大地電磁法在工程勘察中的應用

陳宗剛

中國建電集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710043

近年來，水電、能源、公路等工程項目勘測中經常遇到大規模的傾倒體、變形體、滑坡體、深厚覆蓋層及斷層等一些工程地質問題，由于這些地質體埋深，傳統的物探方法因受場地條件、物性條件和工作條件等因素的限制，工作難度較大，取得的探測效果較差，探測深度和精度往往無法滿足要求。因此，急需一種物探方法解決上述工程地質問題，而具有大范圍勘探深度、較高地質分辨率的大地電磁法（MT）不僅受地形影響較小，不受高阻層屏蔽，對低阻層有較好的分辨能力，還可以提高工作效率，降低成本。目前，我國鐵路、公路、冶金、有色金屬、核工業、煤田及油氣等勘察單位，包括相關專業大學和研究所都大量引進了EH4大地電磁測深系統，其在隧道勘探、探礦工程、煤礦探測、找水工程、采空區探測等方面應用較廣。

1 EH4大地電磁測深基本原理

EH4大地電磁測深的基本原理是根據導電介質中不同頻率電磁波的趨膚深度不同，在地表測量地球由高頻到低頻的電磁響應序列，并進行相關的資料處理，以獲得大地內部由淺至深的電性結構[1-2]。

趨膚深度公式表示如下：

式中：δ為趨膚深度；ρ為電阻率；f為頻率；T為周期。

當頻率一定時減小電阻率ρ或當電阻率一定時增高頻率f，則勘探的深度會減小；反之，當頻率一定時增大電阻率ρ或當電阻率一定時降低頻率f，則勘探深度會增加。因此，大地電磁測深法的原理就是當大地的電阻率是定值時，不斷改變電磁波信號的頻率，以得到大地內部由淺至深的電阻率變化關系。大地電磁測深探測地下結構原理示意圖如圖1所示。

圖1 大地電磁測深探測地下結構原理示意圖

2 EH4大地電磁測深方法

2.1 工作布置

EH4大地電磁測深系統在野外作業時一般有兩種工作測量方式：一種是連續剖面測深，另一種是單點測深，選用何種方式由研究任務和探測目的確定[3]。

（1）觀測裝置的布設。使用地面正交測量軸觀測系統，在每一測點上，必須測量彼此正交的電磁場水平分量，使用GPS定位，也可測量垂直磁場分量，以研究水平不均勻構造情況、地下介質走向情況及增加解釋信息量等的作用。

（2）布極。當已知勘探測區的地下地質構造走向時，最好使X和Y分別平行于構造的走向和傾向，即主軸方向，以便可以直接測量TE波和TM波。通常情況下，地下地質構造走向是未知的，將正北視為橫坐標X軸，將正東視為縱坐標Y軸。在整個測區中，測量點的X和Y方向應盡可能一致，以統一的標準確定測區內介質電性主軸的方位角。EH4大地電磁測深系統布極方式示意圖如圖2所示。

圖2 EH4大地電磁測深系統布極方式示意圖

在野外作業時，為了較好地克服表層電流場不均勻的影響，EH4大地電磁測深系統一般采用十字形布極方式，若在十字交匯點附近測量時，這種布極方式還有助于消除共模干擾的影響。在一些特殊情況下，也可以采用L形或T形布極方式。

（3）電極距。EH4大地電磁測深系統采用的電極距范圍通常為50～300m，并且地形條件允許的情況下，兩端的電極應盡可能保持水平。如果測量點周圍的地面不平坦且電極的兩端均不水平，則必須根據實際測量的水平距離來計算電極距。

（4）磁棒。磁棒在埋在地下時，水平磁棒的入土深度應不小于30cm，垂直磁棒的入土深度應不小于磁棒長度的2/3，并且應該用土將露出地面的部分埋實。

（5）電纜。在連接電極、磁棒和主機的信號電纜過程中，大地電磁的信號比較微弱，因此需減少信號傳輸過程中的干擾。因為在地磁場中的懸空電纜易擺動，其感應電流對觀測結果影響較大，所以鋪設電纜時，不應懸空，最好的辦法是將電纜掩埋，這樣不僅可以防風，還可減小溫度變化帶來的影響。

2.2 數據處理

大地電磁測深資料處理主要步驟為原始資料預處理、資料定性分析、資料定量解釋、綜合推斷解釋及獲得地質成果[4-5]。

3 EH4大地電磁測深應用實例

3.1 某隧道工程

（1）工程概況。某隧道位于G213線某段，里程樁號為K51+660～K55+050，設計為分離式隧道。隧道選址區海拔3892～4263m，屬于構造剝蝕高山地貌，區內地形起伏較大，沖溝發育。

（2）地球物理工作條件。測區為第四系亞黏土，松散坡積層一般視電阻率較低，小于350Ω·m，地震縱波速度一般在1000m/s；碳質片巖地震縱波速度在2200m/s以上；構造部位伴有節理、裂隙發育，視電阻率會呈急劇下降趨勢，特別是對于一些泥質充填性質的裂隙帶，其往往與地下水的活動性存在著一定的聯系，這種不同巖體及構造等圍巖體間的差異特征是開展大地電磁測深法的地球物理前提條件。

