基于大地電磁法高頻數(shù)據(jù)靜態(tài)位移校正應(yīng)用

◇陜西鐵道工程勘察有限公司 武棟棟

針對(duì)靜位移對(duì)斷層資料的解釋，寬度較小的斷層在通過反演軟件反演后無法識(shí)別的問題，本文利用高頻大地電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行靜位移的識(shí)別，進(jìn)而使用5點(diǎn)或7點(diǎn)濾波法對(duì)識(shí)別的靜位移數(shù)據(jù)進(jìn)行校正的方法。將該方法用于新建西安至安康鐵路太興山隧道，將物探成果與地質(zhì)調(diào)繪、鉆探結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，取得了較好的勘探效果。

大地電磁法作為深大埋深隧道的主要勘探手段，該方法對(duì)斷層、溶洞有較強(qiáng)的識(shí)別能力[1]。大地電磁法是一種體積勘探方法，在二、三維地質(zhì)體中產(chǎn)生靜態(tài)效應(yīng)[2-4]。

在新建西安至安康高速鐵路DK35～DK38+500段大地電磁勘探中，DK35+500～ Dk35+700段經(jīng)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探揭露存在構(gòu)造帶，DK36+700～DK36+980段經(jīng)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探揭露無構(gòu)造帶（圖1），而物探解釋成果恰恰相反（圖2）。原始數(shù)據(jù)TM模式DK35+500～DK35+700段為低阻反應(yīng)，推測低阻帶寬度較窄，反演軟件的靜態(tài)校正將其作為靜態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了校正。靜態(tài)效應(yīng)的產(chǎn)生的主要原因是地表不均勻體或者地形切割較大的環(huán)境所引起[5]，靜態(tài)效應(yīng)與斷裂構(gòu)造帶所產(chǎn)生的異常有較強(qiáng)的相似性，為物探資料解譯帶來較大的干擾信息，寬度較小的斷層極易被誤認(rèn)為靜態(tài)效應(yīng)影響，進(jìn)而丟失了有效的斷層信息。

圖1 太興山隧道DK35～DK38+500大地電磁反演成果圖

圖2 太興山隧道DK35～DK38+500地質(zhì)簡圖

1 正反演模擬

1.1 2-d靜態(tài)效應(yīng)正演模型

據(jù)前人研究表明，CSAMT靜態(tài)效應(yīng)的主要源自于地表不均勻體，設(shè)計(jì)圖3的低阻不均勻體的正演模型。模型為均勻半空間，背景電阻率為1000 Ωm；低阻不均勻體厚度為20 m，長度575 m，電阻率為10 Ωm，頂板埋深分別為0 m；地表采集點(diǎn)數(shù)78個(gè)，采集點(diǎn)距25 m，正演頻率范圍10000～1 Hz。

圖3 靜態(tài)效應(yīng)正演模型示意圖

靜態(tài)效應(yīng)正演TM模式卡尼亞電阻率斷面圖，靜態(tài)效應(yīng)在1d模型中表現(xiàn)為曲線的下移，在2d模型中表現(xiàn)為垂直向下的低阻帶，最低值出現(xiàn)在低阻體邊界；在負(fù)地形區(qū)域?yàn)榇怪毕蛳碌牡妥璁惓＃谪?fù)地形中心約等于正常背景值。

靜態(tài)效應(yīng)TM模式反演成果圖中，在低阻體邊界出現(xiàn)兩組垂直向下的低阻異常與斷層的反演結(jié)果具有較高的相似性，地表低阻體電阻率值和橫向范圍與模型基本一致，厚度有所增加；在負(fù)地形區(qū)域電阻率值低于模型電阻率值。

1.2 窄小斷層2d正演模型

設(shè)計(jì)圖6的窄小構(gòu)造帶正演模型。模型為均勻半空間，背景電阻率為1000 Ωm；斷層位置位于剖面位置975 m，斷層電阻率為10 Ωm，寬度50 m；地表采集點(diǎn)數(shù)78個(gè)，采集點(diǎn)距25 m，正演頻率范圍10000～1 Hz。

圖4 靜態(tài)效應(yīng)正演TM模式卡尼亞電阻率斷面圖

圖5 靜態(tài)效應(yīng)TM模式帶靜態(tài)效應(yīng)反演成果圖

圖6 窄小斷層正演模型示意圖

圖7 窄小斷層正演TM模式卡尼亞電阻率斷面圖

圖8 窄小斷層TM模式帶靜態(tài)效應(yīng)反演成果圖

窄小斷層正演TM模式卡尼亞電阻率斷面圖，正演模型中斷層位置發(fā)育有垂直向下的低阻異常，但反演成果圖中僅表層為低阻異常，斷層異常不明顯。

正反演結(jié)果表明，存在靜態(tài)效應(yīng)而不進(jìn)行改正，在反演結(jié)果圖中為深大陡立斷裂；直接使用軟件的靜態(tài)矯正，又損失窄小構(gòu)造等有效信息。故在進(jìn)行大地電磁法數(shù)據(jù)解譯時(shí)首先應(yīng)識(shí)別靜態(tài)效應(yīng)，對(duì)靜態(tài)效應(yīng)進(jìn)行改正后進(jìn)行不帶靜矯正的二維反演。

