EH-4電磁測(cè)深法與高密度電法在超長(zhǎng)隧洞隱伏斷層調(diào)查中的綜合應(yīng)用

張峰（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院物探隊(duì)新疆昌吉831100）

EH-4電磁測(cè)深法與高密度電法在超長(zhǎng)隧洞隱伏斷層調(diào)查中的綜合應(yīng)用

張峰
（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院物探隊(duì)新疆昌吉831100）

本文主要介紹了在某超長(zhǎng)隧洞工程隱伏斷層構(gòu)造調(diào)查中，以利用EH-4電磁測(cè)深法與高密度電法兩種方法的優(yōu)勢(shì)相互配合、補(bǔ)充、印證，從而精確推斷出隱伏斷層的空間分布特征，并取得較好的效果。

EH-4大地電磁測(cè)深系統(tǒng)；高密度電法；視電阻率；隱伏斷層

1　引言

工程物探中，對(duì)于淺埋斷層構(gòu)造的勘察主要以高密度電法、淺層地震、電剖面法、大地電磁測(cè)深等方法開(kāi)展，對(duì)于深埋斷層構(gòu)造的勘察一般采用大地電磁測(cè)深。在地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的小區(qū)域內(nèi)進(jìn)行勘察，往往使用單一方法就能取得較為滿意的效果，對(duì)于大區(qū)域或者需要得到完整資料要求的隱伏斷層調(diào)查中，就需要多種方法相互配合。EH-4大地電磁測(cè)深系統(tǒng)（后簡(jiǎn)稱EH-4）對(duì)于地層深部地層結(jié)構(gòu)反映效果較好，垂直探測(cè)深度可達(dá)千米以上，確定深部宏觀的構(gòu)造，精確度高，而對(duì)于淺部地層結(jié)構(gòu)反映較差。高密度電法對(duì)于淺部地層具有效率高，其分辨率則更為細(xì)致的特點(diǎn)。高密度電法與EH-4是目前先進(jìn)的高分辨率地球物理探測(cè)技術(shù)，兩種方法具有互補(bǔ)性和相互驗(yàn)證性。

2　基本原理

EH-4是人工可控源與天然源相結(jié)合的一種高頻大地電磁測(cè)深系統(tǒng)。其天然源為10Hz～100kHz，人工可控源為1kHz～100kHz，以補(bǔ)償天然源訊號(hào)的不足，從而更好的獲得高分辨率的成像。不同地層深度的電阻率變化是通過(guò)改變不同的頻率得到的，頻率較高的數(shù)據(jù)反映淺部的電性特征，頻率較低的數(shù)據(jù)反映較深的地層特征。通過(guò)測(cè)量相互正交的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量Ex，Hy，Hx，Ey，可確定介質(zhì)的視電阻率值。其計(jì)算公式為：

式中，f為頻率，單位Hz；ρ為視電阻率，單位Ω·m。

由于電磁波的能量會(huì)隨傳播深度的增大而逐漸被吸收，理論上探測(cè)深度是一個(gè)趨膚深度，其計(jì)算公式為：

式中，δ為趨膚深度。

由上式可得出，電阻率和頻率的大小會(huì)影響電磁波的透入深度。

圖1　f69號(hào)斷層高密度電法測(cè)試剖面演圖

圖2　f69號(hào)斷層EH4視電阻率斷面圖

高密度電法的基本原理與常規(guī)電法基本一樣，是以地下被探測(cè)目標(biāo)體與周圍介質(zhì)之間的電性差異為基礎(chǔ)，只是它綜合了垂向電測(cè)深及電測(cè)深剖面的特點(diǎn)，是陣列式勘探方法的一種，它在野外采集過(guò)程中只需一次性將幾十或上百根電極沿測(cè)線布設(shè)完成，可組合成多種裝置形式，如溫納а裝置、溫納β裝置等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集，由于采集點(diǎn)距小，獲得的數(shù)據(jù)量密度大，因而大大增加了信息量，有效的提高了解釋精度。

3　工程實(shí)例

某輸水隧洞設(shè)計(jì)洞線長(zhǎng)約300km，設(shè)計(jì)洞身最大埋深大于700m，平均埋深約430m，通過(guò)地質(zhì)遙感解譯洞線存在的隱伏斷層有近百條。由于無(wú)法對(duì)隱伏斷層的具體位置準(zhǔn)確定位，因此采用物探方法對(duì)存在的隱伏斷層進(jìn)行調(diào)查測(cè)試，以查明隱伏斷層的具體位置、延伸情況及影響范圍，由此判定斷層對(duì)隧洞工程的影響。

