可控源音頻大地電磁法在公路隧道地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

蘇曉璐

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

在地形條件較差和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地區(qū)，斷層帶、褶皺、節(jié)理裂隙發(fā)育、地下水豐富、隧道圍巖工程地質(zhì)條件較差等都會(huì)增加隧道的施工難度和風(fēng)險(xiǎn)，如何高效準(zhǔn)確地進(jìn)行隧道地質(zhì)勘察成為一個(gè)需要迫切解決的問題[1-2]。可控源音頻大地電磁法是一種人工控制場(chǎng)源的頻率測(cè)深手段，采集數(shù)據(jù)方式相對(duì)簡(jiǎn)單，可以直接在地表進(jìn)行觀測(cè)，可以通過改變發(fā)射頻率探測(cè)不同深度介質(zhì)的電性差異。本文介紹了可控源音頻大地電磁法在一公路隧道地質(zhì)勘察中的應(yīng)用，通過探測(cè)初步得到了該隧道的地質(zhì)斷面情況，為下一步勘察設(shè)計(jì)與施工提供了一定的地質(zhì)基礎(chǔ)。

1 測(cè)區(qū)區(qū)域地質(zhì)概況及地球物理?xiàng)l件

1.1 地形地貌

測(cè)區(qū)屬于構(gòu)造剝蝕峽谷地貌，沿測(cè)線地形較起伏，地表植被發(fā)育，多灌木，局部有第四系覆蓋。

1.2 氣象水文

測(cè)區(qū)屬暖溫帶氣候，春暖干燥，降水較少，氣溫回升快而不穩(wěn)定，多風(fēng)沙天氣；夏季炎熱干燥，間有起伏；秋季涼爽，較濕潤(rùn)，氣溫下降快；冬季寒冷干燥，氣溫低，雨雪稀少。全年平均氣溫9℃～16℃，年平均降水量340～1 240 mm。

1.3 地層巖性

測(cè)區(qū)主要巖性為三疊系板巖加砂巖。板巖灰黑色，砂巖青灰色，板巖中厚層狀結(jié)構(gòu)，變余泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，板理、層理發(fā)育，板巖單層厚度20～30 cm，風(fēng)化帶板巖敲擊易沿板理面開裂。砂巖中厚塊狀結(jié)構(gòu)，單層厚度20～30 cm，層理發(fā)育，層面平整，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度22～25 MPa，為較軟巖石。巖體中節(jié)理發(fā)育。

1.4 地球物理?xiàng)l件

該次勘察旨在探明基巖風(fēng)化層厚度、基巖起伏情況、不同巖性的接觸關(guān)系以及基巖裂隙水和賦水情況等。隨地層變化、巖石風(fēng)化程度變化，地下電性介質(zhì)會(huì)存在較大差異[1]，如果裂隙中賦水則電性差異更明顯。

2 方法原理

可控源音頻大地電磁法是一種外加人工源的電磁勘探方法，利用人工發(fā)射一定頻率的電磁場(chǎng)，經(jīng)地下介質(zhì)的反射和折射后，可以在地表觀測(cè)到與地下不同介質(zhì)的電導(dǎo)率差異有關(guān)的一次場(chǎng)點(diǎn)位和磁場(chǎng)強(qiáng)度變化[3-4]。電磁場(chǎng)遵從麥克斯韋方程組：

式中：E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁通密度，WB/m2；D為電感應(yīng)強(qiáng)度或電位移，C/m2；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；j為電流密度，A/m2；ρ為自由電荷密度，C/m3。在各向同性介質(zhì)中，電磁場(chǎng)的基本量可以通過物性參數(shù)ε和μ聯(lián)系起來：

式中：σ為介質(zhì)電導(dǎo)率，S/m；ε為介質(zhì)的介電常數(shù)；μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率。

假設(shè)地層為二層模型，求解二階微分電磁方程組，可以得到地面的阻抗值：

3 野外數(shù)據(jù)采集

野外采用十字形觀測(cè)系統(tǒng)，水平方向電磁道分別按磁北（x）磁東（y）互相垂直鋪設(shè)，野外觀測(cè)裝置布置示意圖見圖1。

圖1 野外觀測(cè)裝置布置示意圖

采集系統(tǒng)采用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的DRU接收系統(tǒng)，該接收系統(tǒng)單機(jī)共12個(gè)通道，包括3個(gè)磁道和9個(gè)電通道，低頻采樣率可以降到24 kHz，高頻采樣率可以達(dá)到600 kHz，動(dòng)態(tài)范圍大于130 dB，室外工作溫度范圍為-35℃～50℃，滿足項(xiàng)目對(duì)采集系統(tǒng)的要求。

