山區(qū)鐵路隧道高精度航空磁法勘察研究

李 海 李鵬博

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

引言

在山區(qū)進行鐵路隧道勘測,受地形及氣候條件的限制,在部分區(qū)域無法進行地面物探工作,從而易導致地質資料缺失等問題[1]。 航空物探是一種以飛行器為載體,通過搭載物理探測儀器在飛行過程中探測地球物理場信息,并據此研究地球內部結構、物質組成,解決地質問題的勘查方法。 該方法不受地形限制,可快速高效地開展工作[2-3]。 其中,航空磁法利用航空器攜帶磁力儀,從空中測量地球磁場的變化,以進行地質構造勘察,被廣泛應用于隱伏巖漿巖及斷層探測,俯沖帶、大陸裂谷、巖墻群及地幔柱等構造特征分析,磁性界面(包含結晶基底及居里等溫面)反演,區(qū)域構造劃分以及孕震構造背景研究等領域[4-5]。 根據不同的勘察任務、地形條件選擇合適的飛行平臺,對航空磁法工作順利開展并取得成功至關重要。

崔志強等總結國內航空磁法飛行平臺并對其適用性進行分析[6-7];周文月等建立了飛機飛行姿態(tài)對磁場的干擾模型,對影響進行補償,處理后的結果與國際標準地磁場基本吻合[8];劉首善按航磁補償的執(zhí)行步驟進行了飛機平臺磁干擾建模,模型參數求解,補償飛行方案設計。 另外,還有學者采用量化指標對磁補償效果進行評價,并判定補償效果的優(yōu)劣[9];陳斌等從理論上分析了二度體和三度體模型磁異常與航空磁測飛行高度的關系[10];于長春等提出一套集直升機大比例航空物探測量、數據處理、解釋為一體的高分辨率航磁方法技術,并在湖北黃石大冶鐵礦實現快速找礦[11];李飛等參考實測航磁資料,輔以淺層地震和電磁法資料對栟茶河斷裂的空間展布位置進行了推斷[12];崔志強等利用高精度航空磁測資料,系統(tǒng)地對塔西南坳陷區(qū)域結晶磁性基底的巖相變化、基底隆坳格局、斷裂構造展布規(guī)律等進行了[13];崔志強等還根據湘贛鄂交界區(qū)最新開展的高精度航空物探資料,介紹了區(qū)內航空物探(包括航磁、航空伽瑪能譜)的基本特征,并結合重力等相關資料,推斷了主要的斷裂構造和隱伏巖體[14]。 王明等通過航磁數據分析了不同區(qū)域的航磁異常與區(qū)域火成巖巖性、斷裂構造之間的相互關系[15-16];王生仁通過對航空電法、磁法所得電阻率、磁化率的空間分布的解譯,實現隧道沿線地層巖性、構造、節(jié)理密集帶的全面分析與解釋[17]。

以下綜合前人的研究在山區(qū)鐵路隧道選線階勘察階段采用高精度磁法進行地質勘察,以期提高地質勘探質量,為鐵路工程建設提供一種新的勘察手段。

1 工程概況

1.1 地質概況

某山區(qū)鐵路隧道全長37.965 km,最大埋深1 696 m,呈東北—西南走向。 地質資料表明,工區(qū)出露地層主要為變質巖系,工區(qū)與航磁測線位置見圖1。由圖1 可知,區(qū)域內主要為黑云母二長片麻巖、黑云母斜長片麻巖、角閃片巖、透輝石大理巖、長石石英巖、花崗片麻巖、板巖、千枚巖等。

圖1 工區(qū)與航磁測線位置

1.2 物性分析

物性數據分析表明,隧址區(qū)及其鄰區(qū)規(guī)模巨大的似斑狀黑云母二長花崗巖、含斑黑云母二長花崗巖磁性微弱,在航空磁場上,一般表現為平緩的負背景場特征,不引起局部磁異常。 本區(qū)石英閃長巖、閃長巖磁性較強,范圍變化較大,往往引起寬緩的局部正異常。 閃長玢巖磁性最強,一般表現為顯著的尖峰狀局部正磁異常。 寒武紀片麻狀斜長花崗巖、片麻狀黑云二長花崗巖、片麻狀二云二長花崗巖磁性較低,表現為平緩的負背景場特征,不引起局部磁異常。 第四系主要為更新統(tǒng)湖積粉砂層和全新統(tǒng)沖積卵石土,磁性微弱,一般表現為平緩的負背景場特征,不引起局部磁異常。 本區(qū)所涉及的真巴巖組片麻巖、混合巖等變質巖系磁性微弱,一般表現為平緩的負背景場特征,不會引起局部磁異常。

