安 鑫

(新疆水利水電勘測設計研究,新疆 昌吉 831100)

1 概述

水利工程建設項目特別是水電站和引水工程的建設，給我們各族人民的生產(chǎn)和生活帶來了越來越多的便捷，也解決了不少地區(qū)的用水用電和基礎(chǔ)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展問題。但是對地表起伏較大以及埋深較大地區(qū)工程的勘察工作，用常規(guī)的物探方法(電法、漸層折射)受地形和勘察深度的影響較大，難以解決工程勘察中遇到的問題，而EH4音頻大地電磁測深法則可以較好的解決上述問題，為水利工程建設項目提供可靠的資料。

2 EH4大地電磁測深方法原理與資料解釋

2.1 方法原理[1]

EH4音頻大地電磁測深法(AMT)屬于一種部分可控源與天然源相結(jié)合的大地電磁測深系統(tǒng)[2]。地層中深部的信息利用天然天然場源信號成圖，能接受到的有效頻率范圍在10～105Hz之間，上部地層信息則需要人工場源來補充103～105Hz之間的頻段信號，由于電磁場的頻率不同，穿透深度也不同，從而可以研究地下不同深度的電性結(jié)構(gòu)[3]。EH4大地電磁測深法適主要以天然源電磁場為主場源，所以要求測試區(qū)無人工電磁場的干擾，即遠離高壓線、地埋線等輸變電線路的影響范圍。EH4大地電磁法穿透性較好，縱向分辨率較高，可以對一些較小的構(gòu)造，特別是縱向異常明顯的構(gòu)造，能進行很好的分辨，但對高阻體的橫向分布，卻很難去判斷出其分布的邊界范圍[4]。

假設天然地磁場是以平面波的形式垂直入射地球表面，在地表可以觀測到相互垂直的電場分量(Ex，Ey)和磁場分量(Hx，Hy)，可以計算波阻抗和電阻率[5]，其計算公式為：

(1)

式中f為頻率，Hz；ρ為電阻率，Ω·m；Ex為對應x電極方向電場強度，V/m；Hy為y軸方向?qū)拇艌鰪姸?，A/m。

地層的分布一般不是均勻的，因此由式(1)計算出的ρ值并不能代表地層的真是電阻率，故稱為視電阻率值，并由此推測對應的理論深度為趨膚深度[6]，計算公式見式(2)：

(2)

式中δ為趨膚深度，m；f為頻率，Hz；ρ為電阻率，Ω·m。

由式(2)可知，電磁波的穿透深度，地層電阻率越大，頻率越小，測試深度越大。EH4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由發(fā)射機、前置放大和主機3部分構(gòu)成；一般發(fā)射機距主機之間的距離在135～350 m左右，測試的過程必須保持二者同時移動，確保接收到有效的補充信號，野外采集的工作示意圖見圖1。在野外工作時首先應避開高壓線和其他人工電磁場的影響，如果測試條件避不開，則繼續(xù)調(diào)整增益，確保采集到的電道和磁道信號不溢出，同時增加數(shù)據(jù)采集的次數(shù)，其次應保證每個測點的電極入地至少2/3，磁棒水平且平行對應的電場方向，如遇大風，應將磁棒和磁棒線埋入土中，保證采集到數(shù)據(jù)的完整性。

圖1 高頻大地電磁法野外工作布置示意

野外測試時，一般以X軸方向為剖面方向，Y軸則垂直X軸布置，X和Y方向的電極距根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果確定，一般以10～20 m為宜。根據(jù)測試目的選擇合適的點距，采集完成1個數(shù)據(jù)之后將前置放大器沿X軸方向向前移動至下一個點，直至整條剖面測試完成。需要注意的是在測試的過程中需注意天線的前置放大器的距離，應始終保持在135～350 m。工作頻率一般7波段(1～92 kHz)疊加16次，主要采集淺部地層信息，1波段(10～1 000 Hz)疊加8次，主要采集中深部地層信息，采集完成后會生成X、Y、Z3個方向的文件，應該對每天測試的數(shù)據(jù)進行處理，并對原始文件進行備份[7]。

2.2 資料解釋

EH4數(shù)據(jù)處理采用專業(yè)的軟件進行處理，顯示測試剖面上每個測點的視電阻率值，另存為dat文件，最后用suffer成圖(見圖2)。

圖2 高頻大地電磁測深法資料處理及成果解釋框示意

資料處理分為現(xiàn)場預處理和室內(nèi)處理兩種。采集現(xiàn)場根據(jù)原始質(zhì)量的好壞進行預處理，對不合格的數(shù)據(jù)重新采集，室內(nèi)處理第一步是在主機上進行的，主要是對測點數(shù)據(jù)的MT視電阻率，相關(guān)度曲線、相位并重新處理互助功率譜數(shù)據(jù)[8]，處理的目的是降低干擾，突出有用的信息；第二步是將處理后的數(shù)據(jù)用專用的CF卡拷貝到計算機上做進一步處理，最后重新成圖。

對上述處理后保存數(shù)據(jù)的再用專業(yè)的HMT數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件進行2D處理，過程如下：

1) 處理后的數(shù)據(jù)，用UltraEdit軟件對@文件中的每個測點的點極距和點距進行編輯和檢查。

2) 打開@文件，對每個測點的相位曲線進行處理，盡量保持在45°左右，對頻率曲線和電阻率去上偏離較大的點進行校正或刪除，然后選擇合適的圓滑系數(shù)進行2D成圖，輸出保存成DAT格式文件。

