大地電磁法在工程勘察中的應(yīng)用

陳宗剛

中國(guó)建電集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710043

近年來(lái)，水電、能源、公路等工程項(xiàng)目勘測(cè)中經(jīng)常遇到大規(guī)模的傾倒體、變形體、滑坡體、深厚覆蓋層及斷層等一些工程地質(zhì)問(wèn)題，由于這些地質(zhì)體埋深，傳統(tǒng)的物探方法因受場(chǎng)地條件、物性條件和工作條件等因素的限制，工作難度較大，取得的探測(cè)效果較差，探測(cè)深度和精度往往無(wú)法滿足要求。因此，急需一種物探方法解決上述工程地質(zhì)問(wèn)題，而具有大范圍勘探深度、較高地質(zhì)分辨率的大地電磁法（MT）不僅受地形影響較小，不受高阻層屏蔽，對(duì)低阻層有較好的分辨能力，還可以提高工作效率，降低成本。目前，我國(guó)鐵路、公路、冶金、有色金屬、核工業(yè)、煤田及油氣等勘察單位，包括相關(guān)專業(yè)大學(xué)和研究所都大量引進(jìn)了EH4大地電磁測(cè)深系統(tǒng)，其在隧道勘探、探礦工程、煤礦探測(cè)、找水工程、采空區(qū)探測(cè)等方面應(yīng)用較廣。

1 EH4大地電磁測(cè)深基本原理

EH4大地電磁測(cè)深的基本原理是根據(jù)導(dǎo)電介質(zhì)中不同頻率電磁波的趨膚深度不同，在地表測(cè)量地球由高頻到低頻的電磁響應(yīng)序列，并進(jìn)行相關(guān)的資料處理，以獲得大地內(nèi)部由淺至深的電性結(jié)構(gòu)[1-2]。

趨膚深度公式表示如下：

式中：δ為趨膚深度；ρ為電阻率；f為頻率；T為周期。

當(dāng)頻率一定時(shí)減小電阻率ρ或當(dāng)電阻率一定時(shí)增高頻率f，則勘探的深度會(huì)減小；反之，當(dāng)頻率一定時(shí)增大電阻率ρ或當(dāng)電阻率一定時(shí)降低頻率f，則勘探深度會(huì)增加。因此，大地電磁測(cè)深法的原理就是當(dāng)大地的電阻率是定值時(shí)，不斷改變電磁波信號(hào)的頻率，以得到大地內(nèi)部由淺至深的電阻率變化關(guān)系。大地電磁測(cè)深探測(cè)地下結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示。

圖1 大地電磁測(cè)深探測(cè)地下結(jié)構(gòu)原理示意圖

2 EH4大地電磁測(cè)深方法

2.1 工作布置

EH4大地電磁測(cè)深系統(tǒng)在野外作業(yè)時(shí)一般有兩種工作測(cè)量方式：一種是連續(xù)剖面測(cè)深，另一種是單點(diǎn)測(cè)深，選用何種方式由研究任務(wù)和探測(cè)目的確定[3]。

（1）觀測(cè)裝置的布設(shè)。使用地面正交測(cè)量軸觀測(cè)系統(tǒng)，在每一測(cè)點(diǎn)上，必須測(cè)量彼此正交的電磁場(chǎng)水平分量，使用GPS定位，也可測(cè)量垂直磁場(chǎng)分量，以研究水平不均勻構(gòu)造情況、地下介質(zhì)走向情況及增加解釋信息量等的作用。

（2）布極。當(dāng)已知勘探測(cè)區(qū)的地下地質(zhì)構(gòu)造走向時(shí)，最好使X和Y分別平行于構(gòu)造的走向和傾向，即主軸方向，以便可以直接測(cè)量TE波和TM波。通常情況下，地下地質(zhì)構(gòu)造走向是未知的，將正北視為橫坐標(biāo)X軸，將正東視為縱坐標(biāo)Y軸。在整個(gè)測(cè)區(qū)中，測(cè)量點(diǎn)的X和Y方向應(yīng)盡可能一致，以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)確定測(cè)區(qū)內(nèi)介質(zhì)電性主軸的方位角。EH4大地電磁測(cè)深系統(tǒng)布極方式示意圖如圖2所示。

圖2 EH4大地電磁測(cè)深系統(tǒng)布極方式示意圖

在野外作業(yè)時(shí)，為了較好地克服表層電流場(chǎng)不均勻的影響，EH4大地電磁測(cè)深系統(tǒng)一般采用十字形布極方式，若在十字交匯點(diǎn)附近測(cè)量時(shí)，這種布極方式還有助于消除共模干擾的影響。在一些特殊情況下，也可以采用L形或T形布極方式。

