可控源音頻大地電磁法在長距離輸水隧洞勘察中的應用

渠繼明

（山西省水利水電勘測設計研究院山西太原030024）

可控源音頻大地電磁法在長距離輸水隧洞勘察中的應用

渠繼明

（山西省水利水電勘測設計研究院山西太原030024）

本文利用勘察實例從可控源音頻大地電磁法的基本原理，勘察的地球物理前提、勘察儀器、數據處理等方面說明了可控源音頻大地電磁法在長距離深埋隧洞勘察中的有效性。

輸水隧洞；可控源音頻大地電磁法；勘察

1 可控源音頻大地電磁法工作原理及方法

可控源音頻大地電磁測深法(CSAMT)是在大地電磁測深法(MT)的基礎上發展起來的一種物探方法，兩者工作原理都是基于麥克斯韋方程組完整統一的電磁場理論基礎[1]。MT方法采用的是天然場源，其信號微弱，隨機性較大，觀測十分困難。針對這一弱點，CSAMT勘探采用了可以控制的人工場源，在探測目標體相當遠處布設供電電極，用發射機通過電極向地下供交變電流，在地下建立交變電磁場。電流的頻率在一定范圍內按需改變，在要探測目標體的地表同時測量相互正交的電場分量和磁場分量，具體布置見圖1。然后用卡尼亞電阻率計算公式得到卡尼亞視電阻率。

圖1CSAMT野外裝置示意圖

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，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[2]。調整供電頻率的高低，可得到不同深度上的地電信息，達到頻率測深的目的。物探采用標量測量方式，即測量沿測線方向的電場(Ex)和與測線方向垂直的磁場(Hy)。

CSAMT按下式計算卡尼亞電阻率。

式中f為頻率，當從高到低逐個改變頻率，便可得到卡尼亞電阻率測深曲線。

2 CSAMT資料處理

2.1 數據處理流程

CSAMT數據處理就是通過一系列數據處理手段，把不能直接解釋的頻率域－電阻率數據轉換為深度－電阻率數據，形成沿測線變化的、反映地下電性結構的電阻率剖面圖，為地質解釋奠定基礎。CSAMT方法本身是比較成熟的勘探方法，處理流程為如圖2。

圖2 資料處理流程圖

2.2 數據去噪處理

由于勘察區域可能存在電力線、廠礦、村鎮、公路等干擾源，在高壓線附近一般影響1m～500m的范圍，影響中低頻段。單條高壓線往往使測得視電阻率值增高，而在兩條或兩條以上電力線附近的干擾更為復雜，曲線形態各異。所以必須要去除數據中的噪音，否則反演結果會出現嚴重錯誤，影響解釋。

2.3 靜態位移校正

靜態效應是由于近地表的電性橫向不均勻性或地形起伏引起的，并且在某種程度上影響所有的電場測量，這些非均勻體表面上的電荷分布可使電場數據向上或向下移動一個數值，靜態效應的強度有時可達兩個數量級，在推斷深度時可引起很大誤差，并使構造解釋復雜化，因此在反演解釋之前需進行靜校正[3]。2.4反演處理

野外觀測數據得到的視電阻率曲線與地下的地電結構不是簡單的對應關系，而是一種復雜的非線性關系，因此需要用特定的反演方法把頻率域數據轉化成電阻率—深度的關系。這種把視電阻率隨頻率的變化轉化為電阻率隨深度變化的過程就叫做反演處理，這樣可以相對精確的得到地下電阻率隨深度的變化情況，可以研究由于斷層、地下水所引起的電阻率異常，進而研究異常的屬性。

反演后得到CSAMT測線深度—電阻率斷面，反演剖面圖直觀地展示了一定深度范圍內地下電性結構特征，間接地反映了地下地質體的分布規律，進而可以賦予地質含義進行地質解釋。

3 應用實例及分析

3.1 工程概況

山西省中部引黃工程是山西省“十二五規劃”大水網建設中一項重要的工程，該工程包括取水工程和輸水工程兩部分，取水工程位于保德縣境內，輸水工程包括總干線、東干線、西干線以及各支線。輸水總干線起于泵站出水池，沿大致平行于黃河河流的方向經保德縣、興縣、臨縣、方山縣、離石區向南至中陽縣城東側，在邢家嶺處分為東、西干。以下為利用可控源音頻大地電磁法對總干線輸水隧洞K8+700～K13+500段進行勘察的成果與分析，目的是查明可能存在的斷層、巖溶、軟弱地層等不良地質體。

3.2 地層巖性

圖3 音頻大地電磁勘探(CSAMT)物探成果圖

圖4 音頻大地電磁勘探(CSAMT)地質解釋斷面圖

表1 山西省中部引黃工程某輸水隧洞可控源音頻大地電磁勘探物探異常一覽表

輸水線路沿線地表出露的地層為太古界呂梁山群、奧陶系、石炭系、第四系等地層。輸水隧洞穿過的地層主要有：太古界呂梁山群同岔溝組（Ar3t）、呂梁山群谷羅溝組（Ar3g）、呂梁山群萬年飽組（Ar3w）、震旦亞界長城系（Zh）、寒武系中統徐莊組（∈2x）、中統張夏組（∈2z）、上統崮山組（∈3g）、上統崮山組與長山組（∈3gc）、上統鳳山組（∈3f）；奧陶系下統（O1）、中統下馬家溝組（O2x）、中統上馬家溝組（O2s）、中統峰峰組（O2f）；上新近系上新統（N2）；第四系中更新統（Q2pl）；第四系全新統洪沖積（Q4pal）。

