可控源音頻大地電磁法在長(zhǎng)距離輸水隧洞勘察中的應(yīng)用

渠繼明

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院山西太原030024）

可控源音頻大地電磁法在長(zhǎng)距離輸水隧洞勘察中的應(yīng)用

渠繼明

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院山西太原030024）

本文利用勘察實(shí)例從可控源音頻大地電磁法的基本原理，勘察的地球物理前提、勘察儀器、數(shù)據(jù)處理等方面說明了可控源音頻大地電磁法在長(zhǎng)距離深埋隧洞勘察中的有效性。

輸水隧洞；可控源音頻大地電磁法；勘察

1 可控源音頻大地電磁法工作原理及方法

可控源音頻大地電磁測(cè)深法(CSAMT)是在大地電磁測(cè)深法(MT)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種物探方法，兩者工作原理都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)[1]。MT方法采用的是天然場(chǎng)源，其信號(hào)微弱，隨機(jī)性較大，觀測(cè)十分困難。針對(duì)這一弱點(diǎn)，CSAMT勘探采用了可以控制的人工場(chǎng)源，在探測(cè)目標(biāo)體相當(dāng)遠(yuǎn)處布設(shè)供電電極，用發(fā)射機(jī)通過電極向地下供交變電流，在地下建立交變電磁場(chǎng)。電流的頻率在一定范圍內(nèi)按需改變，在要探測(cè)目標(biāo)體的地表同時(shí)測(cè)量相互正交的電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量，具體布置見圖1。然后用卡尼亞電阻率計(jì)算公式得到卡尼亞視電阻率。

圖1CSAMT野外裝置示意圖

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，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[2]。調(diào)整供電頻率的高低，可得到不同深度上的地電信息，達(dá)到頻率測(cè)深的目的。物探采用標(biāo)量測(cè)量方式，即測(cè)量沿測(cè)線方向的電場(chǎng)(Ex)和與測(cè)線方向垂直的磁場(chǎng)(Hy)。

CSAMT按下式計(jì)算卡尼亞電阻率。

式中f為頻率，當(dāng)從高到低逐個(gè)改變頻率，便可得到卡尼亞電阻率測(cè)深曲線。

2 CSAMT資料處理

2.1 數(shù)據(jù)處理流程

CSAMT數(shù)據(jù)處理就是通過一系列數(shù)據(jù)處理手段，把不能直接解釋的頻率域－電阻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為深度－電阻率數(shù)據(jù)，形成沿測(cè)線變化的、反映地下電性結(jié)構(gòu)的電阻率剖面圖，為地質(zhì)解釋奠定基礎(chǔ)。CSAMT方法本身是比較成熟的勘探方法，處理流程為如圖2。

圖2 資料處理流程圖

2.2 數(shù)據(jù)去噪處理

由于勘察區(qū)域可能存在電力線、廠礦、村鎮(zhèn)、公路等干擾源，在高壓線附近一般影響1m～500m的范圍，影響中低頻段。單條高壓線往往使測(cè)得視電阻率值增高，而在兩條或兩條以上電力線附近的干擾更為復(fù)雜，曲線形態(tài)各異。所以必須要去除數(shù)據(jù)中的噪音，否則反演結(jié)果會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤，影響解釋。

2.3 靜態(tài)位移校正

靜態(tài)效應(yīng)是由于近地表的電性橫向不均勻性或地形起伏引起的，并且在某種程度上影響所有的電場(chǎng)測(cè)量，這些非均勻體表面上的電荷分布可使電場(chǎng)數(shù)據(jù)向上或向下移動(dòng)一個(gè)數(shù)值，靜態(tài)效應(yīng)的強(qiáng)度有時(shí)可達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)，在推斷深度時(shí)可引起很大誤差，并使構(gòu)造解釋復(fù)雜化，因此在反演解釋之前需進(jìn)行靜校正[3]。2.4反演處理

野外觀測(cè)數(shù)據(jù)得到的視電阻率曲線與地下的地電結(jié)構(gòu)不是簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而是一種復(fù)雜的非線性關(guān)系，因此需要用特定的反演方法把頻率域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電阻率—深度的關(guān)系。這種把視電阻率隨頻率的變化轉(zhuǎn)化為電阻率隨深度變化的過程就叫做反演處理，這樣可以相對(duì)精確的得到地下電阻率隨深度的變化情況，可以研究由于斷層、地下水所引起的電阻率異常，進(jìn)而研究異常的屬性。

