張峰（新疆水利水電勘測設計研究院物探隊新疆昌吉831100）

EH-4電磁測深法與高密度電法在超長隧洞隱伏斷層調(diào)查中的綜合應用

張峰
（新疆水利水電勘測設計研究院物探隊新疆昌吉831100）

本文主要介紹了在某超長隧洞工程隱伏斷層構(gòu)造調(diào)查中，以利用EH-4電磁測深法與高密度電法兩種方法的優(yōu)勢相互配合、補充、印證，從而精確推斷出隱伏斷層的空間分布特征，并取得較好的效果。

EH-4大地電磁測深系統(tǒng)；高密度電法；視電阻率；隱伏斷層

1　引言

工程物探中，對于淺埋斷層構(gòu)造的勘察主要以高密度電法、淺層地震、電剖面法、大地電磁測深等方法開展，對于深埋斷層構(gòu)造的勘察一般采用大地電磁測深。在地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對簡單的小區(qū)域內(nèi)進行勘察，往往使用單一方法就能取得較為滿意的效果，對于大區(qū)域或者需要得到完整資料要求的隱伏斷層調(diào)查中，就需要多種方法相互配合。EH-4大地電磁測深系統(tǒng)（后簡稱EH-4）對于地層深部地層結(jié)構(gòu)反映效果較好，垂直探測深度可達千米以上，確定深部宏觀的構(gòu)造，精確度高，而對于淺部地層結(jié)構(gòu)反映較差。高密度電法對于淺部地層具有效率高，其分辨率則更為細致的特點。高密度電法與EH-4是目前先進的高分辨率地球物理探測技術，兩種方法具有互補性和相互驗證性。

2　基本原理

EH-4是人工可控源與天然源相結(jié)合的一種高頻大地電磁測深系統(tǒng)。其天然源為10Hz～100kHz，人工可控源為1kHz～100kHz，以補償天然源訊號的不足，從而更好的獲得高分辨率的成像。不同地層深度的電阻率變化是通過改變不同的頻率得到的，頻率較高的數(shù)據(jù)反映淺部的電性特征，頻率較低的數(shù)據(jù)反映較深的地層特征。通過測量相互正交的電場和磁場分量Ex，Hy，Hx，Ey，可確定介質(zhì)的視電阻率值。其計算公式為：

式中，f為頻率，單位Hz；ρ為視電阻率，單位Ω·m。

由于電磁波的能量會隨傳播深度的增大而逐漸被吸收，理論上探測深度是一個趨膚深度，其計算公式為：

式中，δ為趨膚深度。

由上式可得出，電阻率和頻率的大小會影響電磁波的透入深度。

圖1　f69號斷層高密度電法測試剖面演圖

圖2　f69號斷層EH4視電阻率斷面圖

高密度電法的基本原理與常規(guī)電法基本一樣，是以地下被探測目標體與周圍介質(zhì)之間的電性差異為基礎，只是它綜合了垂向電測深及電測深剖面的特點，是陣列式勘探方法的一種，它在野外采集過程中只需一次性將幾十或上百根電極沿測線布設完成，可組合成多種裝置形式，如溫納а裝置、溫納β裝置等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集，由于采集點距小，獲得的數(shù)據(jù)量密度大，因而大大增加了信息量，有效的提高了解釋精度。

3　工程實例

某輸水隧洞設計洞線長約300km，設計洞身最大埋深大于700m，平均埋深約430m，通過地質(zhì)遙感解譯洞線存在的隱伏斷層有近百條。由于無法對隱伏斷層的具體位置準確定位，因此采用物探方法對存在的隱伏斷層進行調(diào)查測試，以查明隱伏斷層的具體位置、延伸情況及影響范圍，由此判定斷層對隧洞工程的影響。

3.1工區(qū)地質(zhì)簡況及地球物理特征

隧洞范圍內(nèi)地表為戈壁礫石或荒漠，地層巖性主要為花崗巖、安山玢巖、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖、砂巖等。根據(jù)工區(qū)地球物理反演結(jié)果分析和統(tǒng)計，得到了不同巖體的視電阻率值范圍，花崗巖視電阻率800Ω.m～2000Ω.m，安山玢巖視電阻率600Ω.m～1000Ω.m，凝灰?guī)r視電阻率500Ω.m～800Ω.m，凝灰質(zhì)砂巖視電阻率400Ω.m～600Ω.m，泥巖、砂巖互層視電阻率80Ω.m～200Ω.m。斷層處視電阻率較完整基巖相對偏低。

3.2數(shù)據(jù)采集及資料解釋

首先在地質(zhì)遙感解譯的推測斷層處利用高密度電法對100m以內(nèi)的地層進行測試，對斷層的位置及寬度進行定位。高密度電法的數(shù)據(jù)采集采用溫納裝置，電極距10m，每根電纜8個電極，排列總電極數(shù)及滾動層數(shù)視剖面長短和測試深度而定。測線布置方向與洞線方向基本一致。

然后在已定位的斷層位置布置EH-4剖面，用以對100m以下的地層進行測試，來確定斷層的延伸情況。EH-4的數(shù)據(jù)采集是采用天然場和人工場相結(jié)合的方法。人工場可控源是由發(fā)射系統(tǒng)構(gòu)成，主要有發(fā)射天線、發(fā)射機和控制開關組成；發(fā)射天線采用正南正北方向布置，發(fā)射機一般距離測點150m～400m。測線布置方向與洞線方向基本一致，測試點距視地層條件而定，發(fā)現(xiàn)有電阻率變化較大時加密測點一般為20m，地層電阻無明顯變化時加大測試點距為50m，電極距（20m，20m）。平行試驗記錄清晰，無畸變點，相位25°～75°之間，相干度大于0.5。

