王品豐， 康世海， 孔凡濤， 李 明

(1.重慶市地下水資源利用與環(huán)境保護(hù)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400707;2.重慶巖土工程檢測中心,重慶 400707;3.成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院,成都 610059;4.中國能源建設(shè)集團(tuán) 新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司,烏魯木齊 830002)

0 引言

“十三”五期間將是西南地區(qū)公路、鐵路等交通基礎(chǔ)設(shè)施開展全面建設(shè)時(shí)期，涉及到的長大深埋隧道勘探會(huì)越來越多。長大深埋隧道探測目標(biāo)深度較大，造成地球物理場的嚴(yán)重畸變，勘探技術(shù)要求高[1]。近幾十年來，隧道勘察常用物探方法有高密度電法、淺層地震發(fā)、大地電磁法，均有各自優(yōu)勢和效果。我國西南地區(qū)往往地形陡峭多變、地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)勘探條件苛刻。高密度電法、淺層地震法等方法受勘探深度小、地形影響大、高阻屏蔽作用，在地形起伏劇烈、基巖裸露嚴(yán)重的山區(qū)適用性和操作性不強(qiáng)[2-3]，尤其在西南地區(qū)的長大埋深隧道，往往無法探測到隧道深部的地質(zhì)情況，無法突出勘探目的和意義。

大地電磁測深(MT)是20世紀(jì)50年代初由A.N.TiKhonow[4]和L.Cagnird[5]提出的一種天然電磁場勘探方法。音頻大地電磁(AMT)作為大地電磁測深衍生的一種方法，以天然交變電磁場為場源，以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)，依據(jù)趨膚深度，研究不同頻率的電磁波對(duì)所穿透的地質(zhì)體的響應(yīng)，以得到地下介質(zhì)電阻率的分布，其頻率范圍在1 Hz-104Hz之間，具有勘探深度大、受地形影響相對(duì)較小、不受高阻層屏蔽、對(duì)含水破碎帶、巖溶發(fā)育帶及軟弱夾層等低阻體反映靈敏，且儀器輕便、操作容易，彌補(bǔ)了淺層物探方法在西南地區(qū)公路、鐵路隧道勘探中的不足。

筆者針對(duì)隧道探查目標(biāo)，建立相應(yīng)的地質(zhì)模型，

開展正反演模擬計(jì)算，探討音頻大地電磁法對(duì)隧道勘探目標(biāo)的可行性及有效性，旨在為音頻大地電磁在隧道勘察中提供合理的模型依據(jù)和反演參數(shù)。結(jié)合成昆線民太隧道部分實(shí)測剖面，通過分析帶地形的二維NLCG反演結(jié)果，探明深度約1 km的斷層破碎帶寬度及產(chǎn)狀，查明軟弱帶及富水帶的埋深和規(guī)模。

1 勘探區(qū)地質(zhì)及地球物理概況

1.1 地質(zhì)概況

隧區(qū)經(jīng)歷了晉寧、華力西、燕山、喜山各期運(yùn)動(dòng)，除晉寧期及燕山期屬褶皺運(yùn)動(dòng)外，其他各期均為升降運(yùn)動(dòng)。區(qū)內(nèi)褶皺、斷層發(fā)育，巖漿活動(dòng)頻繁，基底變質(zhì)巖巖系內(nèi)構(gòu)造線以近東西向-北東向?yàn)橹?；紅色蓋層構(gòu)造線以北北東向及北北西向?yàn)橹?，正、逆斷層發(fā)育。

1.2 巖石物性特征

AMT法研究范圍內(nèi)的地層電阻率，一方面取決于巖石自身性質(zhì)，如孔隙度、滲透率等，另一方面取決于孔隙內(nèi)流體的性質(zhì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和本區(qū)地球物理的反演結(jié)果分析，歸納總結(jié)了測區(qū)的巖石物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表(表1)。由表1可知，斷層破碎帶及富水體與其他巖體之間表現(xiàn)出明顯的電性差異，為工區(qū)開展AMT法提供了地球物理勘探條件。

表 1 巖石物性特征統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of physical properties of rocks

2 理論模擬分析

2.1 模型設(shè)計(jì)及正演模擬

針對(duì)探查目標(biāo)，結(jié)合測區(qū)的實(shí)際地質(zhì)情況和物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)所反映的電阻率變化特征，合理的設(shè)計(jì)了隱伏破碎斷層和含水溶洞并存的二維地電模型(圖1)，其中斷層起始于1.5 km處，終止于4.5 km處，傾向剖面右側(cè)，傾角30°，破碎帶寬約500 m；溶洞位于斷層右側(cè)，深度約為1 km；上覆覆蓋層厚200 m。依據(jù)表 1物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)，破碎帶和含水溶洞電阻率分別設(shè)為50 Ω·m和10 Ω·m，圍巖電阻率設(shè)為1 500 Ω·m，覆蓋層電阻率設(shè)為500 Ω·m。筆者采用MT-Soft軟件對(duì)模型進(jìn)行正反演模擬計(jì)算。

