王 粵， 龔育齡， 楊 露， 莫子奮

(1.江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院， 贛州 341000；2.東華理工大學(xué)， 南昌 330013；3.江西省核工業(yè)地質(zhì)局 二六五地質(zhì)大隊(duì)， 鷹潭 335001)

0 前言

安全處置高放廢物是一項(xiàng)關(guān)系到核工業(yè)可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)環(huán)境和保護(hù)人民健康的重要而緊迫的重大課題，并且是一個(gè)世界性難題。目前提出的方案是深地質(zhì)處置，即在距離地表約500 m-1 000 m的地質(zhì)體中建造“地質(zhì)處置庫”，通過工程屏障和天然屏障永久隔離高放廢物。目前，甘肅北山高放廢物處置預(yù)選場(chǎng)址主要目標(biāo),是位于北山中南部地區(qū)的舊井、新場(chǎng)、野馬泉的三個(gè)花崗巖的巖體[1-10]。

EH4電磁儀是美國EMI公司與GEOMEIRCS公司聯(lián)合開發(fā)的STRATAGEM(TM)電導(dǎo)率成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用天然的和人工的電磁信號(hào)，能在各種地形上產(chǎn)生電導(dǎo)率連續(xù)剖面[11]。作為此次項(xiàng)目的主要研究手段，在戈壁地區(qū)開展電磁法工作，具有探測(cè)深度大，對(duì)接地條件要求相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)。從應(yīng)用效果來看，電磁法資料可以了解巖體的邊界、埋深以及與斷層的接觸關(guān)系，也可以發(fā)現(xiàn)巖體中的局部不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)。然而在電磁法觀測(cè)中，由于近地表電性結(jié)構(gòu)非均勻性，在不均勻體周圍引起電流密度或稀疏分布，從而使觀測(cè)的電場(chǎng)分量發(fā)生變化，形成局部畸變異常。這種畸變異常在大地電磁觀測(cè)中比較常見，因此采用一定技術(shù)消除這種畸變異常,對(duì)觀測(cè)資料的分析處理具有重要的意義[12]。

1 大地電磁測(cè)深的張量阻抗理論

1.1 張量阻抗

在水平非均勻構(gòu)造及各向異性介質(zhì)影響下，阻抗隨時(shí)間及測(cè)量方向而變化，這時(shí)其具有張量性質(zhì)。

對(duì)于非一維構(gòu)造的電阻率分布，不但沿垂向z方向變化，而且在水平方向上也是不均勻的，這時(shí)在一定的觀測(cè)坐標(biāo)下，在地面沿兩個(gè)正交方向所測(cè)得的視電阻率是不等的，即：

ρxy=ρyx

(1)

式中

顯然，對(duì)具有明顯構(gòu)造走向方向二維地質(zhì)介質(zhì)分布而言，其電阻率沿走向x方向是穩(wěn)定的，而沿垂向z方向和傾向y方向是變化的；若電阻率沿x、y、z三個(gè)方向都有變化，則為更復(fù)雜的三維電阻率分布。大地電磁平面波垂直入射到此類介質(zhì)后，其麥克斯韋方程式展開后得到：

(2)

及

(3)

式(2)、式(3)中對(duì)應(yīng)的矢量分量應(yīng)相等，同時(shí)注意到凡是對(duì)x的偏導(dǎo)數(shù)皆為零，于是有：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

從以上公式可以看出，對(duì)任何一個(gè)垂直入射的平面波來說，沿構(gòu)造方向(即走向x方向傾向y方向)可以分解為兩組獨(dú)立的線性偏振波，分別稱為H極化波和E極化波(H表示磁場(chǎng)平行構(gòu)造方向；E表示電場(chǎng)平行構(gòu)造方向。)一組含有的分量為(0,Ey,Ez)、(Hx,0,0)；另一組為(Ex,0,0)、(0,Hy,Hz))，x、y軸又稱為電性主軸。在二維介質(zhì)中出現(xiàn)了電磁場(chǎng)的垂直分量Ez和Hz，這是與一維介質(zhì)的主要區(qū)別之一，它是由y方向上介質(zhì)的不均勻性而引起的。將式(1)、式(4)-式(7)按與H極化波組及與E極化波組有關(guān)的歸納如下：

E極化(Ey,Hx) H極化(Ex,Hy)

對(duì)以上兩類極化波可分別寫出相應(yīng)的表面阻抗表達(dá)式為式(10)與式(11)：

H極化時(shí)表面阻抗ZTM為：

(10)

