王志豪，周振廣，張賀飛

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

0 引言

EH4 電磁成像系統(tǒng)是由美國(guó)EMI 公司和Geometrics 公司聯(lián)合研制的電導(dǎo)率張量測(cè)量?jī)x，它依靠其先進(jìn)的電磁數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和處理技術(shù)，將CSAMT(Controlled Source Audio－ frequency Magneto－ telluric)和MT(Magneto－telluric)有機(jī)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了天然信號(hào)源與人工信號(hào)源信號(hào)的采集和處理，既具有較好的穩(wěn)定性，又具有靈活適應(yīng)性。目前，該系統(tǒng)已被應(yīng)用于水利水電、鐵路、礦產(chǎn)等行業(yè)的巖土工程地質(zhì)勘察、地下工程探測(cè)、礦產(chǎn)普查等眾多領(lǐng)域，取得了顯著的探測(cè)效果和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，并在工程實(shí)踐中不斷完善和提高。本文以某水利樞紐的勘察為實(shí)例，說(shuō)明EH4 電磁測(cè)深技術(shù)在斷層及斷層破碎帶探測(cè)中的應(yīng)用情況，以此與同行進(jìn)行切磋，以推動(dòng)EH4 電磁測(cè)深技術(shù)的發(fā)展。

1 基本原理

EH4 電磁測(cè)深技術(shù)是通過(guò)同時(shí)對(duì)一系列地面電場(chǎng)和磁場(chǎng)波動(dòng)的測(cè)量來(lái)獲得地表的電阻抗。通過(guò)野外測(cè)量適時(shí)進(jìn)行傅立葉變換以后以能譜存儲(chǔ)起來(lái)。這些通過(guò)能譜值計(jì)算出來(lái)的表面阻抗是一個(gè)復(fù)雜的頻率函數(shù)，在這個(gè)頻率函數(shù)中，高頻數(shù)據(jù)受到淺部或測(cè)點(diǎn)附近的地質(zhì)體的影響，而低頻數(shù)據(jù)受到深部或遠(yuǎn)處地質(zhì)體的響應(yīng)。一個(gè)大地電磁測(cè)量給出了測(cè)量點(diǎn)以下垂直地層電阻率的估計(jì)值，同時(shí)也表明了在測(cè)量點(diǎn)的地電復(fù)雜性。在那些點(diǎn)到點(diǎn)電阻率分布變化不大的地方，電阻率的探測(cè)是一個(gè)對(duì)測(cè)量點(diǎn)下地電分層的一個(gè)合理估計(jì)［1］。

在不均勻?qū)訝罱橘|(zhì)情況下用上述公式得出的“電阻率值”稱為視電阻率。一般說(shuō)來(lái)，視電阻率不是某層介質(zhì)的真正電阻率，而是地下層狀介質(zhì)電性參數(shù)分布的綜合反映。視電阻率與地電斷面參數(shù)及觀測(cè)電場(chǎng)信號(hào)的頻率有關(guān)。一定頻段的大地電磁場(chǎng)有一定的穿透深度和影響范圍，而視電阻率就表示這一范圍內(nèi)地電斷面的“平均”效應(yīng)。

從上述公式可以看出趨膚深度δ 和勘探深度h 都與電磁波的頻率和地下物質(zhì)的電阻率有關(guān)，即與頻率的平方根成反比，與大地介質(zhì)的電阻率的平方根成正比。當(dāng)工作頻率高時(shí)，探測(cè)深度小，隨著工作頻率降低，探測(cè)深度也隨著增大。在地下電阻率一定的情況下，頻率越高趨膚深度和勘探深度越淺，反之亦深。在頻率一定的情況下地下電阻率越小趨膚深度和勘探深度越淺，反之電阻率越高探測(cè)深度越深。當(dāng)在一個(gè)寬頻帶(如EH4 的工作頻率10 Hz～100 kHz)上由高頻向低頻測(cè)量每個(gè)頻點(diǎn)上的E 和H，由此計(jì)算出視電阻率和相位變化規(guī)律，據(jù)此確定該點(diǎn)上一定體積范圍內(nèi)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)情況，這就是EH4 電磁頻率測(cè)深的基本原理。

