可控源大地電磁方法在青島地鐵藍色硅谷線嶗山隧道中的應用

臧 政

(山東科技大學，山東 青島266590)

0 引言

工作區位于青島市嶗山區，已建成的濱海公路仰口隧道位于工作區段偏東約100m，交通十分方便，工作區地形起伏較大，海拔高度120-340m，高差較大，山體受構造抬升而隆起，剝蝕侵蝕作用強烈，山峰尖削呈尖脊狀并有懸崖峭壁，沿北西向構造侵蝕谷地十分發育，植被發育，荊棘密布。地貌單元為中低山，地形起伏較大，溝梁相間，局部為山間溝谷地貌單元。工作區屬暖溫帶季風區，氣候溫和，風向以SE、N、NNW居多，年平均降雨量711.2mm，多集中在7-9月份。年平均氣溫12.3°，年平均濕度75%，標準凍土深度為0.49m。大地電磁數據處理過程相當繁瑣，具體計算方法、原理以及誤差分析可參見文獻[1]，本次測線總長度為4km。

1 場地附近地質及地球物理特征

1.1 地質概況

工作區結晶巖系為元古界膠南群，缺失古生界沉積；中生代燕山晚期侵入巖地層；新生代地層喜馬拉雅期侵入巖地層；新生代地層發育有第四系山前組、泰安組地層[2]。

1.2 地質構造及地球物理特征

大地構造位置為中朝準地臺東部的膠遼臺隆，處于膠南隆起區的東部，青島-嶗山凸起之上。區域斷裂構造以北東向張扭性斷裂為主，節理劈理發育，以NE、NEE、NW及NNW為主，構造面平直，傾角較陡[3]。

工作區位于抬隆區，侵入巖發育，多為中性-中基性花崗巖。磁性結晶基底是引起魯東地區磁力高的重要原因，由于各時期巖漿巖的侵入，使得其剩余質量降低，在重力場上則表現為重力低。

工作區巖漿巖分布廣泛，與周圍地層或者巖體有較明顯的磁性密度差異，通常表現為強磁性、低密度，但基性程度高的巖體磁性高，密度也高。在此類區域，地磁場呈高頻特征。

在巖石完整區域，電阻率較高，地下水沿斷裂破碎帶運移，導致巖石的電阻率降低。

2 工作技術方法及質量評述

2.1 物探方法選擇依據

選擇可控源大地電磁方法主要出于以下兩點考慮：

2.1.1 探測目標

此次工作主要目的為探測沿線的地層及構造特征，以發現斷裂為主。而電法針對此類目標具有優勢，可以較準確的發現低阻地質體。

2.1.2 探測深度

由于隧道埋深最大約為300米，所以要求探測方法可以達到一定的探測深度?？煽卦创蟮仉姶欧椒ň哂性搩瀯?，最大探測距離接近2km，并且橫向分辨率較高。

2.1.3 地形影響

工作區地形起伏較大，局部通行條件不佳，如高分辨率的地震勘探等受地形影響較大，難以取得分辨率可觀的數據，應用受到限制。而CSAMT方法受地形影響小，并且在數據處理階段可以加地形進行反演，可以獲取相對可靠的數據。

基于上述兩點，選擇CSAMT方法進行全線勘查。

2.2 野外工作方法及質量控制

2.2.1 測地工作測地工作是為物探工作敷設測線。平面坐標采用1980西安坐標系，中央經線120°′。

執行標準：《全球定位系統（GPS）測量規范》（GB/T18314—2001）；

《作業文件》（Q/DKSY—ZY—08）

測線布設前采用控制點對手持GPS進行校準，校準后精度可達到亞米級。測點布設采用華測LT400 CM移動數據采集終端放樣，標稱精度：平面精度為1m+10cm，高程精度為2m+10cm。在溝谷等信號不良位置，精度為3m。

2.2.2 CSAMT測量工作

電性CSAMT法是通過人工接地場源（電偶源）向地下發送不同頻率（范圍1～20kHz）的交變電流，在地面一定區域內測量正交的電磁場分量，計算卡尼亞電阻率及阻抗相位，達到探測不同埋深的地質目標體的一種頻率域電磁測深方法。

經過現場試驗，確定最佳發射頻段為1-2048Hz。供電電極經過處理，最終供電最大穩定電流達到5.7A，供電極距2km，供電電極AB的坐標分別為A：40547253.3,4018961.5；B：40546049.67,4017364.1。接收極距為20m，采用氯化鉛不極化電極進行接收。

此次野外施工嚴格執行《鐵路工程物理勘探規程》(TB10013—2010)、《物化探工程測量規范》（DZ／T 0153-95）以及院部有關的技術規定，嚴格把控每個操作環節以保證采集質量。

2.3 數據處理流程

CSAMT數據處理采用Zonge公司提供的與GDP232多功能電法儀相配套的軟件包,包括原始數據的預處理及二維模型反演。

數據預處理:對野外采集的原始數據進行整理,利用自主開發的頻點挑選軟件HDC剔除干擾較大和誤存的數據,利用ASTATIC軟件對數據進行靜態位移及近區校正,同一測線不同日期數據的拼接及平均處理,得出下一步數據處理所需的不同輸入文件。

