EH4和納米瞬變電磁法及激發(fā)極化聯(lián)合探測(cè)斷層構(gòu)造★

張 毅 毋光榮

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450003)

EH4和納米瞬變電磁法及激發(fā)極化聯(lián)合探測(cè)斷層構(gòu)造★

張 毅 毋光榮

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450003)

以某工程為例，使用EH4大范圍探測(cè)查明了斷層的大致位置和產(chǎn)狀，采用納米瞬變電磁在斷層的大致位置進(jìn)行詳查，確定了斷層的準(zhǔn)確位置及產(chǎn)狀，并根據(jù)極化率推測(cè)了斷層富水性，指出EH4、納米瞬變電磁法和激發(fā)極化聯(lián)合探測(cè)斷層的構(gòu)造具有可行有效性。

EH4，納米瞬變電磁法，激發(fā)極化法，斷層

在山谷間探測(cè)斷層是物探工作的難點(diǎn)，山谷間場(chǎng)地狹窄，很多物探方法受場(chǎng)地限制很難開(kāi)展。高頻大地電磁法(EH4)是少數(shù)不受場(chǎng)地限制的物探新方法，具有工作效率高，適合在山區(qū)作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)，但是該方法探測(cè)的天然源信號(hào)較弱，精度較低，加之山谷間造成的地形響應(yīng)難以消除，因此高頻大地電磁法只能確定斷層的大致位置，也無(wú)法確定淺部斷層的寬度和傾角。EH4法需要一種精度高的物探方法配合使用。

納米瞬變電磁法探測(cè)淺部斷層效果很好，可以更準(zhǔn)確探測(cè)到斷層的位置、傾角和寬度。激發(fā)極化法可以評(píng)價(jià)斷層富水性，但是該方法裝置笨重，在山區(qū)探測(cè)效率低，很難大規(guī)模開(kāi)展工作，只能在小范圍進(jìn)行詳測(cè)。三種方法的聯(lián)合使用可以發(fā)揮三種方法的優(yōu)點(diǎn)，快速準(zhǔn)確的查明斷層，并評(píng)價(jià)斷層富水性。

1 概況

1.1 工程概況

小浪底北岸灌區(qū)位于濟(jì)源市和焦作市，灌溉面積74.6萬(wàn)畝。一期工程年均引水量為1.45億m3，由總干渠、一干渠和輸水線路組成，總干渠長(zhǎng)17.917 km，11號(hào)隧洞是總干渠包含的12條隧洞之一，F(xiàn)29斷層與11號(hào)隧洞相交，給施工帶來(lái)了極大的安全隱患。需要查明F29斷層的位置、規(guī)模和產(chǎn)狀，確定F29斷層上盤(pán)是否有承壓水。

1.2 地形地貌

29號(hào)斷層所在區(qū)為單斜構(gòu)造，屬王屋山余脈。地貌單元屬基巖丘陵，地面高程250 m～420 m，高差50 m～100 m。山體以基巖為主，出露基巖破碎。地表多黃土，厚度幾米至幾十米不等，植被發(fā)育。河谷呈“V”字形，溝底多為坡積物覆蓋，常有泉水。

1.3 地質(zhì)簡(jiǎn)況

29號(hào)斷層為正斷層，推測(cè)走向325°，傾角76°，傾向東北，斷層帶寬度5 m～20 m，北側(cè)與F59斷層相交，南側(cè)與F52斷層相交。斷層上盤(pán)發(fā)育有大量的塌滑體。

依據(jù)鉆孔資料，探測(cè)深度內(nèi)的地層巖性主要為砂巖和泥巖，覆蓋層為黃土狀粉質(zhì)壤土。

1.4 地球物理特征

分析探測(cè)結(jié)果:地層由上到下電阻率具有逐漸增大的特征，對(duì)原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后得出，基巖電阻率值為80 Ω·m～220 Ω·m，本區(qū)的地下水位較淺，斷層破碎帶充水后表現(xiàn)為條帶狀低阻體，破碎帶電阻率最小為25 Ω·m;地層含水率越高，極化率越高，本區(qū)完整巖體極化率為1.0～1.6，富水破碎帶極化率為1.9～2.2;因此采用大地電磁法、納米瞬變電磁探測(cè)斷層，采用激發(fā)極化法評(píng)價(jià)地層富水性具有較好的地球物理前提。

2 工作布置

順洞軸線布置測(cè)線3，分別用EH4、納米瞬變電磁和激發(fā)極化法探測(cè)，3種方法起點(diǎn)相同，見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)線布置圖