E極化時(shí)表面阻抗ZTE為：

(11)

在一般情況下，ZTE≠ZTM，因而就有：ρTE≠ρTM。這表明在非一維即水平非均勻構(gòu)造情況下，沿電性主軸方向觀測(cè)時(shí)會(huì)得到兩條不相同的視電阻率曲線。這時(shí)電磁場(chǎng)分量之間的關(guān)系可以通過阻抗ZTE與ZTM來確定：

Ex=ZTEHy;Ey=-ZTMHx

(12)

但實(shí)際觀測(cè)時(shí)卻不可能沿電性主軸方向進(jìn)行，對(duì)任意兩個(gè)正交的觀測(cè)方向來說，其大地電磁場(chǎng)的關(guān)系如圖(1)所示，設(shè)x、y為電性主軸方位，而x’、y’為觀測(cè)方位，兩坐標(biāo)系之間的夾角為θ。根據(jù)矢量投影關(guān)系，沿x’、y’方位上測(cè)量的電場(chǎng)分量與電性主軸方位上的電性主軸方位上的電場(chǎng)分量之間的關(guān)系為式(13)。

圖1 電性主軸坐標(biāo)系和測(cè)量坐標(biāo)系Fig．1 The coordinate system of electrical spindle and the measuring

(13)

同樣相應(yīng)磁場(chǎng)分量之間的關(guān)系為式(14)。

(14)

將式(12)和式(13)代入(14)式，得到式(15)和式(16)。

(15)

(16)

式(15)與式(16)描述了在任意一個(gè)測(cè)量方位上測(cè)得的電場(chǎng)與磁場(chǎng)分量間的關(guān)系，其簡約形式如式(17)所示。

(17)

式中

Zxy=ZTEcos2θ+ZTMsin2θ，

Zyx=-(ZTEsin2θ+ZTMcos2θ)，

顯然，若θ等于零，即測(cè)量方位與電性主軸方向正好重合時(shí)，式(17)就是式(12)。上述各式還說明任意方向上的電場(chǎng)不只與其垂直方向上的磁場(chǎng)有關(guān)，而且與其同方向上的磁場(chǎng)也有關(guān)，此時(shí)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)并不總是正交的，當(dāng)測(cè)量軸為任意取向時(shí)，電場(chǎng)分量與磁場(chǎng)分量之間的關(guān)系必須通過Zxx、Zxy、Zyx、Zyy四個(gè)量來描述，而這四個(gè)量都與測(cè)量軸的取向(即θ角)有關(guān)，這正是非均勻介質(zhì)中大地電磁場(chǎng)阻抗的重要特性，它符合張量的定義，因此Zxx、Zxy、Zyx、Zyy四個(gè)量所確定的阻抗為張量阻抗。

1.2 阻抗張量的SWIFT旋轉(zhuǎn)分解

SWIFT旋轉(zhuǎn)是將所觀測(cè)的大地電磁阻抗張量元素Z在水平面內(nèi)做旋轉(zhuǎn)分解，得到反映區(qū)域構(gòu)造的兩個(gè)主軸阻抗和反映區(qū)域構(gòu)造主軸方位角的經(jīng)典阻抗張量分解方法[13]。

設(shè)在觀測(cè)系統(tǒng)的任意測(cè)量坐標(biāo)系xyz中，非均勻介質(zhì)的大地電磁阻抗張量為：

(18)

將坐標(biāo)系中的x、y平面其繞z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ，則在旋轉(zhuǎn)后的新坐標(biāo)系中阻抗張量變?yōu)椋?/p>

Z'(θ)=R(θ)ZRT(θ)

(19)

式中Z是所觀測(cè)的阻抗張量，

是旋轉(zhuǎn)矩陣。

旋轉(zhuǎn)后新坐標(biāo)系中的阻抗張量Z′(θ)各分量與沒旋轉(zhuǎn)時(shí)阻抗分量的關(guān)系為：

cos2θ+(Zxy+Zyx)sin2θ]

(20)

cos2θ-(Zxx-Zyy)sin2θ]

(21)

cos2θ-(Zxx-Zyy)sin2θ]

(22)

cos2θ-(Zxy+Zyx)sin2θ]

(23)

通過旋轉(zhuǎn)角θ使主阻抗的絕對(duì)值平方和最大或輔阻抗的絕對(duì)值平方和最小即：

或

(24)

