鐵路隧道水熱害不良地質(zhì)體大地電磁場特征研究
——以川藏鐵路茶洛隧道為例

王維強，宋洪偉，尚銘森，母海東，閆豐錄

（1.自然資源部地熱與干熱巖勘查開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北石家莊050061；2.中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北石家莊050061）

0 引言

規(guī)劃建設(shè)川藏鐵路對國家經(jīng)濟社會發(fā)展具有重大深遠意義，然而川藏鐵路尤其是雅安至林芝段地形起伏大，地質(zhì)構(gòu)造復雜，地質(zhì)災(zāi)害高度頻發(fā)［1］。擬建川藏鐵路巴塘茶洛隧道段，該區(qū)新構(gòu)造運動活動頻繁，在斷裂帶及不良地質(zhì)體附近發(fā)育泉點、熱泉點眾多，比如著名的巴塘熱坑溫泉群，溫度達96～98℃，這些高溫熱害水害對鐵路選線造成重大影響［2］。歐陽濤等［3］對鐵路隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘查進展進行了總結(jié)，目前采取的方法主要為地震折射波法、地震反射波法、直流電法（直流電測深、高密度電法）等，主要探測隧道區(qū)域第四系厚度、基巖埋深、巖土體波速等。這些方法主要適用于淺埋隧道，且現(xiàn)場施工對地形平整度要求高，對川藏鐵路深長埋隧道勘探能力有限。姚志勇等［4］為解決高海拔艱險地段川藏鐵路勘查，采用航空瞬變電磁與航空大地電磁聯(lián)合使用及反演，實現(xiàn)了對巖性、斷裂破碎帶、富水高效高精度探測。湯井田等［5］詳細探討了大地電磁法及瞬變電磁法在鐵路隧道勘查中的應(yīng)用效果，驗證了2種方法的可行性和有效性。

寬頻大地電磁法是一種頻率域電磁測深法，采用全頻段采集，對地下地層、構(gòu)造等地質(zhì)體探測精度高，覆蓋深度范圍廣［6-7］，二維處理及正反演理論成熟，因此，為查明鐵路隧道附近活躍斷裂帶及不良地質(zhì)體分布的特征及性質(zhì)，本文擬利用大地電磁精細處理解釋技術(shù)［8-11］：阻抗張量分解的多測點-多頻點統(tǒng)計成像分析、精細二維反演等手段，對這些高溫熱害水害等不良地質(zhì)體進行詳細研究，為川藏鐵路選線提供堅實可靠的地球物理依據(jù)。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

擬建茶洛隧道地貌屬川西強烈隆起高山高原的金沙江東岸構(gòu)造侵蝕高山峽谷區(qū)，受南北向斷裂控制，形成南北向高山與峽谷。區(qū)域構(gòu)造上位于松潘甘孜地槽褶皺系一級構(gòu)造單元的二級構(gòu)造單元義敦優(yōu)地槽褶皺帶［12］。本構(gòu)造單元東以甘孜-理塘深斷裂帶與雅江冒地槽褶皺帶相接，西以金沙江斷裂帶與三江地槽褶皺系毗鄰（見圖1a）。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡圖Fig.1 Geological structure map of the study area

擬建茶洛隧道自措拉至尼戈方向展布，隧道附近存在3條主要斷裂構(gòu)造，包括查龍-然布斷裂帶（F1）、雜馬崗-毛埡壩斷裂帶（F2）、茶洛-沙多斷裂帶（F3）（見圖1b）。

斷裂F1呈北北西向延伸，呈南北向展布。斷裂兩側(cè)主要出露三疊系上統(tǒng)曲嘎寺組（T3q）石英砂巖、粉砂質(zhì)板巖、千枚巖等及圖姆溝組（T3t）板巖、變質(zhì)砂巖、流紋巖、灰?guī)r地層。斷裂東側(cè)出露燕山晚期黑云母二長花崗巖體。

