高頻大地電磁在深埋隧洞探測(cè)中的應(yīng)用

尹 劍，凌 巍，林永燊

（長(zhǎng)江地球物理探測(cè)（武漢）有限公司，湖北武漢430000）

高頻大地電磁在深埋隧洞探測(cè)中的應(yīng)用

尹 劍，凌 巍，林永燊

（長(zhǎng)江地球物理探測(cè)（武漢）有限公司，湖北武漢430000）

文章介紹了高頻大地電磁在深埋隧洞中探測(cè)巨厚覆蓋層及斷層的優(yōu)勢(shì)，以滇中引水工程中深埋隧道探測(cè)為實(shí)例，基于EH4采集數(shù)據(jù)，對(duì)電阻率二維反演成像圖異常形態(tài)、高低阻等特征進(jìn)行了分析，推斷出巨厚覆蓋層分布情況，查明深埋隧道中斷層空間位置，為隧道施工提供了可靠的依據(jù)。

高頻大地電磁；深埋隧道；巨厚覆蓋層；斷層；探測(cè)

1 前言

在水利行業(yè)中，引水隧洞通常為深埋隧洞，其前期勘探對(duì)后期施工技術(shù)選擇與作業(yè)安全有著十分重要的作用。通過(guò)勘探，摸清巨厚覆蓋層分布情況以及確定斷層、巖性界限位置。覆蓋層由于沖積、洪積、坡積等第四紀(jì)松散沉積物的掩蓋，使得地質(zhì)勘查較為復(fù)雜，需采用物探、鉆探、坑探等手段，以了解巨厚覆蓋層的分布特征；斷層由于兩側(cè)的巖石發(fā)生了顯著的位移，導(dǎo)致巖體破碎，相對(duì)周圍巖性電阻率值偏低，它的存在嚴(yán)重影響工程施工質(zhì)量和施工安全，因而必須確定存在的空間位置。

深埋隧洞一般地處深山區(qū)，對(duì)于大于100m巨厚覆蓋層勘探、確定斷層位置，采用鉆探等方法施工難度大、成本高、效率低、目標(biāo)方向不明確，傳統(tǒng)的物探方法探測(cè)深度又達(dá)不到要求，而近十年發(fā)展起來(lái)的EH4高頻大地電磁測(cè)深法在深埋隧洞探測(cè)巨厚覆蓋層、斷層中發(fā)揮了重要的作用，提高了勘探精度，加快了勘查進(jìn)度，節(jié)約了項(xiàng)目成本，為施工提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。

2 EH4技術(shù)及原理

EH4型STraTaGem電磁系統(tǒng)是雙源型/地震系統(tǒng)。該儀器適合各種不同的地質(zhì)條件和惡劣的野外環(huán)境，且不受高阻層影響，技術(shù)上率先突破傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量壁壘，走向電磁測(cè)量擬地震化、聯(lián)合二維連續(xù)觀測(cè)和資料解釋，實(shí)現(xiàn)0.01～100kHZ范圍內(nèi)電磁信號(hào)的連續(xù)采集，因而也被稱為高頻大地電磁法。

圖1 EH4野外數(shù)據(jù)采集工作示意圖

圖1 是EH4野外數(shù)據(jù)采集工作示意圖，該系統(tǒng)能觀測(cè)離地表以下1km范圍內(nèi)斷面的電性變化信息，針對(duì)這些信息的分析，能有效地研究深部構(gòu)造、巖層的展布、覆蓋層分布并劃分其厚度等，以解決水利工程地質(zhì)勘察、地?zé)崤c礦產(chǎn)探明、地下水研究查等問(wèn)題。它是以天然交變電磁場(chǎng)為場(chǎng)源，交變電磁場(chǎng)以波的形式在地下介質(zhì)中傳播，因電磁感應(yīng)作用，地面電磁場(chǎng)的觀測(cè)值將包含有地下介質(zhì)電阻率分布的信息。

電磁理論中，把電磁場(chǎng)在大地中傳播時(shí)，振幅衰減到初始值1/e時(shí)的深度，定義為穿透深度或趨膚深度（δ）

式中:ρ—電阻率值；f—頻率。

由（1）式可知，趨膚深度隨電阻率和頻率變化，頻率較低的數(shù)據(jù)反映較深的電性特性，頻率較高的數(shù)據(jù)反映淺部的電性特性。因此，在一個(gè)寬頻帶上采集電場(chǎng)、磁場(chǎng)信息，并由此計(jì)算出的視電阻率，可確定測(cè)區(qū)電性特征和地下構(gòu)造，以上就是EH4觀測(cè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單原理。

高頻大地電磁測(cè)深法（HmT）相對(duì)于音頻大地電磁測(cè)深（AmT）、大地電磁測(cè)深法（MT）法最大的不同在于其所采用的天然電磁場(chǎng)的頻率不同，具體分布圖2所示。

圖2 HMT、AmT、MT工作頻率分布圖

高頻大地電磁測(cè)深法因其能采集高頻率段信號(hào)，具有測(cè)量淺層地層、抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高等優(yōu)勢(shì)。

3 實(shí)例

3.1 工區(qū)地質(zhì)和地球物理特征

“滇中引水工程”中一深埋隧道設(shè)計(jì)埋深150～250m，最大埋深550m。線路附近山頂高程2064～2645m，山地切割深度200～600m，屬中山地貌。輸水線路上地表水貧乏，主要受大氣降水補(bǔ)給。山體上沖溝較發(fā)育，地表植被稀少，地表水排泄迅速。巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，地下水類型主要為巖溶裂隙水，地下水運(yùn)移通暢，并可能有較大的地下暗河系統(tǒng)。地面調(diào)查發(fā)現(xiàn)有斷層通過(guò)，裂隙較發(fā)育，陡坡地帶卸荷作用明顯。