反演后得到CSAMT測(cè)線深度—電阻率斷面，反演剖面圖直觀地展示了一定深度范圍內(nèi)地下電性結(jié)構(gòu)特征，間接地反映了地下地質(zhì)體的分布規(guī)律，進(jìn)而可以賦予地質(zhì)含義進(jìn)行地質(zhì)解釋。

3 應(yīng)用實(shí)例及分析

3.1 工程概況

山西省中部引黃工程是山西省“十二五規(guī)劃”大水網(wǎng)建設(shè)中一項(xiàng)重要的工程，該工程包括取水工程和輸水工程兩部分，取水工程位于保德縣境內(nèi)，輸水工程包括總干線、東干線、西干線以及各支線。輸水總干線起于泵站出水池，沿大致平行于黃河河流的方向經(jīng)保德縣、興縣、臨縣、方山縣、離石區(qū)向南至中陽縣城東側(cè)，在邢家?guī)X處分為東、西干。以下為利用可控源音頻大地電磁法對(duì)總干線輸水隧洞K8+700～K13+500段進(jìn)行勘察的成果與分析，目的是查明可能存在的斷層、巖溶、軟弱地層等不良地質(zhì)體。

3.2 地層巖性

圖3 音頻大地電磁勘探(CSAMT)物探成果圖

圖4 音頻大地電磁勘探(CSAMT)地質(zhì)解釋斷面圖

表1 山西省中部引黃工程某輸水隧洞可控源音頻大地電磁勘探物探異常一覽表

輸水線路沿線地表出露的地層為太古界呂梁山群、奧陶系、石炭系、第四系等地層。輸水隧洞穿過的地層主要有：太古界呂梁山群同岔溝組（Ar3t）、呂梁山群谷羅溝組（Ar3g）、呂梁山群萬年飽組（Ar3w）、震旦亞界長(zhǎng)城系（Zh）、寒武系中統(tǒng)徐莊組（∈2x）、中統(tǒng)張夏組（∈2z）、上統(tǒng)崮山組（∈3g）、上統(tǒng)崮山組與長(zhǎng)山組（∈3gc）、上統(tǒng)鳳山組（∈3f）；奧陶系下統(tǒng)（O1）、中統(tǒng)下馬家溝組（O2x）、中統(tǒng)上馬家溝組（O2s）、中統(tǒng)峰峰組（O2f）；上新近系上新統(tǒng)（N2）；第四系中更新統(tǒng)（Q2pl）；第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）。

3.3 外業(yè)布置及數(shù)據(jù)采集

本項(xiàng)目野外數(shù)據(jù)采集按7道電道排列方式施工，數(shù)據(jù)采集采用加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8儀器。發(fā)射機(jī)采用TXU-30，儀器接收采用一臺(tái)主機(jī)掛多個(gè)盒子來進(jìn)行排列采集，衛(wèi)星同步，這樣就可以一次采集多個(gè)點(diǎn)，提高工作效率。

3.4 資料解釋及物探推斷

圖3為音頻大地電磁勘探(CSAMT)物探成果圖，根據(jù)圖中等值線進(jìn)行如下描述：

在樁號(hào)K8+700～K9+400段，視電阻率等值線橫向表現(xiàn)為兩低夾一高，縱向成層性差，在洞身附近，電阻率值在350Ω· m～900Ω·m之間變化，電阻率較低，等值線呈陡立狀，推測(cè)存在多組斷裂，洞身位置在樁號(hào)K8+815、K9+220附近等值線陡立，推測(cè)存在斷裂。

在樁號(hào)K9+400～K11+010段，橫向?yàn)楦叩透唠娦蕴卣鳎v向洞身以上大部分為低阻，以下為高阻，洞身位置附近電阻率值在100Ω·m～500Ω·m之間變化。顯示為低阻特征，洞身位置樁號(hào)K9+695、K10+520附近，電阻率等值線陡立，推測(cè)存在斷裂；在樁號(hào)K10+850～K11+125段有焦化廠，資料受干擾影響較大。

在樁號(hào)K11+010～K12+925段,橫向電性特征穩(wěn)定，等值線平緩，縱向顯示低高低高電性分布特征，洞身上部為低阻薄層，洞身下部為高阻層，洞身位置電阻率值為相對(duì)高阻，電阻率值在1250Ω·m～1750Ω·m之間變化，屬區(qū)域內(nèi)電阻率值為較高范圍，變化幅度小。在樁號(hào)K11+850～K12+000段等值線有下沖現(xiàn)象，存在物探異常。