野外測(cè)線和測(cè)點(diǎn)布置見圖2，測(cè)點(diǎn)沿著隧道線位布設(shè)，隧道全長(zhǎng)3 760 m，共設(shè)126個(gè)可控源音頻大地電磁測(cè)點(diǎn)，單個(gè)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)為30 min，場(chǎng)源布置在測(cè)區(qū)8 km以外，以保證在發(fā)射源的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行觀測(cè)。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

在數(shù)據(jù)采集之前需要對(duì)各儀器進(jìn)行一致性試驗(yàn)和平行觀測(cè)，以保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。一致性試驗(yàn)就是各臺(tái)儀器采用相同的裝置參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果經(jīng)過編輯計(jì)算之后，80%以上頻點(diǎn)的視電阻率和相位的均方誤差應(yīng)小于5%。平行觀測(cè)需要將磁棒平行放在同一個(gè)方向、電極布置在同一個(gè)電極坑內(nèi)進(jìn)行，檢查磁棒和電極之間的誤差是否達(dá)標(biāo)，防止偶然誤差的產(chǎn)生。在觀測(cè)過程中還需要布置檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)要大于3%均勻分布，檢查間隔時(shí)間大于24 h，均方誤差小于5%視為滿足觀測(cè)要求。

4 勘探結(jié)果處理及反演計(jì)算

4.1 電磁資料去噪處理

電磁噪聲的干擾在野外采集中很難避免，數(shù)據(jù)與圖像處理過程中對(duì)電磁噪聲污染進(jìn)行抑制是必不可少的步驟。有效的去噪手段可以較準(zhǔn)確地恢復(fù)數(shù)據(jù)曲線形態(tài)。Robust方法可以對(duì)不相關(guān)噪聲起到抑制作用，對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Robust計(jì)算能夠得到較好的去噪效果。

4.2 電性主軸與極化模式識(shí)別

實(shí)際的地質(zhì)結(jié)構(gòu)幾乎都是三維的，但是在一定深度下有固定方向延伸的地質(zhì)體可以認(rèn)為是二維的，淺地表的局部異常體會(huì)引起大地電磁資料的局部畸變，因?yàn)楫?dāng)局部異常體相對(duì)于電磁波波長(zhǎng)較小時(shí)，視電阻率曲線會(huì)嚴(yán)重畸變，通過觀測(cè)阻抗和旋轉(zhuǎn)矩陣之間的旋轉(zhuǎn)計(jì)算可以在一定程度上消除這種局部畸變的影響，從觀測(cè)阻抗中提取出區(qū)域構(gòu)造阻抗，得到阻抗的優(yōu)勢(shì)方位角，從而指導(dǎo)認(rèn)識(shí)地質(zhì)構(gòu)造的走向或傾向。

大地電磁每個(gè)測(cè)點(diǎn)可以測(cè)得兩條視電阻率曲線，野外的觀測(cè)方式通常是以南北—東西方向布極，觀測(cè)的電場(chǎng)很難平行或垂直于構(gòu)造走向。野外觀測(cè)得到的兩條視電阻率曲線分別是ρxy和ρyx，根據(jù)電性主軸方位，對(duì)觀測(cè)阻抗進(jìn)行旋轉(zhuǎn)計(jì)算，才能獲得兩條不同極化模式的視電阻率曲線ρTE和ρTM。

4.3 靜校正

近地表電性不均勻和地形起伏對(duì)大地電磁測(cè)深觀測(cè)結(jié)果能產(chǎn)生很大影響。按照引起靜位移的原因可以把靜位移分為電流型畸變和感應(yīng)型畸變，分別受剩余電荷和感應(yīng)電荷的影響。空間濾波是一種有效的空間平均效應(yīng)下的低通濾波方法，可以沿著測(cè)線方向進(jìn)行濾波來壓制靜態(tài)效應(yīng)：

