EH4和納米瞬變電磁法及激發極化聯合探測斷層構造★

張 毅 毋光榮

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南鄭州 450003)

EH4和納米瞬變電磁法及激發極化聯合探測斷層構造★

張 毅 毋光榮

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南鄭州 450003)

以某工程為例，使用EH4大范圍探測查明了斷層的大致位置和產狀，采用納米瞬變電磁在斷層的大致位置進行詳查，確定了斷層的準確位置及產狀，并根據極化率推測了斷層富水性，指出EH4、納米瞬變電磁法和激發極化聯合探測斷層的構造具有可行有效性。

EH4，納米瞬變電磁法，激發極化法，斷層

在山谷間探測斷層是物探工作的難點，山谷間場地狹窄，很多物探方法受場地限制很難開展。高頻大地電磁法(EH4)是少數不受場地限制的物探新方法，具有工作效率高，適合在山區作業的優點，但是該方法探測的天然源信號較弱，精度較低，加之山谷間造成的地形響應難以消除，因此高頻大地電磁法只能確定斷層的大致位置，也無法確定淺部斷層的寬度和傾角。EH4法需要一種精度高的物探方法配合使用。

納米瞬變電磁法探測淺部斷層效果很好，可以更準確探測到斷層的位置、傾角和寬度。激發極化法可以評價斷層富水性，但是該方法裝置笨重，在山區探測效率低，很難大規模開展工作，只能在小范圍進行詳測。三種方法的聯合使用可以發揮三種方法的優點，快速準確的查明斷層，并評價斷層富水性。

1 概況

1.1 工程概況

小浪底北岸灌區位于濟源市和焦作市，灌溉面積74.6萬畝。一期工程年均引水量為1.45億m3，由總干渠、一干渠和輸水線路組成，總干渠長17.917 km，11號隧洞是總干渠包含的12條隧洞之一，F29斷層與11號隧洞相交，給施工帶來了極大的安全隱患。需要查明F29斷層的位置、規模和產狀，確定F29斷層上盤是否有承壓水。

1.2 地形地貌

29號斷層所在區為單斜構造，屬王屋山余脈。地貌單元屬基巖丘陵，地面高程250 m～420 m，高差50 m～100 m。山體以基巖為主，出露基巖破碎。地表多黃土，厚度幾米至幾十米不等，植被發育。河谷呈“V”字形，溝底多為坡積物覆蓋，常有泉水。

1.3 地質簡況

29號斷層為正斷層，推測走向325°，傾角76°，傾向東北，斷層帶寬度5 m～20 m，北側與F59斷層相交，南側與F52斷層相交。斷層上盤發育有大量的塌滑體。

依據鉆孔資料，探測深度內的地層巖性主要為砂巖和泥巖，覆蓋層為黃土狀粉質壤土。

1.4 地球物理特征

分析探測結果:地層由上到下電阻率具有逐漸增大的特征，對原始數據統計后得出，基巖電阻率值為80 Ω·m～220 Ω·m，本區的地下水位較淺，斷層破碎帶充水后表現為條帶狀低阻體，破碎帶電阻率最小為25 Ω·m;地層含水率越高，極化率越高，本區完整巖體極化率為1.0～1.6，富水破碎帶極化率為1.9～2.2;因此采用大地電磁法、納米瞬變電磁探測斷層，采用激發極化法評價地層富水性具有較好的地球物理前提。

2 工作布置

順洞軸線布置測線3，分別用EH4、納米瞬變電磁和激發極化法探測，3種方法起點相同，見圖1。

圖1 測線布置圖

2.1 大地電磁法

1)方法原理。EH4是在大地電磁法(AMT)基礎上發展起來的頻率域電磁法，在高頻段使用人工場源作為補充，在中、低頻段仍使用天然源，與傳統大地電磁法一致，但效率大大提高。其工作原理是基于麥克斯韋方程組完整統一的電磁場理論基礎。利用天然場源或人工源，在探測目標體地表的同時測量相互正交的電場分量和磁場分量，然后用卡尼亞電阻率計算公式得出視電阻率。根據大地電磁場理論可知，電磁波在大地介質中穿透深度與其頻率成反比，當地下電性結構一定時，電磁波頻率越低穿透深度越大，能反映出深部的地電特征;電磁波頻率越高，穿透深度越小，則能反映淺部地電特征。利用不同的頻率，可得到不同深度上的地電信息，以達到頻率測深的目的。

2)工作布置。采用無源矢量模式，20 m點距(水平距離)，20 m極距(水平距離)測量，根據天然場實時強度，中高頻和低頻段采用5次～20次疊加，矢量測量方式為“十”字形布極(見圖2)。探測時1根電極插在測點上，另外4根以測點為中心對稱布設，Ex，Hx與測線方向一致，Ey，Hy與測線方向垂直。

2.2 納米瞬變電磁法

1)方法原理。瞬變電磁法簡稱TEM，以不接地回線通以脈沖電流，以激勵探測目的物感生二次電流，在脈沖間隙測量二次場隨時間變化的響應的一種電磁探測方法。

2)工作布置。TEM探測使用的儀器是美國Zonge公司生產GDP-32Ⅱ納米瞬變電磁系統(NanoTEM)，采用中心回線裝置(見圖3)，通過現場試驗，選用發射線圈為10 m×10 m的4匝導線，接收線圈則采用5 m×5 m的2匝導線，點距10 m，發射電流4 A，發射頻率為32 Hz，探測效果最好。