1.3 測線布置

采用1 ∶5 000 大比例高精度航空磁法進行勘測。首先沿隧道走向布置1 條縱向測線,其次在隧道兩側與隧道平行各布置7 條縱向測線,測線間距為50 m。垂向控制測線間距為500 m,每條測線長度為3 km。測線布置示意見圖2。 本測區(qū)高精度航空磁法測線總長度為617.1 km;垂向控制測線總長度為243 km。

圖2 航空磁法測線布置示意

1.4 儀器設備

空中測量系統(tǒng)主要儀器設備有HC-2000 高精度定位儀;地面日變觀測系統(tǒng)由1 臺銫光泵磁力儀、1 臺微機及收錄系統(tǒng)、1 臺兩筆模擬記錄儀組成。 選擇AS350B3E 型直升飛機作為飛行平臺,見圖3。 該飛機具有性能高、安全可靠等特點。

圖3 AS350B3E 型直升飛機平臺

2 數據處理與解釋

2.1 數據基礎處理

高精度航空磁法勘探數據基礎處理工作主要包括正常場校正、磁日變校正、磁場水平調整。 正常地磁場校正采用IGRF2015 國際地磁參場模型,并對航磁測量數據進行正常場校正;使用實測磁日變數據進行磁日變校正;使用飛行的橫測線進行測線磁場水平調整;使用航空物探軟件系統(tǒng)(GeoProbe Mager)、地球物理處理軟件OASIS、 航空物探彩色矢量成圖軟件AgsMGis 和MAPGIS 等進行數據處理。 數據基礎處理流程見圖4。

圖4 高精度航空磁法基礎數據處理流程

2.2 ΔT 化極

高精度航空磁法勘探中,由于斜磁化的影響,可能造成磁異常中心不能準確地對應地質體的正上方[19],這給確定磁性體的空間位置、形態(tài)、分布范圍以及對磁異常定性定量解釋帶來一定困難。 將ΔT換算為假定磁性體位于地磁極處產生的磁異常,即化極處理。 一般來說,中低緯度受斜磁化影響更加明顯,在進行磁異常解釋之前需要進行化極處理。 化極處理后,通常可以消除磁異常的伴生負異常,增強磁異常的分辨能力以及校正磁異常的中心位置,有

根據磁異常間相互關系,有

式中,ΔT為總磁場的模量異常;Za為垂直磁異常;Ha為水平磁異常;I為磁傾角;A′為磁偏角;Za⊥(0,0)為(0,0)處垂直磁化的垂直異常;ΔT(0,0)為(0,0)處總磁場的模量異常;Ha⊥(0,0)為(0,0)處垂直磁化的水平磁異常。

2.3 2.5D 反演

為了解決高精度航空磁法資料反演深度的問題,根據地層巖性、物性資料和半定量解釋結果,再采用人機交互實時修改,計算機自動迭代反演相結合的方式[20],求取地下磁性地質體埋深、空間形態(tài)和體積裂隙發(fā)育帶的類型、規(guī)模、寬度、埋深及產狀等空間分布等信息,查明復雜地形隧址區(qū)巖性、構造平面分布特征。

2.4 數據地質解釋

依據航磁ΔT化極等值線平面,結合區(qū)域物性資料,對隧址區(qū)斷裂帶、裂隙發(fā)育帶以及巖性、進行劃分和解釋,同時結合剖面2.5D 反演推斷其深部分布情況。

