基于音頻大地電磁測深法數據的不良地質體探測研究
——以西藏某水利工程為例

尹 劍，張建清

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010；2.長江地球物理探測(武漢)有限公司，湖北 武漢 430010)

1 研究背景

水利工程中的水庫壩堤是地方政府水資源管理、防洪減災的重要基礎設施，它的安全性不僅與施工質量有關，而且與壩基巖體穩定性有很大關系。從以往發生的水庫大壩失事事件調查發現，事故多發生于壩基處，原因是其下部常存在不良地質體，由于施工前沒有徹查及妥善有效處置，使建后壩體出現不均勻沉降或位移等現象，嚴重時可能出現潰壩風險，造成巨大的生命和財產損失。因此對水利工程實施勘察[1]工作顯得尤為重要。

水利工程中的不良地質體有深厚覆蓋層[2]、隱伏斷層[3]、巖溶洞穴[4]等，這些工程地質難題都會對工程的安全性產生嚴重的后果。深厚覆蓋層具有透水性強、堆積厚度大、結構松散等特征，在條件比較差的地層上建筑大壩，將對壩基處理造成很大的困難；隱伏斷層、巖溶洞穴一般在地表很少露頭，如果在壩址區、庫區、引水隧洞[5]有隱伏斷層或發育巖溶，而在前期勘察中沒有發現，將為水工建筑物帶來巨大的隱患。解決這些地質難題的常規勘探手段有鉆探、硐探、槽探等，但這些手段往往需要借助大型的機械裝備，施工周期長，且需要投入相當大的人力、物力和財力。在青藏高原這樣高海拔地區，并不容易實現[6]。

近年來隨著科技的發展和儀器設備的更新，工程物探作為水利工程勘察的前沿學科發揮了舉足輕重的作用。音頻大地電磁測深法[7](audio magnetotelluric sounding method,簡稱AMT)、高密度電法[8]等方法在探測深厚覆蓋層、隱伏斷層、巖溶洞穴等方面已由輔助手段轉為主要手段。由于不同年代和不同巖性的巖石往往具有不同的電性差異，AMT通過采集天然電磁場信號經數據處理可獲得地下電阻率的分布，通過對地下電阻率的分析，從而在水利水電工程的不良地質體中開展應用，國內已取得了諸多的成功案例[9-10]。

在實際工作中，早期國內用戶通過采集標量AMT數據，在TM模式[11]下數據處理后繪制的視電阻率等值線圖因局部的低阻體和地表地層不均勻的作用，常造成似斷裂構造的假異常，對后期地質解釋帶來困難，而TE模式[12]下數據處理繪制的視電阻率等值線圖雖受靜態效應的影響不大，但對實際的斷裂構造位置卻沒有突出的異常顯現。隨著大地電磁數據反演算法及代碼的飛速發展，上述問題得到了有效解決。目前AMT數據處理常用博斯蒂克[13]或Occam[14]一維反演、NLCG[15]二維反演等，這些反演方法在工程中都得到了較廣泛的應用[16,13]。

本文基于西藏某水利工程工區采集的標量AMT數據，繪制出視電阻率擬斷面圖，并進行一維和二維反演獲得電阻率模型，并對這幾種反演方法進行了對比及可靠性驗證。結果表明，音頻大地電磁二維反演能夠在西藏水利工程勘察領域中取得很好的效果，本研究建立了一套獲得可靠地下電阻率模型，其具有可靠度驗證的完整技術流程，為后期該方法在水利工程勘探領域中的進一步推廣提供指導依據。

