潘紀(jì)順 趙蕭蕭 劉宇鋒 石宗源 王曉雷

摘 要：本文通過對(duì)高密度電阻率層析成像及音頻大地電磁測(cè)深法采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，優(yōu)劣互補(bǔ)，結(jié)合地質(zhì)資料，為工程的鉆孔布設(shè)提供可靠的依據(jù)保障。同時(shí)，也進(jìn)一步說明了高密度電阻率層析成像法與音頻大地電磁測(cè)深法探測(cè)斷層位置的可行性和重要性。

關(guān)鍵詞：高密度電阻率層析成像;音頻大地電磁測(cè)深法;隱伏斷層;視電阻率

中圖分類號(hào)：P631.3;TV221文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）01-0057-03

Abstract： In this paper， the data collected by electrical resistance tomography and controlled source audio magnetotelluric method were processed and analyzed，the advantages and disadvantages were complementary， and the geological data were combined to provide a reliable basis for the drilling layout of the project. The feasibility and importance of electrical resistance tomography and controlled source audio magnetotelluric method to detect fault location were further explained.

Keywords： electrical resistance tomography;controlled source audio magnetotelluric method;hidden faults;apparent resistivity

斷層探測(cè)是一項(xiàng)難度較大的工作。在工程建設(shè)中出現(xiàn)斷層往往會(huì)產(chǎn)生很多不良影響，必須在施工前進(jìn)行斷層探測(cè)[1]。淺層電法勘探方法很早就被運(yùn)用到斷層探測(cè)中，最早是用聯(lián)合剖面法，認(rèn)為斷層為相對(duì)低阻體，在聯(lián)合剖面曲線上表現(xiàn)為正交點(diǎn)。但是，正交點(diǎn)產(chǎn)生的原因多種多樣，因此，很難根據(jù)聯(lián)合剖面正交點(diǎn)就判定為斷層。而后，淺層地震、高密度電阻率法及瞬變電磁等被用在斷層探測(cè)中[2]，探測(cè)方法日漸成熟。其中，高密度電阻率層析成像更多用于探測(cè)埋深較淺的隱伏斷層，在識(shí)別斷層破碎帶、淺層斷裂構(gòu)造方面具有優(yōu)勢(shì);音頻大地電磁測(cè)深法更多用于探測(cè)百米到數(shù)百米的隱伏斷層[3]。本文主要分析這兩種方法在某引水隧洞工程隱伏斷層中的綜合應(yīng)用。

1 方法原理

1.1 高密度電阻率層析成像法

常規(guī)的電阻率法由于其觀測(cè)方式的限制，不僅測(cè)點(diǎn)密度較稀，而且也很難從電極排列的某種組合上研究地電斷面的結(jié)構(gòu)與分布。

高密度電阻率層析成像法（Electrical Resistance Tomography，ERT）與常規(guī)電阻率法原理基本相同[4]，是以地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，辨別不同的地質(zhì)體。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，將全部電極布設(shè)在相同間隔的測(cè)點(diǎn)位置，用多芯電纜將其連接到程控式電極轉(zhuǎn)換裝置，使電極布設(shè)一次完成[5]。測(cè)量時(shí)由操作員控制而動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)電極排列方式、極距和測(cè)點(diǎn)的快速轉(zhuǎn)換，準(zhǔn)確與快速地采集大量數(shù)據(jù)。在一條甚至同一測(cè)區(qū)的多條測(cè)線上完成高密度電阻率法的視電阻率觀測(cè)，便可獲得大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。利用與之配套的電法處理軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，給出相應(yīng)的圖示結(jié)果，通過斷層破碎帶與兩側(cè)地層的電阻率差異或斷層兩側(cè)電阻率差異可識(shí)別斷層[6]。

1.2 音頻大地電磁測(cè)深法

音頻大地電磁測(cè)深法是以電阻率的差異來劃分地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造，并根據(jù)電阻率值的大小以及展布形態(tài)來判斷地下地質(zhì)體空間分布的一種物探方法[7]。影響電阻率的主要因素有礦物成分、巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及含水情況等。根據(jù)工區(qū)地球物理反演結(jié)果可知，較完整巖體或完整巖體與破碎、軟弱或強(qiáng)風(fēng)化巖體之間存在一定的電性差異[8]，因此，工區(qū)具備開展大地電磁測(cè)深的地球物理勘探前提條件。電磁測(cè)深儀器是通過同時(shí)對(duì)一系列當(dāng)?shù)仉妶?chǎng)和磁場(chǎng)波動(dòng)的測(cè)量來獲得地表的電阻抗[9]。這些野外測(cè)量要經(jīng)過幾分鐘，傅立葉變換以后以能譜存儲(chǔ)起來。這些通過能譜值計(jì)算出來的表面阻抗是一個(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)受到淺部或附近地質(zhì)體的影響[10]，而低頻數(shù)據(jù)受到深部或遠(yuǎn)處地質(zhì)體的影響。