2 工程實(shí)例

2.1 概況

某水利樞紐開(kāi)發(fā)方案為梯級(jí)開(kāi)發(fā)，梯級(jí)電站均采用低壩徑流引水式發(fā)電。建筑物主要由低壩引水樞紐、發(fā)電引水隧洞、發(fā)電廠房及廠區(qū)附屬建筑組成。

工程區(qū)位于喀喇昆侖山腹地，地殼活動(dòng)較強(qiáng)烈地區(qū)，且該區(qū)域有一條發(fā)震斷裂穿過(guò)，該工程處于構(gòu)造活動(dòng)區(qū)，屬于高山峽谷地段，呈“V”形谷，壩址兩岸山體基巖裸露，卸荷較為明顯，壩址上下游及左右岸均有坡崩積物存在。岸坡坡度約＞60°。河床部位為第四系地層，推測(cè)河床沖洪積物深度較厚。區(qū)內(nèi)主要地層為二疊系中統(tǒng)灰?guī)r、燕山早期英云閃長(zhǎng)巖、喜馬拉雅期石英正長(zhǎng)巖和第四系松散堆積物組成。

2.2 探測(cè)技術(shù)及資料處理［2，3］

野外工作時(shí)其電偶極方向應(yīng)采用羅盤儀定向，用皮尺測(cè)量偶極水平距離，并進(jìn)行地形改正，誤差＜1 m，方位差＜1°。

磁棒離前置放大器＞5 m，為了消除人為因素干擾兩個(gè)磁棒最好要埋在地下，保證其平穩(wěn)，用羅盤儀定向使Hx、Hy兩磁棒相互垂直，且兩磁棒距離至少2～3 m，誤差控制在＜±1°，且水平。所有的工作人員離開(kāi)磁棒至少5 m，盡量選擇遠(yuǎn)離房屋、電纜、大樹(shù)的地方布置磁棒。

根據(jù)探測(cè)目的、探測(cè)條件和地形、地物等因素，一般選擇電偶極距20～30 m 為佳，最大為50 m。此時(shí)盡量使測(cè)點(diǎn)距等于電偶極距，實(shí)現(xiàn)首尾相連的完整覆蓋觀測(cè)而形成電阻率探測(cè)剖面。當(dāng)條件較差時(shí)也可使測(cè)點(diǎn)距大于電偶極距(其差值一般為10～20 m)進(jìn)行非完整覆蓋觀測(cè)，此時(shí)形成的電阻率探測(cè)剖面為首尾相隔的非完整剖面(即在測(cè)點(diǎn)之間有漏區(qū))，靜態(tài)效應(yīng)相對(duì)明顯。

EH4 電磁系統(tǒng)自帶的簡(jiǎn)易數(shù)據(jù)處理軟件操作處理流程為:啟動(dòng)IMAGEM→修改圖形顯示坐標(biāo)OPTIONS(含電極坐標(biāo)、頻率比例、電阻率比例、深度比例、相關(guān)度、數(shù)據(jù)坐標(biāo)等)→數(shù)據(jù)分析DATA ANALYSIS(查看數(shù)據(jù)等)→一維分析1-D ANALYSIS(分析刪除電阻率曲線)→二維電阻率剖面分析2-D ANALYSIS(含圓滑系數(shù)、剖面起始點(diǎn)、剖面終點(diǎn)、反演繪圖、保存反演數(shù)據(jù)文件等)→surfer 繪圖→修飾調(diào)整→最終成果圖。

2.3 成果分析

巖體的電阻率取決于它的破碎程度及其含水飽和度。完整的巖體具有明顯的高阻特征，其電阻率可高達(dá)幾千Ω·m，甚至幾萬(wàn)Ω·m，而當(dāng)巖體破碎且含有大量水時(shí)，地層電阻率將大大降低，且降低的程度與富水程度有關(guān)。據(jù)此，通過(guò)探測(cè)地下巖層的電阻率及其變化，可以判定巖層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和含水狀況，同時(shí)根據(jù)斷層附近巖層的電阻率高低可判斷斷層的導(dǎo)水情況。

圖1 為該工程二級(jí)電站輸水隧洞支洞段EH4 電磁測(cè)深視電阻率等值線斷面圖。綜合分析本次物探測(cè)試成果，結(jié)合地質(zhì)勘察成果和以往物探結(jié)果，對(duì)該段綜合物探剖面解釋如下:

