V8網(wǎng)絡(luò)化多功能電法儀在工程中應(yīng)用研究*

劉康和 王志豪 趙吉祥

V8網(wǎng)絡(luò)化多功能電法儀在工程中應(yīng)用研究*

劉康和 王志豪 趙吉祥

某工程輸水隧洞線路長(zhǎng)、海拔高、洞段多為深埋—超深埋、地質(zhì)條件復(fù)雜多變。發(fā)揮V8網(wǎng)絡(luò)化多功能電法儀即電磁測(cè)深技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)揭示了測(cè)區(qū)巖性帶、地層結(jié)構(gòu)、斷層破碎帶等地質(zhì)體的空間展布規(guī)律，為工程地質(zhì)分析和工程設(shè)計(jì)決策提供了重要的依據(jù)。

大地電磁測(cè)深 電磁波 卡尼亞電阻率 深埋長(zhǎng)隧洞 斷層破碎帶 巖性分帶 地層劃分

V8網(wǎng)絡(luò)化多功能電法儀是目前世界上技術(shù)先進(jìn)、功能齊全的電法勘探儀器。該設(shè)備由發(fā)射系統(tǒng)、采集 （接收）系統(tǒng)、定位系統(tǒng)組成，具備：（1）大地電磁測(cè)深（MT）；（2）音頻大地電磁測(cè)深 （AMT）； （3）可控源音頻大地電磁測(cè)深（CSAMT）；（4）時(shí)間域瞬變電磁（TDEM）；（5）時(shí)間域激發(fā)極化（TDIP）等電法勘探測(cè)量功能（生產(chǎn)廠商可根據(jù)用戶要求選擇配置測(cè)量模塊），選用時(shí)可根據(jù)場(chǎng)地條件、勘測(cè)對(duì)象、探測(cè)深度及其測(cè)試精度等綜合考慮。2014年中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司承擔(dān)的水利部 “948”項(xiàng)目 （編號(hào)201419）引進(jìn)了該系統(tǒng)（根據(jù)水工物探應(yīng)用范圍和示范工程需要選配AMT/CSAMT/TDEM/TDIP四大模塊），并在某生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程輸水隧洞勘測(cè)中得到應(yīng)用，通過(guò)對(duì)埋深1.5～2.0 km范圍內(nèi)地質(zhì)情況探測(cè)，基本查明了測(cè)試區(qū)巖性分帶、地層劃分、斷層破碎帶的空間展布規(guī)律，取得了較好的應(yīng)用效果，從而達(dá)到提高勘察成果質(zhì)量、優(yōu)化勘測(cè)技術(shù)、縮短勘測(cè)周期、節(jié)約勘察成本、保證勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的。

1 基本原理及方法特點(diǎn)

1.1 基本原理

在電磁場(chǎng)理論中，當(dāng)電磁波通過(guò)大地傳播時(shí)，其傳播能量隨深度的增大逐漸被吸收，把電磁波振幅衰減到初始值的1/e時(shí)的深度定義為趨膚深度，其公式為：

式中 δ——趨膚深度，m；

ρ——卡尼亞電阻率，Ω·m；

f——頻率，Hz。

勘探深度（h）是一個(gè)較為模糊的概念，一般把電磁波能量衰減到初始值的50%時(shí)的傳播深度定義為勘探深度，其公式為：

從式（1）、式（2）可以看出趨膚深度（δ）和勘探深度（h）都與電磁波的頻率和地下介質(zhì)的電阻率有關(guān)，即與頻率平方根成反比，與大地介質(zhì)的電阻率平方根成正比。當(dāng)工作頻率高時(shí)，探測(cè)深度小，隨著工作頻率降低，探測(cè)深度也隨著增大。在地下電阻率一定的情況下，頻率越高趨膚深度和勘探深度越淺，反之亦深。在頻率一定的情況下地下電阻率越小趨膚深度和勘探深度越淺，反之電阻率越高探測(cè)深度越深。當(dāng)在一個(gè)寬頻帶（如CSAMT的工作頻率1～9 600 Hz）上由高頻向低頻測(cè)量每個(gè)頻點(diǎn)上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，由此計(jì)算出視電阻率和相位變化規(guī)律，據(jù)此確定該點(diǎn)上一定體積范圍內(nèi)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)情況，這就是電磁頻率測(cè)深的基本原理。

1.2 方法特點(diǎn)