基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組，電場(chǎng)、磁場(chǎng)和卡尼亞電阻率的關(guān)系式為：

式中，[ρs]表示卡尼亞電阻率;?表示頻率;[Ex]表示電場(chǎng)強(qiáng)度;[Hy]表示磁場(chǎng)強(qiáng)度。

卡尼亞電阻率隨頻率變化而改變，頻率還與電磁波的趨膚深度有密切關(guān)聯(lián)。不同的頻率反映不同深度的卡尼亞電阻率。

2 引水隧洞的地球物理特征與數(shù)據(jù)采集

2.1 地球物理特征

通過資料分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該工區(qū)內(nèi)分布地層主要為新近系（N）和第四系（Q）地層。低山區(qū)山頂及溝底大部分被第四系土層覆蓋，僅溝岸坡有少量基巖出露;丘陵區(qū)呈黃土丘陵地貌特征，區(qū)內(nèi)地表均被第四系土層覆蓋，局部有基巖出露。第四系松散堆積層電阻率較低，在25～800 Ω·m。由此可見，測(cè)區(qū)內(nèi)巖性在垂向上有明顯的電阻率差異，為高密度電阻率層析成像和音頻大地電磁測(cè)深法提供了良好的地球物理前提。

2.2 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)工程概況及前期鉆孔的位置和資料，設(shè)計(jì)布設(shè)三條音頻大地電磁測(cè)深法（EH4）測(cè)線，即測(cè)線I-1、測(cè)線I-2和測(cè)線I-3，以及高密度電阻率層析成像法（ERT）測(cè)段CD1。

利用高密度電阻率層析成像法（ERT），查明埋深較淺（100 m以內(nèi)）的隱伏斷層在隧道擬掘進(jìn)路徑上的具體位置。在測(cè)量過程中，根據(jù)場(chǎng)地地形、地貌、地質(zhì)條件及擬解決的目標(biāo)等因素，采用微分裝置和溫納裝置進(jìn)行測(cè)量。測(cè)線為從鉆孔zk06向swzk03方向，測(cè)線總長(zhǎng)1 200 m，電極距5 m，鉆孔06位于400 m處，采用滾動(dòng)測(cè)量方式，滾動(dòng)4次，每次300 m。數(shù)據(jù)采集儀器采用DZD-8多功能全波形直流電法儀。

利用音頻大地電磁測(cè)深法（EH4），查明鹽鎮(zhèn)-李村斷層在洞軸線附近位置，為較準(zhǔn)確判定斷層的走向和位置，平行布設(shè)3條測(cè)線，即測(cè)線I-1、測(cè)線I-2和測(cè)線I-3。數(shù)據(jù)采集用Stratagem大地電磁測(cè)深儀器。測(cè)點(diǎn)間距為20 m，累計(jì)測(cè)線總長(zhǎng)為4 240 m，測(cè)線方向自北向南。

3 數(shù)據(jù)處理及分析

高密度電阻率層析成像法（ERT）的處理流程包括數(shù)據(jù)拼接、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理、地形校正、正演和反演計(jì)算，最后得到電阻成像色譜圖，并對(duì)其進(jìn)行地質(zhì)解釋。本次處理軟件為2D電阻率反演軟件RES2DINV，根據(jù)地電條件、裝置系統(tǒng)及正演模擬結(jié)果，有針對(duì)性地進(jìn)行高通或低通濾波處理，消除或減小表層干擾和由于極距化而引起的振蕩干擾。測(cè)段CD1電阻率斷面如圖1所示。

測(cè)線長(zhǎng)1 200 m，連續(xù)滾動(dòng)掃描3次，得到4個(gè)剖面，再合并4個(gè)剖面得到測(cè)段CD1。在樁號(hào)500 m下方，電阻率呈現(xiàn)高阻陡變?yōu)榈妥璧淖兓?。樁?hào)500 m向小樁號(hào)的方向，地下呈現(xiàn)電阻率高阻區(qū)帶;而在樁號(hào)500 m向大樁號(hào)的方向，地下呈現(xiàn)電阻率低阻區(qū)帶。這種電阻率高低阻陡變分析為鹽鎮(zhèn)-李村斷層存在的跡象，推測(cè)斷層位置如圖2中黑色折線所示。

