大地電磁法在引水隧洞勘察中的應用

黃禮杰 陳春陽

(華東勘測設計院有限公司，福建 福州 350000)

1 大地電磁法概述

本項目磁法勘探采用大地電磁法，所采用的方法設備為儀器設備及其技術參數采用美國Geometrics公司和EMI公司聯合研制的Stratagem EH4電導率成像系統進行數據采集工作。能觀測到離地表幾米至地下1000米內的地質斷面的電性變化信息，基于對斷面電性信息的分析研究，進行地質勘察。該系統適用于各種不同的地質條件和比較惡劣的野外環境。其方法原理與傳統的MT法一樣，利用宇宙中的太陽風、雷電等入射到地球上的天然電磁場信號作為激發場源，又稱一次場，該一次場是平面電磁波，垂直入射到大地介質中，由電磁場理論可知，大地介質中將產生感應電磁場，此感應電磁場與一次場是同頻率的，引入波阻抗Z。在均勻大地和水平層狀大地情況下，波阻抗是電場E和磁場H的水平分量的比值

(1)

(2)

(3)

式中f是頻率，單位是Hz，ρ是電阻率(Ω·M)，E是電場強度(mv/Km)，H是磁場強度(nT),φE是電場相位，φH是磁場相位，單位是mrad。必須指出的是，此時的E與H，應理解為一次場和感應場的空間張量疊加后的綜合場，簡稱總場。在電磁理論中，把電磁場(E、H)在大地中傳播時，其振幅衰減到初始值1/e時的深度，定義為趨膚深度(δ)：

(4)

上述公式為理論上的趨膚深度，根據實踐，探測深度的經驗公式為：

(5)

由(5)式可知，探測深度(H)將隨電阻率(ρ)和頻率(f)的改變而改變，頻率較高的數據反映淺部的電性特征，頻率較低的數據反映較深的地層特征。因此，在一個寬頻帶上觀測電場和磁場信息，并由此計算出視電阻率和相位。可確定出大地的地電特征和地下構造。

2 工程概況

北線引水工程位于深圳市北部，全長約29.92km。起于東莞，途經平湖、觀瀾、龍華、光明、公明，止于石巖。其主要任務是從東莞鳳崗鎮雁田村上埔泵站取東深原水到茜坑水庫、鵝頸水庫與石巖水庫，以解決寶安中西部地區的城市用水問題。

2.1 地形地貌

工區周圍屬低山丘陵地貌類型，主要山脊走向呈東北走向，工區位于公路邊上，工區內地勢平坦，海拔標高70m～80m。工區內合福高鐵南西-北東向穿過，上廣公路自北西-南東向穿過。工區場地基本為水泥路面，周邊有植被覆蓋的山體及居民區。

2.2 地層巖性

本區域出露的地層東部廣泛分布中生代白堊紀早世侵入的坪田凸單元中粗粒黑云母花崗巖，中部分布下侏羅紀系統金雞組地層，區域北西部分布有三疊紀地層計震旦系黃婆山地層，四者呈時代不整合接觸關系。場地分布地層由新到老描述如下：

(1)坪田凸單元侵入巖。

(2)早侏羅系金雞組(J1j)。

(3)晚三疊系小坪組(T3x)。

(4)震旦系黃婆山片巖(Zh)。

2.3 水文地質條件

工區地表溪流較發育，地下水主要賦存石炭系藕塘底組溶洞中，主要由大氣降水和南部山坡地表徑流下滲補給。地下水流向由南向北。

2.4 地質構造

工程區域在大地構造部位上隸屬于紫金—惠陽凹褶斷束的組成部分，是加里東褶皺基底上發育而成的晚古生代凹陷，其后被中、新生代構造疊加、改造、發生過多期次的斷裂和巖漿活動。

近場區的主要斷裂是北西向斷裂束和北東向斷裂帶，此外還有個別規模小的東西向斷裂。

3 工作技術方法及質量評述

3.1 測網布設

本次物探工作依據設計要求開展了大地電磁法測試。物探測線按要求在隧道縱線采用大地電磁測深法進行勘查。大地電磁法測點按設計點位使用RTK進行定位放樣，物探測線具體位置詳見圖1。

圖1 物探勘查平面布置圖

本次GM1線完成大地電磁法測點299個(含15個檢測點)，測線長度4 035m。

3.2 儀器設備

本次工作共投入大電磁法儀器2套，如表1。

表1

3.3 工作原理

大地電磁法勘探是利用巖土體電阻率的差異，通過大地電磁測量，取得測線剖面上的巖土體視電阻率變化特征，根據所測的巖土體視電阻率變化特征和當地地質條件，分析、判斷地層巖性和構造的分布。

3.4 資料處理

采用EH4數據處理系統對大地電磁法資料進行處理，在處理過程中，首先對野外數據進行剔野值、去噪、靜態校正及近場校正等處理，然后進行一維及二維反演成像，得到視電阻率剖面圖。

4 物探成果資料解釋

4.1 物性特征分析及地球物理推斷解釋標志

隧道場區地勢陡峭，坡度較大，坡度大于20°，局部坡度超過35°，隧址區地層表層分布松散覆蓋層，其中粉質黏土層含少量碎石、下伏基巖風化程度差異較大，在縱向上巖土層物性變化明顯，具備開展地球物理勘探工作的條件。