（1）AMT是利用天然音頻大地電磁場(chǎng)作為場(chǎng)源（頻率范圍為1～10 000 Hz），屬于被動(dòng)源電磁法，觀測(cè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量，進(jìn)而計(jì)算卡尼亞電阻率。但在采集頻率范圍之外很難獲得較好的采集數(shù)據(jù)。該方法因無(wú)需發(fā)射裝置，所以具有設(shè)備輕便、工作靈活、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。其弱點(diǎn)是由于天然電磁場(chǎng)極化方向隨機(jī)，所以必須進(jìn)行張量測(cè)量和分析，才能得到可靠的阻抗和卡尼亞電阻率，另外，由于天然音頻電磁場(chǎng)的信號(hào)微弱，容易受到工業(yè)電磁信號(hào)的影響，使得抗干擾能力很差，必須進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間疊加、遠(yuǎn)參考、Robust估計(jì)等以壓制干擾。野外采集和預(yù)處理工作量大、效率低。

（2）CSAMT是利用接地水平電偶源為信號(hào)源的一種頻率域電磁測(cè)深法，它采用了大功率的人工場(chǎng)源，其產(chǎn)生的電磁場(chǎng)具有明確的極化方向，可以在發(fā)射電偶極子兩側(cè)60°的扇形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。該法具有信號(hào)穩(wěn)定、信噪比高、抗干擾能力強(qiáng)、地形影響小、探測(cè)深度大、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是整套設(shè)備較笨重、存在場(chǎng)源效應(yīng)的影響（如過(guò)渡帶效應(yīng)、近場(chǎng)效應(yīng)、長(zhǎng)遠(yuǎn)附加效應(yīng)以及場(chǎng)源陰影效應(yīng)等）。

（3）TDEM是通過(guò)不接地回線向地下發(fā)送一次脈沖電磁場(chǎng)（一次場(chǎng)），在其激發(fā)下，地下地質(zhì)體中激勵(lì)起的感應(yīng)渦流將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的感應(yīng)電磁場(chǎng)（二次場(chǎng)）。由于二次場(chǎng)含有地下地質(zhì)體豐富的地電信息，在一次脈沖磁場(chǎng)的間歇期間，利用線圈觀測(cè)二次場(chǎng)（或稱響應(yīng)），通過(guò)對(duì)這些響應(yīng)信息的提取或分析，從而達(dá)到探測(cè)地下地質(zhì)體的目的，比較適用于中、淺深度（100～800 m）的地質(zhì)勘察。

因TDEM是觀測(cè)純二次場(chǎng)，不存在一次場(chǎng)源的干擾，這稱之為時(shí)間上的可分性；但發(fā)射脈沖是多頻率的合成，不同延時(shí)觀測(cè)的主要頻率不同，相應(yīng)時(shí)間的場(chǎng)在地層中傳播速度不同，探測(cè)深度也就不同，這稱之為空間的可分性。基于上述2個(gè)可分性，TDEM可避免接地帶來(lái)的影響、施工效率高、成本低廉、縱向分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是二次場(chǎng)一般信號(hào)較弱，使其觀測(cè)信噪比低，易受外界電磁干擾、在地形條件復(fù)雜的測(cè)區(qū)布設(shè)線框較為困難。

2 工程應(yīng)用

2.1 概況

某工程輸水隧洞線路長(zhǎng)、海拔高、洞段多為深埋—超深埋、地質(zhì)條件復(fù)雜多變。該隧洞存在的主要工程地質(zhì)問(wèn)題有：（1）斷層帶圍巖失穩(wěn)； （2）高地應(yīng)力條件下圍巖變形；（3）巖爆；（4）高外水壓力與突涌水；（5）高地溫；（6）活動(dòng)性斷層；（7）膨脹巖等；因此，查明輸水線路上的斷層構(gòu)造及巖性分帶是線路地質(zhì)勘查的關(guān)鍵性工作?；诂F(xiàn)場(chǎng)情況，只能布置少量的、常規(guī)的地質(zhì)鉆探，此難以滿足工程地質(zhì)勘察和工程設(shè)計(jì)的要求。通過(guò)V8網(wǎng)絡(luò)化多功能電法儀進(jìn)行大地電磁測(cè)深，可以系統(tǒng)揭示了測(cè)區(qū)埋深1.5～2.0 km范圍內(nèi)的斷層構(gòu)造和巖性分帶等問(wèn)題。

本次探測(cè)段所涉及的地層巖性有：石炭系灰?guī)r或大理巖化灰?guī)r和凝灰質(zhì)砂巖、奧陶系灰?guī)r、華力西期花崗巖、第三系泥巖以及第四系地層等。

2.2 探測(cè)方法與技術(shù)

