可控源大地電磁方法在青島地鐵藍(lán)色硅谷線嶗山隧道中的應(yīng)用

臧 政

(山東科技大學(xué)，山東 青島266590)

0 引言

工作區(qū)位于青島市嶗山區(qū)，已建成的濱海公路仰口隧道位于工作區(qū)段偏東約100m，交通十分方便，工作區(qū)地形起伏較大，海拔高度120-340m，高差較大，山體受構(gòu)造抬升而隆起，剝蝕侵蝕作用強(qiáng)烈，山峰尖削呈尖脊?fàn)畈⒂袘已虑捅?，沿北西向?gòu)造侵蝕谷地十分發(fā)育，植被發(fā)育，荊棘密布。地貌單元為中低山，地形起伏較大，溝梁相間，局部為山間溝谷地貌單元。工作區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)區(qū)，氣候溫和，風(fēng)向以SE、N、NNW居多，年平均降雨量711.2mm，多集中在7-9月份。年平均氣溫12.3°，年平均濕度75%，標(biāo)準(zhǔn)凍土深度為0.49m。大地電磁數(shù)據(jù)處理過(guò)程相當(dāng)繁瑣，具體計(jì)算方法、原理以及誤差分析可參見(jiàn)文獻(xiàn)[1]，本次測(cè)線總長(zhǎng)度為4km。

1 場(chǎng)地附近地質(zhì)及地球物理特征

1.1 地質(zhì)概況

工作區(qū)結(jié)晶巖系為元古界膠南群，缺失古生界沉積；中生代燕山晚期侵入巖地層；新生代地層喜馬拉雅期侵入巖地層；新生代地層發(fā)育有第四系山前組、泰安組地層[2]。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造及地球物理特征

大地構(gòu)造位置為中朝準(zhǔn)地臺(tái)東部的膠遼臺(tái)隆，處于膠南隆起區(qū)的東部，青島-嶗山凸起之上。區(qū)域斷裂構(gòu)造以北東向張扭性斷裂為主，節(jié)理劈理發(fā)育，以NE、NEE、NW及NNW為主，構(gòu)造面平直，傾角較陡[3]。

工作區(qū)位于抬隆區(qū)，侵入巖發(fā)育，多為中性-中基性花崗巖。磁性結(jié)晶基底是引起魯東地區(qū)磁力高的重要原因，由于各時(shí)期巖漿巖的侵入，使得其剩余質(zhì)量降低，在重力場(chǎng)上則表現(xiàn)為重力低。

工作區(qū)巖漿巖分布廣泛，與周圍地層或者巖體有較明顯的磁性密度差異，通常表現(xiàn)為強(qiáng)磁性、低密度，但基性程度高的巖體磁性高，密度也高。在此類區(qū)域，地磁場(chǎng)呈高頻特征。

在巖石完整區(qū)域，電阻率較高，地下水沿?cái)嗔哑扑閹н\(yùn)移，導(dǎo)致巖石的電阻率降低。

2 工作技術(shù)方法及質(zhì)量評(píng)述

2.1 物探方法選擇依據(jù)

選擇可控源大地電磁方法主要出于以下兩點(diǎn)考慮：

2.1.1 探測(cè)目標(biāo)

此次工作主要目的為探測(cè)沿線的地層及構(gòu)造特征，以發(fā)現(xiàn)斷裂為主。而電法針對(duì)此類目標(biāo)具有優(yōu)勢(shì)，可以較準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)低阻地質(zhì)體。

2.1.2 探測(cè)深度

由于隧道埋深最大約為300米，所以要求探測(cè)方法可以達(dá)到一定的探測(cè)深度?？煽卦创蟮仉姶欧椒ň哂性搩?yōu)勢(shì)，最大探測(cè)距離接近2km，并且橫向分辨率較高。

2.1.3 地形影響

工作區(qū)地形起伏較大，局部通行條件不佳，如高分辨率的地震勘探等受地形影響較大，難以取得分辨率可觀的數(shù)據(jù)，應(yīng)用受到限制。而CSAMT方法受地形影響小，并且在數(shù)據(jù)處理階段可以加地形進(jìn)行反演，可以獲取相對(duì)可靠的數(shù)據(jù)。

基于上述兩點(diǎn)，選擇CSAMT方法進(jìn)行全線勘查。

2.2 野外工作方法及質(zhì)量控制

2.2.1 測(cè)地工作測(cè)地工作是為物探工作敷設(shè)測(cè)線。平面坐標(biāo)采用1980西安坐標(biāo)系，中央經(jīng)線120°′。