3.1工區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)況及地球物理特征

隧洞范圍內(nèi)地表為戈壁礫石或荒漠，地層巖性主要為花崗巖、安山玢巖、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖、砂巖等。根據(jù)工區(qū)地球物理反演結(jié)果分析和統(tǒng)計(jì)，得到了不同巖體的視電阻率值范圍，花崗巖視電阻率800Ω.m～2000Ω.m，安山玢巖視電阻率600Ω.m～1000Ω.m，凝灰?guī)r視電阻率500Ω.m～800Ω.m，凝灰質(zhì)砂巖視電阻率400Ω.m～600Ω.m，泥巖、砂巖互層視電阻率80Ω.m～200Ω.m。斷層處視電阻率較完整基巖相對(duì)偏低。

3.2數(shù)據(jù)采集及資料解釋

首先在地質(zhì)遙感解譯的推測(cè)斷層處利用高密度電法對(duì)100m以內(nèi)的地層進(jìn)行測(cè)試，對(duì)斷層的位置及寬度進(jìn)行定位。高密度電法的數(shù)據(jù)采集采用溫納裝置，電極距10m，每根電纜8個(gè)電極，排列總電極數(shù)及滾動(dòng)層數(shù)視剖面長(zhǎng)短和測(cè)試深度而定。測(cè)線布置方向與洞線方向基本一致。

然后在已定位的斷層位置布置EH-4剖面，用以對(duì)100m以下的地層進(jìn)行測(cè)試，來(lái)確定斷層的延伸情況。EH-4的數(shù)據(jù)采集是采用天然場(chǎng)和人工場(chǎng)相結(jié)合的方法。人工場(chǎng)可控源是由發(fā)射系統(tǒng)構(gòu)成，主要有發(fā)射天線、發(fā)射機(jī)和控制開(kāi)關(guān)組成；發(fā)射天線采用正南正北方向布置，發(fā)射機(jī)一般距離測(cè)點(diǎn)150m～400m。測(cè)線布置方向與洞線方向基本一致，測(cè)試點(diǎn)距視地層條件而定，發(fā)現(xiàn)有電阻率變化較大時(shí)加密測(cè)點(diǎn)一般為20m，地層電阻無(wú)明顯變化時(shí)加大測(cè)試點(diǎn)距為50m，電極距（20m，20m）。平行試驗(yàn)記錄清晰，無(wú)畸變點(diǎn)，相位25°～75°之間，相干度大于0.5。

EH4數(shù)據(jù)處理采用EH4專業(yè)反演軟件進(jìn)行二維反演，利用UltraEdit數(shù)據(jù)傳數(shù)與轉(zhuǎn)換軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行@文件的編輯。對(duì)@文件中出現(xiàn)壞點(diǎn)、不合格點(diǎn)進(jìn)行剔除，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，分析造成的原因，對(duì)視電阻率值超大或超小不符合規(guī)律時(shí)僅作參考或刪除，反復(fù)試驗(yàn)選擇合適的圓滑系數(shù)，處理后輸出DAT文件。使用SURFER反演軟件對(duì)輸出的DAT文件進(jìn)行成圖處理，并對(duì)最終結(jié)果進(jìn)行完善。

高密度電法數(shù)據(jù)處理采用RES2高密度視電阻率反演軟件進(jìn)行二維反演，

利用Res2高密度電法數(shù)據(jù)反演軟件對(duì)野外觀測(cè)時(shí)如出現(xiàn)壞點(diǎn)參考剔除，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，視電阻率出現(xiàn)負(fù)值時(shí)，參考電壓和電流值分析原因，對(duì)應(yīng)視電阻率作為參考修正或刪除，視電阻率值超大或超小不符合規(guī)律時(shí)僅作參考或刪除。再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演成圖。

在EH-4與高密度電法獲取的二維成果圖件中，利用圖件中視電阻率的分布變化規(guī)律，進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造的對(duì)比、分析判斷。對(duì)于同一種巖性內(nèi)視電阻率等值線圖出現(xiàn)的相對(duì)較低阻段推測(cè)為斷層及影響帶；對(duì)于不同巖性視電阻率等值線圖在水平方向上挫斷，且挫斷處視電阻率值在同深度與兩側(cè)視電阻率值相差較大段推測(cè)為斷層及影響帶，視電阻率值水平方向變化較大的界面推測(cè)為斷層界面。