主要對(duì)輸水隧洞復(fù)雜地質(zhì)洞段進(jìn)行探測(cè)。根據(jù)探測(cè)場(chǎng)地地層巖性和斷層構(gòu)造帶的物性特征及其要求的勘探深度（＞1 500 m），選用CSAMT/AMT/TDEM法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，重點(diǎn)探查斷層的規(guī)模、產(chǎn)狀及隨深度變化特征、巖性分布規(guī)律等。下面分別介紹施測(cè)所采用的方法與技術(shù)：

（1）CSAMT的工作頻率范圍為1～7 680 Hz（分40個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行采集），現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采用標(biāo)量采集模式工作，使用1 臺(tái)V8主機(jī)采集，點(diǎn)距40 m，單個(gè)采集排列長(zhǎng)度為120 m，每個(gè)排列可同時(shí)采集3個(gè)物理點(diǎn)。發(fā)射電極A、B間距約2 km。為滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的要求，根據(jù)測(cè)線位置和測(cè)區(qū)地層電阻率特征，收發(fā)距一般為最大探測(cè)深度的5～9倍，本工程根據(jù)具體地形條件，收發(fā)距選取7.5 km。

（2）AMT的工作頻率范圍為1～10 000 Hz，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采用 “十”字形的張量觀測(cè)方式，同時(shí)記錄2道電信號(hào)（Ex、Ey）和2道磁信號(hào)（Hx、Hy），再由傅立葉變換求取電磁場(chǎng)的功率譜和波阻抗，進(jìn)而計(jì)算卡尼亞電阻率。剖面采集使用電磁列陣剖面法（EMAP），即首尾相接的連續(xù)剖面測(cè)量方式，觀測(cè)點(diǎn)距40 m。

（3）TDEM的一次電磁場(chǎng)激發(fā)頻率為25 Hz和5 Hz，其對(duì)應(yīng)的允許觀測(cè)最晚時(shí)間道分別為6.28 ms和37.7 ms，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采用大定源回線裝置，發(fā)射線框?yàn)?00 m×600 m，發(fā)送電流為10～20 A不等，接收線圈為100匝、面積為1 m2，觀測(cè)點(diǎn)距20 m。為保證記錄數(shù)據(jù)的可靠性，視測(cè)區(qū)的干擾情況采用不小于50次疊加，并隨時(shí)進(jìn)行檢查觀量。滿足探測(cè)深度400～600 m的要求。

2.3 成果分析

2.3.1 CSAMT探測(cè)成果分析

圖1為輸水隧洞穿越斷層區(qū)CSAMT視電阻率等值線斷面圖 （最大探測(cè)深度約1 700 m）。綜合分析本次探測(cè)資料，并結(jié)合地質(zhì)測(cè)繪及鉆探成果，對(duì)該段測(cè)試剖面解釋如下：

整條測(cè)線的實(shí)測(cè)電阻率橫向變化較大，在垂向上電阻率變化一般為由上到下電阻率逐漸變大。一般表層為第四系松散堆集物，層厚10～30 m，電阻率范圍值1～50 Ω·m。

下部為基巖，洞身附近巖體分段為：

0～300 m段，表現(xiàn)為高阻異常體，其視電阻率范圍值一般大于1 000 Ω·m，推測(cè)為奧陶系灰?guī)r的反映。

300～500 m段，表現(xiàn)為低阻異常體，其電阻率范圍值50～500 Ω·m，推測(cè)為F1斷層的反映，傾向上游，視傾角80°～90°。

500～1 300 m段，表現(xiàn)為相對(duì)高阻異常體，其電阻率大于1 000 Ω·m，推測(cè)為石炭系厚層大理巖化灰?guī)r及華力西期花崗巖在電性上的反映，二者分界面不明顯。

1 300～1 650 m段，表現(xiàn)為低阻異常體，電阻率范圍值100～500 Ω·m，推測(cè)為F2斷層的反映，傾向下游，視傾角75°～85°。由于擠壓緊密，在洞身附近電阻率范圍值為1 000～2 000 Ω·m，屬于較高電阻體。

圖1 CSAMT視電阻率等值線斷面圖

1 650～2 200 m段，表現(xiàn)為高阻異常體，其視電阻率范圍值1 000～7 000 Ω·m，推測(cè)為華力西期花崗巖的反映。

2 200～2 600 m段，表現(xiàn)為低阻異常體，電阻率范圍值50～500 Ω·m，推測(cè)為F3斷層的反映，傾向上游，視傾角65°～80°。由于擠壓緊密，在洞身附近電阻率范圍值為1 000～2 000 Ω·m，屬于較高電阻體。

