EH-4大地電磁測(cè)深在探測(cè)隱伏斷層中的應(yīng)用

周 振 廣

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

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EH-4大地電磁測(cè)深在探測(cè)隱伏斷層中的應(yīng)用

周 振 廣

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

介紹了EH-4電磁測(cè)深系統(tǒng)的工作原理，并結(jié)合工程實(shí)例，闡述了EH-4大地電磁測(cè)深在探測(cè)隱伏斷層中的工作方法，并簡(jiǎn)述了其數(shù)據(jù)處理流程，指出EH-4電磁測(cè)深法具有設(shè)備輕便、分辨率高、探測(cè)深度大等優(yōu)點(diǎn)。

EH-4電磁測(cè)深系統(tǒng)，隱伏斷層，卡尼亞視電阻率

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)西部大開發(fā)的進(jìn)一步推進(jìn)，西北部地區(qū)的水利水電建設(shè)正在迅猛發(fā)展，但流域開發(fā)多分布于高山區(qū)域或狹窄河流溝谷，勘察難度相對(duì)較大，特別是針對(duì)斷層構(gòu)造或破碎帶等問(wèn)題，當(dāng)前常規(guī)物探方法，如高密度電法、地震波法等，受場(chǎng)地條件及方法自身探測(cè)前提、探測(cè)深度等因素制約。

EH-4高頻大地電磁測(cè)深系統(tǒng)(以下均簡(jiǎn)稱EH-4)是近些年來(lái)迅速發(fā)展的一種物探方法，優(yōu)點(diǎn)包括：1)設(shè)備輕便，受地形影響較小；2)在探測(cè)深部地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，具有較高的分辨率；3)信噪比較高。該方法可以有效的判定深埋地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育形態(tài)，在水利水電后期的優(yōu)化設(shè)計(jì)，安全施工，基坑開挖，避免突水、塌方等方面有重要的指導(dǎo)意義，可以產(chǎn)生很明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

1 方法原理[1，2]

EH-4通過(guò)野外采集、觀測(cè)記錄Ex,Hy和Ey,Hx四個(gè)電磁場(chǎng)分量的時(shí)間域電磁信號(hào)，經(jīng)傅立葉變換，將時(shí)間序列信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻譜信號(hào)，從而獲得分量Ex，Hy和Ey，Hx值，通過(guò)公式計(jì)算可得地下介質(zhì)的卡尼亞視電阻率值。公式為：

其中，f為頻率，Hz；ρ為卡尼亞視電阻率，Ω·m。

根據(jù)卡尼亞視電阻率公式我們知道卡尼亞視電阻率隨頻率變化而變化，而電磁波的穿透深度或趨膚深度也與頻率有關(guān)。因此不同的頻率反映不同深度的卡尼亞視電阻率。

1)趨膚深度。電磁波的能量隨傳播深度的增加而逐漸被吸收，我們把波的振幅衰減到原來(lái)的1/e的傳播深度定義為趨膚深度，其公式為:

2)勘探深度。我們把電磁波能量衰減到原來(lái)的50%時(shí)的傳播深度定義為勘探深度，公式為：

從上述公式我們可以看出趨膚深度和勘探深度都與電磁波的頻率，地下介質(zhì)的電阻率有關(guān)系。在地下介質(zhì)電阻率一定的情況下，頻率越高趨膚深度和勘探深度越淺。在頻率一定的情況下地下介質(zhì)電阻率越小趨膚深度和勘探深度越淺。

2 工作方法

在水利水電工程地質(zhì)勘察中主要采用EMAP測(cè)量方式，即首尾相連的測(cè)量方式。這樣可以消除部分靜態(tài)效應(yīng)所造成的畸變。同時(shí)當(dāng)工作區(qū)域自然電磁場(chǎng)信號(hào)較弱或者勘察任務(wù)中要求探測(cè)較淺部位的地下介質(zhì)卡尼亞視電阻率情況時(shí)，可以使用人工場(chǎng)源，用以提高信噪比，改進(jìn)數(shù)據(jù)質(zhì)量。野外布置如圖1所示。

