EH4 電磁測深在探測斷層中的應用

王志豪，周振廣，張賀飛

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

0 引言

EH4 電磁成像系統是由美國EMI 公司和Geometrics 公司聯合研制的電導率張量測量儀，它依靠其先進的電磁數據自動采集和處理技術，將CSAMT(Controlled Source Audio－ frequency Magneto－ telluric)和MT(Magneto－telluric)有機結合在一起，實現了天然信號源與人工信號源信號的采集和處理，既具有較好的穩定性，又具有靈活適應性。目前，該系統已被應用于水利水電、鐵路、礦產等行業的巖土工程地質勘察、地下工程探測、礦產普查等眾多領域，取得了顯著的探測效果和社會經濟效益，并在工程實踐中不斷完善和提高。本文以某水利樞紐的勘察為實例，說明EH4 電磁測深技術在斷層及斷層破碎帶探測中的應用情況，以此與同行進行切磋，以推動EH4 電磁測深技術的發展。

1 基本原理

EH4 電磁測深技術是通過同時對一系列地面電場和磁場波動的測量來獲得地表的電阻抗。通過野外測量適時進行傅立葉變換以后以能譜存儲起來。這些通過能譜值計算出來的表面阻抗是一個復雜的頻率函數，在這個頻率函數中，高頻數據受到淺部或測點附近的地質體的影響，而低頻數據受到深部或遠處地質體的響應。一個大地電磁測量給出了測量點以下垂直地層電阻率的估計值，同時也表明了在測量點的地電復雜性。在那些點到點電阻率分布變化不大的地方，電阻率的探測是一個對測量點下地電分層的一個合理估計［1］。

在不均勻層狀介質情況下用上述公式得出的“電阻率值”稱為視電阻率。一般說來，視電阻率不是某層介質的真正電阻率，而是地下層狀介質電性參數分布的綜合反映。視電阻率與地電斷面參數及觀測電場信號的頻率有關。一定頻段的大地電磁場有一定的穿透深度和影響范圍，而視電阻率就表示這一范圍內地電斷面的“平均”效應。

從上述公式可以看出趨膚深度δ 和勘探深度h 都與電磁波的頻率和地下物質的電阻率有關，即與頻率的平方根成反比，與大地介質的電阻率的平方根成正比。當工作頻率高時，探測深度小，隨著工作頻率降低，探測深度也隨著增大。在地下電阻率一定的情況下，頻率越高趨膚深度和勘探深度越淺，反之亦深。在頻率一定的情況下地下電阻率越小趨膚深度和勘探深度越淺，反之電阻率越高探測深度越深。當在一個寬頻帶(如EH4 的工作頻率10 Hz～100 kHz)上由高頻向低頻測量每個頻點上的E 和H，由此計算出視電阻率和相位變化規律，據此確定該點上一定體積范圍內地下介質結構情況，這就是EH4 電磁頻率測深的基本原理。

2 工程實例

2.1 概況

某水利樞紐開發方案為梯級開發，梯級電站均采用低壩徑流引水式發電。建筑物主要由低壩引水樞紐、發電引水隧洞、發電廠房及廠區附屬建筑組成。

工程區位于喀喇昆侖山腹地，地殼活動較強烈地區，且該區域有一條發震斷裂穿過，該工程處于構造活動區，屬于高山峽谷地段，呈“V”形谷，壩址兩岸山體基巖裸露，卸荷較為明顯，壩址上下游及左右岸均有坡崩積物存在。岸坡坡度約＞60°。河床部位為第四系地層，推測河床沖洪積物深度較厚。區內主要地層為二疊系中統灰巖、燕山早期英云閃長巖、喜馬拉雅期石英正長巖和第四系松散堆積物組成。

2.2 探測技術及資料處理［2，3］

野外工作時其電偶極方向應采用羅盤儀定向，用皮尺測量偶極水平距離，并進行地形改正，誤差＜1 m，方位差＜1°。

磁棒離前置放大器＞5 m，為了消除人為因素干擾兩個磁棒最好要埋在地下，保證其平穩，用羅盤儀定向使Hx、Hy兩磁棒相互垂直，且兩磁棒距離至少2～3 m，誤差控制在＜±1°，且水平。所有的工作人員離開磁棒至少5 m，盡量選擇遠離房屋、電纜、大樹的地方布置磁棒。

根據探測目的、探測條件和地形、地物等因素，一般選擇電偶極距20～30 m 為佳，最大為50 m。此時盡量使測點距等于電偶極距，實現首尾相連的完整覆蓋觀測而形成電阻率探測剖面。當條件較差時也可使測點距大于電偶極距(其差值一般為10～20 m)進行非完整覆蓋觀測，此時形成的電阻率探測剖面為首尾相隔的非完整剖面(即在測點之間有漏區)，靜態效應相對明顯。

