EH-4大地電磁測深在探測隱伏斷層中的應用

周 振 廣

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

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EH-4大地電磁測深在探測隱伏斷層中的應用

周 振 廣

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

介紹了EH-4電磁測深系統的工作原理，并結合工程實例，闡述了EH-4大地電磁測深在探測隱伏斷層中的工作方法，并簡述了其數據處理流程，指出EH-4電磁測深法具有設備輕便、分辨率高、探測深度大等優點。

EH-4電磁測深系統，隱伏斷層，卡尼亞視電阻率

0 引言

近年來，隨著我國西部大開發的進一步推進，西北部地區的水利水電建設正在迅猛發展，但流域開發多分布于高山區域或狹窄河流溝谷，勘察難度相對較大，特別是針對斷層構造或破碎帶等問題，當前常規物探方法，如高密度電法、地震波法等，受場地條件及方法自身探測前提、探測深度等因素制約。

EH-4高頻大地電磁測深系統(以下均簡稱EH-4)是近些年來迅速發展的一種物探方法，優點包括：1)設備輕便，受地形影響較小；2)在探測深部地質構造時，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構造的發育形態，在水利水電后期的優化設計，安全施工，基坑開挖，避免突水、塌方等方面有重要的指導意義，可以產生很明顯的社會和經濟效益。

1 方法原理[1，2]

EH-4通過野外采集、觀測記錄Ex,Hy和Ey,Hx四個電磁場分量的時間域電磁信號，經傅立葉變換，將時間序列信號轉換為頻譜信號，從而獲得分量Ex，Hy和Ey，Hx值，通過公式計算可得地下介質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。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的50%時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，地下介質的電阻率有關系。在地下介質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勘察中主要采用EMAP測量方式，即首尾相連的測量方式。這樣可以消除部分靜態效應所造成的畸變。同時當工作區域自然電磁場信號較弱或者勘察任務中要求探測較淺部位的地下介質卡尼亞視電阻率情況時，可以使用人工場源，用以提高信噪比，改進數據質量。野外布置如圖1所示。

3 數據處理

利用儀器自帶的處理程序對原始數據進行預處理，再利用surfer軟件成圖。處理流程為：啟動IMAGEM→修改圖形顯示坐標OPTIONS(含頻率比例、電阻率比例、深度比例、相關度等)→數據分析DATA ANALYSIS(查看數據等)→一維分析1-D ANALYSIS(含對干擾信號的剔除)→二維電阻率剖面分析2-D ANALYSIS(含圓滑系數、剖面起始點、剖面終點、反演繪圖、保存反演數據文件)→surfer繪圖→修飾調整→最終成果圖(卡尼亞視電阻率斷面圖)。

4 工程實例

4.1 實例1

某工程位于新疆喀什地區喀喇昆侖山腹地，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。溝內主要地層由二疊系中統灰巖、燕山早期英云閃長巖、喜馬拉雅期石英正長巖和第四系松散堆積物組成。

壩址區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，根據地質測繪資料，推測河床沖洪積物(砂卵礫石)底部埋深較深。

物探工作目的為探測壩址區內基巖埋深及構造發育情況。考慮工區內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，地下介質不均勻，加之地形限制，常規方法無法滿足測試要求，故布設多條EH-4測線，現以其中一條測線為例說明。

由圖2可見，測線A探測范圍內，覆蓋層較厚，在地形上沒有較明顯的構造發育特征，按卡尼亞視電阻率參數，可分為兩層電性結構，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(正長巖)反映，砂卵礫石層底部埋深約51.3 m～77.2 m，同時EH-4測試成果顯示樁號100 m～180 m段卡尼亞視電阻率橫向不連續，存在近直立低阻帶，推測為隱伏斷層及其破碎帶。

為驗證物探成果，在測線異常處布置了鉆孔，對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、北天山隆升山區及沉降區三個地貌單元。天山隆升山區高程可達3 500 m～4 500 m，向南北兩側漸次降低，北側為準噶爾盆地最低點。

該工程勘察過程中，在輸水隧洞某段，布設多條EH-4測線，目的為探測該區域內隱伏地質構造，現以一條測線為例說明。

由圖3可見，測線B探測范圍內，覆蓋層較厚，在地形上沒有較明顯的構造發育特征，按卡尼亞視電阻率參數，可分為兩層電性結構，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測試成果顯示樁號400 m～800 m段卡尼亞視電阻率橫向不連續，存在近直立低阻帶，推測為隱伏斷層及其破碎帶。

為驗證物探成果，在測線異常處布置了鉆孔，對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 實例3

某工程位于新疆阿勒泰地區，工程區廣泛分布泥盆系、石炭系、第三系及第四系地層。泥盆系地層巖性為安山玢巖、凝灰巖、凝灰質砂巖等。石炭系地層巖性為安山玄武玢巖、凝灰巖、角礫凝灰巖等。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沖積物及上更新統～全新統沖積物，主要分布在河流兩岸各級階地、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域，目的為探測該區域內發育的F37，F34，F11斷層位置、產狀及影響范圍。考慮工區內地形限制，常規方法無法滿足測試要求，故布設兩條平行EH-4測線，受地形限制，第二條測線短于第一條測線，數據處理后所得成果圖分別見圖4，圖5。

由圖4可見，C測線在樁號122.0 m～148.0 m，327.0 m～344.0 m，479.0 m～531.0 m處均出現橫向卡尼亞視電阻率不連續現象，不連續處卡尼亞視電阻率比兩側基巖明顯偏低，如圖4中粗虛線所示，為推測的三條斷層的大致發育位置和傾向。

由圖5可見，D測線在樁號23.0 m～55.0 m，117.0 m～151.0 m，301.0 m～333.0 m均出現橫向卡尼亞視電阻率不連續現象，不連續處卡尼亞視電阻率比兩側基巖明顯偏低，如圖5中粗虛線所示，樁號23.0 m～55.0 m，301.0 m～333.0 m段低阻帶為推測的F37，F11斷層的大致發育位置和傾向，綜合地質測繪資料，樁號117.0 m～151.0 m段低阻帶推測為隱伏斷層及其破碎帶，F34在該測線未見反映。

本次工作推測斷層的產狀及位置，與地質推斷相符，其中F37，F34，F11斷層是地質測繪資料推斷，后經物探測試成果反映具體發育產狀及特征；樁號117.0 m～151.0 m段低阻帶，地表沒有明顯的構造發育特征，結合物探測試成果推測為隱伏斷層及其破碎帶，且得到了地質技術負責人的認可。

5 結語

工程實踐證明，EH-4電磁測深系統在較深部隱伏斷層探測等方面具有其獨特的優勢，可以很形象的揭露其二維空間展布形態和發育規律，在水利水電工程地質勘察工作中應用前景較為廣泛。

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

[2] 劉康和，練余勇.深埋長隧洞地球物理勘察及施工超前預報[M].天津：科學技術出版社，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

A