斷裂F2南起茶洛，呈北西向展布。該斷裂可能控制中部燕山晚期侵入巖帶中單個巖體的邊界并對巖體有破壞作用，推測為一組活動性構(gòu)造，沿其至今仍是一個頻繁的地震活動帶。

斷裂F3由茶洛-沙多等2條彼此平行的北東向斷裂構(gòu)成。斷裂之間均相距3 km，單條斷裂長6～10 km。斷裂走向北東東，傾向不定，傾角較陡。該斷裂帶在茶洛切割燕山晚期巖體和查龍-然布斷裂，在茶洛附近兩斷層交匯處，溫（熱）泉發(fā)育，類型齊全，泉眼大致沿北東東向溝谷分布。

1.2 大地電磁測線野外布設(shè)

大地電磁法是一種天然場源的頻率域電磁測深法，利用不同頻率具有不同趨膚深度以達到測深目的（頻率由高到低對應(yīng)深度由淺到深），通過在地面接收2個相互垂直的天然源平面波電磁場（Ex，Ey，Hx，Hy）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，其中x代表南北方向，y代表東西方向［13-15］。由于擬建茶洛隧道附近存在多條活動性斷裂、巖體及熱泉，這可能對鐵路隧道施工造成重要水熱害威脅。故為查明這些不良地質(zhì)體的具體性質(zhì)及相互關(guān)系，綜合地質(zhì)及地形條件在研究區(qū)布設(shè)大地電磁測深測線2條，分別命名為CL01線、CL03線，采集有效頻率10400～0.35 Hz，采集頻點共計60個，單點采集時間≮3 h，其中CL01線垂直隧道沿北北西向斷裂布設(shè)，CL03線沿隧道方向垂直北東、北西向斷裂布設(shè)（見圖1b）。

2 大地電磁精細處理及反演

本文以2條大地電磁測線為基礎(chǔ)，對其進行處理與反演解譯。經(jīng)數(shù)據(jù)采集后，每個測點經(jīng)數(shù)據(jù)處理，均能得到2個方向的視電阻率曲線，即ρxy、ρyx，若x軸與地質(zhì)體走向垂直，則ρxy為TM極化，ρyx為TE極化。圖2（a）為侵入巖體大地電磁觀測曲線，曲線類型一般為K或KQ型曲線。圖2（b）為三疊系地層大地電磁觀測曲線，曲線類型一般為KH或H型曲線。完成極化模式識別后［16］，再根據(jù)TE及TM模式進行二維反演，對地質(zhì)構(gòu)造進行詳細解譯，但是一般情況下，地下深部地質(zhì)體的走向是未知的，為探明研究區(qū)地層及地質(zhì)構(gòu)造走向及傾向，通過阻抗張量成像技術(shù)，利用最佳主軸統(tǒng)計成像、構(gòu)造維性成像，并結(jié)合已知地質(zhì)資料，識別二維性強的大地線性構(gòu)造［17］，以確定地質(zhì)體具體走向、傾向及不良地質(zhì)體分布特征，并在此基礎(chǔ)上，將視電阻率曲線旋轉(zhuǎn)到該電性主軸方向上，完成極化模式識別即確定TE、TM，最后通過精細反演技術(shù)，對地下地質(zhì)體進行準確成像。

圖2 典型測點大地電磁觀測曲線Fig.2 Magnetotelluric observation curve of typical observation points

2.1 阻抗張量成像分析

阻抗張量分解技術(shù)能壓制近地表三維小異常體的影響［18］，為二維反演提供可靠的區(qū)域阻抗張量數(shù)據(jù)，同時可獲得隨測點、頻點變化的區(qū)域電性主軸方位，在對觀測數(shù)據(jù)進行共軛阻抗法（CCZ）分解后，利用多測點-多頻點統(tǒng)計成像技術(shù)，不僅可以獲得用于反演的區(qū)域阻抗，還可以獲得研究區(qū)線性構(gòu)造的分布圖像。