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》（GB/T18314—2001）；

《作業(yè)文件》（Q/DKSY—ZY—08）

測(cè)線布設(shè)前采用控制點(diǎn)對(duì)手持GPS進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后精度可達(dá)到亞米級(jí)。測(cè)點(diǎn)布設(shè)采用華測(cè)LT400 CM移動(dòng)數(shù)據(jù)采集終端放樣，標(biāo)稱精度：平面精度為1m+10cm，高程精度為2m+10cm。在溝谷等信號(hào)不良位置，精度為3m。

2.2.2 CSAMT測(cè)量工作

電性CSAMT法是通過(guò)人工接地場(chǎng)源（電偶源）向地下發(fā)送不同頻率（范圍1～20kHz）的交變電流，在地面一定區(qū)域內(nèi)測(cè)量正交的電磁場(chǎng)分量，計(jì)算卡尼亞電阻率及阻抗相位，達(dá)到探測(cè)不同埋深的地質(zhì)目標(biāo)體的一種頻率域電磁測(cè)深方法。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定最佳發(fā)射頻段為1-2048Hz。供電電極經(jīng)過(guò)處理，最終供電最大穩(wěn)定電流達(dá)到5.7A，供電極距2km，供電電極AB的坐標(biāo)分別為A：40547253.3,4018961.5；B：40546049.67,4017364.1。接收極距為20m，采用氯化鉛不極化電極進(jìn)行接收。

此次野外施工嚴(yán)格執(zhí)行《鐵路工程物理勘探規(guī)程》(TB10013—2010)、《物化探工程測(cè)量規(guī)范》（DZ／T 0153-95）以及院部有關(guān)的技術(shù)規(guī)定，嚴(yán)格把控每個(gè)操作環(huán)節(jié)以保證采集質(zhì)量。

2.3 數(shù)據(jù)處理流程

CSAMT數(shù)據(jù)處理采用Zonge公司提供的與GDP232多功能電法儀相配套的軟件包,包括原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理及二維模型反演。

數(shù)據(jù)預(yù)處理:對(duì)野外采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,利用自主開(kāi)發(fā)的頻點(diǎn)挑選軟件HDC剔除干擾較大和誤存的數(shù)據(jù),利用ASTATIC軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)位移及近區(qū)校正,同一測(cè)線不同日期數(shù)據(jù)的拼接及平均處理,得出下一步數(shù)據(jù)處理所需的不同輸入文件。

二維模型反演:主要采用美國(guó)Zonge公司出版的商業(yè)化反演軟件(SCS2D.exe),對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的CSAMT數(shù)據(jù)進(jìn)行擬二維反演。該程序首先對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的數(shù)據(jù)自動(dòng)給出背景模型斷面,然后根據(jù)研究區(qū)的地電特征,選定合適的反演擬合參數(shù)進(jìn)行多次擬合疊代,最終計(jì)算的結(jié)果為不同深度的電阻率斷面模型。

2.4 物性工作

測(cè)線為大片基巖出露地區(qū)，第四系覆蓋較少，僅在山間溝谷地區(qū)有局部發(fā)育。

2.4.1 標(biāo)本的采集

野外施工過(guò)程中參考地質(zhì)資料現(xiàn)場(chǎng)將標(biāo)本定名，并撿拾體積在10cm×10cm×10cm到6cm×6cm×6cm之間的樣品，采集過(guò)程中盡量采集新鮮巖石，以保證測(cè)量結(jié)果能夠反應(yīng)出巖石的電阻率特征值。

2.4.2 標(biāo)本的測(cè)量

電性測(cè)量地點(diǎn)在室內(nèi)進(jìn)行，采用SZT-1數(shù)字四點(diǎn)探針測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量并采集測(cè)試數(shù)據(jù)，把采集到的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中加以分析。

經(jīng)過(guò)對(duì)5件樣品進(jìn)行分析，基本數(shù)據(jù)中細(xì)?；◢弾r。經(jīng)測(cè)量，干巖石電阻率平均值為3500Ω.m,飽和樣品電阻率平均值為2100Ω.m。

2.5 質(zhì)量評(píng)述

野外檢查復(fù)測(cè)點(diǎn)數(shù)占總工作量的比例均大于7%，滿足規(guī)范要求。在全區(qū)檢查觀測(cè)的數(shù)據(jù)中剔除明顯畸變頻點(diǎn)后，以單個(gè)物理點(diǎn)為單位，計(jì)算各個(gè)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)參數(shù)（視電阻率、卡尼亞電阻率及阻抗相位）相對(duì)對(duì)誤差mi并編列mi統(tǒng)計(jì)表，并繪制誤差分布曲線了解誤差分布情況。單點(diǎn)相對(duì)誤差mi計(jì)算公式為：

