、杨家寨向斜、大屋基背斜、大坪-厂头向斜、坪上背斜、大和寺向斜、温泉-风岩河背斜。堆场区位于大屋基背斜东翼，核部岩性以夜郎组为主，东翼出露三叠系茅草铺组、松子坎组地层，其中茅草铺组地层为堆场区主要含水层；背斜轴部是地表分水岭地段，张性节理发育沿轴线形成补给区；向斜轴部是地表水汇聚区，压性裂隙发育沿轴线形成排泄区。褶皱构造为场地地下水运移通道扩散具有补给、汇聚及排泄作用。

统计分析研究区节理裂隙发育走向、岩层走向与断层走向相近，节理裂隙主要为走向350°和20°两组“X”节理展布，溶蚀槽谷、串珠状落水洞、天窗，以及溶洞的延伸方向均岩节理裂隙方向呈阶梯状追踪(图1),节理裂隙层面裂隙具有汇水作用[11],节理裂隙沿南北向发育强烈，为场地岩溶地下水的运移在南北向提供通道。

3、研究结果分析

根据现场情况，布设了58条探测剖面，探测点765个，按上述方法对所有剖面进行解译，绘制出平面解译成果图(图2)。可以看出，测区内断裂构造发育，共推测出3条主要断裂或断裂破碎带为场地的地下水运移通道。其中TD1、TD2平行，并分别与TD4相连；TD2在测点363位置附近开始向北东侧延伸，212线-226线未反映出断裂，推测F02继续向北东侧延伸，TD3由在于剖面长度范围内继续向北延伸，TD5经过测区最北侧几条剖面的起点附近，不排除向南与TD1相接。

图2 瞬变电磁法探测成果平面图   

1.瞬变电磁法测区范围 2.测点点位及编号 3.剖面编号 4.推断断层及编号 5.推测溶洞平面投影及标高 6.探测地下水运移及编号 7.落水洞及编号 8.岩溶洼地及编号 9.地层符号 10.钻探孔及编号 11.岩层产状

据图3可知：测点360东5 m、高程769 m; 测点356东6 m、高程775 m; 测点351东2 m、高程771 m位置分别有封闭低阻异常，推测为溶洞。

图3 118-118′视电阻率等值线断面图及剖面解译   

图4 130-130′视电阻率等值线断面图及剖面解译   

据图4可知：测点360东5 m、高程769 m; 测点356东6 m、高程775 m; 测点351东2 m、高程771 m位置分别有封闭低阻异常，推测为溶洞。

图5可知：测点393与416之间位置附近出现向下贯穿低阻带，视电阻率等值线扭曲严重，推测存在断层或破碎带；浅部低阻区划分为第四系覆盖层，推测厚度约20 m; 深部高低阻分界处推测为灰岩与泥岩分层界线，位置，约在高程720～750 m。测点393南1m、高程792 m位置存在一封闭低阻异常，推测为溶洞。

据图6可知：测点394位置附近出现向下贯穿低阻带，主要反映视电阻率等值线起伏变化较大，推测低阻带有断层或破碎带发育，浅部低阻区划分为第四系覆盖层，推测厚度约20 m; 深部高低阻分界处推测为灰岩与泥岩分层界线，位置，约在高程720～760 m。测点303南3 m、高程755 m位置处存在一封闭低阻异常，推测为溶洞。

图5 204-204′ 视电阻率等值线断面图及剖面解译   

图6 206-206′视电阻率等值线断面图及剖面解译   

对研究区探测的58条剖面全部按上述进行解译(表1),研究表明在横向上岩溶发育空间之间相互独立，在垂向上岩溶通道具存在连续和继承性。

图7 物探与钻探成果对比图  

4、岩溶地下水运移通道分析

根据研究区调查和勘查资料综合分析，受污染的地下水主要在集中径流带赋存和运移，属地下水位以下的重力饱水带，在磷石膏堆场区地下水位一般在地表以下100～110 m。探测异常点采用钻探进行验证，分别布置ZK26、K46、ZK48、ZK56验证结果与探测结果吻合，如钻孔ZK46在揭露物探成果显示的溶洞前，均岩体完整、无出水现象，在揭穿溶洞后立即出水并水位上涨近40 m(图7)。集中径流带主要由三叠系下统茅草铺组第一段(T1m1)石灰岩深部接近隔水底板发育的具有一定规模的溶蚀裂隙、溶洞及其组合形态管道构成，由于岩溶发育的不均匀性，造成岩溶含水层呈现强烈的非均质特性和各向异性，地下水多在规模较大的管道、裂隙中汇集和集中径流。 