2 研究區的地質概況與AMT數據測點位置

工程區位于西藏，地層屬岡底斯-騰沖地層區的拉薩-察隅地層亞區，由元古界-第四系組成，出露不全，連續性差，多呈斷層接觸。區域地質及AMT數據測點布置如圖1所示。

圖1 研究區地質及AMT測點位置圖

測區基巖主要為變質巖，從老至新分別有：(1)中新元古界念青唐古拉巖群a巖組，以各種片麻巖為主，夾有片巖、斜長角閃巖、變粒巖及少量大理巖，厚度大于7 639 m。(2)前奧陶系雷龍庫巖組，下部以二云母角閃石英巖，片理化細粒石英巖為主，夾綠簾黑云角閃粒巖、細粒黑云母石英片巖、長石石英黑云母千枚片巖；上部為細粒綠泥二云母石英片巖夾片理化含黑云母細粒石英巖，細粒石榴石黑云母石英片巖，黑云角閃變粒巖組成，厚度為4 523 m。(3)石炭系下統諾錯組，下部為變質細砂巖與粉砂質板巖互層，夾結晶灰巖、變質安山巖，變質安山質晶屑凝灰巖；上部為變質細砂巖夾結晶灰巖，板巖，大理巖，最大厚度為2 646 m。(4)石炭系-二疊系來姑組，以含礫板巖、深灰色板巖為主；夾細砂巖、細～粉砂巖及少量碳酸鹽巖，厚度約5 069 m。(5)二疊系中統洛巴堆組，下部為灰巖夾鮞粒灰巖及變質含礫細粒石英巖和深灰色板巖等；中部為含礫質不等粒石英砂巖夾粉砂質板巖；上部為粉晶灰巖，局部夾泥質灰巖，厚度大于852 m。(6)二疊系上統西馬組，為含礫變質雜砂巖、變質細～粉砂巖、板巖和千枚巖，夾少量灰巖或透鏡體，厚度大于2 553 m。

工程區巖漿活動頻繁而劇烈，活動受構造控制明顯。巖漿巖巖類齊全，以中酸-酸性侵入巖分布最廣，次為基性-中酸性-酸性噴出巖，夾于不同時代的地層之中。第四系成因類型主要有洪沖積、冰磧和冰水堆積、湖積、滑坡、崩積、泥石流堆積等。工程區大地構造位置隸屬于岡底斯-念青唐古拉山板片的隆格爾-工布江達中生代斷隆帶，斷裂構造發育。主要構造方向為NWW、NW向，少量NE向、弧形構造。構造行跡主要為斷裂，褶皺不發育。

3 音頻大地電磁測深數據采集和處理

3.1 音頻大地電磁測深原理[17]

音頻大地電磁測深法屬于大地電磁法的一個分支，是基于電磁感應原理，經地面采集太空電磁波入射地球引起的二次場信號，經過處理和計算得出地下巖土體的電阻率值分布的頻率域電磁法，其測量的頻率范圍一般在10～105 Hz。電磁波向地下傳播時，其強度隨深度增加而減弱，其中高頻電磁波衰減較快，穿透深度淺，通過計算可以得到淺層地質體的電性分布，低頻電磁波衰減慢，可穿透深部地層，通過計算可得到深層地質體的電性分布。

3.2 數據采集與預處理

本次音頻大地電磁勘探工作采用的儀器為EH-4剖面電導率成像系統。采集剖面與北西西向的覆蓋層與基巖的分界線基本平行，測點間距50 m,有效測點數為34個，總剖面長度約為1 650 m。在數據采集時，采用了電極方向垂直于構造走向采集Ex分量、磁探頭平行構造走向采集Hy的數據采集方式，以獲得Zxy阻抗分量。

此設備可以通過采集人工或天然電磁場信號，在地形復雜的情況下開展電導率連續剖面測試。本次數據采集使用天然場信號，采集頻率范圍為10～105Hz，選擇干擾背景比較平靜的時間進行。通過設備對采集點的電磁場分量觀測，得到互相垂直的時間域磁場分量H和電場分量E，經傅立葉變換將時間域信號轉換為頻率域信號，最后通過功率譜計算得到視電阻率測深曲線。儀器操作員野外采集時，能看到實測單點的測深曲線，對于質量較差的測點，通過提高采集次數或改善接地條件等方法來提高數據質量。后期處理中還可以剔除質量差的頻點，最終獲得的視電阻率和相位曲線，部分AMT測點的視電阻率和相位曲線如圖2所示。由圖2可以看出數據受到的畸變和干擾較小，數據質量較好。實測電阻率與二維反演響應電阻率擬斷面圖見圖3；實測相位與反演響應相位擬斷面圖見4。

圖2 部分AMT測點的視電阻率和相位曲線

圖3 實測電阻率與二維反演響應電阻率擬斷面圖 圖4 實測相位與反演響應相位擬斷面圖

4 AMT數據的一維及二維反演

4.1 一維反演方法和參數設置

目前AMT數據一維反演比較常用的方法有博斯蒂克反演和Occam反演，本文采用Occam反演對數據進行一維反演。起始模型設置為18層的電阻率值為100 Ω·m的均勻半空間，最大迭代次數選擇為50次。反演模型電阻率值上下界限分別設置為10 000和1 Ω·m，最大層厚度設置為1 000 m，最小層厚度為10 m。采用批量一維反演模塊對所有的站點數據統一進行反演。利用各站點的反演模型對站點Y方向的距離進行插值，繪制成一維反演電阻率擬斷面圖和二維反演電阻率模型剖面，如圖5所示。