二維模型反演:主要采用美國Zonge公司出版的商業化反演軟件(SCS2D.exe),對經過預處理的CSAMT數據進行擬二維反演。該程序首先對經過預處理的數據自動給出背景模型斷面,然后根據研究區的地電特征,選定合適的反演擬合參數進行多次擬合疊代,最終計算的結果為不同深度的電阻率斷面模型。

2.4 物性工作

測線為大片基巖出露地區，第四系覆蓋較少，僅在山間溝谷地區有局部發育。

2.4.1 標本的采集

野外施工過程中參考地質資料現場將標本定名，并撿拾體積在10cm×10cm×10cm到6cm×6cm×6cm之間的樣品，采集過程中盡量采集新鮮巖石，以保證測量結果能夠反應出巖石的電阻率特征值。

2.4.2 標本的測量

電性測量地點在室內進行，采用SZT-1數字四點探針測試儀進行測量并采集測試數據，把采集到的數據在計算機中加以分析。

經過對5件樣品進行分析，基本數據中細?；◢弾r。經測量，干巖石電阻率平均值為3500Ω.m,飽和樣品電阻率平均值為2100Ω.m。

2.5 質量評述

野外檢查復測點數占總工作量的比例均大于7%，滿足規范要求。在全區檢查觀測的數據中剔除明顯畸變頻點后，以單個物理點為單位，計算各個測點的觀測參數（視電阻率、卡尼亞電阻率及阻抗相位）相對對誤差mi并編列mi統計表，并繪制誤差分布曲線了解誤差分布情況。單點相對誤差mi計算公式為：

式中：ρai——第i頻點原始觀測數值；

根據各個測點的相對誤差mi，計算單個物理點l的均方相對誤差Ml。Ml計算公式為：

式中：mi——第i個測點的相對誤差；

n——檢查觀測的測點數。

全區系統檢查觀測質量用總均方相對誤差M衡量，M的計算公式為：

式中：Ml——第l個物理點的均方相對誤差；

k——全區系統檢查觀測的全部物理點數。

經過對重復觀測檢查數據的對比分析，野外數據總均方根誤差為5.3%，滿足規范精度（＜7%）的要求。

3 資料處理及解釋

野外采集數據經過反演處理后，形成了反演視電阻率斷面圖，基本反映了沿測線地層由淺至深的電性特征的變化規律，現分析如下。

測線電阻率橫向變化分析

測線電阻率橫向變化較大，呈現高低阻相間的格局；縱向電阻率變化不大。電阻率值介于400-4000Ω.m之間，其中，低電阻率區域主要分布于溝谷地區及構造節理發育部位，反映了地層巖性及構造特征。高電阻率區域分布較廣，反映了地層巖性主要為較完整的花崗巖等。

里程樁號K31+280處低阻區等值線呈長軸橢圓狀，南傾陡立，與圍巖相比呈中低阻特征。K32+620處異常區呈中高阻特征，為高阻圍巖中近直立的較低阻區域，淺部電阻率較低，反映了溝谷淺部地層的低阻特征。里程樁號K33+020處異常為長軸狀近直立具北東傾向的低阻異常帶，其兩側均為高阻顯示。K33+490處異常為直立的低阻異常，由兩個低阻中心區構成，隨深度加大，電阻率逐漸增大。K33+950處異常位于溝谷處，低阻異常等值線呈明顯的低阻凹區。K34+130處異常為中高阻特征，表現為等值線扭曲中斷。K34+380處異常為較明顯的低阻異常區，近直立，具南西傾趨勢。K34+500處異常為中等電阻率特征條帶狀等值線特征，具有南東傾趨勢。K34+780、K35+070處異常為團塊狀低阻異常，電阻率值隨深度增大而增加，具有北西傾趨勢。K35+440處異常等值線為面積較大的低阻異常區。K35+700處異常為等值線不閉合的低阻異常帶，其右側為高阻，接觸帶位置近直立。

總體上，該測線電阻率橫向變化較大，局部呈現高低阻相間特征。在溝谷區域多呈現低阻異常區?？v向電阻率變化不大。

4 結論及建議

此次可控源大地電磁工作，經過近10名專業技術人員近10天的艱苦工作，基本完成了工作任務，達到了預期目的，采集了工作區地層的電性資料，對隧道施工區的地質特征有了進一步的了解。

4.1 取得了沿線的電性資料，并采集了數個物性標本進行比對解釋，充實了隧道施工的基礎資料。

4.2 結合以往工程地質資料及此次物探成果，推斷了13條斷裂破碎帶或者節理發育部位，為后續工作順利開展提供了參考。

4.3 通過此次工作，進一步檢驗了可控源電磁法在復雜地區開展工程地質測量的可行性，為今后此類項目實施積累了寶貴經驗。