圖2 測量裝置示意圖

圖3 瞬變電磁中心回線裝置示意圖

2.3 激發極化法

1)方法原理。在人工電流場(即一次場或激發場)作用下，具有不同電化學性質的巖石或裂隙水，由于電化學作用將產生隨時間變化的二次電場(激發極化場)。這種物理化學作用稱為激發極化效應。它包括電子導體的激發極化效應和離子導體的激發極化效應。激發極化法是根據激發極化效應來解決水文地質、工程地質等問題的勘探方法。它又分為直流激發極化法(時間域法)和交流激發極化法(頻率域法)。常用的電極排列有中間梯度排列、聯合剖面排列、固定點電源排列、對稱四極測深排列等。

2)工作布置。為了與納米瞬變電磁探測結果比對，直流激發極化法也使用施龍貝格裝置，見圖4。

圖4 對稱四極激發極化法裝置

最小AB/2為20 m，最大AB/2為600 m，最小MN/2為10 m，最大MN/2為20 m，詳見表1。以鐵電極作為供電電極，不極化電極(鉛和氯化鉛)為測量電極，使用12 V汽車電瓶加升壓器作供電電源。

表1 激發極化法裝置參數表

3 成果分析

3.1 大地電磁法

采用IMAGEM軟件對預處理后的EH4數據進行反演計算，反演后使用測量成果進行地形校正，最終使用Surfer軟件繪制電阻率—深度剖面圖。

從圖5中的電阻率—深度剖面圖分析，在水平距離220 m～300 m，出現1條明顯低阻條帶，低阻條帶明顯傾向大樁號一側，電阻率小于60 Ω·m，低阻區兩側的高阻區電阻率等值線明顯上下錯動，小樁號一側的高阻區電阻率120 Ω·m～240 Ω·m，大樁號一側的高阻區電阻率80 Ω·m～120 Ω·m，小樁號電阻率值明顯高于大樁號一側，推測存在1條北傾正斷層，小樁號一側為下盤。

圖5EH4成果圖

3.2 納米瞬變電磁法

納米瞬變電磁法數據采用“STEMIN”反演程序處理，用“surfer”得到圖6中的電阻率—深度剖面圖，剖面中部出現一條明顯的低阻條帶，位置與3測線大地電磁法成果圖中的低阻條帶一致，但更加精細，更為精確的反映出斷層的位置和傾角，斷層破碎帶電阻率20 Ω·m～40 Ω·m，小樁號一側的高阻區電阻率120 Ω·m～220 Ω·m，大樁號一側的高阻區電阻率80 Ω·m～160 Ω·m，小樁號電阻率值明顯高于大樁號一側，電阻率大小關系與大地電磁法一致，推測存在1條北傾正斷層，小樁號一側為下盤。

圖6 納米瞬變電磁法成果圖

3.3 激發極化法

從圖7中激發極化法的電阻率—深度剖面圖分析，剖面中部出現明顯的高極化區(極化率1.9%～3.2%)，位置、寬度均與3測線大地電磁法成果圖中的低阻條帶一致，推測為富水性強的破碎帶，小樁號一側極化率η為1.0%～1.6%，大樁號一側的極化率η為1.4%～1.6%，小樁號電阻率值明顯高于大樁號一側，極化率大小關系與大地電磁法反映的地質情況一致，斷層兩側的低極化率區域形態完整，且越往深部極化率越低，說明斷層兩側地層富水性整體弱，且越深富水性越弱，未發現承壓水跡象。地質解釋見圖8。

圖7 激發極化法成果圖

圖8 地質解釋圖

4 結語

經鉆孔YZK01光學成像驗證，采用EH4、納米瞬變電磁法和激發極化聯合探測F29斷層位置，產狀準確，抽水試驗結果與激發極化法推測富水性一致。說明用這三種方法探測山區斷層并評價富水性的做法可行。納米瞬變電磁法在淺層的工程探測應用中效果是比較顯著的，通過現場試驗發現用小線框大電流可以有效提高探測深度。

［1］ 何繼善.可控源音頻大地電磁法［M］.長沙:中南工業大學出版社，1989.

［2］ 石昆法.可控源音頻大地電磁法理論與應用［M］.北京:科學出版社，1999.

［3］ 劉廣岳.基于瞬變電磁法(TEM)的西昆侖地區多年凍土厚度探測與研究［J］.冰川凍土，2015(2):38-41.

EH4，TEM and induced polarization method to detect fault★

Zhang YiWu Guangrong

(YREC，Zhengzhou 450003，China)

Taking an engineering as the example，first to use a wide range of EH4 detection，find out the fault of approximate position and attitude and then use TEM method in the fault of the approximate location of the survey，the fault to determine the accurate position and attitude，and according to the polarization rate inference water rich fault，pointed out that the structure of EH4，Nano TEM and induced polarization joint detection fault had feasible and effective.

EH4，TEM，induced polarization method，fault

P631

:A

1009-6825(2016)35-0061-03

2016-09-30 ★:水利部“948”計劃項目(項目編號:201506)資助

張 毅(1980-)，男，工程師; 毋光榮(1955-)，男，高級工程師