2 靜態(tài)效應(yīng)的識(shí)別與校正

2.1 靜態(tài)效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理

依據(jù)Kaufman推導(dǎo)出的導(dǎo)電介質(zhì)中的體電荷公式：

其中 是電導(dǎo)率，是介電常數(shù)。由式（1）可知，當(dāng)巖層的電阻率變化方向上存在電場分量時(shí)，在電阻率發(fā)生變化的界面上會(huì)產(chǎn)生積累電荷，電阻率變化越劇烈，積累電荷越強(qiáng)烈，當(dāng)頻率較低無法穿透不均勻體時(shí)，電場分量將會(huì)受到積累電荷的影響，磁場分量無影響，從而導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)的上下平移。

2.2 靜態(tài)效應(yīng)的識(shí)別

由靜態(tài)效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理可知，當(dāng)頻率較低無法穿透不均勻體時(shí)，靜態(tài)效應(yīng)產(chǎn)生，當(dāng)異常體厚度增大或采樣頻率增高時(shí)，靜態(tài)效應(yīng)減弱，其具體表現(xiàn)為高頻數(shù)據(jù)有所抬升。

為研究高頻數(shù)據(jù)(首支曲線)對(duì)識(shí)別靜態(tài)異常的效果，建立正演模型：模型均勻半空間，背景電阻率為1000 Ωm；厚度H=20 m，電阻率ρ=10 Ωm低阻不均勻體頂板埋深h分別0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m，正演頻率范圍10000～1 Hz。

圖9 不同深度不均勻體正演TM模式頻率-視電阻率曲線圖

曲線圖中得出如下結(jié)論：①不均勻體頂板埋深0 m，靜態(tài)位移尤為強(qiáng)烈，頻率10000 Hz約為5 Ωm左右，隨著頻率的降低，視電阻率降低，頻率1 Hz時(shí)小于1 Ωm；②頂板埋深0 m～30 m內(nèi)，隨著埋深的減小，靜態(tài)位移逐漸減小；③頂板埋深40 m～50 m時(shí)，首支曲線逐漸升高，而低頻數(shù)據(jù)基本重合，故認(rèn)為可將不均勻體作為異常體；④曲線高頻數(shù)據(jù)皆有所抬升，證明高頻數(shù)據(jù)足可穿透不均勻體。

通過以上曲線對(duì)比分析認(rèn)為垂直陡立的低阻異常，首支曲線升高作為斷裂構(gòu)造低阻異常與靜態(tài)效應(yīng)的識(shí)別方法。

2.3 靜態(tài)效應(yīng)的校正

目前，靜態(tài)效應(yīng)矯正方法比較多，如曲線平移法、相位換算法、相位導(dǎo)數(shù)法、低通濾波法、其他物探方法約束矯正等。本次工作采用的是五點(diǎn)濾波法和七點(diǎn)濾波法進(jìn)行矯正。

其具體步驟如下：

（3）將測點(diǎn)各個(gè)頻率視電阻率值乘以矯正系數(shù)，得到靜態(tài)矯正后的視電阻率值。

3 應(yīng)用效果

新建西康鐵路太興山隧道全長19 km，隧道最大埋深1100 m，隧址位于南秦嶺印支造山帶南緣，是構(gòu)造活動(dòng)帶，斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，地形起伏較大，植被茂密。基巖裸露，溝谷段分布有第四系沖積粉質(zhì)黏土、細(xì)圓礫土，下伏地層主要為元古界片巖夾片麻巖，混合花崗巖。

可以看出（圖10）利用本文的靜態(tài)效應(yīng)校正方法后，DK35+500～DK35+700段及DK36+700～DK36+980段有較大的改善，與地質(zhì)調(diào)繪及鉆探結(jié)果有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖10 本文方法反演成果圖

4 結(jié)論

本文利用高頻大地電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行靜位移的識(shí)別，進(jìn)而使用5點(diǎn)或7點(diǎn)濾波法對(duì)識(shí)別的靜位移數(shù)據(jù)進(jìn)行校正的方法，取得了較好的勘探效果。通過此次研究，筆者認(rèn)識(shí)到在進(jìn)行大地電磁資料解釋的過程中，應(yīng)多對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，從而提高解釋的準(zhǔn)確性。