雙分量廣域電磁法在深埋隧洞工程勘察中的應用

張林成，周 聰，湯井田，原 源，蔣奇云，李 廣，黃鳳林，李廣場

(1.湖南城市學院信息與電子工程學院，湖南益陽 413000;2.核技術應用教育部工程研究中心，江西南昌 330013;3.中南大學有色金屬成礦預測教育部重點實驗室，湖南長沙 410083;4.浙江華東工程安全技術有限公司，浙江杭州 311122)

0 引言

深埋隧洞(道)勘察是水利水電和鐵路、公路基建交通等工程中常見的復雜問題。由于深埋隧洞(道)勘察深度常達數(shù)百米級以上，地球物理技術是重要的解決方法。電磁勘探方法因具有探測深度范圍大、適合起伏地形、工作效率高及成本低等優(yōu)勢，是一類重要的深部勘察手段。例如音頻大地電磁法(祁民等,2019;Chave and Jones,2012)、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)(Strangway et al.,1973;湯井田等,2005；周普紅等，2017)、探地雷達(李俊杰等,2019)、射頻大地電磁法(原源等，2019)和廣域電磁法(Wide Field ElectroMagnetic method,WFEM)等(湯井田等,2005；何繼善,2010;祁民等,2019;李俊杰等,2019;Strangway et al.,1973;Chave et al.,2012)都已被廣泛應用。相較而言，探地雷達和射頻大地電磁法目標深度較淺，不適于直接探測深埋隧洞工程。

音頻大地電磁法觀測天然電磁場，理論簡單、探測深度大；但信號易受噪聲干擾(楊生等，1993；湯井田等，2012；周聰?shù)龋?015)。CSAMT觀測人工電磁場，數(shù)據(jù)信噪比高，但由于其視電阻率計算仍然采用卡尼亞視電阻率公式，實際中因場源的非平面波效應而引入人為誤差，不僅影響探測深度，而且可能會引起錯誤的解釋(湯井田等,2010；楊大方等,2015；周聰?shù)?2019)。廣域電磁法是何繼善院士提出的一種新的人工源頻率域電磁測深法(何繼善,2010)。該方法從場的統(tǒng)一性出發(fā)，將“近區(qū)”，“過渡區(qū)”和“遠區(qū)”有機地統(tǒng)一起來，定義廣域視電阻率，改善了非遠區(qū)的畸變效應，使得測深能在廣大的、不局限遠區(qū)的區(qū)域進行，且在同等收發(fā)距上勘探深度增大。同時，廣域電磁法采用多頻偽隨機信號發(fā)送，而不是常規(guī)CSAMT的變頻發(fā)送，一次所發(fā)送即可完成多個主頻成分的測量，并壓制由變頻引起的隨機噪聲影響，可有效提高勘探速度與精度(何繼善,2019)。目前，廣域電磁法已經(jīng)在金屬礦產(chǎn)(劉春明等，2013)、石油及頁巖氣(何繼善等，2014;Yang et al.,2017;Yuan et al.,2017)、煤礦(He,2018)等多種資源探測領域中取得了成功應用。然而，由于首批廣域電磁儀為電場單通道觀測設計(蔣奇云，2010)，因此過往的廣域電磁法應用主要采用E-Ex電場單通道觀測方式，在構造復雜的地區(qū)所獲得的信息量相對單一。

2017年，中南大學研制成功雙通道矢量廣域電磁儀，雙分量廣域電磁法逐漸得到應用。本文立足于卡拉水電工程深埋隧洞探測實例，從方法原理、施工方案、數(shù)據(jù)處理及成果解釋等多個方面對這一方法進行了闡述。通過本次研究工作，了解了深埋引水隧洞沿線電阻率的變化規(guī)律，揭示了主要斷裂的分布位置，特別是洞線的電阻率特征，為后續(xù)隧洞巖石完整性評價研究提供了依據(jù)。