4.2 二維反演方法和參數設置

目前AMT數據二維反演比較常用的方法有非線性共軛梯度法(NLCG)、RRI法、Occam法、基于Occam法發展的REBOCC法[18]等。本文采用帶地形的2-D非線性共軛梯度法(NLCG)算法對旋轉到電性主軸方向上的TM模式數據進行反演。從圖1看出，剖面雖然與NWW向的覆蓋層與基巖的分界線平行，但不同時代的基巖的分界線卻是近EW走向，這表明巖石基底的構造是近EW走向的，所以利用橫跨并近似垂直于推斷基巖分界線的AMT剖面獲得電阻率模型可以有效地反映地下的電阻率分布。另外，在數據采集時，采用了電極方向垂直于構造走向、磁探頭平行構造走向的數據采集方式，因此，在反演時利用TM模式反演，且阻抗旋轉角度為0°。對視電阻率、相位分別設置15%、5%誤差門限。通過繪制L曲線，確定出一個合適的光滑因子τ=3。初始模型為100 Ω·m的均勻半空間。通過200次的迭代，得到了1個反演結果(見圖5(b))，擬合平方根誤差為0.753 2。擬合曲線和擬斷面圖如圖2～4所示。可見實測數據和擬合反演模型響應之間具有很高的一致性，證明此次反演模型是可靠的。

4.3 反演模型

比較圖5(a)與圖5(b)可見，這兩種電阻率模型之間存在著一定的相似性。具體來講，在剖面Y方向距離為0.6～0.8 km處，均有一條比較顯著的近直立的、北傾的低阻條帶(C1)從近地表的位置一直延伸至模型的底部，并可能延伸至更深處；但電阻率值范圍卻不同，一維反演模型上的范圍為100～300 Ω·m，而二維反演模型卻表現出更低的范圍1～10 Ω·m。這個低阻條帶C1的位置還與實測數據實電阻率擬斷面圖(圖3)上面的近直立的、相同位置的低值異常帶一致。另外一個相似的特征為兩個模型都具有從近地表深度延伸至模型底部的3個高阻塊體，分別為R1、R2和R3，電阻率值范圍為5 000～10 000 Ω·m。除了這些相似性，這兩個模型間也存在顯著的差別。具體來講，在二維反演模型的近地表深度存在著一個厚度約為20 m的低阻薄層，標記為CL1，而一維反演模型卻沒有。另外，在二維反演模型的0.6和1.4 km剖面距離處，分別存在著兩個“U型”的低阻體，而一維反演模型上卻沒有。最后，在二維反演模型最南端的2 400～2 000 m深度范圍，出現了一個低阻體C2(30 Ω·m)，在一維模型上雖然也有對應的低阻區域，但范圍偏小，并且電阻率值也偏低(200～300 Ω·m)。

圖5 AMT數據一維反演電阻率擬斷面圖與二維反演電阻率模型剖面

整體上講，視電阻率擬斷面圖、一維和二維反演模型之間存在著較大的相似性，證明了電阻率異常，特別是C1的可靠性。但是，很顯然二維反演模型中異常的分辨率比視電阻率擬斷面圖和一維反演結果高得多，也更加適合用于地質解釋，二維反演電阻率模型體現的地質信息更加詳細。

4.4 反演模型的可靠度測試

通過對二維反演中的電阻率異常與地質構造圖進行對比，可發現低阻體C1位于巖性分界面上，而R1、R2和R3與地表出露的基巖位置具有一致性。因此，它們可能對地質解釋具有較為重要的意義。由于淺層的電阻率分布比較復雜，特別是具有若干顯著的低阻體。因此，它們的可靠性需要驗證。

進行電阻率異常的可靠性驗證的方法是將電阻率異常用其周邊的背景值替換掉，即近似地將這些異常體移除，構建兩個新的驗證模型，分別為驗證模型1和驗證模型2，如圖6(a)所示。

然后分別對新的驗證模型進行正演，計算出模型的響應，并與實測數據進行對比，以查看這些異常體是否是確實存在的，結果見圖6(b)。由圖6可以看出，當移除了近直立低阻條帶C1時，3個測點的模型響應視電阻率曲線的低頻部分都出現了顯著的降低；而當移除了R1、R2和R3這3個高阻體后，這3個站點的視電阻率響應出現了明顯的升高。因而這幾個異常的移除均能造成模型響應與實測及二維反演模型響應曲線之間的較大偏差。綜上所述，這幾個異常體是必不可缺的，是真實存在的，并不是反演算法造成的假異常。