隧道場區內主要巖土體物性參數見表2。

表2 場區巖土體物性參數表

4.2 地質解釋

綜合上述定性分析成果，對本次大地地磁成果進行了詳細的綜合研究，并按照異常類型、編號、平面位置、特征、解釋等五個方面做了具體的描述、推斷解釋，如圖2所示。

圖2 GM1線音頻大地電磁法視電阻率剖面圖

根據物探工作反演成果，我們得到如下地質解釋：

GM1測線里程0～255m段為隧洞進口端，地形較平緩。地表為含細粒土礫，洞身基巖主要為花崗巖。

由電阻率斷面圖知，洞身附近電阻率呈中阻特征，電阻率在600～900Ω·M，推測洞身段巖體破碎。施工時須采取必要措施，加強支護。

GM1測線里程255～730m：地表為含細粒土礫，洞身基巖主要為花崗巖。由電阻率斷面圖知，洞身附近電阻率呈低阻特征，電阻率在450～700Ω·M，推測洞身段巖體破碎, 里程255～735m段電阻率呈下凹趨勢，推測該段為破碎帶，在破碎帶以下里程415～690m段推測該段為裂隙發育帶。施工時須采取必要措施，加強支護。

GM1測線里程730～920 m段：地表為含細粒土礫，洞身基巖主要為花崗巖。由電阻率斷面圖知，洞身附近電阻率呈中高阻特征，電阻率在900～1500Ω·M，推測洞身段巖體較破碎和較完整。

GM1測線里程920～1620 m段：地表為含礫粉質黏土，洞身基巖主要為砂巖和花崗巖。由電阻率斷面圖知，洞身附近電阻率呈中阻特征，電阻率在500～1500Ω·M，推測洞身段巖體較較完整和破碎；其中在洞身里程930～1620m段電阻率低且呈下凹現象，推測上部區域為破碎帶，下部區域為裂隙發育帶。施工時須采取必要措施，加強支護。

GM1測線里程1620～2310 m段：地表為含礫粉質黏土，洞身基巖主要為砂巖。由電阻率斷面圖2知，洞身附近電阻率呈低阻特征，電阻率在650～1500Ω·M，推測洞身段巖體較破碎、破碎和較完整。其中在洞身里程1620～2075m段電阻率呈下凹現象，推測上部區域為破碎帶，下部區域為裂隙發育帶；洞身里程1920～1980m段電阻率呈下凹且向下延伸400m左右，推測該段為斷裂構造帶，傾角60°左右。施工時須采取必要措施，加強支護。

GM1測線里程2310～2910m段:地表為含礫粉質黏土，洞身基巖主要為砂巖。由電阻率斷面圖知，洞身附近電阻率呈低阻特征，電阻率在300～450Ω·M，推測洞身段巖體較破碎、破碎和極破碎，該段為破碎帶。其中在洞身里程2315～2910m段電阻率呈下凹現象，推測上部區域為破碎帶，下部區域為裂隙發育帶；在里程2650～2700m段電阻率有向大里程方向下凹現象，推測該段為斷裂構造帶,斷層附近為破碎帶和裂隙發育帶，傾向北西，傾角80°左右。施工時須采取必要措施，加強支護。

GM1測線里程2910～3540m段：地表為含礫粉質黏土，洞身基巖主要為砂巖。由電阻率斷面圖知，洞身附近電阻率呈低阻特征，電阻率在450～700Ω·M，推測洞身段巖體破碎、較破碎和極破碎。其中在洞身里程2910～3540m段電阻率呈半封閉狀的低阻下凹條狀區域；推測上部區域為破碎帶，2910～3175m段下部區域為裂隙發育帶。施工時須采取必要措施，加強支護。

GM1測線里程3540～4035m段為隧洞出口端，地形較平緩。地表為含礫粉質黏土，洞身基巖主要為片麻巖。該段受多條高壓線的影響，對數據采集有一定干擾，后期數據分析造成一定偏差。由電阻率斷面圖2知，洞身附近電阻率呈低阻特征，電阻率在80～250Ω·M，推測洞身段巖體極破碎。整段電阻率很低，推測為破碎帶和富水洞段含水層，施工時須采取必要措施，加強支護。

5 結論與建議

5.1 結論

通過本次大地電磁物探工作，探測了工作區附近破碎帶、斷層等構造帶分布情況，得出結論如下。

(1)本次物探工作大地電磁測深測線共299個EH4大地電磁測深測點，200m的設計點距，15m加密點距，共計剖面長度4035m，勘探深度300m。圓滿完成了設計工作量，工作效果較好。

(2)根據大地電磁測深剖面測量成果，結合地質工作成果，在勘查區內推測了2條斷裂帶,探明了測區地段基覆界線，劃分了裂隙發育帶、破碎帶、斷層等構造帶，富水洞段含水層、匯水構造的分布等。其中測線1970～2000m段斷層斷面南傾，傾角在60°，斷裂呈現較陡的形態，由南東向北西逆沖; 里程2650～2700m段傾向北西，傾角80°左右。

5.2 建議

本次工作了解了調查區內地質體的電性特征，推測了2條斷層，并大致推測了地下地層分界線，劃分了裂隙發育帶、破碎帶、斷層等構造帶，富水洞段含水層、匯水構造的分布等。雖然以物探測量方法為主做出的推斷解釋評價較為單一，但仍然為調查區下一步工作奠定了基礎，后期建議在鉆探的成果基礎上再次解譯，加強綜合研究才能更好完善成果。

由于物探的多解性及異常成果為地下各種地質體異常的綜合反映，結合鉆孔驗證的成果，建議在設計和施工中，結合鉆探和物探資料的基礎上，及時調整具體實施的整治方案。

在裂隙發育帶、斷裂構造帶區域范圍內，設計和施工中要注意加強支護措施，預防塌方和涌水，確保隧道施工安全順利推進。