蘇曉璐

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

在地形條件較差和地質(zhì)構(gòu)造復雜的地區(qū)，斷層帶、褶皺、節(jié)理裂隙發(fā)育、地下水豐富、隧道圍巖工程地質(zhì)條件較差等都會增加隧道的施工難度和風險，如何高效準確地進行隧道地質(zhì)勘察成為一個需要迫切解決的問題[1-2]。可控源音頻大地電磁法是一種人工控制場源的頻率測深手段，采集數(shù)據(jù)方式相對簡單，可以直接在地表進行觀測，可以通過改變發(fā)射頻率探測不同深度介質(zhì)的電性差異。本文介紹了可控源音頻大地電磁法在一公路隧道地質(zhì)勘察中的應(yīng)用，通過探測初步得到了該隧道的地質(zhì)斷面情況，為下一步勘察設(shè)計與施工提供了一定的地質(zhì)基礎(chǔ)。

1 測區(qū)區(qū)域地質(zhì)概況及地球物理條件

1.1 地形地貌

測區(qū)屬于構(gòu)造剝蝕峽谷地貌，沿測線地形較起伏，地表植被發(fā)育，多灌木，局部有第四系覆蓋。

1.2 氣象水文

測區(qū)屬暖溫帶氣候，春暖干燥，降水較少，氣溫回升快而不穩(wěn)定，多風沙天氣；夏季炎熱干燥，間有起伏；秋季涼爽，較濕潤，氣溫下降快；冬季寒冷干燥，氣溫低，雨雪稀少。全年平均氣溫9℃～16℃，年平均降水量340～1 240 mm。

1.3 地層巖性

測區(qū)主要巖性為三疊系板巖加砂巖。板巖灰黑色，砂巖青灰色，板巖中厚層狀結(jié)構(gòu)，變余泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，板理、層理發(fā)育，板巖單層厚度20～30 cm，風化帶板巖敲擊易沿板理面開裂。砂巖中厚塊狀結(jié)構(gòu)，單層厚度20～30 cm，層理發(fā)育，層面平整，巖石飽和單軸抗壓強度22～25 MPa，為較軟巖石。巖體中節(jié)理發(fā)育。

1.4 地球物理條件

該次勘察旨在探明基巖風化層厚度、基巖起伏情況、不同巖性的接觸關(guān)系以及基巖裂隙水和賦水情況等。隨地層變化、巖石風化程度變化，地下電性介質(zhì)會存在較大差異[1]，如果裂隙中賦水則電性差異更明顯。

2 方法原理

可控源音頻大地電磁法是一種外加人工源的電磁勘探方法，利用人工發(fā)射一定頻率的電磁場，經(jīng)地下介質(zhì)的反射和折射后，可以在地表觀測到與地下不同介質(zhì)的電導率差異有關(guān)的一次場點位和磁場強度變化[3-4]。電磁場遵從麥克斯韋方程組：

式中：E為電場強度，V/m；B為磁感應(yīng)強度或磁通密度，WB/m2；D為電感應(yīng)強度或電位移，C/m2；H為磁場強度，A/m；j為電流密度，A/m2；ρ為自由電荷密度，C/m3。在各向同性介質(zhì)中，電磁場的基本量可以通過物性參數(shù)ε和μ聯(lián)系起來：

式中：σ為介質(zhì)電導率，S/m；ε為介質(zhì)的介電常數(shù)；μ為介質(zhì)的磁導率。

假設(shè)地層為二層模型，求解二階微分電磁方程組，可以得到地面的阻抗值：

3 野外數(shù)據(jù)采集

野外采用十字形觀測系統(tǒng)，水平方向電磁道分別按磁北（x）磁東（y）互相垂直鋪設(shè)，野外觀測裝置布置示意圖見圖1。

圖1 野外觀測裝置布置示意圖

采集系統(tǒng)采用國內(nèi)生產(chǎn)的DRU接收系統(tǒng)，該接收系統(tǒng)單機共12個通道，包括3個磁道和9個電通道，低頻采樣率可以降到24 kHz，高頻采樣率可以達到600 kHz，動態(tài)范圍大于130 dB，室外工作溫度范圍為-35℃～50℃，滿足項目對采集系統(tǒng)的要求。

野外測線和測點布置見圖2，測點沿著隧道線位布設(shè)，隧道全長3 760 m，共設(shè)126個可控源音頻大地電磁測點，單個測點的觀測時長為30 min，場源布置在測區(qū)8 km以外，以保證在發(fā)射源的遠場區(qū)進行觀測。

圖2 測點布置示意圖

在數(shù)據(jù)采集之前需要對各儀器進行一致性試驗和平行觀測，以保證觀測數(shù)據(jù)的真實可靠。一致性試驗就是各臺儀器采用相同的裝置參數(shù)進行觀測，觀測結(jié)果經(jīng)過編輯計算之后，80%以上頻點的視電阻率和相位的均方誤差應(yīng)小于5%。平行觀測需要將磁棒平行放在同一個方向、電極布置在同一個電極坑內(nèi)進行，檢查磁棒和電極之間的誤差是否達標，防止偶然誤差的產(chǎn)生。在觀測過程中還需要布置檢查點，檢查點個數(shù)要大于3%均勻分布，檢查間隔時間大于24 h，均方誤差小于5%視為滿足觀測要求。

4 勘探結(jié)果處理及反演計算

4.1 電磁資料去噪處理

電磁噪聲的干擾在野外采集中很難避免，數(shù)據(jù)與圖像處理過程中對電磁噪聲污染進行抑制是必不可少的步驟。有效的去噪手段可以較準確地恢復數(shù)據(jù)曲線形態(tài)。Robust方法可以對不相關(guān)噪聲起到抑制作用，對測點數(shù)據(jù)進行Robust計算能夠得到較好的去噪效果。

