大地電磁測深在隱伏斷層超前探測中的應用

潘紀順 孫凱旋 劉海寧 劉宇鋒 趙蕭蕭

摘 要：巖層常因構造運動或斷裂變動而形成斷層，此后巖體裂隙增多，破碎帶發(fā)育，結構面軟弱，從而降低了巖石的強度和穩(wěn)定性，對工程造成不利的影響。因此，在工程實踐過程中，必須查明斷層真實情況，并采取可靠的基礎工程措施，保障工程安全與穩(wěn)定。本文利用大地電磁測深的方法，探測地表以下400m的地層狀況，判斷斷層位置，結合鉆孔資料分析，得到良好的效果。

關鍵詞：大地電磁測深;斷裂破碎帶;地球物理勘探;數(shù)據(jù)處理

中圖分類號：P631.325文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）02-0147-03

Abstract： Rock formations often form faults due to tectonic movements or changes in faults. Since then， rock mass fractures have increased， fracture zones have developed， and structural surfaces have weakened， thereby reducing the strength and stability of rocks and adversely affecting the project. Therefore， in the course of engineering practice， it is necessary to find out the true condition of the fault and take reliable basic engineering measures to ensure the safety and stability of the project. In this paper， the method of magnetotelluric sounding was used to detect the formation status 400m below the surface， to judge the fault location， and to obtain good results by combining with drilling data analysis.

Keywords： magnetotelluric sounding;fractured zone;geophysical exploration;data processing

近年來，隨著城市建設的飛快發(fā)展，國家和社會對工程建設質(zhì)量及安全尤為重視，城市地下空間構造影響著城市居民的安全和城市的穩(wěn)定。在地鐵隧道、南水北調(diào)隧道、引水管道等掘進過程中，由于復雜斷層的巖性，某些巖層可能出現(xiàn)軟硬突變、地下水匯集等情況。斷層-圍巖系統(tǒng)失穩(wěn)會嚴重影響工程的穩(wěn)定開展，甚至造成巨大的財產(chǎn)損失和人員傷亡[1]。因此，在前期勘查過程中，要及時掌握斷層破碎帶位置等信息，以便提前做好應對措施。

作為地球物理勘探方法的一種，EH-4高頻大地電磁測深系統(tǒng)是近些年來迅速發(fā)展的一種地球物理方法，它具有以下優(yōu)點：設備輕便，受地形影響較小;在探測深部地質(zhì)構造時，具有較高的分辨率;信噪比較高[2]。因此，EH4高頻大地電磁測深系統(tǒng)可以有效地判斷深埋地質(zhì)構造的發(fā)育形態(tài)，確定覆蓋層厚度和目標體分布范圍、深度及變化規(guī)律，可以產(chǎn)生很明顯的社會和經(jīng)濟效益，為進一步研究和開發(fā)利用提供科學依據(jù)[3]。

1 方法原理

大地電磁測深（MT）是以電阻率的差異來劃分地層巖性及地質(zhì)構造，并根據(jù)電阻率值的大小以及展布形態(tài)來判斷地下地質(zhì)體空間分布的一種物探方法。影響電阻率的主要因素有礦物成分、巖石的結構、構造及含水率等[4]。根據(jù)工區(qū)地球物理反演結果分析，較完整巖體或完整巖體與破碎、軟弱或強風化巖體之間存在電性差異，這是進行大地電磁測深的理論基礎和先決條件。EH-4連續(xù)電導率剖面儀可使用人工電磁場和天然電磁場兩種場源。該方法既具有有源電探法的穩(wěn)定性，又具有無源電磁法的節(jié)能和輕便，接收頻點多，具有較高的分辨率，可探測具一定電性差異的地質(zhì)構造和地層分層[5]。