3) 最后用SURFER8對上一步保存的dat文件進行處理，盡量選擇較小的行間距成圖，并對圖件進行解釋，最后輸出成JPG格式圖片。

3 工程實例

3.1 EH4在水電站壩址區(qū)堆積體體勘察中的應用

某水電站的壩址區(qū)左岸坡度較緩，存在一定規(guī)模的堆積碎石土層，根據(jù)鉆孔揭露，左岸的覆蓋層(堆積體)主要為崩塌堆積、坡積、河流沖洪積混合堆積層組成，厚度比較大，其電阻率小于6×102Ω·m；下伏巖層為凝灰?guī)r，弱風化，其電阻率ρ值在1×102～1×105Ω·m之間。工作區(qū)的覆蓋層和下部的巖體的視電阻率差異明顯，適宜進行EH4測試。

1) 順河方向1#測試剖面

1#測試剖面位于河床左岸的堆積體的底部順河布置，剖面長度275 m，測試剖面的電阻率范圍在10～6 000 Ω·m，電阻率值呈上部底下部高的趨勢。覆蓋層的電阻率值相對較低，在10～600 Ω·m，解釋覆蓋層厚度在25～45 m，平均厚度35 m左右；基巖界面起伏不大，推測較完整基巖頂板高程在1 150 m左右，測試剖面未見貫穿的低阻異常帶。剖面樁號20 m處的鉆孔ZK1揭露基巖埋深39 m，與物探解釋深度一致(見圖3)。

圖3 左岸堆積體1#剖面EH4測試電阻率斷面示意

2) 垂河方向2#測試剖面

2#剖面垂河沿堆積體布置，剖面長度250 m，測試剖面的電阻率在40～6 000 Ω·m之間，剖面上部(覆蓋層)的電阻率在40～600 Ω·m之間，推測覆蓋層厚度在15～50 m，最大厚度位于剖面樁號65～70 m處。下伏基巖在剖面起伏較大，剖面樁號30～175之間存在一“U”形深槽像底部延伸至基巖頂板高程1 040 m左右，電阻率值在600～1 500 Ω·m之間，推測巖體完整性差或接觸破碎帶；其他測試范圍內(nèi)巖體電阻率在1 000～1 500 Ω·m，巖體完整性較好。剖面樁號150 m處的鉆孔ZK2顯示覆蓋層厚度50 m，孔深140 m以上巖體較破碎，以下巖體完整(見圖4)。

圖4 左岸堆積體2#剖面EH4測試電阻率斷面示意

3.2 EH4在引水工程洞線勘察中的應用

某調(diào)水工程的設計洞線高程1 900～1 950 m段經(jīng)物探遙感解譯發(fā)現(xiàn)洞線經(jīng)過處可能存在斷層，為了解斷層的規(guī)模和延伸方向，及對后期工程建設的影響，隨后進行了EH4測試工作，確定斷層的延伸是否經(jīng)過設計洞線位置。

1) 推測1#斷層EH4測試剖面

該測試剖面沿半山腰從山頂向下測試，剖面長度200 m，洞線設計高程1 950 m，沿測線方向地形局部變化，表層全部為覆蓋層。剖面樁號0～110 m、160～200 m電阻率變化呈淺部低深部高的趨勢，電阻率值從表層向下連續(xù)變化，大部分在50～2 500 Ω·m之間，推測設計洞線附近基巖較完整。剖面樁號110～160 m從淺部向深部形成一個條帶狀的低阻異常，該異常一直延伸到測試剖面的底部，其電阻率值在200～800 Ω·m，和左右?guī)r體的視電阻率值差異較明顯，綜合考慮推斷該異常為斷層破碎帶，而且異常的埋深直接跨過設計洞線的位置，在工程的后期建設中應做好隧道地質(zhì)超前預報工作并加強支護。剖面樁號150 m處的鉆孔ZK3顯示覆蓋層厚度60 m左右，孔深60 m以上巖體較破碎，且局部含斷層泥(見圖5)。

圖5 1#斷層EH4測試電阻率斷面示意

2) 推測2#斷層EH4測試剖面

該剖面測試段地形較陡，測試剖面長200 m，隧洞設計高程在1 910 m，沿剖面方向未發(fā)現(xiàn)明顯出露的巖體，該條剖面的視電阻率值在20～2 450 Ω·m，在整條測試剖面變化大，呈現(xiàn)出上層電阻率低下層電阻率高的趨勢，該段洞線附近電阻率值在1 250 Ω·m以上，推測巖體較完整。剖面樁號0～30 m、120～200 m段電阻率變化呈中上部低，下部高的形態(tài)，測試洞線頂部的巖體電阻率較高且變化不大，推測該段巖體相對完整，巖體的視電阻率值在1 200～2 450 Ω·m。剖面樁號30～120 m段自地層淺表部存在一“U”形低阻異常帶延伸至設計洞線上方，電阻率值小于1 000 Ω·m，推測為斷層構(gòu)造或影響帶，巖體較破碎，在后期的工程建設中應特別注意來自洞線頂部的涌水。剖面樁號100 m處的鉆孔ZK4孔深120 m以上巖體較破碎，以下巖體完整(見圖6)。

圖6 2#斷層EH4測試電阻率斷面示意

4 結(jié)語

通過EH4測試在水電站工的勘察和調(diào)水工程勘察中的應用，證明該方法在查找覆蓋層厚度和斷層勘查中是有用的，EH4測試電阻率斷面與后續(xù)鉆孔驗證情況和工程開挖所揭示的地質(zhì)情況基本吻合，說明該方法在工程勘察中是一種有效的勘測系統(tǒng)，值得推廣。同時EH4音頻大地電磁測深是一種定性解釋的范疇，必須要有已知資料作為背景值方能在工程勘察中起到應有的效果。