則表明已旋轉(zhuǎn)到構(gòu)造的電性主軸上，此時(shí)旋轉(zhuǎn)角θ就是測(cè)量坐標(biāo)系中電性構(gòu)造走向或傾向與測(cè)量軸北向之間的夾角?？衫媒馕龇ň_地求出構(gòu)造的主軸方位，對(duì)式(24)進(jìn)行求導(dǎo)得式(25)。

或

(25)

則有：

(Zxx-Zyy)+(Zxx-Zyy)*(Zxy+Zyx)]cos4θ-[(Zxy+Zyx)*(Zxy+Zyx)-(Zxx-Zyy)*(Zxx-Zyy)]sin4θ=0

(26)

可得：

(27)

式中

2 高頻大地電磁資料的定性分析

2.1 電性主軸方位角的確定

對(duì)北山預(yù)選區(qū)舊井測(cè)線和新場(chǎng)測(cè)線部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行阻抗張量旋轉(zhuǎn)分解，圖2與圖3分別為舊井80號(hào)～160號(hào)測(cè)點(diǎn)與新場(chǎng)100號(hào)～180號(hào)測(cè)點(diǎn)SWIFT旋轉(zhuǎn)角θ隨頻率變化的剖面圖。

圖2 舊井測(cè)線80～160號(hào)測(cè)點(diǎn)SWIFT旋轉(zhuǎn)角θ剖面圖Fig．2 The profile of the angle with SWIFT rotation between point 80 and 160 in Jiujing

圖3 新場(chǎng)測(cè)線100～180號(hào)測(cè)點(diǎn)SWIFT旋轉(zhuǎn)角θ剖面圖Fig．3 The profile of the angle with SWIFT rotation between point 100 and 180 in Xinchang

由旋轉(zhuǎn)分解的物理意義可知：①對(duì)于旋轉(zhuǎn)角度為零或很小的區(qū)域，說明地下介質(zhì)是均勻的或者觀測(cè)坐標(biāo)系正好在其二維軸上；②對(duì)于旋轉(zhuǎn)角度大的區(qū)域，說明地下介質(zhì)偏離二維較多，且會(huì)存在橫向的電性不均勻性。圖2與圖3從整體上說明了觀測(cè)區(qū)地下介質(zhì)的維數(shù)特征，對(duì)于舊井測(cè)線80號(hào)～100號(hào)測(cè)點(diǎn)從低頻到高頻其旋轉(zhuǎn)角度非常小，在-5°～5°之間，無論是縱向還是橫向變化相對(duì)均勻，說明測(cè)點(diǎn)所在的地下介質(zhì)處于一維或介于一維和二維之間；100號(hào)～105號(hào)及120號(hào)～140號(hào)測(cè)點(diǎn)低頻部分旋轉(zhuǎn)角度變化相對(duì)較大，在橫向上存在不連續(xù)；130號(hào)～140號(hào)測(cè)點(diǎn)縱向旋轉(zhuǎn)角變化幅度較大，說明剖面所在區(qū)域由淺到深電性結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；總體來看，舊井測(cè)線所在區(qū)域的構(gòu)造主軸方位角在-10°～20°之間。對(duì)于新場(chǎng)測(cè)線，較舊井測(cè)線復(fù)雜，但構(gòu)造主軸方位角總體范圍一致，在-10°～20°之間，局部如155號(hào)～165號(hào)測(cè)點(diǎn)低頻段部分、110號(hào)～120號(hào)測(cè)點(diǎn)中頻段及高頻段部分變化幅度較大，說明其偏離二維較多，局部呈三維特性，存在構(gòu)造的可能性較大。

2.2 阻抗張量的極化特征

阻抗張量的極化特征即為大地電磁矢量場(chǎng)隨時(shí)間的變化特征，對(duì)頻率域中阻抗張量或場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)的極化問題的探討，尤其是二維構(gòu)造的線性極化，三維構(gòu)造的橢圓極化以及橢率的研究分析，不僅能了解場(chǎng)源的自身特性，對(duì)構(gòu)造的維數(shù)特征也可進(jìn)行深入地分析。大地電磁中磁場(chǎng)的極化特征主要與場(chǎng)源的性質(zhì)有關(guān)，受地下電性構(gòu)造的影響較小，因而研究這種場(chǎng)的極化特征可直接用于研究場(chǎng)源的性質(zhì)；電場(chǎng)的極化特征不僅與場(chǎng)源的性質(zhì)有關(guān)，還與地下介質(zhì)電性構(gòu)造有關(guān)，依電性構(gòu)造的取向，電場(chǎng)通常具有穩(wěn)定的極化方向，該方向一般受地質(zhì)構(gòu)造控制，因而研究電場(chǎng)的極化特征，有助于了解地下介質(zhì)的電性特征[14]。