野外采集主要是觀測記錄[Ex]、[Hy]、[Ey]、[Hx]四個電磁場分量的時間域電磁信號，在實際測量過程中，可以只做單方向的電磁信號，利用傅立葉變換把時間序列信號轉換為頻譜信號，從而獲得分量[Ex]、[Hy]、[Ey]、[Hx]的值[6]。地下介質(zhì)的卡尼亞視電阻率值計算公式為：

卡尼亞視電阻率隨頻率變化而改變，頻率還與電磁波的穿透深度、趨膚深度有密切關聯(lián)。因此，不同的頻率反映不同深度的卡尼亞視電阻率。

2 工區(qū)基本情況及工作方法

該工區(qū)位于河南省某地區(qū)，地理位置優(yōu)越，交通便利，根據(jù)當?shù)氐倪h期發(fā)展規(guī)劃，供水已經(jīng)無法滿足需求。在輸水隧道掘進的過程中，如果遇到斷層，會對工程產(chǎn)生以下影響：隧道工程穿越斷裂破碎帶，易發(fā)生坍塌甚至冒頂;斷裂構造的巖體容易破碎，而且斷層上下盤地帶也有可能因巖性的差異而發(fā)生不均勻沉降甚至坍塌;斷層降低了地基巖體的強度及穩(wěn)定性，斷裂帶力學強度低，壓縮性高，沉陷量大，易造成建筑物的斷裂;斷層破碎帶常為良好的地下水通道，施工過程中遇到斷層帶會涌水;構造斷裂帶可能伴隨著新的地殼運動而移動，常引起附近斷裂帶的伴隨移動，從而影響土工建筑的穩(wěn)定，給人民財產(chǎn)和人身安全造成威脅，因此在隧道掘進之前必須進行斷層探測。

在隱伏斷層探測過程中，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集用Stratagem大地電磁測深儀器，采取EMAP測量方法，該方法可以消除部分靜態(tài)效應畸變。所有Stratagem電纜都配有優(yōu)質(zhì)帶扣的接頭，這些接頭也帶有蓋，以防水防塵和保持內(nèi)部干凈干燥。Y探頭與X探頭至少間隔2 m，避免因探頭過于靈敏而相互影響。野外采集數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生的誤差有：線圈中的高磁化率材料會對附近的磁場及采樣結果產(chǎn)生一定影響;如果場地周圍有高壓線等強磁場，也會對采樣結果造成一定影響。野外布置如圖1所示。

現(xiàn)場探測過程中，高壓線經(jīng)常對結果產(chǎn)生一定的干擾，測線1自北向南，測點間距為20 m。在測線1完成后，將測線向東平移150 m重新測量，得到測線2，以便更準確地獲得斷層走向信息等。

3 數(shù)據(jù)處理

資料應當實時處理。根據(jù)各個測點給出的視電阻率、相位及振幅曲線等，對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行實時分析。剔除不可靠的數(shù)據(jù)，必要時進行區(qū)域的重復測量，再繼續(xù)測量。在完成整條測線的連續(xù)觀測后，可實時給出擬反演解釋結果的初步成果圖。野外工作結束后，在室內(nèi)完成后續(xù)的處理工作，包括兩個內(nèi)容;調(diào)整野外數(shù)據(jù)，對相關系數(shù)、濾波系數(shù)或對時序資料進行逐個挑選或剔除;對結果文件進行定量解釋、二維反演處理、彩色成圖等。

本次數(shù)據(jù)處理采用HMT軟件，處理過程是：啟動HMT軟件→查看數(shù)據(jù)→一維分析，剔除干擾信號→二維電阻率剖面分析，確定圓滑系數(shù)和剖面起點和終點→保存反演數(shù)據(jù)→分析結果，再次剔除干擾點→重復保存，到達最終反演數(shù)據(jù)→Surfer成圖→修飾美化→獲得最終成果圖（卡尼亞視電阻率斷面圖）?，F(xiàn)場工作圖如圖2、圖3所示。