（3）工作技術方法。為了保證數據的質量并提高工作效率，以25m為最優電極距，分頻段對數據進行儀器采集，將其分為3個頻組，每個頻組在采集數據時疊加次數不少于4次。

（4）典型測段成果及結論。電阻率剖面圖如圖3所示，地質推斷剖面圖如圖4所示。由圖3可知，電阻率沿深度增大的方向有增大的趨勢，總體上隧道標高附近電阻率呈中高阻特征且電性變化較均一，處于片巖中風化區。該測段內，地表附近呈低電阻率特性，推測為片巖全、強風化層，下伏為片巖中風化層。結合地質資料可知，該測段之間共發育4個斷層。其中K51+932～K51+986段、K53+006～K53+062段視電阻率等值線發生明顯的扭曲變化，推測為斷裂構造F1和F3，北傾，傾角分別為83°、86°，寬度分別為53m、64m，延伸深度較大且穿過洞深標高位置；K52+503～K52+553段、K53+197～K53+257段視電阻率等值線曲線形態發生明顯了扭曲變化，推測存在斷裂構造F2、F4，南傾，傾角分別為83°、78°，寬度分別為50m、60m，延伸深度較大且穿過洞深標高位置。

圖3 某隧道K51+760m～K53+405m電阻率剖面圖

圖4 某隧道K51+760m～K53+405m地質推斷剖面

3.2 某水庫工程

（1）工程概況。為在都蘭縣東南部熱水鄉的察汗烏蘇河中游段擬建某水庫工程，需首先查明該區域內覆蓋層的厚度、壩軸線下游側河道中隱伏斷層的賦存位置及基巖頂板的展布形態，采用EH4大地電磁測深法。

（2）地球物理工作條件。擬建的水庫區域河谷平坦開闊，呈U形，NW274°展布。在枯水期內，當前河道的寬度為10～20m，河谷的寬度為400m。庫區河床的總縱比降約為7.7‰，并且庫區的兩岸都有I級和II級的階地，均呈二元結構，其寬度大約在20～150m，比當地的河水面高出4～20m。庫區出露的地層為三疊系噴出巖與印支期侵入巖，庫岸的主要巖性為三疊系的安山巖，而印支期的灰白色花崗巖主要分布在庫區上游段的左岸。庫區的第四紀地層主要包括坡積、洪積、沖積及崩坡積層，分布于庫區河谷兩岸的山坡上的是坡積及崩坡積層，其巖性主要是碎石土；分布于河床及兩岸階地上的主要是沖擊層，其巖性主要是卵石、礫石層；分布于各個沖溝溝口位置的主要是洪積層，其巖性主要是碎石土。

（3）工作方法。此次采用的是EH4大地電磁測深方法，為了保證數據的質量，提高工作效率，以25m為最優電極距，并且分頻段對數據進行儀器采集，將其分為3個頻組，每個頻組在采集數據時疊加次數不少于4次。通過現場測試采集數據，對頻組進行多次疊加，并且根據對測試結果分析，最后在壩軸線下游從左至右布設EH4大地電磁測線，測點點距為10m。

（4）成果及結論。某水庫壩軸線下游EH4測線電阻率剖面圖及地質推斷剖面圖如圖5所示。由圖5可知，視電阻率沿深度方向存在明顯變化，由10Ω·m增大至約2000Ω·m。結合地質及鉆孔資料，分析認為視電阻率值700Ω·m為覆蓋層與弱風化巖體的分界線，視電阻率小于700Ω·m的上覆地層推測為覆蓋層及全強風化層，視電阻率大于700Ω·m下伏地層推測為弱風化層。樁號282～300m兩側視電阻率等值線斜率發生明顯變化，推測為隱伏斷層的賦存位置，斷層向大樁號方向傾，寬度約17m，延伸深度較深，未能探測到斷層底部。依據EH4成果資料，在斷層位置布置鉆孔，鉆探資料證明此次EH4成果勘測精度較高，結論準確。

圖5 某水庫壩軸線下游EH4測線視電阻率及地質推斷剖面圖

4 結束語

通過分析EH4大地電磁測深在實際工作中的具體應用，筆者認為該方法在工程勘察領域具有廣闊的應用前景，該方法和其他方法的結合，對一些隱覆結構、斷層及破碎帶，覆蓋層等均具有較好的分辨能力。采用天然源，對場地條件要求較低，僅需20m×20m空間即可滿足相關要求；EH4大地電磁法可為相關工作人員提供足夠多的頻點數據，以便獲取豐富的地下電性特征，并且避免了由于源所產生的一系列效應，數據的客觀度與可信度較高，如果采用張量測量方式，則可以最大限度地還原地質體的原貌。但EH4大地電磁測深在實際生產應用中的影響因素較多，如信號不穩定、不規則，容易受到工業噪聲干擾，地表接地條件要求較高。因此，要想取得較高精度、較準確的解釋成果，在開展EH4大地電磁法現場工作時應設法避開高壓線塔，遠離居民村莊集鎮、工業區等地，對于表層為干礫石等過差的接地場地應采取措施進行處理。同時，后期數據處理及資料解釋也至關重要，應合理運用鉆孔、地質及其他物探方法的數據及資料進行分析處理。