3.3 外業布置及數據采集

本項目野外數據采集按7道電道排列方式施工，數據采集采用加拿大鳳凰公司生產的V8儀器。發射機采用TXU-30，儀器接收采用一臺主機掛多個盒子來進行排列采集，衛星同步，這樣就可以一次采集多個點，提高工作效率。

3.4 資料解釋及物探推斷

圖3為音頻大地電磁勘探(CSAMT)物探成果圖，根據圖中等值線進行如下描述：

在樁號K8+700～K9+400段，視電阻率等值線橫向表現為兩低夾一高，縱向成層性差，在洞身附近，電阻率值在350Ω· m～900Ω·m之間變化，電阻率較低，等值線呈陡立狀，推測存在多組斷裂，洞身位置在樁號K8+815、K9+220附近等值線陡立，推測存在斷裂。

在樁號K9+400～K11+010段，橫向為高低高電性特征，縱向洞身以上大部分為低阻，以下為高阻，洞身位置附近電阻率值在100Ω·m～500Ω·m之間變化。顯示為低阻特征，洞身位置樁號K9+695、K10+520附近，電阻率等值線陡立，推測存在斷裂；在樁號K10+850～K11+125段有焦化廠，資料受干擾影響較大。

在樁號K11+010～K12+925段,橫向電性特征穩定，等值線平緩，縱向顯示低高低高電性分布特征，洞身上部為低阻薄層，洞身下部為高阻層，洞身位置電阻率值為相對高阻，電阻率值在1250Ω·m～1750Ω·m之間變化，屬區域內電阻率值為較高范圍，變化幅度小。在樁號K11+850～K12+000段等值線有下沖現象，存在物探異常。

在樁號K12+925～K13+500段，橫向劇烈變化，縱向有層狀特征，表現為從低到高，洞身上部緊鄰低相對阻體，下部為高阻體，洞身位置電阻率值在1000Ω·m～1500Ω·m之間變化，屬于相對低阻，地層穩定性差；在樁號K13+150附近等值線陡立，推測存在斷裂，該斷裂與淺部低阻有相連趨勢；在樁號K13+275靠近地表部位存在低阻圈閉，為物探異常。

綜合以上分析并結合地質資料，在勘察區域內，共發現7處較明顯異常區域及6處高風險區物探異常(如圖4所示)，表1列出異常區域的位置與性質描述。

音頻大地電磁勘探(CSAMT)地質解釋斷面圖中高風險區物探異常根據以下原則標注：在隧道施工過程中，施工的高風險區往往不在電阻率最低位置，而在電阻率發生劇烈變化處，電阻率變化表明該處巖石物性發生變化，或巖石性質變化，或巖石完整性變化。高低阻變化處，最接近可能存在（承壓的）地下水的位置，容易出現塌方、冒頂、突水突泥等地質災害。

5.5 鉆孔驗證

為了進一步驗證物探結論的準確性以及可控源音頻大地電磁法勘探的有效性，在物探工作結束后，選取2處異常區域進行鉆孔驗證，鉆孔位置對應的樁號分別為K9+250與K10+425的位置。兩個鉆孔布置在推斷斷層與洞線相交的位置。

（1）ZK12DT-1鉆孔（大致對應樁號K9+250）

0m～91.3m，Q4pal卵石、混合土；91.3m～239.1mO2f片麻巖；239.1m～340.1m O2s3灰巖；340.1m～389.1m O2s2白云巖夾白云質灰巖。其中在136.0m～154.7m、155.8m～161.5m、174.5m～183.6m、184.2m～193.0m、196.3m～199.8m、209.0m～211.5m、229.8m～236.7m深度范圍巖芯破碎，呈碎塊狀，局部呈碎屑狀。

從上述鉆孔資料來看，136.0m～236.7m深度范圍巖體整體破碎，為斷層破碎帶，與物探成果吻合。

（2）ZK12DT-6鉆孔（大致對應樁號K10+425）

0m～29.29m，Q4pal卵石、混合土；29.29m～133.5m O2f角礫狀泥灰巖夾薄層灰巖；133.5m～230.6m O2s3灰巖，巖溶發育，巖芯破碎；230.6m～350.0m O2s2灰巖夾豹皮狀灰巖，巖芯破碎。其中230.6m～238.0m為低液限粘土夾碎石的填充物，為斷層破碎帶。

從上述鉆孔資料來看，133.5m～350.0m范圍巖體整體破碎，為斷層破碎帶并有斷層泥存在，與物探成果吻合。

通過鉆孔資料與可控源音頻大地電磁法（CSAMT）物探資料的對比，證明了可控源音頻大地電磁法（CSAMT）在長距離深埋隧洞勘察中的有效性和適用性。

4 結語

4.1 對于干擾較多的勘察區域，資料質量有所降低，可能產生虛假異常，在物探剖面的交換發射點位置，也可能產生虛假異常，在這些地帶存在的異常供參考采用。

4.2 物探資料是在地表探測地下一定范圍內電性特征的，是體積勘探，圈定的異常范圍是存在誤差的，這也是電法類物探精度的限制。另外隧道施工受季節影響很大，大氣降雨的深入地下這一問題尤為突出。因此掘進施工過程中除了對物探所顯示的異常區引起注意的同時，一定要做好超前預報工作。陜西水利

[1]劉延忠，馮輝.在城市地質工作中應重視一種新型電磁法——可控源音頻大地電磁法[J].城市地質，2006

[2]劉恒祥.深厚覆蓋層的探查[J].水利技術監督，2014

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

（責任編輯：暢妮）

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