圖1 隱伏斷層和溶洞模型Fig.1 Model of buried fault and cavity

在模型有限元正演模擬結(jié)果(圖2)的兩種模式中，TE模式下的似電阻率斷面圖和相位斷面圖對(duì)隱伏斷層和溶洞位置反映較為清晰，其中TE相位對(duì)斷層產(chǎn)狀和形態(tài)反映得更為逼真；TM模式下似電阻率斷面圖發(fā)生了畸變，只能對(duì)斷層有所體現(xiàn)，而對(duì)溶洞的狀態(tài)幾乎沒有反映，但TM相位對(duì)斷層反映相對(duì)較好，對(duì)溶洞的反映也是“有跡可循”。因此，為了突出勘探目標(biāo)，在本測區(qū)的實(shí)際資料處理中TE模式視電阻率資料反映的結(jié)果可能更接近真實(shí)情況，應(yīng)加以重視；同時(shí)由于兩種模式相位資料對(duì)深部結(jié)構(gòu)均有所反映，因而在數(shù)據(jù)處理中TE與TM相位資料均具有參考價(jià)值，也不容忽視。

圖2 模型正演模擬結(jié)果Fig.2 Results of model forward computation(a)視電阻率(TE);(b)視電阻率(TM);(c)相位(TE);(d)相位(TM)

圖3 模型一維反演結(jié)果Fig.3 Results of model 1-D inversion(a)Occam一維反演結(jié)果;(b)Bostick一維反演結(jié)果

2.2 模型反演對(duì)比

在現(xiàn)今的實(shí)測資料的處理解釋中仍然廣泛運(yùn)用大地電磁的一、二維反演，其中一維反演的結(jié)果可以為解釋提供依據(jù)，更重要的是為二維反演提供初始模型。國內(nèi)比較常用的反演大地電磁反演方法主要有Bostick變換法[6]、Occam反演法[7]、RRI反演法[8]、共軛梯度(NLCG)反演法[9]等,其中Bostick變換法是大地電磁中一種特殊的一維反演算法，是基于大地電磁測深曲線低頻漸進(jìn)線的性質(zhì)，將視電阻率隨周期變化的曲線變換成為電阻率隨深度變化的曲線[10]；Occam反演法是一種正則化的帶平滑約束的最小二乘法反演方法，它致力于模型最光滑，具有收斂穩(wěn)定、受初始模型影響小的特點(diǎn)[11]，在大地電磁一維、二維反演中得到普遍運(yùn)用；RRI反演方法避免了求解雅可比矩陣，減少了內(nèi)存需求，極大地提高了計(jì)算速度，但結(jié)果嚴(yán)重依賴初始模型[12]；NLCG反演法巧妙地避開了雅克比矩陣的求取，轉(zhuǎn)換為求解大型矩陣與向量的乘積，是一種穩(wěn)定高效的反演方法[12-14]，在大地電磁反演方法中占有較高地位，但對(duì)初始模型的依賴性較高，不同的初始模型會(huì)很大程度地影響反演結(jié)果。由于一維反演結(jié)果是對(duì)真實(shí)模型的一階近似，一定程度上反映了真實(shí)模型特征，且反演參數(shù)較少，非唯一性遠(yuǎn)弱于二維反演[15]。故實(shí)際運(yùn)用中NLCG反演往往利用Occam反演和Bostick反演的一維結(jié)果作為初始模型。

Bostick、Occam一維反演的兩種結(jié)果(圖3)中，

圖4 不同初始模型的二維NLCG反演結(jié)果Fig.4 NLCG 2-D inversion results of different initial models(a)初始模型Occam-TE;(b)初始模型Bostick-TE

兩種反演方法的TE模式反演結(jié)果均比較理想，斷層以及溶洞的形態(tài)清晰可見、且覆蓋層劃分精準(zhǔn)，不足之處在于斷層左側(cè)圍巖與斷層的“嵌入”關(guān)系不清晰；兩者對(duì)比，Bostick-TE反演結(jié)果相對(duì)較好，體現(xiàn)在斷層和溶洞的獨(dú)立性更好，這是由于Occam算法致力于模型最光滑，而Bostick算法需求模型相對(duì)尖銳。由于正演中TM數(shù)據(jù)差強(qiáng)人意，因而兩種反演方法中TM數(shù)據(jù)依然不夠理想，只是對(duì)斷層位置有一定的體現(xiàn)。同時(shí)由于受到TM數(shù)據(jù)的“污染”，TE+TM模式的兩種反演結(jié)果不夠理想。綜合比較，本文挑選結(jié)果相對(duì)較好的Bostick-TE和Occam-TE一維反演結(jié)果作為二維NLCG反演的初始模型。