1 雙分量廣域電磁法

常規(guī)廣域電磁法在發(fā)送端采用接地偶極子作為場源，在接收端只觀測單分量的電場以提高觀測效率(He，2018)，即所謂E-Ex方式。事實上，廣域電磁法根據(jù)場源形式或觀測方式可以做更詳細的劃分。此處簡要介紹電場雙分量廣域電磁法的基本原理。如圖1所示，發(fā)送端采用水平電流源發(fā)射信號，以發(fā)送偶極矩的方向的為x方向；接收端采用雙通道接收機，同時測量電場的x分量和y分量。

圖1 電場雙分量廣域電磁法發(fā)送及接收示意圖

the two-component wide-field electromagnetic method

均勻半空間條件下x方向水平電偶極子產(chǎn)生的電場分量Ex、Ey表達式可寫為：

(1)

(2)

式中I為發(fā)射電流，A；ρ為均勻半空間電阻率，Ω·m；dL為電偶極子長度，m；r為測點到電偶極子中心的距離，m；φ為r與電場Ex的夾角，°；FE-Ex(ikr)為與地下電阻率、場源頻率、場源與觀測位置有關的系數(shù)，k為波數(shù)。

FE-Ex(ikr)=1-3sin2φ+e-ikr(1+ikr)，

k2=iωμ(1/ρ-iωε)

(3)

由式(1)～(2)可得到電阻率表達式(何繼善，2010;湯井田等，2011)：

(4)

(5)

依據(jù)E-Ex及E-Ey雙分量廣域視電阻率數(shù)據(jù)，進行處理及反演，獲得地下電阻率模型，即可進行相應的地質推斷及解釋。由于地球物理反演的不適定性，通常參與反演的約束數(shù)據(jù)越多，模型精度自然越高。肖曉(2010)、董浩等(2012)等學者的研究結果證明，對于二維等高維地電模型，采用兩個觀測方向不同模式的觀測數(shù)據(jù)進行聯(lián)合反演，可獲得優(yōu)于單模式的反演結果。因此，E-Ex及E-Ey雙分量廣域電磁法具有更好地反映地下電性信息的能力。

2 工程背景與地球物理部署

2.1 工程背景

本次雙分量廣域電磁法應用案例為卡拉水電站工程引水線開發(fā)方案的長引水隧洞工程勘察。工程區(qū)位于四川省涼山州木里縣雅礱江河段內(nèi)。引水隧洞采用兩條隧洞平行布置，平均洞長約22.1 km。隧洞沿線構造發(fā)育，主要分布三大地層。本文的主要目標為第一層，即從進口段至卡拉鄉(xiāng)附近，主要為砂質板巖、大理巖、變質砂巖及含炭質板巖混雜，與壩址區(qū)的地層相近，巖體多呈層狀，巖層與引水隧洞小角度相交，圍巖條件較差，長度約11.3 km。

前期工作中，采用對稱四極電測深法對卡拉水電站壩址區(qū)域巖土電阻率及水電阻率進行了測試，結果如表1所示。可以看出，覆蓋層、不同破碎狀態(tài)及完整性的巖體以及雅礱江水的電阻率均值具有顯著的差異，表明在本工區(qū)開展雙分量廣域電磁法應用具有很好的物性基礎。

表1 卡拉水電站壩址區(qū)域巖土及水電阻率測試結果

2.2 地球物理部署

測線位于長引水隧洞洞線上方，共布置了1條測線，位置如圖2所示，測線平均點距40 m。取測線方向為y方向。由于采用雙分量廣域電磁法，需觀測Ex及Ey兩個電場分量，為同時獲得較高幅值的Ex及Ey電場，需謹慎選擇場源位置及方位(湯井田等，2005；湯井田等，2011；湯井田等，2013)。經(jīng)過比選，確定場源的供電電極A、B位置位于卡拉鄉(xiāng)南部，如圖2所示。AB極長度約為1.1 km，發(fā)送軸與接收測線垂直，與坐標系x方向平行。測線北端測點與發(fā)送極矩的夾角φ≈78°，南端測點與發(fā)送極矩的夾角φ≈64°，根據(jù)可控源條件下，不同排列測量分帶的研究(湯井田等，2005)，上述場源選擇可以保證整條測線上都能觀測到較高幅值的雙分量電場。