EH4 電磁系統自帶的簡易數據處理軟件操作處理流程為:啟動IMAGEM→修改圖形顯示坐標OPTIONS(含電極坐標、頻率比例、電阻率比例、深度比例、相關度、數據坐標等)→數據分析DATA ANALYSIS(查看數據等)→一維分析1-D ANALYSIS(分析刪除電阻率曲線)→二維電阻率剖面分析2-D ANALYSIS(含圓滑系數、剖面起始點、剖面終點、反演繪圖、保存反演數據文件等)→surfer 繪圖→修飾調整→最終成果圖。

2.3 成果分析

巖體的電阻率取決于它的破碎程度及其含水飽和度。完整的巖體具有明顯的高阻特征，其電阻率可高達幾千Ω·m，甚至幾萬Ω·m，而當巖體破碎且含有大量水時，地層電阻率將大大降低，且降低的程度與富水程度有關。據此，通過探測地下巖層的電阻率及其變化，可以判定巖層的結構狀態和含水狀況，同時根據斷層附近巖層的電阻率高低可判斷斷層的導水情況。

圖1 為該工程二級電站輸水隧洞支洞段EH4 電磁測深視電阻率等值線斷面圖。綜合分析本次物探測試成果，結合地質勘察成果和以往物探結果，對該段綜合物探剖面解釋如下:

該測段的實測電阻率橫向和垂向上變化范圍均較大，一般表層為松散坡積物，層厚約51.3～78.2 m，隨高程升高有變淺趨勢，視電阻率范圍值2～500 Ω·m。

該層下部為基巖，由圖可見基巖段巖體分為三段:0～100 m 段，表現為高阻體，其視電阻率范圍值500～4 000 Ω·m，推測為喜馬拉雅期石英正長巖的反映;100～170 m 段，表現為低阻異常體，其視電阻率范圍值20～500 Ω·m，推測為斷層及破碎帶的反映，該段等值線近直立;170～300 m 段，表現為高阻異常體，其視電阻率范圍值500～5 000 Ω·m，推測為喜馬拉雅期石英正長巖的反映;根據電阻率等值線的變化形態推測該斷層傾向近直立。

圖2 為該工程壩址區順河向一條測線的EH4 電磁測深視電阻率等值線斷面圖。綜合分析本次物探測試成果，結合前期地質勘察成果和以往物探結果，對該段綜合物探剖面解釋如下:

整條測線的實測電阻率垂向變化較大，表層卡尼亞電阻率為30～500 Ω·m，底界面深度一般為42.7～69.3 m，對應高程為3 489.3～3 505.9 m，為表層松散沖洪積物，下部卡尼亞視電阻率一般＞500 Ω·m，為基巖的反映;而橫向上電阻率變化均相對較小，但在樁號230～270 m，高程約3 427～3 490 m 左右的基巖層內存在一橫向上相對低阻帶，該段電阻率梯度變化較大，低阻帶卡尼亞電阻率＜500 Ω·m，基于當巖體存在裂隙且富含水時，可使該巖體電阻率相對該層無水時一般降低約1 個數量級，推測為富含水的斷層破碎帶的反映，傾向近直立。

圖1 輸水隧洞支洞某測線EH4 電磁測深視電阻率等值線斷面圖Fig.1 Sectional drawing of aparent resistivity contour lines of EH4 electromage netic sounding of branchtunnel of water delievery tunnel

以上勘探成果均經地質工程師現場勘察認證，其位置與影響帶與圖中揭示基本一致。

3 結語

理論與實踐證明，EH4 電磁測深技術在探測斷層破碎帶時能夠發揮重要作用，尤其對富含水的斷層破碎帶進行探測時，可形象地揭示斷層破碎帶的空間展布規律，取得較好的應用效果。通過實踐我們認為還有如下特點:

(1)EH4 電磁系統對于工作場地狹小的較大埋深目標體的測試具有獨特優勢;

(2)在數據采集時對干擾信號的處理至關重要，此環節決定了探測的成敗;

(3)該系統穿透能力強，在淺部存在較低阻的情況下仍能達到可觀的勘探深度;

(4)它具有較高的分辨率，可以分辨出較小的地質構造。

圖2 壩址區某順河向測線EH4 電磁測深視電阻率等值線斷面圖Fig.2 Sectional drawing of apparent resistivity contour lines of EH4 electromagnetic sounding of dam area

［1］SL326—2005，水利水電工程物探規程［S］.

［2］王玉和，王厚臣，等.EH4 電磁方法在斷層定位及導水性探測中的應用［J］.山東科技大學學報:自然科學版，2010(4):35－39.

［3］湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁法及其應用［M］.長沙:中南大學出版社，2005.