圖4為比對(duì)優(yōu)選過后的二維NLCG反演結(jié)果，分別列出了Bostick-TE、Occam-TE一維反演結(jié)果作為初始模型的三種反演參數(shù)的二維NLCG反演結(jié)果。由于挑選的初始模型本身就很接近真實(shí)模型，故兩種反演算法三種反演參數(shù)的6個(gè)結(jié)果均能清晰突顯勘察目標(biāo)?？傮w而言，初始模型為Bostick-TE的結(jié)果比初始模型為Occam-TE的結(jié)果對(duì)斷層的反映更清晰真實(shí)，體現(xiàn)出了一維反演沒有表現(xiàn)的斷層與圍巖的“嵌入”關(guān)系，這對(duì)斷層破碎帶寬度的評(píng)價(jià)提供了更真實(shí)的信息。但由于初始模型的影響，TE模式和TM模式的結(jié)果中依然有斷層和溶洞相連接的假象，而TE+TM模式的結(jié)果較好。綜上所述，初始模型為Occam-TE反演的二維NLCG-TE+TM反演結(jié)果，在較清晰地反映出勘察目標(biāo)的位置、幾何形態(tài)以及厚度的同時(shí)，不會(huì)形成無關(guān)的假象異常，客觀地反映真實(shí)理論模型。

3 野外數(shù)據(jù)采集及資料處理

3.1 野外數(shù)據(jù)采集

大地電磁測深的目的在于探測地下不同深度介質(zhì)的導(dǎo)電性構(gòu)造，而應(yīng)用的成功與否，很大程度上取決于數(shù)據(jù)采集[16]。本次野外工作使用加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8多功能電法系統(tǒng)，由于地形條件所限，部分測點(diǎn)采用V8配套的RXU-3ER輔助接收盒采集電場信號(hào)，與主機(jī)V8共用磁場信息行進(jìn)處理。在施測中，觀測頻率范圍為1.25 Hz～10 400 Hz。野外數(shù)據(jù)采集為四分量采集，即Ex、Ey、Hx、Hy，布極方式為十字型，在地形條件較差情況下，部分測點(diǎn)采用了“T”形的布極方式。

3.2 資料處理

野外原始資料預(yù)處理采用V8觀測系統(tǒng)標(biāo)配的處理軟件SSMT2000，盡管AMT的研究對(duì)象是介質(zhì)對(duì)不同頻率的響應(yīng)，但依然是時(shí)間域的觀測方法。為此首先將時(shí)間域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為頻率域數(shù)據(jù)，再采用Robust張量阻抗估計(jì)方法，即根據(jù)設(shè)置權(quán)函數(shù)對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行校正[17]，求取張量阻抗，繼而計(jì)算出各個(gè)模式下的電阻率和相位值。預(yù)處理后進(jìn)行資料后續(xù)處理，首先結(jié)合實(shí)際地質(zhì)和物性資料以及設(shè)計(jì)模型正反演的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行飛值剔除、去噪、靜態(tài)校正、空間濾波等處理，然后進(jìn)行一維及二維反演對(duì)比研究。

4 勘探成果與解釋

基于前述理論模型正反演模擬研究，將民太隧

圖5 DK710+000至DK714+500段電阻率斷面圖和綜合解釋圖Fig.5 DK710+000 to DK714+500 section of resistivity profile and integrated interpretation chart (a)電阻率斷面圖;(b)綜合解釋圖

道實(shí)測數(shù)據(jù)以一維Occam-TE反演作為初始模型進(jìn)行二維NLCG-TE+TM反演，得到隧道電阻率斷面圖作為資料解釋的基本圖件，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)資料和物性資料進(jìn)行綜合分析得到隧道綜合解釋圖件。圖5列出了隧道中DK710+000至DK714+500段的電阻率斷面圖(上)和綜合解釋圖(下)，其中貫穿剖面的橫線代表隧道。

4.1 電性異常分類

根據(jù)電阻率斷面圖中背景值的大小、低阻異常的形態(tài)、低阻異常值及其與背景值的差異等，結(jié)合實(shí)際地段所對(duì)應(yīng)的地層巖性，對(duì)地層分界線、斷層、巖溶及巖體的破碎、軟弱或含水情況進(jìn)行判釋。