表1 瞬变电磁法探测解译表 

研究区岩溶发育在垂向上主要表现为浅层以大量溶沟、溶槽、溶蚀裂隙为主，向深部发育则沿断裂构造、节理裂隙或层面发育。构造运动使研究区地壳呈强烈抬升期和间歇期交替出现，在地壳抬升期岩溶向深部发育，使得该时期岩溶以竖向岩溶裂隙和小溶洞为主，在间歇期岩溶向水平发育，岩溶发育表现为规模相对较大溶洞及岩溶管道，并在垂向上呈分带特征。

研究区构造在平面发育近南北及北北东向，岩层东倾，两组优势节理走向350°和20°,茅草铺组1段石灰岩地层直接出露地表，受构造、节理裂隙和地层的影响，地表长轴岩溶槽谷呈近南北向展布，短轴岩溶槽谷则追踪20°方向以及平行于推测地下水运移通道TD2展布，在岩溶槽谷中发育串珠状落水洞近南北向展布。探测结果验证了岩溶地下水的运移通道沿构造呈南北走向。

瞬变电磁法对岩溶分布的低阻区域有更明显的分辨力，能够识别岩溶地下水运移通道的空间分布，进一步验证了瞬变电磁法在探测地下水运移通道的可行性。

5、结语

为探测岩溶场地地下水运移通道，通过现场地质调绘的基础上，采用瞬变电磁法平行岩层走向和垂直岩层走向分别布置探测剖面线，平行岩层走向布置22条探测剖面线，平行岩层走向布置36条探测剖面线，共计布置58条探测剖面线，探测点765个。研究结论为：

(1)推测出3条主要断裂或断裂破碎带和18个溶洞，并对研究区地层结构进行了划分，灰岩与泥岩分界主要在高程730～760 m;

(2)对探测异常点采用钻探进行验证，分别布置ZK26、K46、ZK48、ZK56验证结果与探测结果相吻合，探测南北向三条主要岩溶通道TD1、TD2、TD3是该场地岩溶地下水运移的主要通道。

参考文献:

[1]王建国,党志刚,任二峰,等.瞬变电磁法在龙山煤矿防治水中的应用[J].青海大学学报(自然科学版).2015.33(06):62-69.

[2]韦乖强,赵慧.矿井瞬变电磁法在老窑采空区边界探测中的应用[J].中国煤炭地质.2021.33(05):72-75.

[3]秦苏源.地面瞬变电磁法在山西某矿采空积水区探测中的应用[J].中国煤炭地质.2022.34(S2):93-97.

[4]黄海昆,罗腾腾,何玉婷,等.瞬变电磁法在某煤矿采空区积水探测中的应用[J].矿产与地质.2022.36(05):1004-1010.

[5]任予鑫,康向南,马昆,等.瞬变电磁法在矿井水探查中的应用[J].现代矿业.2022.38(02):237-241.

[6]刘树新,周广.瞬变电磁法在煤矿导水构造探测中的应用[J].煤炭技术.2019.38(02):58-60.

[7]梁风,史文兵,李洪建,等.基于高密度电阻率法和瞬变电磁法的岩溶塌陷综合探测应用[J].贵州大学学报(自然科学版).2021.38(01):16-23.

[8]赵杨杉.高密度电法与等值反磁通瞬变电磁法在法泗岩溶塌陷精细探测中的联合应用[J].工程地球物理学报.2022.19(03):348-355.

[9]李世聪,刘亚军,彭荣华,等.瞬变电磁法对隐伏岩溶探测的影响因素研究[J].地球物理学进展.2022.37(1):0397-0412.

[10]中国水利电力物探科技信息网.工程物探手册[M].北京:中国水利水电出版社.2011.

[11]张成范,翁爱华,孙世栋,等.计算矩形大定源回线瞬变电磁测深全区视电阻率[J].吉林大学学报(地球科学版).2009(4).

[12]李建慧,刘树才,李富,等.大定源瞬变电磁法矩形发射回线激发的电磁场[J].物探化探计算技术.2008(2).

[13]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].地质出版社.1998.

[14]阎长虹,王玉英,罗国煜,等.压性构造对岩溶发育的控制作[J]地质论评.2008.54(3):343-347.

基金资助:黔科合支撑[2023]一般126; 黔地矿科合[2017]36号;

文章来源:廖德武,冉根领,杜艳松等.瞬变电磁法在岩溶地下水运移通道勘探中的应用研究[J].地下水,2023,45(06):136-139.