圖2 測點及場源部署圖

3 數(shù)據(jù)采集、處理與反演

3.1 數(shù)據(jù)采集

本次廣域電磁法勘探采用中南大學何繼善院士及湯井田教授團隊研制的廣域電磁觀測系統(tǒng)，主要設備有：廣域電磁發(fā)射機、矢量廣域電磁接收機、大功率發(fā)電機等。廣域電磁發(fā)射機的信號源為偽隨機信號，可根據(jù)勘探需要選用不同的信號頻率，實現(xiàn)多個頻率同時測量的要求，以提高抗干擾能力和分辨率(何繼善，2010)。

為增加發(fā)送電流，采用多電極并聯(lián)等處理措施，降低供電電極接地電阻。采用偽隨機編碼信號源，發(fā)送7頻偽隨機信號，最大總發(fā)送電流達50 A以上。接收端共投入12套矢量廣域電磁接收機進行同步觀測，每個測點均記錄Ex及Ey雙分量電場；共觀測4個頻段，28個頻點，頻率范圍為8192～0.75 Hz，單點觀測時間控制在60分鐘以上。根據(jù)《廣域電磁法技術規(guī)程》(湖南省國土資源廳，2018)進行施工，最終在該測線上共獲得測點137個。

需說明，與單分量觀測相比，雙分量廣域電磁法施工中增加了1個方向的電場觀測，僅少量增加了施工成本，而場源埋設、接收器部署及時間成本均一致；但獲得了雙倍的數(shù)據(jù)量，實際上提高了采集效率。

3.2 數(shù)據(jù)處理

本次廣域電磁法數(shù)據(jù)處理以及反演采用中南大學開發(fā)的“重磁電三維反演成像解釋一體化系統(tǒng)”GME_3DI(V4.2)中的廣域電磁法數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理包括以下步驟：(1)頻域場值數(shù)據(jù)計算，對采集的時間序列數(shù)據(jù)按一定的長度進行分段，對每個片段分別進行時頻轉換與頻譜估計，計算電磁場值；(2)廣域視電阻率數(shù)據(jù)計算，利用第2節(jié)所述的方法及公式，計算每個片段的視電阻率；(3)頻域數(shù)據(jù)分段挑選，繪制視電阻率值隨時間片段序號的分布圖，以人機交互的方式進行數(shù)據(jù)挑選；(4)對經(jīng)過上述處理數(shù)據(jù)質量仍較低的數(shù)據(jù)進行去噪處理；(5)空間濾波處理，以壓制靜態(tài)效應，提高數(shù)據(jù)質量。整體數(shù)據(jù)處理步驟與大地電磁法基本相同。

經(jīng)過精心處理，在測區(qū)大部分區(qū)域獲取了高質量的數(shù)據(jù)。多數(shù)測點曲線形態(tài)明確，特征明顯，能清晰地揭示地下電性特征。典型測量數(shù)據(jù)及測深曲線如圖3所示。注意到1000 Hz以上的高頻端數(shù)據(jù)質量稍低，這是因為高頻端發(fā)送電流偏小，信噪比不高，曲線不夠連續(xù)，但仍有趨勢，后續(xù)可作截頻處理。

圖3 典型測點的廣域電位差及視電阻率數(shù)據(jù)

而工頻(50 Hz)處存在一極小值“飛點”，這是儀器陷波處理所致，反演前進行頻點刪除或圓滑等處理即可。

3.3 數(shù)據(jù)反演

數(shù)據(jù)反演采用GME_3DI(V4.2)中的反演模塊，方法為帶地形的連續(xù)介質反演(戴世坤和徐世浙，1997；戴世坤等，2013)。正演采用有限元方法，反演網(wǎng)格為自適應非結構化網(wǎng)格，可根據(jù)測點的空間分布進行自適應加密，初始網(wǎng)格系數(shù)選擇為點距的2倍，根據(jù)實測頻率和地表電阻率，反演深度設定為3 km，以模型的改變量小于預期值作為迭代終止條件。首先利用Ex及Ey雙分量電場廣域視電阻率進行一維連續(xù)介質反演，獲得初始模型；然后以該模型為基礎，進行二維連續(xù)介質雙模聯(lián)合反演，獲得反演結果，并開展模型驗證及成果推斷解釋。