利用音頻大地電磁測(cè)深法（EH4）完成整條測(cè)線的連續(xù)觀測(cè)后，可在現(xiàn)場(chǎng)采用電磁排列剖面法（Electromagnetic Array Profiling，EMAP）（該法可以有效地消除靜態(tài)效應(yīng)）給出擬二維反演解釋結(jié)果的灰度圖。后續(xù)處理是野外工作結(jié)束后在室內(nèi)完成的一項(xiàng)工作，一般包括兩個(gè)內(nèi)容：一是在主機(jī)上對(duì)野外數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)、濾波系數(shù)的調(diào)整，或?qū)r(shí)序資料（Y或V文件）進(jìn)行逐個(gè)挑選，或剔除等重新處理;二是在上述工作的基礎(chǔ)上，對(duì)最終處理后的結(jié)果文件進(jìn)一步地做定量解釋及二維反演處理。

測(cè)線Ⅰ-1自南向北樁號(hào)標(biāo)注為1 680～-500 m，總長(zhǎng)度為2 180 m。100～500 m間出現(xiàn)一較寬的低阻異常區(qū)帶，推測(cè)斷層走向?yàn)闁|北70°，視傾角約60°，傾向約為東南160°。斷層位置如圖2中黑色折線所示，大樁號(hào)方向?yàn)槟稀?/p>

測(cè)線Ⅰ-2與測(cè)線Ⅰ-1平行，向東平移150 m，測(cè)線長(zhǎng)度為1 100 m。探測(cè)成果見圖3，在測(cè)線樁號(hào)-100～100 m范圍內(nèi)出現(xiàn)一較寬的低阻區(qū)帶異常區(qū)帶。

測(cè)線Ⅰ-3與測(cè)線Ⅰ-1平行，向西平移150 m，沿ZK6向南布設(shè)，長(zhǎng)度為960 m。從圖4所示的電阻率剖面圖可以看出，在樁號(hào)0 m附近出現(xiàn)規(guī)模較小的低阻異常帶，分析為規(guī)模較小的斷層影響所致。

從圖示結(jié)果可以分析得出，3條EH4測(cè)線均有低阻異常帶存在，進(jìn)一步驗(yàn)證了鹽鎮(zhèn)-李村斷層存在的可能性。

4 結(jié)論

將高密度電阻率層析成像測(cè)段CD1與音頻大地電磁測(cè)深法（EH4）測(cè)線Ⅰ-1重合段放置在一起分析。高密度電阻率層析成像測(cè)段CD1樁號(hào)約600 m下方存在一低阻帶與EH4測(cè)線Ⅰ-1揭示的低阻帶相對(duì)應(yīng)，兩種方法驗(yàn)證了鹽鎮(zhèn)-李村斷層的存在，且其上斷點(diǎn)達(dá)到埋深70 m。

高密度測(cè)段CD1和EH4測(cè)線Ⅰ-1、Ⅰ-2和Ⅰ-3的成果圖表明，在測(cè)段CD1樁號(hào)600 m處、在測(cè)線Ⅰ-1樁號(hào)200 m處（即zk06附近處）及在測(cè)線Ⅰ-2樁號(hào)50 m處有斷層穿過跡象，推測(cè)斷層走向?yàn)槲鞅?0°，視傾角約60°，傾向約為東南160°。

測(cè)段CD1與音頻大地電磁測(cè)深法（EH4）測(cè)線Ⅰ-1重合，其目的有兩個(gè)：兩種地球物理勘探方法相互印證，以增加判定斷層的準(zhǔn)確性;兩種地球物理勘探方法探測(cè)深度的敏感度不同，高密度電阻率層析成像法探測(cè)深度偏淺，常在100 m以內(nèi)，而音頻大地電磁測(cè)深法探測(cè)深度相對(duì)較大，可達(dá)數(shù)百米到幾千米深，兩種方法的結(jié)合可揭示斷層自深部向上延伸到淺部的深度位置。

在地下隱伏斷層的探測(cè)中，工區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜，單純的地球物理勘探方法不足以滿足工程探查需求，通常將多種探測(cè)方法結(jié)合，由于各自的探測(cè)特性，優(yōu)劣互補(bǔ)，可以較為準(zhǔn)確地得出探測(cè)結(jié)果，更好地解決問題。

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