該測(cè)段的實(shí)測(cè)電阻率橫向和垂向上變化范圍均較大，一般表層為松散坡積物，層厚約51.3～78.2 m，隨高程升高有變淺趨勢(shì)，視電阻率范圍值2～500 Ω·m。

該層下部為基巖，由圖可見(jiàn)基巖段巖體分為三段:0～100 m 段，表現(xiàn)為高阻體，其視電阻率范圍值500～4 000 Ω·m，推測(cè)為喜馬拉雅期石英正長(zhǎng)巖的反映;100～170 m 段，表現(xiàn)為低阻異常體，其視電阻率范圍值20～500 Ω·m，推測(cè)為斷層及破碎帶的反映，該段等值線近直立;170～300 m 段，表現(xiàn)為高阻異常體，其視電阻率范圍值500～5 000 Ω·m，推測(cè)為喜馬拉雅期石英正長(zhǎng)巖的反映;根據(jù)電阻率等值線的變化形態(tài)推測(cè)該斷層傾向近直立。

圖2 為該工程壩址區(qū)順河向一條測(cè)線的EH4 電磁測(cè)深視電阻率等值線斷面圖。綜合分析本次物探測(cè)試成果，結(jié)合前期地質(zhì)勘察成果和以往物探結(jié)果，對(duì)該段綜合物探剖面解釋如下:

整條測(cè)線的實(shí)測(cè)電阻率垂向變化較大，表層卡尼亞電阻率為30～500 Ω·m，底界面深度一般為42.7～69.3 m，對(duì)應(yīng)高程為3 489.3～3 505.9 m，為表層松散沖洪積物，下部卡尼亞視電阻率一般＞500 Ω·m，為基巖的反映;而橫向上電阻率變化均相對(duì)較小，但在樁號(hào)230～270 m，高程約3 427～3 490 m 左右的基巖層內(nèi)存在一橫向上相對(duì)低阻帶，該段電阻率梯度變化較大，低阻帶卡尼亞電阻率＜500 Ω·m，基于當(dāng)巖體存在裂隙且富含水時(shí)，可使該巖體電阻率相對(duì)該層無(wú)水時(shí)一般降低約1 個(gè)數(shù)量級(jí)，推測(cè)為富含水的斷層破碎帶的反映，傾向近直立。

圖1 輸水隧洞支洞某測(cè)線EH4 電磁測(cè)深視電阻率等值線斷面圖Fig.1 Sectional drawing of aparent resistivity contour lines of EH4 electromage netic sounding of branchtunnel of water delievery tunnel

以上勘探成果均經(jīng)地質(zhì)工程師現(xiàn)場(chǎng)勘察認(rèn)證，其位置與影響帶與圖中揭示基本一致。

3 結(jié)語(yǔ)

理論與實(shí)踐證明，EH4 電磁測(cè)深技術(shù)在探測(cè)斷層破碎帶時(shí)能夠發(fā)揮重要作用，尤其對(duì)富含水的斷層破碎帶進(jìn)行探測(cè)時(shí)，可形象地揭示斷層破碎帶的空間展布規(guī)律，取得較好的應(yīng)用效果。通過(guò)實(shí)踐我們認(rèn)為還有如下特點(diǎn):

(1)EH4 電磁系統(tǒng)對(duì)于工作場(chǎng)地狹小的較大埋深目標(biāo)體的測(cè)試具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì);

(2)在數(shù)據(jù)采集時(shí)對(duì)干擾信號(hào)的處理至關(guān)重要，此環(huán)節(jié)決定了探測(cè)的成敗;

(3)該系統(tǒng)穿透能力強(qiáng)，在淺部存在較低阻的情況下仍能達(dá)到可觀的勘探深度;

(4)它具有較高的分辨率，可以分辨出較小的地質(zhì)構(gòu)造。

圖2 壩址區(qū)某順河向測(cè)線EH4 電磁測(cè)深視電阻率等值線斷面圖Fig.2 Sectional drawing of apparent resistivity contour lines of EH4 electromagnetic sounding of dam area

［1］SL326—2005，水利水電工程物探規(guī)程［S］.

［2］王玉和，王厚臣，等.EH4 電磁方法在斷層定位及導(dǎo)水性探測(cè)中的應(yīng)用［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010(4):35－39.

［3］湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁法及其應(yīng)用［M］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2005.