2.1 大地電磁法

1)方法原理。EH4是在大地電磁法(AMT)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的頻率域電磁法，在高頻段使用人工場(chǎng)源作為補(bǔ)充，在中、低頻段仍使用天然源，與傳統(tǒng)大地電磁法一致，但效率大大提高。其工作原理是基于麥克斯韋方程組完整統(tǒng)一的電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)。利用天然場(chǎng)源或人工源，在探測(cè)目標(biāo)體地表的同時(shí)測(cè)量相互正交的電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量，然后用卡尼亞電阻率計(jì)算公式得出視電阻率。根據(jù)大地電磁場(chǎng)理論可知，電磁波在大地介質(zhì)中穿透深度與其頻率成反比，當(dāng)?shù)叵码娦越Y(jié)構(gòu)一定時(shí)，電磁波頻率越低穿透深度越大，能反映出深部的地電特征;電磁波頻率越高，穿透深度越小，則能反映淺部地電特征。利用不同的頻率，可得到不同深度上的地電信息，以達(dá)到頻率測(cè)深的目的。

2)工作布置。采用無(wú)源矢量模式，20 m點(diǎn)距(水平距離)，20 m極距(水平距離)測(cè)量，根據(jù)天然場(chǎng)實(shí)時(shí)強(qiáng)度，中高頻和低頻段采用5次～20次疊加，矢量測(cè)量方式為“十”字形布極(見(jiàn)圖2)。探測(cè)時(shí)1根電極插在測(cè)點(diǎn)上，另外4根以測(cè)點(diǎn)為中心對(duì)稱(chēng)布設(shè)，Ex，Hx與測(cè)線方向一致，Ey，Hy與測(cè)線方向垂直。

2.2 納米瞬變電磁法

1)方法原理。瞬變電磁法簡(jiǎn)稱(chēng)TEM，以不接地回線通以脈沖電流，以激勵(lì)探測(cè)目的物感生二次電流，在脈沖間隙測(cè)量二次場(chǎng)隨時(shí)間變化的響應(yīng)的一種電磁探測(cè)方法。

2)工作布置。TEM探測(cè)使用的儀器是美國(guó)Zonge公司生產(chǎn)GDP-32Ⅱ納米瞬變電磁系統(tǒng)(NanoTEM)，采用中心回線裝置(見(jiàn)圖3)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，選用發(fā)射線圈為10 m×10 m的4匝導(dǎo)線，接收線圈則采用5 m×5 m的2匝導(dǎo)線，點(diǎn)距10 m，發(fā)射電流4 A，發(fā)射頻率為32 Hz，探測(cè)效果最好。

圖2 測(cè)量裝置示意圖

圖3 瞬變電磁中心回線裝置示意圖

2.3 激發(fā)極化法

1)方法原理。在人工電流場(chǎng)(即一次場(chǎng)或激發(fā)場(chǎng))作用下，具有不同電化學(xué)性質(zhì)的巖石或裂隙水，由于電化學(xué)作用將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的二次電場(chǎng)(激發(fā)極化場(chǎng))。這種物理化學(xué)作用稱(chēng)為激發(fā)極化效應(yīng)。它包括電子導(dǎo)體的激發(fā)極化效應(yīng)和離子導(dǎo)體的激發(fā)極化效應(yīng)。激發(fā)極化法是根據(jù)激發(fā)極化效應(yīng)來(lái)解決水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等問(wèn)題的勘探方法。它又分為直流激發(fā)極化法(時(shí)間域法)和交流激發(fā)極化法(頻率域法)。常用的電極排列有中間梯度排列、聯(lián)合剖面排列、固定點(diǎn)電源排列、對(duì)稱(chēng)四極測(cè)深排列等。

2)工作布置。為了與納米瞬變電磁探測(cè)結(jié)果比對(duì)，直流激發(fā)極化法也使用施龍貝格裝置，見(jiàn)圖4。

圖4 對(duì)稱(chēng)四極激發(fā)極化法裝置

最小AB/2為20 m，最大AB/2為600 m，最小MN/2為10 m，最大MN/2為20 m，詳見(jiàn)表1。以鐵電極作為供電電極，不極化電極(鉛和氯化鉛)為測(cè)量電極，使用12 V汽車(chē)電瓶加升壓器作供電電源。

表1 激發(fā)極化法裝置參數(shù)表

3 成果分析

3.1 大地電磁法

采用IMAGEM軟件對(duì)預(yù)處理后的EH4數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算，反演后使用測(cè)量成果進(jìn)行地形校正，最終使用Surfer軟件繪制電阻率—深度剖面圖。