野外時間序列數(shù)據(jù)采集完成后，通過初步處理計算單測點的功率譜，在功率譜基礎(chǔ)上再進行阻抗張量成像，進行測線測點電性主軸、構(gòu)造維性分析以識別大地電性構(gòu)造。下面對CL01線、CL03線開展阻抗張量成像分析。

圖3 為CL01線多測點-多頻點線性主軸統(tǒng)計成像圖，主要包括統(tǒng)計玫瑰圖、測點分布云圖及頻率分布云圖。從圖3（a）可看出，CL01線的電性主軸主要有3個，在第一象限內(nèi)，約為0°、NNE15°、NE45°（由于電性主軸成像存在90°不確定性，因此當方位為NE時，也同時可能為NW向），其中以NNE15°最為顯著，占據(jù)絕大部分優(yōu)勢。圖3（b）及圖3（c）表明，電性主軸沿測點及頻率方向均存在一定的變化，說明CL01線的構(gòu)造方位在縱向及橫向上均存在一定的不均勻性。CL101～CL109所對應(yīng)位置的構(gòu)造走向以NNE15°方向為主，其中測點CL102～CL105突 變 為NE45°，測 點CL110～CL112以NE50°為主。

圖3 CL01線所有測點、頻點電性主軸統(tǒng)計成像Fig.3 Statistical images of geo-electrical strikes for CL01 line with all site and all frequencies data

圖4 為共軛阻抗法分解后計算出的阻抗一維偏離度、阻抗二維偏離度及阻抗二維有效因子。從圖4可以看出，阻抗一維偏離度相對較大，二維偏離度數(shù)值最小，二維有效因子值較大，說明對應(yīng)位置地質(zhì)體的二維性較強，存在較為明顯的大地線性構(gòu)造體。同時也說明該區(qū)域適宜進行二維反演。

圖4 CL01線構(gòu)造維性分布云圖Fig.4 Cloud maps of structural dimensionality for CL01 line

綜上可初步推測，測線上存在2個不同延伸范圍的橫向邊界，一處為測點CL105處的雜馬崗-毛埡壩斷裂F2，一處為測點CL109處的查龍-然布斷裂（F1），均分割了兩側(cè)不同走向的地質(zhì)體構(gòu)造。同時確定了CL101～CL109所對應(yīng)位置的地質(zhì)體走向以NNE15°方向為主，測點CL110～CL112對應(yīng)位置的地質(zhì)體走向以NE50°為主。

圖5 為CL03線多測點-多頻點電性主軸統(tǒng)計成像圖。從圖5（a）可看出，CL03線的電性主軸主要有3個，在第一象限內(nèi)，約為NNW6°、N0°、NE47°，其中以NNW6°最為顯著，占據(jù)絕大部分優(yōu)勢。圖5（b）及圖5（c）表明，電性主軸沿測點及頻率方向均存在一定的變化，說明CL03線的構(gòu)造方位在縱向及橫向上均存在一定的不均勻性，CL301～CL305所對應(yīng)位置的構(gòu)造以NE47°測點CL305～CL310突變?yōu)镹NW2°，測點CL310～CL314以NE47°為主，測點CL314～CL322以NNW6°為主。

圖5 CL03線所有測點、頻點電性主軸統(tǒng)計成像Fig.5 Statistical images of geo-electrical strikes for CL03 line with all site and all frequencies data

從圖6可看出，測點CL322～CL305阻抗一維偏離度相對較大，二維偏離度數(shù)值最小，二維有效因子值較大，說明對應(yīng)位置地質(zhì)體的二維性較強，存在較明顯的大地線性構(gòu)造體。同時也說明該區(qū)域進行二維反演的適應(yīng)性。需要注意的是測點CL30 1～CL305阻抗一維偏離度相對較大，二維偏離度數(shù)值較大，二維有效因子值較小，說明對應(yīng)位置地質(zhì)體的三維性較強，地下地質(zhì)體巖性及結(jié)構(gòu)較復雜，為地質(zhì)構(gòu)造及巖性劇烈變化區(qū)，推測該位置燕山晚期復雜的巖漿侵入活動導致地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)各向異性強。

