高頻大地電磁在深埋隧洞探測中的應用

尹 劍，凌 巍，林永燊

（長江地球物理探測（武漢）有限公司，湖北武漢430000）

高頻大地電磁在深埋隧洞探測中的應用

尹 劍，凌 巍，林永燊

（長江地球物理探測（武漢）有限公司，湖北武漢430000）

文章介紹了高頻大地電磁在深埋隧洞中探測巨厚覆蓋層及斷層的優勢，以滇中引水工程中深埋隧道探測為實例，基于EH4采集數據，對電阻率二維反演成像圖異常形態、高低阻等特征進行了分析，推斷出巨厚覆蓋層分布情況，查明深埋隧道中斷層空間位置，為隧道施工提供了可靠的依據。

高頻大地電磁；深埋隧道；巨厚覆蓋層；斷層；探測

1 前言

在水利行業中，引水隧洞通常為深埋隧洞，其前期勘探對后期施工技術選擇與作業安全有著十分重要的作用。通過勘探，摸清巨厚覆蓋層分布情況以及確定斷層、巖性界限位置。覆蓋層由于沖積、洪積、坡積等第四紀松散沉積物的掩蓋，使得地質勘查較為復雜，需采用物探、鉆探、坑探等手段，以了解巨厚覆蓋層的分布特征；斷層由于兩側的巖石發生了顯著的位移，導致巖體破碎，相對周圍巖性電阻率值偏低，它的存在嚴重影響工程施工質量和施工安全，因而必須確定存在的空間位置。

深埋隧洞一般地處深山區，對于大于100m巨厚覆蓋層勘探、確定斷層位置，采用鉆探等方法施工難度大、成本高、效率低、目標方向不明確，傳統的物探方法探測深度又達不到要求，而近十年發展起來的EH4高頻大地電磁測深法在深埋隧洞探測巨厚覆蓋層、斷層中發揮了重要的作用，提高了勘探精度，加快了勘查進度，節約了項目成本，為施工提供了準確的依據。

2 EH4技術及原理

EH4型STraTaGem電磁系統是雙源型/地震系統。該儀器適合各種不同的地質條件和惡劣的野外環境，且不受高阻層影響，技術上率先突破傳統單點測量壁壘，走向電磁測量擬地震化、聯合二維連續觀測和資料解釋，實現0.01～100kHZ范圍內電磁信號的連續采集，因而也被稱為高頻大地電磁法。

圖1 EH4野外數據采集工作示意圖

圖1 是EH4野外數據采集工作示意圖，該系統能觀測離地表以下1km范圍內斷面的電性變化信息，針對這些信息的分析，能有效地研究深部構造、巖層的展布、覆蓋層分布并劃分其厚度等，以解決水利工程地質勘察、地熱與礦產探明、地下水研究查等問題。它是以天然交變電磁場為場源，交變電磁場以波的形式在地下介質中傳播，因電磁感應作用，地面電磁場的觀測值將包含有地下介質電阻率分布的信息。

電磁理論中，把電磁場在大地中傳播時，振幅衰減到初始值1/e時的深度，定義為穿透深度或趨膚深度（δ）

式中:ρ—電阻率值；f—頻率。

由（1）式可知，趨膚深度隨電阻率和頻率變化，頻率較低的數據反映較深的電性特性，頻率較高的數據反映淺部的電性特性。因此，在一個寬頻帶上采集電場、磁場信息，并由此計算出的視電阻率，可確定測區電性特征和地下構造，以上就是EH4觀測系統的簡單原理。

高頻大地電磁測深法（HmT）相對于音頻大地電磁測深（AmT）、大地電磁測深法（MT）法最大的不同在于其所采用的天然電磁場的頻率不同，具體分布圖2所示。

圖2 HMT、AmT、MT工作頻率分布圖

高頻大地電磁測深法因其能采集高頻率段信號，具有測量淺層地層、抗干擾能力強、分辨率高等優勢。

3 實例

3.1 工區地質和地球物理特征

“滇中引水工程”中一深埋隧道設計埋深150～250m，最大埋深550m。線路附近山頂高程2064～2645m，山地切割深度200～600m，屬中山地貌。輸水線路上地表水貧乏，主要受大氣降水補給。山體上沖溝較發育，地表植被稀少，地表水排泄迅速。巖溶強烈發育，地下水類型主要為巖溶裂隙水，地下水運移通暢，并可能有較大的地下暗河系統。地面調查發現有斷層通過，裂隙較發育，陡坡地帶卸荷作用明顯。