又名平滑肌瘤、平滑肌肉瘤、怪異性平滑肌瘤的胃腸道間質(zhì)瘤是一種少見的非上皮性腫瘤類疾病。胃腸道、網(wǎng)膜、腸系膜是腫瘤生長(zhǎng)的主要部位，臨床將這一類疾病定義為干細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體陽(yáng)性的梭形細(xì)胞或上皮樣細(xì)胞類腫瘤疾病[1]。我院2012年4月—2017年收治了17例胃腸道間質(zhì)瘤患者，筆者就本組患者CT影像資料進(jìn)行回顧分析，現(xiàn)將胃腸道間質(zhì)瘤CT影像特征表現(xiàn)總結(jié)如下。

深埋隧道穿越地層大部巖性為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及白云巖夾泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r、頁(yè)巖、粉砂巖等，巖層傾角25～35°，巖層走向與洞軸線方向呈小角度交切，局部有花崗斑巖侵入。

地球物理方法電磁法類勘探必要的物理前提是地層的電性差異，只有當(dāng)勘探對(duì)象與周圍地層存在一定的差異時(shí)，才具備應(yīng)用該方法進(jìn)行勘探的地球物理?xiàng)l件。根據(jù)探測(cè)目的、要求及工區(qū)內(nèi)地層的電性差異，地球物理參數(shù)電阻率值（ρ）綜合為如下對(duì)應(yīng)關(guān)系:

灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及白云巖:＞3500Ω·m；

泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r、頁(yè)巖、粉砂巖:250～750 Ω·m；

第四系覆蓋層、泥石流堆積:30～150Ω·m。

通過(guò)物性參數(shù)可以明顯的看出，覆蓋層與基巖存在明顯的電性差異，滿足地球物理高頻大地電磁勘探條件。

3.2 數(shù)據(jù)采集

野外原始數(shù)據(jù)采集，要根據(jù)該工區(qū)現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)磁棒、電極線采用“十”型方式鋪設(shè)；其次測(cè)量點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離電磁場(chǎng)干擾區(qū)；數(shù)據(jù)采集過(guò)程中禁止人員在磁棒附近來(lái)回走動(dòng)，并嚴(yán)密監(jiān)視采樣疊加過(guò)程中的誤差棒，對(duì)畸變點(diǎn)或異常點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)，消除因偶然因素引起的假象，以獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，確保野外資料真實(shí)可靠。

EH4高頻大地電磁法探測(cè)是根據(jù)電磁波在地下巖層中傳播時(shí)存在的時(shí)差性來(lái)反映地下介質(zhì)的物性差異，即地下介質(zhì)電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和相位的差異；資料處理就是依據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)強(qiáng)度和相位的差異來(lái)計(jì)算視電阻率值和相位值。簡(jiǎn)易數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示:

圖3 EH4數(shù)據(jù)處理流程

（1）野外采集的電場(chǎng)、磁場(chǎng)信號(hào)，通過(guò)剔除干擾信號(hào)后進(jìn)行ROBUST處理［5］，計(jì)算出每個(gè)頻點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的平均電阻率與相位差。

（2）通過(guò)軟件進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的二維反演，獲取深度與視電阻率數(shù)據(jù)。

（3）用反演數(shù)據(jù)繪制視電阻率等值圖。首先用反演數(shù)據(jù)在Surfer軟件中繪制電阻率等值線圖，再轉(zhuǎn)換到AuToCAD中，經(jīng)修整完成最后的成果圖，供分析、研究。

由于巖石視電阻率值與地層巖性、構(gòu)造等關(guān)系密切，在視電阻率等值剖面圖上可從電性層的傾向以及視電阻率等值線的疏密程度來(lái)分析地下介質(zhì)存在的物性差異。特別是電性的不連續(xù)現(xiàn)象顯示出視電阻率等值線的密集帶、橫向斜率突變帶或高電阻率區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的低電阻率區(qū)域等都說(shuō)明在該處或兩側(cè)存在著不同的地質(zhì)體和地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象。

3.4 資料解釋

資料解釋是依據(jù)地層的物性差異。地下地層由于成因環(huán)境不同，同時(shí)受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，從而在縱向和橫向上產(chǎn)生視電阻率和相位上的變化，研究這些變化以及巖性物性等特征，可以推斷地下地層的分布規(guī)律、覆蓋層分布和厚度、斷裂構(gòu)造等。

在資料分析中，判別異常區(qū)主要是根據(jù)電阻率值變化及相對(duì)值、等值線的形態(tài)等綜合因素考慮的。本次成果解釋的依據(jù)是:覆蓋層物質(zhì)相對(duì)較松散，且含粘粒成分多，其電阻率值相對(duì)較低，加之覆蓋層物質(zhì)相對(duì)較復(fù)雜多變，電阻率值相對(duì)基巖來(lái)說(shuō)均一性差，所以，只要圈定出表層相對(duì)低阻與不均勻電性特征的范圍，并根據(jù)現(xiàn)有資料對(duì)比，選取一定值的電阻率等值線，就可能了解覆蓋層厚度分布，具體見圖4。

TV221

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1672-2469（2015）10-0080-02

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.25

尹 劍（1986年—），男，助理工程師。