大地電磁在隧道探測中的應用

蔡建峰

摘 要：為查明隧道地下地質構造情況，文章基于麥克斯維方程組原理，了解了大地高頻電磁場特征和EH4電測深系統工作方法，結合西南某隧道低電阻層段和高電阻層段的地電斷面實例，討論分析了大地電磁法在隧道勘探中的應用。結果表明，大地電磁法在巖性劃分，斷層、破碎帶識別及含水層分析方面具有良好的應用效果，表明大地電磁法在隧道探測中具有可靠性和實用性。

關鍵詞：隧道；大地電磁法；EH4

1 高頻大地電磁測深原理

1.1 麥克斯維方程組

電磁法勘探的基本方程是麥克斯維方程組：

（1）

式中E為電場強度；B為磁感應強度；D為電通量密度；H為磁場矢量，？塄為哈密頓算符。

1.2 EH4電磁測深系統介紹

1.2.1 EH4電磁測深系統特征

EH4工作頻率范圍在0.1Hz-100KHz之間，屬于高頻電磁測深頻帶范圍。EH4系統在勘探中有許多優(yōu)點，具體表現為：（1）EH4電磁測深系統提供二維張量測量與處理、解釋；（2）提供探測區(qū)外的場源，為某些頻段信號差提供重要參考數據；（3）EH4電磁測深系統適用各種地形，采集數據效率高。

1.2.2 EH4電磁測深系統工作方法

EH4電磁測深系統工作首先是從野外采集電磁場數據（Ex、Ey、Hx、Hy），進而進行去噪、信號加強等處理，然后通過二次處理輸出相應數據。根據EH4工作方法可以看出，其剖面測線的選擇很靈活，測線布設不一定走直線，這大大提高了勘探效率。

2 大地電磁在隧道探測中的應用

2.1 工區(qū)概況

西南某公路隧道大部分地勢比較平緩，但局部地區(qū)較陡，海拔高差在400米左右。自上而下的地層包括第四系的卵礫石、黏土等松散巖土層，侏羅系自流井組砂、泥巖，三疊系須家河組含煤砂、泥巖；雷口坡組石灰?guī)r等。從電性特征來看工區(qū)完整的巖體與軟弱巖體、破碎巖體存在著明顯的電性差異，這為大地電磁測深勘探提供了前提保障。

2.2 測線布設

從勘探目的來看，隧道中開展大地電磁法主要是為了查明地下一定深度范圍內的巖性，并劃分地層界線，判斷地下斷層、破碎帶發(fā)育情況和分布位置。因此測線沿隧道中線布設，電極距為20米，測點距為20米。

2.3 資料處理解釋

2.3.1 EH4資料處理與解釋流程

（1）資料處理。為保證解釋數據定性、定量解釋的真實可靠，需要對外業(yè)采集的原始資料進行預處理，包括極化判別、靜態(tài)效應校正、視電阻率曲線編輯等。（2）定性分析。定性分析的內容包括曲線類型分析、參數分析、相位分析等。（3）資料反演。主要的反演方法包括Bostick反演、一維連續(xù)介質反演、二維連續(xù)介質反演。（4）結合地質、鉆探、測井等資料，綜合解釋地下地質構造情況，并繪制電學地質斷面圖，提供綜合解釋成果。

2.4 應用分析

2.4.1 低阻層斷面分析

圖1為隧道低阻層段的大地電磁測深綜合解釋成果圖。

從圖1可以看出，紅色直線代表隧道洞身的位置，該解釋剖面位于隧道進口段，地形起伏較大，埋深較淺。從電阻率斷面圖可以看出，整體電阻率值都偏低，說明巖體總體比較軟，并且破碎。在巖體極破碎位置或巖溶發(fā)育的位置，出現明顯的低阻團塊和等值線下凹畸變。地表和近地表覆蓋層電阻率非常低，說明巖土層非常疏松，含水性高，在施工過程中應注意涌水、塌方等地質災害。

2.4.2 高阻層斷面分析

圖2為隧道高阻層段的大地電磁測深綜合解釋成果圖。

從圖2可以看出該測線段位于隧道中深部地段，電阻率沒有明顯的低值，電阻率相對比較高，說明此段巖體比較完整，以下部老地層基巖為主。低電阻率層以地表和近地表的覆蓋層為主。

3 結束語

文章從電磁場原理出發(fā)，討論了高頻大地電磁場的特征和EH4系統的工作方法，并結合實際大地電磁資料，分析了隧道低阻層段和高阻層段的電性斷面。應用結果表明，大地電磁法在隧道探測中具有良好的可行性和有效性。

參考文獻

[1]劉國棟，趙國澤.大地電磁法新進展[J].地球科學進展，1994，9（4）：97-100.

[2]劉國棟.我國大地電磁測深的發(fā)展[J].地球物理學報，1994，37（增刊1）：301-310.

[3]金長明.Stratagem TM EH4系統電導率成像系統的研究與應用[J]. 西部探礦工程，2003（5）：45-47.