對(duì)于一維構(gòu)造，沿任意坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸所觀測(cè)的Hy將在其正交方向感生出電場(chǎng)分量Ex，表面阻抗為Zxy；同理Hx感生出Ey，表面阻抗為Zyx。此時(shí)在水平方向上其電性是均勻的，故表面阻抗Zxy=Zyx且其只與構(gòu)造的縱向電性分布有關(guān)。對(duì)于二維構(gòu)造，沿構(gòu)造主軸坐標(biāo)系觀測(cè)，因有TE和TM兩種極化模式存在，在水平方向上其電性是不均勻的，有Zxy≠Zyx，此時(shí)表面阻抗張量Z將取決于縱向電性和橫向電性綜合分布的影響。在三維構(gòu)造情況下，電性構(gòu)造在水平方向上具有強(qiáng)烈的非均勻性，導(dǎo)致在水平面內(nèi)，電性分布無明顯的優(yōu)勢(shì)方向，當(dāng)沿構(gòu)造主軸方向進(jìn)行測(cè)量時(shí)，Hy不僅能感生出電場(chǎng)分量Ex，還能感生出Ey，此時(shí)表面阻抗張量元素不僅有Zxy還有Zyy；同理Hx感生出Ey和Ex，表面阻抗為Zyx和Zxx。Zxx和Zyy的存在即是介質(zhì)三維性存在的佐證，它們的數(shù)值愈大，表明地下介質(zhì)三維性愈強(qiáng)。在三維情況下，表面阻抗張量取決于電性的縱向、橫向復(fù)雜分布，沒有明顯的方向性，不存在構(gòu)造主軸。

圖4-圖7給出了部分測(cè)點(diǎn)的阻抗張量元素極化圖。觀測(cè)方位角為0°，正南北向，黑實(shí)線為主阻抗，紅虛線為輔阻抗。圖4所示為舊井測(cè)線85號(hào)測(cè)點(diǎn)阻抗張量極化圖，由圖4可以看出，該測(cè)點(diǎn)從低頻到高頻每個(gè)頻點(diǎn)極化方向明顯，基本為觀測(cè)坐標(biāo)軸方位，近南北向，且該點(diǎn)在縱向上構(gòu)造主方位較一致。對(duì)于圖5其極化方向基本與圖4類似，與之不同的是在中頻段(1 250 Hz～7 940 Hz)變化較大，存在逆時(shí)針的偏轉(zhuǎn)，極化方向變?yōu)楸蔽飨颍c觀測(cè)坐標(biāo)系偏離不遠(yuǎn)，這與圖2中遙相對(duì)應(yīng)。在圖6中，由低頻到高頻基本看不出極化方向，表明該測(cè)點(diǎn)處地下介質(zhì)三維性較強(qiáng)，無明顯的構(gòu)造主軸方向。在圖7中，由低頻到高頻，輔阻抗的存在愈來愈明顯，說明該區(qū)域淺部三維性較強(qiáng)，隨深度的增加，地下介質(zhì)趨近于二維，電性主軸方向?yàn)楸睎|向。

2.3 視電阻率及相位曲線特征

在大地電磁測(cè)深中，實(shí)測(cè)視電阻率及相位的曲線特征不僅能反應(yīng)測(cè)點(diǎn)電性隨深度變化的規(guī)律，還能反應(yīng)測(cè)點(diǎn)及其附近區(qū)域地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)的不均勻性。圖8-圖15給出了舊井和新場(chǎng)測(cè)線部分測(cè)點(diǎn)的視電阻率及相位隨頻率變化的曲線圖。

對(duì)于舊井測(cè)線，其100號(hào)測(cè)點(diǎn)、105號(hào)測(cè)點(diǎn)在已知斷裂(F10)附近，110號(hào)測(cè)點(diǎn)、111號(hào)測(cè)點(diǎn)在舊井單元的花崗巖體上，縱觀其視電阻率曲線特征，100號(hào)測(cè)點(diǎn)曲線類型為KH型，105號(hào)測(cè)點(diǎn)為K形曲線，并且在TE和TM兩種模式下視電阻率值差異較大，說明這兩個(gè)點(diǎn)所在區(qū)域地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)在橫向上存在較大的不均勻性，這與其在斷裂構(gòu)造帶上有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；110號(hào)及111號(hào)測(cè)點(diǎn)均為A型曲線，且數(shù)值變化不大，并且兩種模式下視電阻率曲線首尾兩支耦合性較好，說明測(cè)點(diǎn)所在區(qū)域電阻率較穩(wěn)定，地下介質(zhì)較均勻，這與舊井單元花崗巖體的地質(zhì)特征相對(duì)應(yīng)。