式中：ρa(bǔ)i——第i頻點(diǎn)原始觀測(cè)數(shù)值；

根據(jù)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差mi，計(jì)算單個(gè)物理點(diǎn)l的均方相對(duì)誤差Ml。Ml計(jì)算公式為：

式中：mi——第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差；

n——檢查觀測(cè)的測(cè)點(diǎn)數(shù)。

全區(qū)系統(tǒng)檢查觀測(cè)質(zhì)量用總均方相對(duì)誤差M衡量，M的計(jì)算公式為：

式中：Ml——第l個(gè)物理點(diǎn)的均方相對(duì)誤差；

k——全區(qū)系統(tǒng)檢查觀測(cè)的全部物理點(diǎn)數(shù)。

經(jīng)過(guò)對(duì)重復(fù)觀測(cè)檢查數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，野外數(shù)據(jù)總均方根誤差為5.3%，滿足規(guī)范精度（＜7%）的要求。

3 資料處理及解釋

野外采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)反演處理后，形成了反演視電阻率斷面圖，基本反映了沿測(cè)線地層由淺至深的電性特征的變化規(guī)律，現(xiàn)分析如下。

測(cè)線電阻率橫向變化分析

測(cè)線電阻率橫向變化較大，呈現(xiàn)高低阻相間的格局；縱向電阻率變化不大。電阻率值介于400-4000Ω.m之間，其中，低電阻率區(qū)域主要分布于溝谷地區(qū)及構(gòu)造節(jié)理發(fā)育部位，反映了地層巖性及構(gòu)造特征。高電阻率區(qū)域分布較廣，反映了地層巖性主要為較完整的花崗巖等。

里程樁號(hào)K31+280處低阻區(qū)等值線呈長(zhǎng)軸橢圓狀，南傾陡立，與圍巖相比呈中低阻特征。K32+620處異常區(qū)呈中高阻特征，為高阻圍巖中近直立的較低阻區(qū)域，淺部電阻率較低，反映了溝谷淺部地層的低阻特征。里程樁號(hào)K33+020處異常為長(zhǎng)軸狀近直立具北東傾向的低阻異常帶，其兩側(cè)均為高阻顯示。K33+490處異常為直立的低阻異常，由兩個(gè)低阻中心區(qū)構(gòu)成，隨深度加大，電阻率逐漸增大。K33+950處異常位于溝谷處，低阻異常等值線呈明顯的低阻凹區(qū)。K34+130處異常為中高阻特征，表現(xiàn)為等值線扭曲中斷。K34+380處異常為較明顯的低阻異常區(qū)，近直立，具南西傾趨勢(shì)。K34+500處異常為中等電阻率特征條帶狀等值線特征，具有南東傾趨勢(shì)。K34+780、K35+070處異常為團(tuán)塊狀低阻異常，電阻率值隨深度增大而增加，具有北西傾趨勢(shì)。K35+440處異常等值線為面積較大的低阻異常區(qū)。K35+700處異常為等值線不閉合的低阻異常帶，其右側(cè)為高阻，接觸帶位置近直立。

總體上，該測(cè)線電阻率橫向變化較大，局部呈現(xiàn)高低阻相間特征。在溝谷區(qū)域多呈現(xiàn)低阻異常區(qū)。縱向電阻率變化不大。

4 結(jié)論及建議

此次可控源大地電磁工作，經(jīng)過(guò)近10名專業(yè)技術(shù)人員近10天的艱苦工作，基本完成了工作任務(wù)，達(dá)到了預(yù)期目的，采集了工作區(qū)地層的電性資料，對(duì)隧道施工區(qū)的地質(zhì)特征有了進(jìn)一步的了解。

4.1 取得了沿線的電性資料，并采集了數(shù)個(gè)物性標(biāo)本進(jìn)行比對(duì)解釋，充實(shí)了隧道施工的基礎(chǔ)資料。

4.2 結(jié)合以往工程地質(zhì)資料及此次物探成果，推斷了13條斷裂破碎帶或者節(jié)理發(fā)育部位，為后續(xù)工作順利開(kāi)展提供了參考。

4.3 通過(guò)此次工作，進(jìn)一步檢驗(yàn)了可控源電磁法在復(fù)雜地區(qū)開(kāi)展工程地質(zhì)測(cè)量的可行性，為今后此類項(xiàng)目實(shí)施積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。