3 數(shù)據(jù)處理

利用儀器自帶的處理程序?qū)υ紨?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再利用surfer軟件成圖。處理流程為：?jiǎn)?dòng)IMAGEM→修改圖形顯示坐標(biāo)OPTIONS(含頻率比例、電阻率比例、深度比例、相關(guān)度等)→數(shù)據(jù)分析DATA ANALYSIS(查看數(shù)據(jù)等)→一維分析1-D ANALYSIS(含對(duì)干擾信號(hào)的剔除)→二維電阻率剖面分析2-D ANALYSIS(含圓滑系數(shù)、剖面起始點(diǎn)、剖面終點(diǎn)、反演繪圖、保存反演數(shù)據(jù)文件)→surfer繪圖→修飾調(diào)整→最終成果圖(卡尼亞視電阻率斷面圖)。

4 工程實(shí)例

4.1 實(shí)例1

某工程位于新疆喀什地區(qū)喀喇昆侖山腹地，自高程約3 400 m以下呈高山峽谷地段，呈“V”形谷。高程約3 400 m以上溝谷較寬闊，呈“U”形谷。溝內(nèi)主要地層由二疊系中統(tǒng)灰?guī)r、燕山早期英云閃長(zhǎng)巖、喜馬拉雅期石英正長(zhǎng)巖和第四系松散堆積物組成。

壩址區(qū)上下游及左右岸均有坡崩積物存在。岸坡坡度約大于60°。河床部位為第四系地層，根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪資料，推測(cè)河床沖洪積物(砂卵礫石)底部埋深較深。

物探工作目的為探測(cè)壩址區(qū)內(nèi)基巖埋深及構(gòu)造發(fā)育情況。考慮工區(qū)內(nèi)表層覆蓋層多為沖洪積的砂卵礫石層，受砂卵礫石礫徑或含砂量影響，地下介質(zhì)不均勻，加之地形限制，常規(guī)方法無(wú)法滿足測(cè)試要求，故布設(shè)多條EH-4測(cè)線，現(xiàn)以其中一條測(cè)線為例說(shuō)明。

由圖2可見，測(cè)線A探測(cè)范圍內(nèi)，覆蓋層較厚，在地形上沒(méi)有較明顯的構(gòu)造發(fā)育特征，按卡尼亞視電阻率參數(shù)，可分為兩層電性結(jié)構(gòu)，第一層卡尼亞視電阻率30 Ω·m～500 Ω·m，為砂卵礫石層反映；第二層卡尼亞視電阻率大于500 Ω·m，為基巖(正長(zhǎng)巖)反映，砂卵礫石層底部埋深約51.3 m～77.2 m，同時(shí)EH-4測(cè)試成果顯示樁號(hào)100 m～180 m段卡尼亞視電阻率橫向不連續(xù)，存在近直立低阻帶，推測(cè)為隱伏斷層及其破碎帶。

為驗(yàn)證物探成果，在測(cè)線異常處布置了鉆孔，對(duì)于基巖埋深和斷層破碎帶的解釋成果與鉆探資料基本一致。

4.2 實(shí)例2

某工程位于北天山中西部，由南向北分為喀什河斷陷谷沉降區(qū)、北天山隆升山區(qū)及沉降區(qū)三個(gè)地貌單元。天山隆升山區(qū)高程可達(dá)3 500 m～4 500 m，向南北兩側(cè)漸次降低，北側(cè)為準(zhǔn)噶爾盆地最低點(diǎn)。

該工程勘察過(guò)程中，在輸水隧洞某段，布設(shè)多條EH-4測(cè)線，目的為探測(cè)該區(qū)域內(nèi)隱伏地質(zhì)構(gòu)造，現(xiàn)以一條測(cè)線為例說(shuō)明。

由圖3可見，測(cè)線B探測(cè)范圍內(nèi)，覆蓋層較厚，在地形上沒(méi)有較明顯的構(gòu)造發(fā)育特征，按卡尼亞視電阻率參數(shù)，可分為兩層電性結(jié)構(gòu)，第一層卡尼亞視電阻率30 Ω·m～500 Ω·m，為砂卵礫石層反映；第二層卡尼亞視電阻率大于500 Ω·m，為基巖反映， EH-4測(cè)試成果顯示樁號(hào)400 m～800 m段卡尼亞視電阻率橫向不連續(xù)，存在近直立低阻帶，推測(cè)為隱伏斷層及其破碎帶。