又名平滑肌瘤、平滑肌肉瘤、怪異性平滑肌瘤的胃腸道間質瘤是一種少見的非上皮性腫瘤類疾病。胃腸道、網膜、腸系膜是腫瘤生長的主要部位，臨床將這一類疾病定義為干細胞生長因子受體陽性的梭形細胞或上皮樣細胞類腫瘤疾病[1]。我院2012年4月—2017年收治了17例胃腸道間質瘤患者，筆者就本組患者CT影像資料進行回顧分析，現將胃腸道間質瘤CT影像特征表現總結如下。

深埋隧道穿越地層大部巖性為灰巖、白云質灰巖及白云巖夾泥巖、泥質灰巖、頁巖、粉砂巖等，巖層傾角25～35°，巖層走向與洞軸線方向呈小角度交切，局部有花崗斑巖侵入。

地球物理方法電磁法類勘探必要的物理前提是地層的電性差異，只有當勘探對象與周圍地層存在一定的差異時，才具備應用該方法進行勘探的地球物理條件。根據探測目的、要求及工區內地層的電性差異，地球物理參數電阻率值（ρ）綜合為如下對應關系:

灰巖、白云質灰巖及白云巖:＞3500Ω·m；

泥巖、泥質灰巖、頁巖、粉砂巖:250～750 Ω·m；

第四系覆蓋層、泥石流堆積:30～150Ω·m。

通過物性參數可以明顯的看出，覆蓋層與基巖存在明顯的電性差異，滿足地球物理高頻大地電磁勘探條件。

3.2 數據采集

野外原始數據采集，要根據該工區現場條件對磁棒、電極線采用“十”型方式鋪設；其次測量點盡量遠離電磁場干擾區；數據采集過程中禁止人員在磁棒附近來回走動，并嚴密監視采樣疊加過程中的誤差棒，對畸變點或異常點進行重復觀測，消除因偶然因素引起的假象，以獲取高質量的數據，確保野外資料真實可靠。

EH4高頻大地電磁法探測是根據電磁波在地下巖層中傳播時存在的時差性來反映地下介質的物性差異，即地下介質電場強度、磁場強度和相位的差異；資料處理就是依據磁場強度、電場強度和相位的差異來計算視電阻率值和相位值。簡易數據處理流程如圖3所示:

圖3 EH4數據處理流程

（1）野外采集的電場、磁場信號，通過剔除干擾信號后進行ROBUST處理［5］，計算出每個頻點相對應的平均電阻率與相位差。

（2）通過軟件進行原始數據的二維反演，獲取深度與視電阻率數據。

（3）用反演數據繪制視電阻率等值圖。首先用反演數據在Surfer軟件中繪制電阻率等值線圖，再轉換到AuToCAD中，經修整完成最后的成果圖，供分析、研究。

由于巖石視電阻率值與地層巖性、構造等關系密切，在視電阻率等值剖面圖上可從電性層的傾向以及視電阻率等值線的疏密程度來分析地下介質存在的物性差異。特別是電性的不連續現象顯示出視電阻率等值線的密集帶、橫向斜率突變帶或高電阻率區內出現的低電阻率區域等都說明在該處或兩側存在著不同的地質體和地質構造現象。

3.4 資料解釋

資料解釋是依據地層的物性差異。地下地層由于成因環境不同，同時受構造運動的影響，從而在縱向和橫向上產生視電阻率和相位上的變化，研究這些變化以及巖性物性等特征，可以推斷地下地層的分布規律、覆蓋層分布和厚度、斷裂構造等。

在資料分析中，判別異常區主要是根據電阻率值變化及相對值、等值線的形態等綜合因素考慮的。本次成果解釋的依據是:覆蓋層物質相對較松散，且含粘粒成分多，其電阻率值相對較低，加之覆蓋層物質相對較復雜多變，電阻率值相對基巖來說均一性差，所以，只要圈定出表層相對低阻與不均勻電性特征的范圍，并根據現有資料對比，選取一定值的電阻率等值線，就可能了解覆蓋層厚度分布，具體見圖4。

TV221

B

1672-2469（2015）10-0080-02

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.25

尹 劍（1986年—），男，助理工程師。