（3）電極距。EH4大地電磁測(cè)深系統(tǒng)采用的電極距范圍通常為50～300m，并且地形條件允許的情況下，兩端的電極應(yīng)盡可能保持水平。如果測(cè)量點(diǎn)周圍的地面不平坦且電極的兩端均不水平，則必須根據(jù)實(shí)際測(cè)量的水平距離來(lái)計(jì)算電極距。

（4）磁棒。磁棒在埋在地下時(shí)，水平磁棒的入土深度應(yīng)不小于30cm，垂直磁棒的入土深度應(yīng)不小于磁棒長(zhǎng)度的2/3，并且應(yīng)該用土將露出地面的部分埋實(shí)。

（5）電纜。在連接電極、磁棒和主機(jī)的信號(hào)電纜過(guò)程中，大地電磁的信號(hào)比較微弱，因此需減少信號(hào)傳輸過(guò)程中的干擾。因?yàn)樵诘卮艌?chǎng)中的懸空電纜易擺動(dòng)，其感應(yīng)電流對(duì)觀測(cè)結(jié)果影響較大，所以鋪設(shè)電纜時(shí)，不應(yīng)懸空，最好的辦法是將電纜掩埋，這樣不僅可以防風(fēng)，還可減小溫度變化帶來(lái)的影響。

2.2 數(shù)據(jù)處理

大地電磁測(cè)深資料處理主要步驟為原始資料預(yù)處理、資料定性分析、資料定量解釋、綜合推斷解釋及獲得地質(zhì)成果[4-5]。

3 EH4大地電磁測(cè)深應(yīng)用實(shí)例

3.1 某隧道工程

（1）工程概況。某隧道位于G213線某段，里程樁號(hào)為K51+660～K55+050，設(shè)計(jì)為分離式隧道。隧道選址區(qū)海拔3892～4263m，屬于構(gòu)造剝蝕高山地貌，區(qū)內(nèi)地形起伏較大，沖溝發(fā)育。

（2）地球物理工作條件。測(cè)區(qū)為第四系亞黏土，松散坡積層一般視電阻率較低，小于350Ω·m，地震縱波速度一般在1000m/s；碳質(zhì)片巖地震縱波速度在2200m/s以上；構(gòu)造部位伴有節(jié)理、裂隙發(fā)育，視電阻率會(huì)呈急劇下降趨勢(shì)，特別是對(duì)于一些泥質(zhì)充填性質(zhì)的裂隙帶，其往往與地下水的活動(dòng)性存在著一定的聯(lián)系，這種不同巖體及構(gòu)造等圍巖體間的差異特征是開(kāi)展大地電磁測(cè)深法的地球物理前提條件。

（3）工作技術(shù)方法。為了保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量并提高工作效率，以25m為最優(yōu)電極距，分頻段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儀器采集，將其分為3個(gè)頻組，每個(gè)頻組在采集數(shù)據(jù)時(shí)疊加次數(shù)不少于4次。

（4）典型測(cè)段成果及結(jié)論。電阻率剖面圖如圖3所示，地質(zhì)推斷剖面圖如圖4所示。由圖3可知，電阻率沿深度增大的方向有增大的趨勢(shì)，總體上隧道標(biāo)高附近電阻率呈中高阻特征且電性變化較均一，處于片巖中風(fēng)化區(qū)。該測(cè)段內(nèi)，地表附近呈低電阻率特性，推測(cè)為片巖全、強(qiáng)風(fēng)化層，下伏為片巖中風(fēng)化層。結(jié)合地質(zhì)資料可知，該測(cè)段之間共發(fā)育4個(gè)斷層。其中K51+932～K51+986段、K53+006～K53+062段視電阻率等值線發(fā)生明顯的扭曲變化，推測(cè)為斷裂構(gòu)造F1和F3，北傾，傾角分別為83°、86°，寬度分別為53m、64m，延伸深度較大且穿過(guò)洞深標(biāo)高位置；K52+503～K52+553段、K53+197～K53+257段視電阻率等值線曲線形態(tài)發(fā)生明顯了扭曲變化，推測(cè)存在斷裂構(gòu)造F2、F4，南傾，傾角分別為83°、78°，寬度分別為50m、60m，延伸深度較大且穿過(guò)洞深標(biāo)高位置。

圖3 某隧道K51+760m～K53+405m電阻率剖面圖

圖4 某隧道K51+760m～K53+405m地質(zhì)推斷剖面

3.2 某水庫(kù)工程

（1）工程概況。為在都蘭縣東南部熱水鄉(xiāng)的察汗烏蘇河中游段擬建某水庫(kù)工程，需首先查明該區(qū)域內(nèi)覆蓋層的厚度、壩軸線下游側(cè)河道中隱伏斷層的賦存位置及基巖頂板的展布形態(tài)，采用EH4大地電磁測(cè)深法。