為驗(yàn)證物探成果，在測(cè)線異常處布置了鉆孔，對(duì)于基巖埋深和斷層破碎帶的解釋成果與鉆探資料基本一致。

4.3 實(shí)例3

某工程位于新疆阿勒泰地區(qū)，工程區(qū)廣泛分布泥盆系、石炭系、第三系及第四系地層。泥盆系地層巖性為安山玢巖、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖等。石炭系地層巖性為安山玄武玢巖、凝灰?guī)r、角礫凝灰?guī)r等。第三系巖性為橙紅色粉砂巖、泥巖及石膏。第四系地層主要為中更新統(tǒng)沖積物及上更新統(tǒng)～全新統(tǒng)沖積物，主要分布在河流兩岸各級(jí)階地、山前斜坡、山間洼地及下游沖洪積平原。

物探工作布置于下壩址左岸溢洪道區(qū)域，目的為探測(cè)該區(qū)域內(nèi)發(fā)育的F37，F(xiàn)34，F(xiàn)11斷層位置、產(chǎn)狀及影響范圍。考慮工區(qū)內(nèi)地形限制，常規(guī)方法無(wú)法滿足測(cè)試要求，故布設(shè)兩條平行EH-4測(cè)線，受地形限制，第二條測(cè)線短于第一條測(cè)線，數(shù)據(jù)處理后所得成果圖分別見圖4，圖5。

由圖4可見，C測(cè)線在樁號(hào)122.0 m～148.0 m，327.0 m～344.0 m，479.0 m～531.0 m處均出現(xiàn)橫向卡尼亞視電阻率不連續(xù)現(xiàn)象，不連續(xù)處卡尼亞視電阻率比兩側(cè)基巖明顯偏低，如圖4中粗虛線所示，為推測(cè)的三條斷層的大致發(fā)育位置和傾向。

由圖5可見，D測(cè)線在樁號(hào)23.0 m～55.0 m，117.0 m～151.0 m，301.0 m～333.0 m均出現(xiàn)橫向卡尼亞視電阻率不連續(xù)現(xiàn)象，不連續(xù)處卡尼亞視電阻率比兩側(cè)基巖明顯偏低，如圖5中粗虛線所示，樁號(hào)23.0 m～55.0 m，301.0 m～333.0 m段低阻帶為推測(cè)的F37，F(xiàn)11斷層的大致發(fā)育位置和傾向，綜合地質(zhì)測(cè)繪資料，樁號(hào)117.0 m～151.0 m段低阻帶推測(cè)為隱伏斷層及其破碎帶，F(xiàn)34在該測(cè)線未見反映。

本次工作推測(cè)斷層的產(chǎn)狀及位置，與地質(zhì)推斷相符，其中F37，F(xiàn)34，F(xiàn)11斷層是地質(zhì)測(cè)繪資料推斷，后經(jīng)物探測(cè)試成果反映具體發(fā)育產(chǎn)狀及特征；樁號(hào)117.0 m～151.0 m段低阻帶，地表沒(méi)有明顯的構(gòu)造發(fā)育特征，結(jié)合物探測(cè)試成果推測(cè)為隱伏斷層及其破碎帶，且得到了地質(zhì)技術(shù)負(fù)責(zé)人的認(rèn)可。

5 結(jié)語(yǔ)

工程實(shí)踐證明，EH-4電磁測(cè)深系統(tǒng)在較深部隱伏斷層探測(cè)等方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以很形象的揭露其二維空間展布形態(tài)和發(fā)育規(guī)律，在水利水電工程地質(zhì)勘察工作中應(yīng)用前景較為廣泛。

[1] 湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁法及其應(yīng)用[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2005.

[2] 劉康和，練余勇.深埋長(zhǎng)隧洞地球物理勘察及施工超前預(yù)報(bào)[M].天津：科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

Application of EH-4 magnetotelluric sounding in probing concealed fault

Zhou Zhenguang

(ZhongshuiNorthernSurvey&DesignAcademyCo.,Ltd,Tianjin300222,China)

The paper introduces working principles of EH-4 magnetotelluric sounding system, describes working methods of EH-4 magnetotelluric sounding in probing concealed fault by combining with engineering examples, describes its data processing procedures, and finally points out its advantages, such as convenient equipment, high resolution ratio and greater detective depth and so on.

EH-4 magnetotelluric sounding, concealed fault, Cagniard resistivity

1009-6825(2016)26-0211-02

2016-07-08

周振廣(1987- )，男，助理工程師

P624

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