EH4在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

鐘韜

（中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，長(zhǎng)沙410014）

1 引言

由于西部地區(qū)大多地質(zhì)情況復(fù)雜，地形起伏變化大，自然環(huán)境惡劣，常規(guī)工程地震、電法勘探方法在很大程度不能滿足工程地質(zhì)勘探的需要。針對(duì)上述情況，近年來(lái)逐步研究出一種新的探測(cè)技術(shù)——EH4高頻大地電磁法，該方法設(shè)備輕便、采集速度快、施工費(fèi)用低、勘探深度大、反演結(jié)果精度較高，能更好地適應(yīng)地形起伏較大、地質(zhì)情況復(fù)雜、環(huán)境惡劣地區(qū)的勘探工作。本文以西部某治理保護(hù)工程引水隧洞隱伏斷層的探測(cè)為例，介紹EH4在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用。

2 EH 4工作原理

EH4是通過(guò)對(duì)地面電磁場(chǎng)的觀測(cè)研究地下巖石電阻率分布規(guī)律的一種物探方法。它通過(guò)觀測(cè)2個(gè)正交電場(chǎng)分量（Ex、Ey）和磁場(chǎng)分量（Hx、Hy）信息，利用傅里葉變換將時(shí)間域的電磁信號(hào)變成頻譜信號(hào)，得到 Ex、Ey、Hx、Hy，并由式（1）計(jì)算出卡尼亞電阻率與相位的變化規(guī)律，由式（2）計(jì)算出趨膚深度，進(jìn)而推斷測(cè)區(qū)地電特征和地下構(gòu)造。式（1）和式（2）中，δ為趨膚深度，m；f為頻率，Hz；ρ為電阻率，Ω·m；E 為電場(chǎng)強(qiáng)度，ms/km；H 為磁場(chǎng)強(qiáng)度，n T[1]。

3 數(shù)據(jù)采集技術(shù)措施[2]

影響原始數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的因素主要包括：平行試驗(yàn)檢測(cè)、電極布置、磁棒布置、采集數(shù)據(jù)時(shí)段等。實(shí)際野外測(cè)量中需采取必要的技術(shù)措施來(lái)保證數(shù)據(jù)質(zhì)量：

1）在開(kāi)展工作的前一天做平行試驗(yàn)，檢測(cè)儀器是否工作正常，2個(gè)磁棒相隔5m，平行放在地面，2個(gè)電偶極子也平行。觀測(cè)電場(chǎng)、磁場(chǎng)通道的時(shí)間序列信號(hào)，檢查2個(gè)方向通道的波形形態(tài)和強(qiáng)度是否基本一致。

2）野外工作電極的布置通常是采用4個(gè)電極，其中，每2個(gè)電極組成1個(gè)電偶極子，電偶極子的布置為分別沿平行測(cè)線方向和垂直測(cè)線方向各1對(duì)，誤差?yuàn)A角應(yīng)在±2°以內(nèi)。并確保布置的電極與大地接觸良好，一般接地電阻至少要小于10 000Ω/m[2]。

3）磁棒離前置放大器大于5m，為了消除人文因素干擾，2個(gè)磁棒要埋在地下，保證其平穩(wěn)，用羅盤(pán)儀定向使HX、HY兩磁棒相互垂直，誤差不超過(guò)±2°，且水平。所有的工作人員離開(kāi)磁棒至少5m。

4）天然電磁場(chǎng)在不同時(shí)段的不同頻率的信號(hào)強(qiáng)度分布不同。天然場(chǎng)源主要以雷暴為主，在北半球夏強(qiáng)冬弱，夜強(qiáng)日弱。場(chǎng)源信號(hào)的這種強(qiáng)弱變化，導(dǎo)致了阻抗數(shù)據(jù)的變化，在信號(hào)較弱時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，阻抗結(jié)果往往具有明顯的畸變特征，大部分表現(xiàn)為電磁場(chǎng)振幅譜曲線、視電阻率、相位曲線呈谷底型，脫節(jié)或不光滑，部分頻點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差非常大，此時(shí)需使用可控人工源補(bǔ)充天然場(chǎng)信號(hào)較弱的高頻段信號(hào)[3]。