（2）地球物理工作條件。擬建的水庫(kù)區(qū)域河谷平坦開(kāi)闊，呈U形，NW274°展布。在枯水期內(nèi)，當(dāng)前河道的寬度為10～20m，河谷的寬度為400m。庫(kù)區(qū)河床的總縱比降約為7.7‰，并且?guī)靺^(qū)的兩岸都有I級(jí)和II級(jí)的階地，均呈二元結(jié)構(gòu)，其寬度大約在20～150m，比當(dāng)?shù)氐暮铀娓叱?～20m。庫(kù)區(qū)出露的地層為三疊系噴出巖與印支期侵入巖，庫(kù)岸的主要巖性為三疊系的安山巖，而印支期的灰白色花崗巖主要分布在庫(kù)區(qū)上游段的左岸。庫(kù)區(qū)的第四紀(jì)地層主要包括坡積、洪積、沖積及崩坡積層，分布于庫(kù)區(qū)河谷兩岸的山坡上的是坡積及崩坡積層，其巖性主要是碎石土；分布于河床及兩岸階地上的主要是沖擊層，其巖性主要是卵石、礫石層；分布于各個(gè)沖溝溝口位置的主要是洪積層，其巖性主要是碎石土。

（3）工作方法。此次采用的是EH4大地電磁測(cè)深方法，為了保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量，提高工作效率，以25m為最優(yōu)電極距，并且分頻段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儀器采集，將其分為3個(gè)頻組，每個(gè)頻組在采集數(shù)據(jù)時(shí)疊加次數(shù)不少于4次。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采集數(shù)據(jù)，對(duì)頻組進(jìn)行多次疊加，并且根據(jù)對(duì)測(cè)試結(jié)果分析，最后在壩軸線下游從左至右布設(shè)EH4大地電磁測(cè)線，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距為10m。

（4）成果及結(jié)論。某水庫(kù)壩軸線下游EH4測(cè)線電阻率剖面圖及地質(zhì)推斷剖面圖如圖5所示。由圖5可知，視電阻率沿深度方向存在明顯變化，由10Ω·m增大至約2000Ω·m。結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料，分析認(rèn)為視電阻率值700Ω·m為覆蓋層與弱風(fēng)化巖體的分界線，視電阻率小于700Ω·m的上覆地層推測(cè)為覆蓋層及全強(qiáng)風(fēng)化層，視電阻率大于700Ω·m下伏地層推測(cè)為弱風(fēng)化層。樁號(hào)282～300m兩側(cè)視電阻率等值線斜率發(fā)生明顯變化，推測(cè)為隱伏斷層的賦存位置，斷層向大樁號(hào)方向傾，寬度約17m，延伸深度較深，未能探測(cè)到斷層底部。依據(jù)EH4成果資料，在斷層位置布置鉆孔，鉆探資料證明此次EH4成果勘測(cè)精度較高，結(jié)論準(zhǔn)確。

圖5 某水庫(kù)壩軸線下游EH4測(cè)線視電阻率及地質(zhì)推斷剖面圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析EH4大地電磁測(cè)深在實(shí)際工作中的具體應(yīng)用，筆者認(rèn)為該方法在工程勘察領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，該方法和其他方法的結(jié)合，對(duì)一些隱覆結(jié)構(gòu)、斷層及破碎帶，覆蓋層等均具有較好的分辨能力。采用天然源，對(duì)場(chǎng)地條件要求較低，僅需20m×20m空間即可滿足相關(guān)要求；EH4大地電磁法可為相關(guān)工作人員提供足夠多的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)，以便獲取豐富的地下電性特征，并且避免了由于源所產(chǎn)生的一系列效應(yīng)，數(shù)據(jù)的客觀度與可信度較高，如果采用張量測(cè)量方式，則可以最大限度地還原地質(zhì)體的原貌。但EH4大地電磁測(cè)深在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的影響因素較多，如信號(hào)不穩(wěn)定、不規(guī)則，容易受到工業(yè)噪聲干擾，地表接地條件要求較高。因此，要想取得較高精度、較準(zhǔn)確的解釋成果，在開(kāi)展EH4大地電磁法現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)應(yīng)設(shè)法避開(kāi)高壓線塔，遠(yuǎn)離居民村莊集鎮(zhèn)、工業(yè)區(qū)等地，對(duì)于表層為干礫石等過(guò)差的接地場(chǎng)地應(yīng)采取措施進(jìn)行處理。同時(shí)，后期數(shù)據(jù)處理及資料解釋也至關(guān)重要，應(yīng)合理運(yùn)用鉆孔、地質(zhì)及其他物探方法的數(shù)據(jù)及資料進(jìn)行分析處理。