對(duì)于新場(chǎng)測(cè)線，27號(hào)測(cè)點(diǎn)在第四系沉積較厚的變質(zhì)巖上，151號(hào)測(cè)點(diǎn)在芨芨糟單元花崗巖巖體上，可以看出這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的視電阻率值差異較大，說明目標(biāo)巖體花崗巖與周圍圍巖的電性差異是明顯的，151號(hào)點(diǎn)首尾兩支重合較好，說明該處的花崗巖電性結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，構(gòu)造單一。167號(hào)測(cè)點(diǎn)及198號(hào)測(cè)點(diǎn)分別處在已知的構(gòu)造斷裂帶上，167號(hào)測(cè)點(diǎn)在兩種極化模式下視電阻率及相位曲線類型不一致，且數(shù)值上差異較大，這很好地說明了該區(qū)域斷裂構(gòu)造的電性復(fù)雜性。198號(hào)測(cè)點(diǎn)視電阻率曲線類型為K型，其反映了地下介質(zhì)低-高-低的電性結(jié)構(gòu)，且電阻率相對(duì)其他構(gòu)造相對(duì)較低。

圖4 舊井測(cè)線85號(hào)點(diǎn)阻抗張量極化圖Fig．4 Impedance tensor polarization diagram of the point 85 in Jiujing

圖5 舊井測(cè)線105號(hào)點(diǎn)阻抗張量極化圖Fig．5 Impedance tensor polarization of the point 85 in Jiujing

圖6 新場(chǎng)測(cè)線119號(hào)點(diǎn)阻抗張量極化圖Fig．6 Impedance tensor polarization diagram of the point 119 in Xinchang

圖7 新場(chǎng)測(cè)線161號(hào)點(diǎn)阻抗張量極化圖Fig．7 Impedance tensor polarizationof the point 161 in Xinchang

圖8 舊井測(cè)線100號(hào)點(diǎn)視電阻率相位曲線圖Fig．8 Apparent resistivity and phase curve of the point 100 in Jiujing

圖9 舊井測(cè)線105號(hào)點(diǎn)視電阻率相位曲線圖Fig．9 Apparent resistivity and phase curve of the point 105 in Jiujing

圖10 舊井測(cè)線110號(hào)點(diǎn)視電阻率相位曲線圖Fig．10 Apparent resistivity and phase curve of the point 110 in Jiujing

圖11 舊井測(cè)線111號(hào)點(diǎn)視電阻率相位曲線圖Fig．11 Apparent resistivity and phase curve of the point 111 in Jiujing

圖12 新場(chǎng)測(cè)線27號(hào)點(diǎn)視電阻率相位曲線圖Fig．12 Apparent resistivity and phase curve of the point 27 in Xinchang

圖13 新場(chǎng)測(cè)線151號(hào)點(diǎn)視電阻率相位曲線圖Fig．13 Apparent resistivity and phase curve of the point 151 in Xinchang

圖14 新場(chǎng)測(cè)線167號(hào)點(diǎn)視電阻率相位曲線圖Fig．14 Apparent resistivity and phase curve of the point 167 in Xinchang

圖15 新場(chǎng)測(cè)線198號(hào)點(diǎn)視電阻率相位曲線圖Fig．15 Apparent resistivity and phase curve of the point 198 in Xinchang

3 結(jié)論

作者主要是對(duì)北山預(yù)選區(qū)的實(shí)測(cè)EH4數(shù)據(jù)進(jìn)行了定性分析，嘗試了對(duì)目標(biāo)花崗巖巖體上的部分測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行阻抗張量旋轉(zhuǎn)分解。通過SWIFT旋轉(zhuǎn)，得到了我們感興趣的目標(biāo)巖體上的電性主軸方位角的分布范圍，對(duì)區(qū)域電性構(gòu)造的走向有了一定的判斷。由阻抗張量元素旋轉(zhuǎn)分解，得到了最佳二維走向、表征構(gòu)造維數(shù)特征、觀測(cè)資料與二維構(gòu)造響應(yīng)的近似程度、平面直觀圖解。通過對(duì)部分測(cè)點(diǎn)視電阻率相位曲線特征的對(duì)比分析，對(duì)預(yù)選區(qū)花崗巖體以及斷裂構(gòu)造的電性特征有了初步的掌握。

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