圖3　f85號(hào)斷層高密度電法測(cè)試剖面演圖

圖4　f85號(hào)斷層EH4視電阻率斷面圖

3.3斷層異常解釋實(shí)例

圖1、圖2分別為f69號(hào)斷層處的高密度電法測(cè)試成果圖與EH4測(cè)試成果圖。剖面樁號(hào)位置、方向一致，設(shè)計(jì)洞身埋深700m左右。高密度電法測(cè)試剖面（圖1）中在剖面樁號(hào)240m～440m段，自淺表部向下存在上下貫通的條帶狀相對(duì)低阻體，其視電阻率在20Ω.m～224Ω.m，兩側(cè)相對(duì)較高度視電阻率在320Ω.m～620Ω.m左右，該低阻體地表寬度約為210m，地表下約100m處寬度在150m左右，其傾向南東方向，視傾角為60°～80°；EH4測(cè)試剖面（圖2）在剖面樁號(hào)250～380段90m往下有一相對(duì)低視電阻率槽異常，視電阻率在60Ω.m～280Ω.m左右，兩側(cè)相對(duì)較高度視電阻率在400Ω.m～600Ω.m左右，頂部寬度在150m左右，其傾向南東方向，過(guò)洞線段視傾角80°～85°。根據(jù)對(duì)兩種方法的解釋成果進(jìn)行比對(duì)、分析，推測(cè)剖面低視電阻率異常段為斷層及影響帶的反映，因此可推斷f69號(hào)斷層在剖面樁號(hào)240m～440m段通過(guò)，地表寬度在200m左右，其傾向南東方向，視傾角為60°～85°，斷層通過(guò)洞身處的影響帶寬度約為50m左右。

圖3、圖4分別為f85號(hào)斷層處高密度電法測(cè)試成果圖與EH4測(cè)試成果圖，剖面樁號(hào)位置、方向一致，設(shè)計(jì)洞身埋深380m左右。在高密度電法測(cè)試剖面（圖3）中在剖面樁號(hào)200m左右，自淺表部向下存在一個(gè)高視電阻率與低視電阻率的接觸界面，于接觸界面以東方向視電阻率相對(duì)較低，在5Ω.m～221Ω.m之間，于接觸界面以西方向視電阻率相對(duì)較高，基本在220Ω.m～ 650Ω.m之間，其傾向東方向，視傾角為60°～70°；EH4測(cè)試剖面（圖4）剖面樁號(hào)200m左右，自淺表部往下有一視電阻率相對(duì)高、低的接觸面異常，接觸界面以東方向視電阻率相對(duì)較低，在40Ω.m～100Ω.m之間，于接觸界面以西方向視電阻率相對(duì)較高，在200Ω.m～560Ω.m，視傾角為60°～80°。根據(jù)對(duì)兩種方法的解釋成果進(jìn)行比對(duì)、分析，推測(cè)該剖面在樁號(hào)200m左右處巖性發(fā)生變化，剖面以東低視電阻率地層為砂巖，以西高視電阻率地層為凝灰質(zhì)砂巖，因此推斷f85號(hào)斷層為接觸性斷層，在剖面樁號(hào)200m左右通過(guò)，其傾向東方向，視傾角為60°～80°，斷層通過(guò)洞身處的影響帶寬度約為80m左右。

4　結(jié)語(yǔ)

在后期勘探過(guò)程中，多處斷層位置及延伸情況被鉆孔或被開(kāi)挖驗(yàn)證與物探測(cè)試結(jié)果基本一致。采用高密度電法測(cè)試能較好的反映地層分布規(guī)律，其高分辨率對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造的查找更為細(xì)致，但勘探深度有限；EH4測(cè)試對(duì)于對(duì)淺表部存在一定盲區(qū)，但對(duì)于中深部構(gòu)造的確定比較直觀。因此以兩種測(cè)試方法結(jié)合展開(kāi)工作，通過(guò)兩種方法的相互補(bǔ)充和相互驗(yàn)證，具有較好的對(duì)應(yīng)性，取得的測(cè)試成果精度較高，結(jié)合地質(zhì)資料，更能有效、準(zhǔn)確的推測(cè)地質(zhì)構(gòu)造，為后續(xù)工程提供可靠的依據(jù)。陜西水利

［1］SL326-2005，水利水電工程物探規(guī)程［S］.

［2］周琛杰、吳文賢等.EH 4電磁成像系統(tǒng)在鐵路隧道與橋梁勘查中的應(yīng)用［J］，工程地球物理學(xué)報(bào)，2012.1.

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（責(zé)任編輯：暢妮）

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