2 600～3 120 m段，表現(xiàn)為高阻異常體，其視電阻率范圍值1 000～7 000 Ω·m，推測(cè)為石炭系厚層大理巖化灰?guī)r及華力西期花崗巖在電性上的反映，二者分界面不明顯。

2.3.2 AMT探測(cè)成果分析

圖2為圖1測(cè)線西側(cè)約200 m處且與之平行的AMT視電阻率等值線斷面圖（最大探測(cè)深度約1 600 m），起點(diǎn)與圖1起點(diǎn)相比略向大樁號(hào)偏移。由圖2可以看出，F(xiàn)1斷層與圖1中F1斷層位置及其形態(tài)方面較為一致，但是在細(xì)節(jié)方面具有一定的差異，初步推測(cè)為附近高壓線產(chǎn)生的電磁干擾對(duì)AMT測(cè)試方法產(chǎn)生了一定的影響。

圖2 AMT視電阻率等值線斷面圖

2.3.3 TDEM探測(cè)成果分析

圖3為輸水隧洞進(jìn)口段TDEM視電阻率等值線斷面圖（最大探測(cè)深度約450 m）。綜合分析本次探測(cè)資料，并結(jié)合地質(zhì)測(cè)繪及鉆探成果，對(duì)該段測(cè)試剖面解釋如下：

地表至洞線以下100 m范圍內(nèi)地層電阻率變化較大，其中深度0～150 m范圍內(nèi)相對(duì)低阻區(qū)為第四系地層或破碎巖體的電阻率反映，下部相對(duì)高阻區(qū)為較完整巖體的電阻率反映。

圖3 TDEM視電阻率等值線斷面圖

洞身附近巖體分段為：

0～210 m段，表現(xiàn)為相對(duì)高阻異常體，其視電阻率范圍值120～300 Ω·m，推測(cè)為石炭系C2dnb-1凝灰質(zhì)砂巖的反映；其中洞線附近210 m處視電阻率等值線相對(duì)密集，反映變化梯度較大，推測(cè)為F4斷層的反映，該深度段等值線近直立，視傾角約86°，傾向小樁號(hào)。

210～400 m段，表現(xiàn)為低阻異常體，其視電阻率范圍值70～120 Ω·m，推測(cè)為第三系地層N1+2紅色泥巖的反映。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)工程應(yīng)用研究，取得了以下認(rèn)識(shí)：

（1）V8中CSAMT法在某工程輸水隧洞中的應(yīng)用能夠達(dá)到勘探深度不小于1 500 m的要求，也基本保證了復(fù)雜地質(zhì)條件下勘測(cè)成果的精度。

（2）由于V8中CSAMT法接收的是人工場(chǎng)而非天然場(chǎng)，所以具有一定的抗干擾能力。但是在高壓線的強(qiáng)干擾下也存在一些影響，此時(shí)測(cè)線宜適當(dāng)偏移，以保證測(cè)試效果。

（3）對(duì)V8中CSAMT、AMT進(jìn)行了相互驗(yàn)證、補(bǔ)充，所得結(jié)果基本一致。而TDEM法測(cè)試結(jié)果經(jīng)鉆探驗(yàn)證，也基本符合實(shí)際情況。

（4）工程實(shí)踐證明，在地形地貌、地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下，應(yīng)用V8網(wǎng)絡(luò)化多功能電法儀即電磁測(cè)深技術(shù)對(duì)深埋地下工程中的巖性分帶、斷層破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象的勘測(cè)可形象地揭示其在空間的展布規(guī)律，為工程地質(zhì)分析、指導(dǎo)其它勘探工作的布置和工程設(shè)計(jì)決策提供重要的基礎(chǔ)成果。

[1]劉康和，練余勇.深埋長(zhǎng)隧洞地球物理勘察及施工超前預(yù)報(bào)[M].天津∶天津科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

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[3]何繼善.廣義電磁法和偽隨機(jī)信號(hào)電法 [M].北京：高等教育出版社，2010.

[4]湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁法及其應(yīng)用 [M].長(zhǎng)沙∶中南大學(xué)出版社，2005.

[5]SL 326—2005水利水電工程物探規(guī)程[S].

[6]中國(guó)水利電力物探科技信息網(wǎng).工程物探手冊(cè) [M].北京∶中國(guó)水利水電出版社，2011.

劉康和 男 教授級(jí)高級(jí)工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

王志豪 男 高級(jí)工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

趙吉祥 男 助理工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

TU413

B

1007-6980（2015）04-0043-03

2015-08-12）

*水利部“948”項(xiàng)目，編號(hào)201419。