圖4給出了反演前后頻率-響應數(shù)據(jù)擬剖面圖對比。帶地形的連續(xù)介質二維反演結果很好地擬合了觀測數(shù)據(jù)，證明了反演模型的可靠性。

4 勘察結果與解釋

W1剖面廣域電磁法反演電阻率模型見圖5。根據(jù)反演模型，劃定了剖面中軟弱層的空間分布范圍以及主要斷裂構造的分布位置。分析可知，(1)在剖面樁號0～7700 m存在一條視電阻率值范圍為100～600 Ω·m的條帶狀低阻體，該低阻體厚度和埋深變化較大，厚度主要為30～150 m，結合地質資料分析該低阻體為基巖中的軟弱層。(2)樁號2500 m段附近發(fā)育一段北傾低阻體，結合地質資料，分析該低阻體為構造斷層，傾向剖面小號方向，即北西向。(3)樁號5400～5800 m段基巖電阻率降低，分析該段受構造破碎帶影響，存在一南傾斷層。

圖4 反演前后響應數(shù)據(jù)的頻率擬剖面圖對比

圖5 雙分量廣域電磁反演結果及構造推斷圖

一般地，對于同一埋藏環(huán)境、近似巖性的巖體，巖體電阻率越大，巖體越完整、越新鮮，巖體質量就越好；反之則越差；這是以電阻率進行巖體質量分級的物理基礎(化希瑞等，2017;2018)。由于本段地下介質巖性主要為砂質板巖和炭質板巖，整體巖性相近。巖石電阻率值可為巖石完整性及巖體質量判斷提供重要基礎數(shù)據(jù)。圖5b給出了隧洞的洞線電阻率分布，為后續(xù)評價提供了參考依據(jù)。

利用鉆孔及工程地質資料，對廣域電磁法解譯結果進行了對比和驗證。鉆孔位置見圖5，位于2510～2560 m測段。該孔深度達233 m，揭示出覆蓋層厚度為20 m，覆蓋層下巖性主要為炭質板巖、砂質板巖，孔深19.9～35 m和83.34～131.23 m段為斷層帶，斷層視傾角約為82°①。對比廣域電磁反演結果可以看出，電阻率模型在鉆孔位置處表現(xiàn)為電性分界面。根據(jù)前文的分析，該處推斷存在斷層，其傾角與鉆孔揭示的斷層視傾角相當。同時需說明，電阻率模型的分辨率相對鉆孔較低，因此并不能完全精確地與鉆孔結果相對應?？傮w上，鉆孔資料證實了廣域電磁法反演模型推斷結果中130 m以淺斷裂構造的賦存位置及傾向；根據(jù)電性模型，進一步推斷該斷層以相應的傾角延伸至深部，如圖5中2400～2500 m測段間的紅色虛線所示。結合測區(qū)的工程地質工作可知，廣域電磁法對地下整體結構反映較好，主要電性結構及破碎帶均有較好反映。

5 結論

在西南卡拉水電工程中，首次采用雙分量廣域電磁法開展了深埋隧洞勘察研究，驗證了廣域電磁法在深埋隧洞勘察應用中的有效性，獲得了以下認識。

(1)本次雙分量廣域電磁法探測工作查明了測線地下的主要電性結構，揭示了主要斷裂的位置和傾向，給出了引水洞線的電阻率分布。鉆孔資料表明雙分量廣域電磁法較好地揭示了構造破碎帶；洞線電阻率分布為后續(xù)巖體質量評價提供了參考依據(jù)。

(2)相較于常規(guī)單分量觀測，雙分量廣域電磁法可在少量增加施工成本的基礎上提供雙倍的觀測數(shù)據(jù)量，有利于提高復雜構造區(qū)勘探精度，是深埋隧洞勘察的一種有效探測手段。

[注 釋]

① 中國電建集團華東勘測設計研究院. 2018. 四川省雅礱江卡拉水電站可研階段長引水方案勘探成果報告[R].