巖性的劃分和確定是在航磁ΔT化極等值線平面圖上,依據磁場強弱、異常形態(tài)、局部異常組合特征進行初步分析解釋,再綜合各類巖石實測磁化率等物性數據、飛行高度、地質資料及遙感影像等確定其巖性、賦存狀態(tài)。 對于花崗巖巖體,還參考了航空放射性探測結果來確定其分布范圍。 此外,通過磁異常曲線形態(tài)分析,結合異常深度計算,利用2.5D 反演方法對隧道區(qū)內具有磁性的隱伏的侵入巖體和巖脈進行劃分。

斷裂帶及裂隙發(fā)育帶兩側地層、巖性往往存在一定差異,反映在航空磁場上,則大多表征為磁場面貌的不同,或形成有一定延伸的磁異常帶;沿著這些斷裂又常有磁性巖體的侵入,從而形成沿斷裂分布的低值異常帶或高值異常帶。 因此,斷裂帶一般依據條帶狀低磁異常或高磁異常帶進行劃分,裂隙發(fā)育帶一般依據條帶狀低磁異常帶進行劃分。 此外,通過2.5D 剖面反演,可以初步確定斷裂及裂隙帶的產狀。

高精度航空磁法綜合地質解釋表明,隧址區(qū)侵入巖非常發(fā)育,巖性復雜,隧道洞身圍巖主要為中新世含斑黑云母二長花崗巖、似斑狀黑云母二長花崗巖及石英閃長巖等中酸性侵入巖體,局部地段分布有不同規(guī)模的閃長玢巖等中基性巖脈。 根據航磁資料,推測隧址區(qū)分布斷裂破碎帶5 條,裂隙發(fā)育帶21 條。 這些斷裂破碎帶和裂隙發(fā)育帶產狀一般較陡。 除F1 斷裂帶寬度達800 m 外,其余斷裂破碎帶和裂隙發(fā)育帶寬度大多在100~200 m 范圍內,剖面產狀陡傾。 CK1241~CK1246 航磁ΔT化極等值線平面見圖5,CK1241~CK1246 航磁巖性、 構造平面見圖6, CK1241 ~CK1246 航空磁法2.5D 反演結果剖面見圖7。

圖5 CK1241~CK1246 航磁ΔT 化極等值線平面

圖6 CK1241~CK1246 航磁巖性、構造平面

將高精度航空磁法與地面物探(AMT)成果進行對比。 采用高精度航空磁法解譯了5 條斷層,地面物探解譯了3 條斷層。 其中,地面物探1 條斷層與航磁的裂隙帶發(fā)育情況基本一致,但位置有差異,其余的斷層位置均不一致。 在相同的段落內,采用航空磁法解譯了17 處裂隙發(fā)育帶,地面物探解譯了8 處裂隙發(fā)育帶,其中航空磁法有8 處和地面物探一致或基本一致,但個別裂隙帶寬度有差異。 具體對比結果見表1。

表1 測區(qū)高精度航空磁法與地面大地電磁法(AMT)對比結果

將航空磁法與鉆孔成果進行對比分析,航空磁法解譯斷層 CK1244 + 020 ~ CK1244 + 300, 在里程CK1244+200 處A5KSZ-21 鉆孔穿過斷層帶,其巖芯可見破碎巖、斷層角礫等斷層帶物質,見圖8。

圖8 A5KSZ-21 鉆孔芯樣照片

通過與目前已有的14 個鉆孔資料進行對比,巖性鉆孔12 個,其中7 個鉆孔巖性一致或基本一致,一致性約58%,斷層鉆孔巖性對比情況見表2。

表2 高精度航空磁法與鉆孔對比結果

3 結論

航磁法在地層巖性分布方面與地面物探一致或基本一致。 在航磁ΔT化極等值線平面上,依據磁場強弱、異常形態(tài)、局部異常組合特征進行初步分析解釋,再通過磁異常曲線形態(tài)分析,結合異常深度計算,利用2.5D 反演方法可以對測區(qū)內具有磁性的隱伏的侵入巖體和巖脈進行圈定。

航磁解釋異常的數量與地面物探解釋存在差異,主要是因為航磁探測反探測巖體的磁性異常,而對巖體是否含水沒有直接反映;地面大地電磁法反映的是巖體的電性參數,對巖體是否含水反映較靈敏。 因此,建議采用多種手段相結合的綜合物探方法。