式中：i為測(cè)點(diǎn)號(hào)；j為頻點(diǎn)號(hào)；M、N都是頻點(diǎn)（M＞N）。

利用矯正系數(shù)得到每個(gè)點(diǎn)的權(quán)重，便可以得到校正后的視電阻率值。

實(shí)際處理過程中采用空間濾波的方式有效地壓制了高頻靜位移的影響。

4.4 反演計(jì)算

由地下介質(zhì)的模型參數(shù)計(jì)算地表電磁響應(yīng)稱為電磁勘察的正演問題，相應(yīng)地，由地表觀測(cè)的電磁響應(yīng)來計(jì)算地下介質(zhì)的模型參數(shù)稱為電磁勘察的反演問題，正演是基礎(chǔ)，反演是目的。Occam反演既能滿足反演計(jì)算得到的模型參數(shù)誤差，又能滿足模型的光滑程度。對(duì)資料數(shù)據(jù)進(jìn)行Occam反演計(jì)算，在反演過程中每次迭代步長(zhǎng)λ可以控制步和光滑程度。每次迭代的時(shí)候都對(duì)λ進(jìn)行搜索來尋求數(shù)據(jù)擬合差最小的電阻模型作為下一次迭代的正演模型，對(duì)λ選取傳統(tǒng)的二分法搜索，初始值設(shè)定為1，將λ設(shè)定為指數(shù)上標(biāo)在設(shè)定的區(qū)間內(nèi)搜索，直至目標(biāo)函數(shù)極值滿足誤差允許范圍。實(shí)際操作中反演初始模型設(shè)置為均勻半空間，要求最終的擬合誤差小于5%，根據(jù)趨膚深度計(jì)算滿足目標(biāo)探測(cè)深度，最終得到反演成果圖。

圖3 反演成果圖

5 結(jié)果分析

從數(shù)據(jù)處理和反演后得到的視電阻率等值線圖可見，電阻率差異明顯，為地質(zhì)解釋提供了可信的物性基礎(chǔ)。依據(jù)介質(zhì)電阻率、該區(qū)地質(zhì)資料以及鉆孔資料信息，將地層作出如下劃分：風(fēng)化板巖夾砂巖，電阻率約100～200 Ω·m；三疊系板巖夾砂巖，巖體破碎，富水，電阻率約100～200 Ω·m；三疊系板巖夾砂巖，巖體較破碎，中等富水，電阻率約200～400Ω·m；三疊系板巖夾砂巖，巖體較完整，中等富水，電阻率約400～1 200 Ω·m；節(jié)理裂隙發(fā)育帶，巖體破碎，富水，電阻率約100～200 Ω·m。

從圖4中可以看出該隧道在DK72+425—DK72+643范圍內(nèi)存在一節(jié)理發(fā)育帶，由于裂隙賦水，相對(duì)于圍巖呈現(xiàn)低阻特性。可控源音頻大地電磁勘察之后進(jìn)行了鉆探勘察驗(yàn)證，在識(shí)別出的裂隙帶范圍內(nèi)取芯，巖芯主要描述如下：黑色、黑灰色，板狀構(gòu)造，礦物成分以云母、石英、長(zhǎng)石為主，巖體組織結(jié)構(gòu)部分破壞，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，巖芯呈柱狀，一般柱長(zhǎng)5～15 cm，巖芯表面可見明顯溶蝕現(xiàn)象，夾雜泥灰?guī)r。鉆孔巖芯資料與可控源音頻大地電磁法勘察結(jié)果基本吻合。

圖4 地質(zhì)解釋圖

6 結(jié)論

該次可控源音頻大地電磁勘察初步探明洞身范圍內(nèi)的巖體完整性及賦水程度，勘察發(fā)現(xiàn)賦水的節(jié)理裂隙發(fā)育帶1處。可控源音頻大地電磁法勘察可直接在地表進(jìn)行觀測(cè)，通過觀測(cè)不同頻率的電磁場(chǎng)信息可以得到地下不同深度介質(zhì)的電性差異，有效地提高了勘察的效率。但是由于電磁探測(cè)本身的體積效應(yīng)會(huì)給反演結(jié)果帶來多解性，所以將可控源音頻大地電磁勘探與鉆探及其他勘探數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行約束反演和解釋，既能提高勘察的效率，又能提高勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性。