從圖5中的電阻率—深度剖面圖分析，在水平距離220 m～300 m，出現(xiàn)1條明顯低阻條帶，低阻條帶明顯傾向大樁號(hào)一側(cè)，電阻率小于60 Ω·m，低阻區(qū)兩側(cè)的高阻區(qū)電阻率等值線明顯上下錯(cuò)動(dòng)，小樁號(hào)一側(cè)的高阻區(qū)電阻率120 Ω·m～240 Ω·m，大樁號(hào)一側(cè)的高阻區(qū)電阻率80 Ω·m～120 Ω·m，小樁號(hào)電阻率值明顯高于大樁號(hào)一側(cè)，推測(cè)存在1條北傾正斷層，小樁號(hào)一側(cè)為下盤(pán)。

圖5EH4成果圖

3.2 納米瞬變電磁法

納米瞬變電磁法數(shù)據(jù)采用“STEMIN”反演程序處理，用“surfer”得到圖6中的電阻率—深度剖面圖，剖面中部出現(xiàn)一條明顯的低阻條帶，位置與3測(cè)線大地電磁法成果圖中的低阻條帶一致，但更加精細(xì)，更為精確的反映出斷層的位置和傾角，斷層破碎帶電阻率20 Ω·m～40 Ω·m，小樁號(hào)一側(cè)的高阻區(qū)電阻率120 Ω·m～220 Ω·m，大樁號(hào)一側(cè)的高阻區(qū)電阻率80 Ω·m～160 Ω·m，小樁號(hào)電阻率值明顯高于大樁號(hào)一側(cè)，電阻率大小關(guān)系與大地電磁法一致，推測(cè)存在1條北傾正斷層，小樁號(hào)一側(cè)為下盤(pán)。

圖6 納米瞬變電磁法成果圖

3.3 激發(fā)極化法

從圖7中激發(fā)極化法的電阻率—深度剖面圖分析，剖面中部出現(xiàn)明顯的高極化區(qū)(極化率1.9%～3.2%)，位置、寬度均與3測(cè)線大地電磁法成果圖中的低阻條帶一致，推測(cè)為富水性強(qiáng)的破碎帶，小樁號(hào)一側(cè)極化率η為1.0%～1.6%，大樁號(hào)一側(cè)的極化率η為1.4%～1.6%，小樁號(hào)電阻率值明顯高于大樁號(hào)一側(cè)，極化率大小關(guān)系與大地電磁法反映的地質(zhì)情況一致，斷層兩側(cè)的低極化率區(qū)域形態(tài)完整，且越往深部極化率越低，說(shuō)明斷層兩側(cè)地層富水性整體弱，且越深富水性越弱，未發(fā)現(xiàn)承壓水跡象。地質(zhì)解釋見(jiàn)圖8。

圖7 激發(fā)極化法成果圖

圖8 地質(zhì)解釋圖

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)鉆孔YZK01光學(xué)成像驗(yàn)證，采用EH4、納米瞬變電磁法和激發(fā)極化聯(lián)合探測(cè)F29斷層位置，產(chǎn)狀準(zhǔn)確，抽水試驗(yàn)結(jié)果與激發(fā)極化法推測(cè)富水性一致。說(shuō)明用這三種方法探測(cè)山區(qū)斷層并評(píng)價(jià)富水性的做法可行。納米瞬變電磁法在淺層的工程探測(cè)應(yīng)用中效果是比較顯著的，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用小線框大電流可以有效提高探測(cè)深度。

［1］ 何繼善.可控源音頻大地電磁法［M］.長(zhǎng)沙:中南工業(yè)大學(xué)出版社，1989.

［2］ 石昆法.可控源音頻大地電磁法理論與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，1999.

［3］ 劉廣岳.基于瞬變電磁法(TEM)的西昆侖地區(qū)多年凍土厚度探測(cè)與研究［J］.冰川凍土，2015(2):38-41.

EH4，TEM and induced polarization method to detect fault★

Zhang YiWu Guangrong

(YREC，Zhengzhou 450003，China)

Taking an engineering as the example，first to use a wide range of EH4 detection，find out the fault of approximate position and attitude and then use TEM method in the fault of the approximate location of the survey，the fault to determine the accurate position and attitude，and according to the polarization rate inference water rich fault，pointed out that the structure of EH4，Nano TEM and induced polarization joint detection fault had feasible and effective.

EH4，TEM，induced polarization method，fault

P631

:A

1009-6825(2016)35-0061-03

2016-09-30 ★:水利部“948”計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):201506)資助

張 毅(1980-)，男，工程師; 毋光榮(1955-)，男，高級(jí)工程師