EH4數(shù)據(jù)處理采用EH4專業(yè)反演軟件進行二維反演，利用UltraEdit數(shù)據(jù)傳數(shù)與轉(zhuǎn)換軟件對原始數(shù)據(jù)進行@文件的編輯。對@文件中出現(xiàn)壞點、不合格點進行剔除，通過數(shù)據(jù)分析，分析造成的原因，對視電阻率值超大或超小不符合規(guī)律時僅作參考或刪除，反復試驗選擇合適的圓滑系數(shù)，處理后輸出DAT文件。使用SURFER反演軟件對輸出的DAT文件進行成圖處理，并對最終結(jié)果進行完善。

高密度電法數(shù)據(jù)處理采用RES2高密度視電阻率反演軟件進行二維反演，

利用Res2高密度電法數(shù)據(jù)反演軟件對野外觀測時如出現(xiàn)壞點參考剔除，通過數(shù)據(jù)分析，視電阻率出現(xiàn)負值時，參考電壓和電流值分析原因，對應視電阻率作為參考修正或刪除，視電阻率值超大或超小不符合規(guī)律時僅作參考或刪除。再對數(shù)據(jù)進行反演成圖。

在EH-4與高密度電法獲取的二維成果圖件中，利用圖件中視電阻率的分布變化規(guī)律，進行地質(zhì)構(gòu)造的對比、分析判斷。對于同一種巖性內(nèi)視電阻率等值線圖出現(xiàn)的相對較低阻段推測為斷層及影響帶；對于不同巖性視電阻率等值線圖在水平方向上挫斷，且挫斷處視電阻率值在同深度與兩側(cè)視電阻率值相差較大段推測為斷層及影響帶，視電阻率值水平方向變化較大的界面推測為斷層界面。

圖3　f85號斷層高密度電法測試剖面演圖

圖4　f85號斷層EH4視電阻率斷面圖

3.3斷層異常解釋實例

圖1、圖2分別為f69號斷層處的高密度電法測試成果圖與EH4測試成果圖。剖面樁號位置、方向一致，設計洞身埋深700m左右。高密度電法測試剖面（圖1）中在剖面樁號240m～440m段，自淺表部向下存在上下貫通的條帶狀相對低阻體，其視電阻率在20Ω.m～224Ω.m，兩側(cè)相對較高度視電阻率在320Ω.m～620Ω.m左右，該低阻體地表寬度約為210m，地表下約100m處寬度在150m左右，其傾向南東方向，視傾角為60°～80°；EH4測試剖面（圖2）在剖面樁號250～380段90m往下有一相對低視電阻率槽異常，視電阻率在60Ω.m～280Ω.m左右，兩側(cè)相對較高度視電阻率在400Ω.m～600Ω.m左右，頂部寬度在150m左右，其傾向南東方向，過洞線段視傾角80°～85°。根據(jù)對兩種方法的解釋成果進行比對、分析，推測剖面低視電阻率異常段為斷層及影響帶的反映，因此可推斷f69號斷層在剖面樁號240m～440m段通過，地表寬度在200m左右，其傾向南東方向，視傾角為60°～85°，斷層通過洞身處的影響帶寬度約為50m左右。

圖3、圖4分別為f85號斷層處高密度電法測試成果圖與EH4測試成果圖，剖面樁號位置、方向一致，設計洞身埋深380m左右。在高密度電法測試剖面（圖3）中在剖面樁號200m左右，自淺表部向下存在一個高視電阻率與低視電阻率的接觸界面，于接觸界面以東方向視電阻率相對較低，在5Ω.m～221Ω.m之間，于接觸界面以西方向視電阻率相對較高，基本在220Ω.m～ 650Ω.m之間，其傾向東方向，視傾角為60°～70°；EH4測試剖面（圖4）剖面樁號200m左右，自淺表部往下有一視電阻率相對高、低的接觸面異常，接觸界面以東方向視電阻率相對較低，在40Ω.m～100Ω.m之間，于接觸界面以西方向視電阻率相對較高，在200Ω.m～560Ω.m，視傾角為60°～80°。根據(jù)對兩種方法的解釋成果進行比對、分析，推測該剖面在樁號200m左右處巖性發(fā)生變化，剖面以東低視電阻率地層為砂巖，以西高視電阻率地層為凝灰質(zhì)砂巖，因此推斷f85號斷層為接觸性斷層，在剖面樁號200m左右通過，其傾向東方向，視傾角為60°～80°，斷層通過洞身處的影響帶寬度約為80m左右。

4　結(jié)語

在后期勘探過程中，多處斷層位置及延伸情況被鉆孔或被開挖驗證與物探測試結(jié)果基本一致。采用高密度電法測試能較好的反映地層分布規(guī)律，其高分辨率對于地質(zhì)構(gòu)造的查找更為細致，但勘探深度有限；EH4測試對于對淺表部存在一定盲區(qū)，但對于中深部構(gòu)造的確定比較直觀。因此以兩種測試方法結(jié)合展開工作，通過兩種方法的相互補充和相互驗證，具有較好的對應性，取得的測試成果精度較高，結(jié)合地質(zhì)資料，更能有效、準確的推測地質(zhì)構(gòu)造，為后續(xù)工程提供可靠的依據(jù)。陜西水利

［1］SL326-2005，水利水電工程物探規(guī)程［S］.

［2］周琛杰、吳文賢等.EH 4電磁成像系統(tǒng)在鐵路隧道與橋梁勘查中的應用［J］，工程地球物理學報，2012.1.

［3］中國水利電力物探科技信息網(wǎng).工程物探手冊（第一版）［M］.北京：中國水利水電出版社，2011，3.

（責任編輯：暢妮）

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