EH4 大地電磁測深在高速公路隧道勘察中的應用

肖 想， 魏元泵， 廖先平

（湖南省核工業地質局三〇三大隊，湖南 長沙410119）

EH4 大地電磁測深是目前較為常用的地球物理勘測手段，電磁測深指電磁感應類的電阻率測深，利用人工或者天然電磁場在地球內部激發的電磁感應現象，研究地下由淺到深不同深度上地層的導電性結構，被廣泛應用于地下水勘察、礦產和地熱勘察以及工程地質勘察等方面，取得了較好的效果。 本文就EH4 大地電磁測深在綿九高速公路隧道勘察應用中的實例進行說明。

1 工作原理

大地電磁法是基于電磁感應原理，利用能量很大的天然電磁場作為場源，高空電離層、磁層的電流體系由于太陽輻射發生變化，以及大氣中的雷電效應都將引起地球磁場的波動，它的周期十分寬闊，這種磁場的波動在導電的地球內感應出變化的電場即大地電流場，并產生二次磁場。 在地球內部這種電磁場的分布強度取決于巖石的電性結構（如巖石致密程度、完整性、含水性等）。 在地面上單點觀測的天然交變電磁場的四個分量（Ex、Ey、Hx、Hy）互相垂直，分析研究地面波阻抗隨頻率的變化，可以探測到地球內部巖石電性隨深度的分布［1－3］。

2 野外工作方法

本次隧道勘查采用美國Geometrics 公司生產的EH4 連續電導率剖面儀進行數據采集。 在數據采集中，四個電極構成的偶極-偶極裝置，每兩個電極組成一對電偶極子MN，長度均為20 m。 其中，與測線同向的MN（X-Dipole 電偶極子）測量電位差并計算得到電場水平分量Ex；垂直測線的MN（Y-Dipole電偶極子） 測量電位差并計算得到Ey。 Hx磁探頭和Hy磁探頭相互垂直。 電極布極方式主要為 “ ＋”字形，圖1 為儀器的野外工作布置示意圖［4－8］。

圖1 音頻大地電磁現場布置示意圖

3 工作區地質情況

隧址區位于四川盆地邊緣，地勢呈北西高南東低，北段為中低山，經中部的丘陵高崗地形逐步過渡到四川沖積盆地。 地形地貌受地層巖性及龍門山前山斷裂構造控制明顯，屬于構造侵蝕、剝蝕、堆積、溶蝕構造的中低山地貌，地形波狀舒緩起伏，坡度一般為15° ～30°，溝谷相間分布。

根據現場地質調繪資料分析，主要發育有第四系（Q）、白堊系（K）、侏羅系（J）、三疊系（T）、石炭系（C）、泥盆系（D）以及志留系（S）的頁巖、砂巖、泥質砂巖、灰巖、泥灰巖等地層，在桂溪隧道小樁號段發育有千枚巖，在藥王谷隧道、九皇山隧道及大康2 號隧道的溶蝕現象較明顯。 本文選取大康2 號隧道勘察為例。

測區巖（土）體電阻率參數表，見表1。

表1 測區巖（土）體電阻率參數表

4 資料成果及效果分析

4.1 資料成果

大康2 號隧道右縱測線里程樁號為XK208 ＋500～XK209＋460，地面高程為610.0 ～688.5 m，相對高差最大為78.5 m（如圖2）。 隧道所經地段巖性由三疊系下統飛仙關＋銅街子組的石灰巖、泥灰巖、粉砂巖、泥巖以及侏羅系的泥巖、石英砂巖等所組成。巖體風化強烈，裂隙發育，較破碎。

圖2 XK208+500～XK209+460 段視電阻率彩色剖面圖

從右縱線的EH4 剖面中均可以看出，隧道進出洞口段及洞身，地表淺部為第四系覆蓋層的含碎石粉質黏土，視電阻率較低，一般20～950 Ω·m 之間，厚度約為5～10 m；覆蓋層下為強風化的石灰巖、泥灰巖、泥巖、粉砂巖等呈韻律式互層，視電阻率值在800～2 500 Ω·m 之間，厚度為6 ～12 m 不等；中風化的基巖，視電阻率值在1 500 ～2 500 Ω·m；再下為中-弱風化的基巖，視電阻率值在2 000 ～3 500 Ω·m 之間。 其中在左線的右線的XK208 ＋541 ～XK208＋578、XK208＋695 ～XK208＋724、XK208＋843～XK208 ＋868、XK208 ＋932 ～XK208 ＋978、XK209 ＋330～XK209＋358 段視電阻率等值線呈現相對低阻區域，并出現凹陷特征，且上下貫通。 結合實際地質資料和鉆孔資料，推測這些地段存在構造破碎帶或裂隙密集帶，巖體較破碎，而在右線XK208＋932 ～XK208＋978 段的構造破碎帶推斷為區域地質上的F4 斷層。

如圖3 所示，右縱線的EH4 反演視電阻率斷面圖中的視電阻率從高到低變化十分明顯，據區域地質資料，該處正好是巖性分界面。 在隧道其余區段視電阻率值相對較高，推測基巖相對較完整。 根據鉆孔測井資料綜合判斷，將存在構造破碎帶或裂隙密集帶處以及隧道進出口段的隧道圍巖分級為Ⅴ級，圍巖穩定性差，其余區段為Ⅳ級，穩定性較差。

圖3 XK208+500～XK209+460 段地質解釋圖

4.2 鉆孔對比

根據后來鉆孔反饋數據：0 ～5 m 為第四系覆蓋層的含碎石粉質黏土；5 ～20 m 為強風化泥質粉砂巖，局部石灰巖有溶蝕現象；20 ～70 m 為中風化泥質粉砂巖，節理裂隙較發育。 由于隧道埋深較淺，沒有進行更深一步的鉆探，但就目前資料分析與此次測量推斷結果基本一致。

5 結論

（1）本次物探勘察采用EH4 大地電磁法測量。基本查明了勘察區域內巖土層分布情況及構造破碎帶及裂隙密集帶發育位置、展布范圍及產狀，巖溶發育區位置及展布范圍，達到了預期效果。

（2）大康2 號隧道地質情況比較復雜，巖性由三疊系的石灰巖、泥灰巖、粉砂巖、泥巖以及侏羅系的泥巖、石英砂巖等組成韻律式互層。 巖體風化強烈，裂隙發育。 推斷存在1 條構造破碎帶，4 條裂隙密集帶。

（3）此次EH4 勘探成果與實際地質情況以及地球物理物特征基本一致，這說明EH4 音頻大地電磁深測法在該區實踐應用效果明顯，勘探的結果反映了實際地質情況，這對今后隧道勘察也具有很大的意義。