4 處理結果及分析

EH4的測量和計算可以達到幾千米的深度，但地表以下過深的位置會出現(xiàn)一定程度的失真和誤差，因此位置深度適中時的異常和分析是有效且可信的。其本身對探測到的異常體具有放大效果，人們在色譜圖上可以看到更為明顯的異常體形態(tài)和方向。由圖4可以明顯看出，色譜圖有向右下角傾斜的顏色分解。斷層破碎帶與完整的巖土體之間會出現(xiàn)電阻率值的突變，尤其是低阻突變在色譜圖上呈現(xiàn)得十分明顯。

如圖4所示，該地層地形略有起伏，表層均為第四系覆蓋層，為農(nóng)田或荒地，視電阻率都小于3 Ω·m。同時，樁號-500附近存在高壓線路，對EH4高頻大地電磁測深系統(tǒng)的測量結果有一定影響。兩條測線均為南北布設，測線1總長度為2 180 m。由圖4可以看出，距離樁號0點100～500 m的位置出現(xiàn)低阻異常，疑似有斷層出沒，同時大樁號（1000以上）位置的測量結果比較均勻、連續(xù)。因此，在測線2的測量中，重點勘查測線1出現(xiàn)低阻的區(qū)域。

如圖5所示，測線2長度為1 100 m，從測線1向東平移150 m得到。如果兩條測線均看到斷層出沒，則可以在二維地圖上標注出斷層的大概走向和趨勢。由圖5可以看出，向右下角延展的顏色逐漸變帶，同時樁號0點的深部出現(xiàn)較為明顯的異常。因此，在距離樁號0點-100～200 m內(nèi)出現(xiàn)低阻異常，疑似有斷層出沒。

對比測線1、測線2的結果可知，電阻率視斷面圖存在明顯的電阻率差異，連接兩個差異位置，人們即可推測存在的疑似斷層，其走向為東北方向70°，視傾角約為60°，傾向約為東南160°。該地區(qū)有灰白色砂巖露頭，巖石表面破碎嚴重，節(jié)理發(fā)育。鉆孔資料表明，該地區(qū)從上到下巖性分別為：Q2低液限黏土、細砂巖、礫巖砂巖互層、黏土質(zhì)砂巖、礫巖、砂質(zhì)黏土巖黏土質(zhì)砂巖互層、砂巖、砂質(zhì)黏土巖、黏土質(zhì)砂巖互層、砂質(zhì)黏土巖、細砂巖。結合鉆孔資料，最終證實斷層存在，推測其為延長52km的正斷層。

5 結論

工程實踐證明，地球物理勘探方法成本低廉，工作效率較高，可以快速獲得準確的結果，使人了解工程實際進展。EH-4高頻大地電磁測深系統(tǒng)是一種典型的地球物理勘探方法，在探測深部隱伏斷層探測方面具有獨特的優(yōu)勢，利用多次測量結果，可以在地面上找到準確的點坐標，畫出其分布和走向信息，展現(xiàn)其二維空間展布形態(tài)和發(fā)育規(guī)律。同時，該方法可以與其他物探方法聯(lián)合使用，如高密度電法、地震勘探或傳統(tǒng)的鉆探驗證，提升測量精度?？傊?，該方法在工程地質(zhì)勘察中的應用前景較為廣闊。

參考文獻：

[1]阮彥晟.斷層附近應力分布的異常和對地下工程圍巖穩(wěn)定的影響[D].濟南：山東大學，2008.

[2]周振廣.EH-4大地電磁測深在探測隱伏斷層中的應用[J].山西建筑，2016（26）：211-212.

[3]劉亮紅，劉亮.綜合物探方法在隧道工程勘察中的應用[J].價值工程，2019（26）：132-134.

[4]湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁法及其應用[M].長沙：中南大學出版社，2005.

[5]劉康和，練余勇.深埋長隧洞地球物理勘察及施工超前預報[M]天津：科學技術出版社，2010.

[6]李平平，陳海龍.地球物理勘探在地熱勘查中的應用[J].礦產(chǎn)勘查，2019（4）：938-942.