4.2 電性主軸與極化模式識別

實際的地質(zhì)結(jié)構(gòu)幾乎都是三維的，但是在一定深度下有固定方向延伸的地質(zhì)體可以認為是二維的，淺地表的局部異常體會引起大地電磁資料的局部畸變，因為當局部異常體相對于電磁波波長較小時，視電阻率曲線會嚴重畸變，通過觀測阻抗和旋轉(zhuǎn)矩陣之間的旋轉(zhuǎn)計算可以在一定程度上消除這種局部畸變的影響，從觀測阻抗中提取出區(qū)域構(gòu)造阻抗，得到阻抗的優(yōu)勢方位角，從而指導認識地質(zhì)構(gòu)造的走向或傾向。

大地電磁每個測點可以測得兩條視電阻率曲線，野外的觀測方式通常是以南北—東西方向布極，觀測的電場很難平行或垂直于構(gòu)造走向。野外觀測得到的兩條視電阻率曲線分別是ρxy和ρyx，根據(jù)電性主軸方位，對觀測阻抗進行旋轉(zhuǎn)計算，才能獲得兩條不同極化模式的視電阻率曲線ρTE和ρTM。

4.3 靜校正

近地表電性不均勻和地形起伏對大地電磁測深觀測結(jié)果能產(chǎn)生很大影響。按照引起靜位移的原因可以把靜位移分為電流型畸變和感應(yīng)型畸變，分別受剩余電荷和感應(yīng)電荷的影響?？臻g濾波是一種有效的空間平均效應(yīng)下的低通濾波方法，可以沿著測線方向進行濾波來壓制靜態(tài)效應(yīng)：

式中：i為測點號；j為頻點號；M、N都是頻點（M＞N）。

利用矯正系數(shù)得到每個點的權(quán)重，便可以得到校正后的視電阻率值。

實際處理過程中采用空間濾波的方式有效地壓制了高頻靜位移的影響。

4.4 反演計算

由地下介質(zhì)的模型參數(shù)計算地表電磁響應(yīng)稱為電磁勘察的正演問題，相應(yīng)地，由地表觀測的電磁響應(yīng)來計算地下介質(zhì)的模型參數(shù)稱為電磁勘察的反演問題，正演是基礎(chǔ)，反演是目的。Occam反演既能滿足反演計算得到的模型參數(shù)誤差，又能滿足模型的光滑程度。對資料數(shù)據(jù)進行Occam反演計算，在反演過程中每次迭代步長λ可以控制步和光滑程度。每次迭代的時候都對λ進行搜索來尋求數(shù)據(jù)擬合差最小的電阻模型作為下一次迭代的正演模型，對λ選取傳統(tǒng)的二分法搜索，初始值設(shè)定為1，將λ設(shè)定為指數(shù)上標在設(shè)定的區(qū)間內(nèi)搜索，直至目標函數(shù)極值滿足誤差允許范圍。實際操作中反演初始模型設(shè)置為均勻半空間，要求最終的擬合誤差小于5%，根據(jù)趨膚深度計算滿足目標探測深度，最終得到反演成果圖。

圖3 反演成果圖

5 結(jié)果分析

從數(shù)據(jù)處理和反演后得到的視電阻率等值線圖可見，電阻率差異明顯，為地質(zhì)解釋提供了可信的物性基礎(chǔ)。依據(jù)介質(zhì)電阻率、該區(qū)地質(zhì)資料以及鉆孔資料信息，將地層作出如下劃分：風化板巖夾砂巖，電阻率約100～200 Ω·m；三疊系板巖夾砂巖，巖體破碎，富水，電阻率約100～200 Ω·m；三疊系板巖夾砂巖，巖體較破碎，中等富水，電阻率約200～400Ω·m；三疊系板巖夾砂巖，巖體較完整，中等富水，電阻率約400～1 200 Ω·m；節(jié)理裂隙發(fā)育帶，巖體破碎，富水，電阻率約100～200 Ω·m。

從圖4中可以看出該隧道在DK72+425—DK72+643范圍內(nèi)存在一節(jié)理發(fā)育帶，由于裂隙賦水，相對于圍巖呈現(xiàn)低阻特性。可控源音頻大地電磁勘察之后進行了鉆探勘察驗證，在識別出的裂隙帶范圍內(nèi)取芯，巖芯主要描述如下：黑色、黑灰色，板狀構(gòu)造，礦物成分以云母、石英、長石為主，巖體組織結(jié)構(gòu)部分破壞，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，巖芯呈柱狀，一般柱長5～15 cm，巖芯表面可見明顯溶蝕現(xiàn)象，夾雜泥灰?guī)r。鉆孔巖芯資料與可控源音頻大地電磁法勘察結(jié)果基本吻合。

圖4 地質(zhì)解釋圖

6 結(jié)論

該次可控源音頻大地電磁勘察初步探明洞身范圍內(nèi)的巖體完整性及賦水程度，勘察發(fā)現(xiàn)賦水的節(jié)理裂隙發(fā)育帶1處?？煽卦匆纛l大地電磁法勘察可直接在地表進行觀測，通過觀測不同頻率的電磁場信息可以得到地下不同深度介質(zhì)的電性差異，有效地提高了勘察的效率。但是由于電磁探測本身的體積效應(yīng)會給反演結(jié)果帶來多解性，所以將可控源音頻大地電磁勘探與鉆探及其他勘探數(shù)據(jù)結(jié)合進行約束反演和解釋，既能提高勘察的效率，又能提高勘察結(jié)果的準確性。