根據(jù)似電阻率ρs值大小，并考慮地層巖性等因素，將低阻異常大致分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ四類(圖5下)：Ⅱ類異常ρs值大于3 500 Ω·m且分布均勻的高阻區(qū)域?yàn)檩^完整巖體；Ⅲ類異常ρs值1 500 Ω·m～3 500 Ω·m，為較破碎巖體；Ⅳ類異常ρs值100 Ω·m～1 500 Ω·m，為破碎、軟弱或含水巖體；Ⅴ類異常ρs值小于40 Ω·m，為極破碎、極軟弱或富水巖體。其中依據(jù)似電阻率斷面圖上低阻異常的等值線密集處(梯度變化最大處)確定異常的邊界。

4.2 綜合解釋

依據(jù)NLCG二維反演得到的電性剖面圖，結(jié)合地質(zhì)情況和后期鉆孔的驗(yàn)證，對(duì)隧道測線剖面的地質(zhì)構(gòu)造和巖性作出綜合解釋。

測區(qū)地表巖性相對(duì)單一，主要變現(xiàn)為灰色中薄層的頁巖、鈣質(zhì)砂巖、頁巖夾砂巖，表層風(fēng)化程度較弱，該層在電性上對(duì)應(yīng)電性結(jié)構(gòu)中低阻特征。下層巖性較雜，常穿插有不明期次的輝長巖、輝綠巖、花崗巖侵入體，電性特征表現(xiàn)為高阻或極高阻；DK708+660～DK713+660段巖性主要為灰黑色，千枚狀構(gòu)造，薄-中厚層狀千枚巖，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，節(jié)理發(fā)育，多充填方解石脈，局部可能受區(qū)域構(gòu)造作用存在擠壓破碎現(xiàn)象。該段對(duì)應(yīng)的地質(zhì)構(gòu)造為海資哨向斜，向斜核部DK710+900～DK711+060段物探揭示為異常低阻帶，圍巖潮濕～浸潤狀，局部可能小股狀滲水，為含鹽巖泥巖段地層，圍巖條件較差。

DK710+000～DK714+500段大致可以分為3段，DK710+000～DK711+500段、DK712+700～DK714+500段電阻率整體表現(xiàn)為A型，深層為較完整巖體的綜合反映；其間DK710+905～DK711+052段、DK713+747～DK713+835段電阻率表現(xiàn)出相對(duì)低或極低的特征，電阻率值介于10 Ω·m～150 Ω·m，為條帶狀反映，且附近反演電阻率梯度值大，對(duì)應(yīng)斷層破碎帶，可以推斷存在F1和F2斷層(圖5下)。其中，F(xiàn)2斷層與地質(zhì)推斷的FM7(明太7號(hào)斷層)逆斷層位置大致相同，斷層寬度為50 m左右；F1斷層為物探新推測的斷層，在后期鉆井資料中得到證實(shí)。DK711+500～DK712+700段電阻率總體表現(xiàn)為Q型，深部視電阻率極低，小于40 Ω·m，為Ⅴ類異常，對(duì)應(yīng)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育或富水巖體，推斷可能有溶洞存在的可能。

5 結(jié)論

筆者在實(shí)際隧道勘查中，針對(duì)隧道勘察中常遇到的斷層、含水破碎帶、巖溶等低阻體，形成的一套研究思路和探索過程，并作結(jié)論如下：

1)音頻大地電磁法具有工作效率高、探測深度大，且不受高阻層屏蔽、對(duì)低阻敏感等諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)長大深埋隧道勘探中的地質(zhì)目標(biāo)體具有良好的識(shí)別能力，是一種行之有效的隧道勘探方法。

2)針對(duì)隧道探查目標(biāo)，結(jié)合測區(qū)的實(shí)際地質(zhì)情況和物性參數(shù)，建立相應(yīng)的地質(zhì)模型，開展正演模擬計(jì)算，分析對(duì)比兩種極化模式，得到TE模式視電阻率資料反映的結(jié)果可能更接近真實(shí)情況，TE與TM相位資料具有一定的參考價(jià)值。

3)選擇不同初始模型的多反演參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行反演計(jì)算，在綜合考慮正演模擬分析和研究區(qū)實(shí)際地質(zhì)調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，最終確立了以一維Occam-TE反演作為初始模型對(duì)成昆線民太隧道實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行二維NLCG-TE+TM反演。根據(jù)似電阻率斷面圖，對(duì)巖體完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)資料，能夠基本成完成電性-地質(zhì)分界線、構(gòu)造破碎帶、巖溶溶蝕帶及富水帶的分辨,結(jié)果證明了模型的合理性和反演參數(shù)選擇的有效性。

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