綜上可初步推測，測線上存在3個不同延伸范圍的橫向邊界，一處為測點CL304處的斷裂（F4），一處為測點CL309處的茶洛-沙多斷裂（F3），一處為測點CL314處的雜馬崗-毛埡壩斷裂（F2），這些斷裂均分割了兩側(cè)不同走向的地質(zhì)體構(gòu)造。CL03線測點CL301～CL315、CL310～CL314地質(zhì)體走向約為NE47°，其他位置地質(zhì)體走向均以NNW2°～6°為主。

2.2 二維反演及成果分析

經(jīng)上節(jié)研究表明，研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造二維性較強，適合于進行二維反演。本次反演使用中國地震局MT Pioneer軟件，反演方法采用經(jīng)典的帶地形二維非線性共軛梯度算法，反演前首先將阻抗數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)到了最佳主軸方位上，且由于正則化因子的選取對二維反演結(jié)果影響較大，故采用L曲線分析法對正則化因子優(yōu)化取值［19］，通過分析，正則化因子取值30效果最好。

圖6 CL03線構(gòu)造維性分布云圖Fig.6 Cloud maps of structural dimensionality for CL03 line

依據(jù)2條測線二維反演結(jié)果并結(jié)合阻抗張量初步定性成果，共計發(fā)現(xiàn)電性層4個，推測三疊系上統(tǒng)地層呈相對低阻特征，三疊系下統(tǒng)呈相對中阻特征，二疊系地層呈相對中低阻特征，花崗巖體呈高阻特征（見圖7）；共計發(fā)現(xiàn)斷裂4條，其中推測斷裂F1為查龍-然布斷裂，該斷裂走向NNE，傾向SE，傾角陡立。推測斷裂F2為雜馬崗-毛埡壩斷裂，該斷裂沿北西向展布，傾角陡立。推測斷裂F3為茶洛-沙多斷裂，走向NEE，該斷裂對兩側(cè)地層影響較大，中淺部存在低阻區(qū)，為含水破碎帶反映，擬建隧道與該斷裂交匯處應(yīng)考慮水害影響；且該斷裂向北東向延伸與F1交匯部位存在高溫溫泉群，推測該處地下水經(jīng)斷裂及巖性接觸面裂隙運移至斷裂深部加熱后，在區(qū)域水利系統(tǒng)驅(qū)動下沿著有力對流通道上升至地表，形成地熱顯示。鐵路隧道位置距離控制該熱巖體的斷裂F1距離較遠，缺少控熱構(gòu)造，故推測存在熱害可能性較小。

圖7 CL01線、CL03線物探綜合解譯圖Fig.7 Comprehensive geophysical interpretation map for CL01 and CL03 lines

3 結(jié)論

（1）本文通過多測點-多頻點大地電磁阻抗張量成像技術(shù)及二維反演技術(shù)，以擬建茶洛隧道為研究對象，研究表明，研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造二維性強，有效識別了測線位置處的大地線性構(gòu)造，解譯出了豐富的電性體的構(gòu)造幾何特征，為進一步的二維精細反演及綜合解譯提供了豐富信息，大大降低了反演的多解性，解譯成果更準確。

（2）通過查明研究區(qū)構(gòu)造特征，推測出了隧道附近地熱泉群的深部成因模式機理，并確定了該處熱害對擬建隧道造成影響的可能性較小，只有在斷裂F2經(jīng)隧道位置處存在一定規(guī)模的水害影響，在下一步隧道選線工作中，可對該隱患點做進一步詳細勘查，評價其影響程度。