在樁號(hào)K12+925～K13+500段，橫向劇烈變化，縱向有層狀特征，表現(xiàn)為從低到高，洞身上部緊鄰低相對(duì)阻體，下部為高阻體，洞身位置電阻率值在1000Ω·m～1500Ω·m之間變化，屬于相對(duì)低阻，地層穩(wěn)定性差；在樁號(hào)K13+150附近等值線陡立，推測(cè)存在斷裂，該斷裂與淺部低阻有相連趨勢(shì)；在樁號(hào)K13+275靠近地表部位存在低阻圈閉，為物探異常。

綜合以上分析并結(jié)合地質(zhì)資料，在勘察區(qū)域內(nèi)，共發(fā)現(xiàn)7處較明顯異常區(qū)域及6處高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)物探異常(如圖4所示)，表1列出異常區(qū)域的位置與性質(zhì)描述。

音頻大地電磁勘探(CSAMT)地質(zhì)解釋斷面圖中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)物探異常根據(jù)以下原則標(biāo)注：在隧道施工過程中，施工的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)往往不在電阻率最低位置，而在電阻率發(fā)生劇烈變化處，電阻率變化表明該處巖石物性發(fā)生變化，或巖石性質(zhì)變化，或巖石完整性變化。高低阻變化處，最接近可能存在（承壓的）地下水的位置，容易出現(xiàn)塌方、冒頂、突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害。

5.5 鉆孔驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證物探結(jié)論的準(zhǔn)確性以及可控源音頻大地電磁法勘探的有效性，在物探工作結(jié)束后，選取2處異常區(qū)域進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，鉆孔位置對(duì)應(yīng)的樁號(hào)分別為K9+250與K10+425的位置。兩個(gè)鉆孔布置在推斷斷層與洞線相交的位置。

（1）ZK12DT-1鉆孔（大致對(duì)應(yīng)樁號(hào)K9+250）

0m～91.3m，Q4pal卵石、混合土；91.3m～239.1mO2f片麻巖；239.1m～340.1m O2s3灰?guī)r；340.1m～389.1m O2s2白云巖夾白云質(zhì)灰?guī)r。其中在136.0m～154.7m、155.8m～161.5m、174.5m～183.6m、184.2m～193.0m、196.3m～199.8m、209.0m～211.5m、229.8m～236.7m深度范圍巖芯破碎，呈碎塊狀，局部呈碎屑狀。

從上述鉆孔資料來看，136.0m～236.7m深度范圍巖體整體破碎，為斷層破碎帶，與物探成果吻合。

（2）ZK12DT-6鉆孔（大致對(duì)應(yīng)樁號(hào)K10+425）

0m～29.29m，Q4pal卵石、混合土；29.29m～133.5m O2f角礫狀泥灰?guī)r夾薄層灰?guī)r；133.5m～230.6m O2s3灰?guī)r，巖溶發(fā)育，巖芯破碎；230.6m～350.0m O2s2灰?guī)r夾豹皮狀灰?guī)r，巖芯破碎。其中230.6m～238.0m為低液限粘土夾碎石的填充物，為斷層破碎帶。

從上述鉆孔資料來看，133.5m～350.0m范圍巖體整體破碎，為斷層破碎帶并有斷層泥存在，與物探成果吻合。

通過鉆孔資料與可控源音頻大地電磁法（CSAMT）物探資料的對(duì)比，證明了可控源音頻大地電磁法（CSAMT）在長(zhǎng)距離深埋隧洞勘察中的有效性和適用性。

4 結(jié)語

4.1 對(duì)于干擾較多的勘察區(qū)域，資料質(zhì)量有所降低，可能產(chǎn)生虛假異常，在物探剖面的交換發(fā)射點(diǎn)位置，也可能產(chǎn)生虛假異常，在這些地帶存在的異常供參考采用。

4.2 物探資料是在地表探測(cè)地下一定范圍內(nèi)電性特征的，是體積勘探，圈定的異常范圍是存在誤差的，這也是電法類物探精度的限制。另外隧道施工受季節(jié)影響很大，大氣降雨的深入地下這一問題尤為突出。因此掘進(jìn)施工過程中除了對(duì)物探所顯示的異常區(qū)引起注意的同時(shí)，一定要做好超前預(yù)報(bào)工作。陜西水利

[1]劉延忠，馮輝.在城市地質(zhì)工作中應(yīng)重視一種新型電磁法——可控源音頻大地電磁法[J].城市地質(zhì)，2006

[2]劉恒祥.深厚覆蓋層的探查[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2014

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

（責(zé)任編輯：暢妮）

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