圖6 二維反演模型中電阻率異常的可靠性檢驗圖

5 二維電阻率模型的地質解釋

為了進行更好地地質解釋，將地質圖和二維反演電阻率模型繪制在一起，形成地質解釋綜合視圖7。有針對性地對主要的電性異常體進行地質解釋如下：

圖7 二維反演模型的地質解釋綜合視圖

(1)近地表低阻層CL1：由圖1可見，電阻率剖面基本上位于覆蓋層內部并近似平行于覆蓋層和巖石基底之間的分界線上，因此，電阻率模型中的近地表的低阻薄層CL1推斷為覆蓋層。由于覆蓋層具有較高的孔隙度，并且常富含水等低阻體，因此常表現為較低的電阻率。雖然低阻體的底界面一般情況下并不可靠，但是區域的鉆孔資料表明表覆蓋層的厚度約為20～40 m，因此推斷該低阻層的底界面反映了覆蓋層與基巖面之間的分界面的起伏。另外，地勢較高的區域，如北段，低阻層較薄，地勢較低的區域低阻層較厚，也可以證實上述推斷。

(2)高阻塊體R1、R2和R3：這3個高阻塊體均位于元古界念青唐古拉巖群a巖組花崗片麻巖的下方。而前寒武紀的變質基底，如花崗片麻巖具有較低的孔隙度和濕度，因此常表現出極高的電阻率[15]，因此這3個高阻塊體符合前寒武紀變質基底的特征。

(3)近直立、略北傾的低阻條帶C1：C1位于元古界念青唐古拉巖群a巖組的花崗片麻巖和大理石加石英片巖之間。這就表明，該位置發生過巖漿、流體的改造和變質作用，而這樣的位置常位于基巖內的斷裂帶處。由于這樣的區域在應力擠壓作用下，會發生巖石的破裂，造成破碎帶。破碎帶常由于具有較大的孔隙度而成為流體、石墨和硫化物等低阻物質富集的場所，因此表現出整體的低阻性，被稱為斷裂帶低阻體[19]。可推斷這條斷裂帶為一條深斷裂F3，并且具有較高的活動性。

(4)近地表的“U型”低阻體：除了延伸較深的低阻體C1，在近地表的位置還存在2條近似“U”型的低阻體。巧合的是，這兩個低阻體均位于巖性分界面附近，其上部近直立的部分也體現了斷裂的低阻性，但是延伸較淺，為近地表的斷裂。而其底部近水平的低阻體，推斷為局部含水層，形成于地層分界面附近，并且近直立的淺斷裂造成了地表水的滲透，形成了富水層[20]。

(5)南段的低阻體C2：該地區位于覆蓋層的下方，但沒有明顯的斷裂構造與地表相連，因此可能并非是斷裂帶低阻體，而是高孔隙度的富水儲層。該區域是一個隆起區，而這種背斜構造內部的地層具有較為良好的儲水構造，如下方地層水運移通道和淺部蓋層，會成為地層水富集的場所。

綜上所述，二維反演模型中的電性異常具有較強的地質意義。本研究發現了覆蓋層下方的近直立的隱伏斷裂層C1和含水儲層C2。這樣的構造往往具有較高的活動性和滲水性，而不利于水利工程的施工和后期的穩定，因此需要避免。另外，高阻體代表的前寒武紀巖石基底卻由于孔隙度較小，而表現出較高的結構強度，是水利工程施工建設的理想場所。

6 結 論

本文結合前期地質資料，基于AMT數據進一步查明了西藏某水利工程的地質條件，探討了數據預處理及一維、二維反演和正演模型測試，為水利工程的選址提供了重要的科學依據。取得的主要成果與認識如下：

(1)相比于視電阻率擬斷面圖、一維反演模型，AMT的二維反演結果對探測隱伏斷層、富水區等不良地質體有很好的應用效果。

(2)通過正演模型可靠度測試，發現的異常體都是不可或缺且具有較高的可靠性，證明了AMT在西藏水利工程勘察中具有較強的適用性及可靠性。

(3)初步查明的電性異常部位具有較強的地質意義，可以用來指導水利工程的選址及施工。