5）采用人工源時(shí)，EH4要求在“遠(yuǎn)區(qū)”觀測(cè)，需避免因發(fā)、收距較小，出現(xiàn)近源效應(yīng)[4]，數(shù)據(jù)發(fā)生畸變；避免因發(fā)、收距較大，不能觀測(cè)到有效數(shù)據(jù)。接收器到發(fā)射源之間最大的有效距離為：標(biāo)準(zhǔn)功率發(fā)射器為400m，大功率發(fā)射器為800m。標(biāo)準(zhǔn)天線的發(fā)射頻率是800~64 000Hz；大功率天線的頻率范圍是400~32 000Hz。

6）采用人工源進(jìn)行采集數(shù)據(jù)時(shí)，尤其是在地形起伏較大的地方，需注意接收點(diǎn)與發(fā)射源的相對(duì)位置。

4 應(yīng)用實(shí)例

工程區(qū)位于青藏高原東南部，地貌上屬高山峽谷區(qū)，屬岡底斯—騰沖地層區(qū)的拉薩—察隅地層分區(qū)，分布有元古代（Pt）—第四系（Q）地層。引水隧洞線路沿線為高山峽谷地貌，穿過(guò)7條深切大沖溝。地層巖性主要為片麻巖夾片巖、大理巖，引水隧洞與F26斷層大角度相交，與F24斷層近平行，距離約1.2km，緊臨出洞口發(fā)育F42斷層。工區(qū)地形起伏較大、且采集時(shí)間段由夏季跨度到冬季，圖1a、圖1b為不同季節(jié)數(shù)據(jù)曲線，由圖可知夏季天然場(chǎng)源各頻帶信號(hào)較強(qiáng)，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量較好，視電阻率呈現(xiàn)一條近似連續(xù)光滑的曲線；冬季天然場(chǎng)源各頻帶信號(hào)較弱，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量較差，中、低頻帶局部出現(xiàn)“死頻點(diǎn)”現(xiàn)象。圖1c、圖1d為不同高程接收點(diǎn)數(shù)據(jù)曲線，由圖可知，當(dāng)源距一定時(shí)，接收點(diǎn)低于發(fā)射源時(shí)，視電阻率曲線“死頻點(diǎn)”相對(duì)減少，采集數(shù)據(jù)質(zhì)量相應(yīng)較高。因此，本次勘察在夏季采用天然場(chǎng)源信號(hào)，在冬季采用可控人工源對(duì)天然源信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。采用人工源時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比確定本次勘察場(chǎng)源距為250～500m，并根據(jù)前期測(cè)量成果，提前確定好源點(diǎn)位置，盡量使接收點(diǎn)高程低于發(fā)射點(diǎn)高程。

圖2為引水隧洞線路打貢弄巴與松宗弄巴段剖面，樁號(hào)2+290～2+690m 段，視電阻率變化范圍為 100～850Ω·m。淺部視電阻率低，小于400Ω·m，主要為崩坡積的反映，最大厚度約50m。高程2200m以上樁號(hào)2+490m處視電阻率大于850Ω·m的等值線出現(xiàn)中斷現(xiàn)象，小于850Ω·m的等值線趨向斷口彎曲，傾向下部的低阻異常區(qū)域，為斷層（F2）的反映，傾向小里程方向；樁號(hào)3+290～3+795.29m段，視電阻率變化范圍為100～3000Ω·m。淺部視電阻率低，小于 400Ω·m，主要為崩坡積的反映，最大厚度約65m。高程2500m以上樁號(hào)3+380m處視電阻率大于750Ω·m的等值線出現(xiàn)中斷現(xiàn)象，小于750Ω·m的等值線趨向斷口彎曲，傾向下部的低阻異常區(qū)域，為斷層（F3）的反映，傾向小里程方向。

圖1 典型數(shù)據(jù)曲線

圖2 引水隧洞線路打貢弄巴與松宗弄巴段剖面

5 結(jié)論

通過(guò)EH4在西部地區(qū)探測(cè)隱伏斷層的應(yīng)用，表明該方法能快速、準(zhǔn)確地查明地層空間分布形態(tài)與特征，是一種有效的勘探方法，并且巧妙地采用了天然場(chǎng)與人工場(chǎng)相結(jié)合的工作方式，使用可控源補(bǔ)充天然場(chǎng)信號(hào)較弱的高頻段信號(hào)，既保證了淺部到深部的勘探范圍，又加快了勘探過(guò)程，提高了工作效率，保證了觀測(cè)質(zhì)量。