航空物探在藏東南某鐵路隧道勘察中的應用研究*

王生仁

(①中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 西安 710043， 中國)

(②陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)， 西安 710043， 中國)

0 引 言

藏東南某鐵路隧道全長約42.3km，位于雅魯藏布江縫合帶北側(王林等， 2019)，是我國地殼活動最強烈的地區之一，具有大跨度的地形高差、復雜活躍的地質構造、頻繁強烈的地震、混雜多變的地層巖性、高寒惡劣的氣候、高地應力場及高溫熱水等典型的工程地質背景特征(楊德宏， 2019)。常規地面物探方法存在工作效率低無法滿足工期需求，危險性高無法滿足安全需求，大段隧道勘察資料空白無法滿足勘察設計質量需求等問題。采用以無人機或直升機與傳統勘察技術相結合的新技術手段(張愷等， 2019； 姚林林等， 2020)，已經愈發成為解決此類勘察難題的關鍵，為此，筆者及團隊在深入調研現場勘察困難及目前物探新方法與新工作模式的基礎上，認為開展航空電磁法探測工作是目前行之有效的方法之一。

航空物探是一項將地球物理勘探與航空飛行相結合的高新技術，其目的是通過航空飛行器在空中完成地球物理信息采集，其具有獲取信息迅速，覆蓋面廣的特點(熊盛青， 2009)，采用直升機搭載數據采集設備，探測速度約100km·h-1，數據采集點間距為2～3m，工作效率高，節省人力、物力。在石油和采礦勘探領域，航空物探方法已得到廣泛用(Witherly et al.， 2004； 許德樹等， 2006)。加拿大Geotech公司于2001年初開始，先后研制出多套航空電磁測量系統，并廣泛推廣應用于國外的石油和采礦勘探中(Witherly et al.， 2004； Eadie et al.， 2018)。在國內外諸多礦區找礦中，航空瞬變電磁法測量系統(Versatile Time Domain Electromagnetic，以下簡稱VTEM)的成功應用，已證明了該方法在多金屬勘察中效果良好，具有信噪比高、分辨能力強、探測深度大的優點(李懷淵等， 2016; Orta et al.， 2019)。航空天然場電磁觀測系統(Z-axis Tipper Electromagnetic，以下簡稱ZTEM)在國內外也進行了諸多試驗及應用，其在測量參數、探測成果和工作效率等方面具有明顯優勢，并驗證了該方法對橫向不均勻體邊界反映的有效性和準確性，可快速實現三維推斷與解譯(Sasaki et al.， 2014； 趙叢等， 2016)。

航空物探在鐵路等工程領域的應用尚處于試驗階段。川藏鐵路分別在折多山隧道軟質巖(李堅， 2020)和色季拉山隧道硬質巖(姚志勇等， 2021)的部分段落開展了航空電磁法試驗研究工作，并從數據有效性與勘察方法的經濟性考慮，確定了軟、硬巖段落不同的測線組合布置原則(李堅等， 2019)。曹云勇等(2019)從航空物探不同方法探測深度出發，航空瞬變電磁法(VTEM)最大探測深度約400m，航空天然場電磁法(ZTEM)最大探測能力可達2000m，應將兩者采集的地球物理數據進行聯合反演，從而可獲得大埋深、高精度的隧道中線航空電阻率斷面圖。前人所進行的鐵路隧道航空物探方法試驗研究多集中于航空物探工作原理、流程及測線布置原則及數據處理方法上，而未從某一具體隧道工程的航空物探成果的可靠性及精度進行系統對比研究。

本文在前人研究的基礎上，以藏東南某特長隧道為研究對象，通過直升機搭載物探線圈，按照測線布置軌跡獲取相關航電、航磁數據，對獲取的數據進行室內反演及解譯，獲得高精度的隧道中線航空電阻率斷面圖及航磁斷面圖，從而對地層分界、斷裂帶、巖體的完整性或含水情況進行定性判識，并與地面物探成果、深孔鉆探實際揭示進行了融合對比分析，驗證航空物探成果的可靠性及精度，并從應用條件、應用階段以及多源融合應用3個方面總結了航空物探方法的適用場景。航空電磁法、航空磁法應用于藏東南某隧道工程勘察是工程勘察方法領域的突破和創新。以藏東南某一隧道工程實例，開展航空物探數據中航磁、航電解譯與對比分析，對于提高航空物探的勘察質量、勘察效率和勘察精度具有重要意義，并同時能夠為研究區內重大地質構造的深部地質結構提供重要地球物理證據。

1 工程地質概況及地球物理特征

1.1 地形地貌

該隧道位于念青唐古拉山脈東段，為高原丘陵地貌，地勢西北高東南低，海拔2029～4496m。區域內經歷了高原隆升、兩江水系溯源和大切割、冰川發育等過程，主要的地貌類型有高山河谷地貌、古冰川地貌、河流地貌等(施雅風等， 2006)，如圖1所示。區內山體頂部高程一般在3800m以上，山峰相對陡峭。區內山體植被發育，除頂部冰雪覆蓋區外，多被灌木和松林等植被覆蓋。采用常規的地面物探手段開展洞身地質條件探測，其工作異常艱難。

圖1 藏東南某隧道區域地形地貌圖及典型地貌照片(鏡向西北)

1.2 地層巖性

該隧道所在大地構造屬于岡底斯巖漿弧地層，進口段主要為元古界中下統念青唐古拉巖群片麻巖； 洞身段巖性主要為燕山期片麻狀花崗閃長巖、花崗巖等侵入巖體，其間夾有變質巖捕虜體； 出口為白堊系大理巖夾變鈣質砂巖夾變基性火山巖，為嘉黎—察隅構造混雜巖帶中強變形帶。隧道整體臨近雅魯藏布江縫合帶，巖性復雜多變。此外隧道北側出露地層為泥盆系-石炭系大理巖夾變鈣質砂巖，該套地層與下伏燕山期片麻狀花崗閃長巖呈不整合接觸。據鉆探揭示，斷層帶內主要為壓碎巖及斷層角礫，局部分布有蝕變巖。

1.3 地質構造

該隧道總體位于喜馬拉雅東構造結北部，受印度板塊與歐亞板塊在東構造地區的陸-陸碰撞及碰撞后的持續向北推移和楔入作用，造成研究區及其周緣向東南方向的逃逸，從而形成了區內地質構造錯綜復雜，深大斷裂發育(Wang et al.， 2020)，如圖2所示。沿線主要深大斷裂包括嘉黎—易貢藏布斷裂(F46)、嘎朗—卡達橋斷裂(F47)、嘉黎—迫龍藏布活動斷裂(F48)、嘎龍寺斷裂(F49)等。

圖2 藏東南某隧道附近斷裂位置分布圖

1.4 地球物理特征

航空電磁法主要是以電阻率的差異來劃分地層巖性及地質構造，并根據電阻率值的大小以及展布形態來判斷地下地質體空間分布的一種物探方法(肖明宇等， 2017)。根據該隧道深孔綜合測井試驗成果及隧道試驗段航空電磁法反演結果綜合分析，巖石的航空電磁法的反演電阻率、磁化率如表1、表2所示。

表1 各類巖石電性參數統計表

表2 各類巖石磁化率參數統計表

2 航空物探勘探流程

2.1 航空電磁法簡介

針對隧址區高寒艱險、地形復雜、常規物探手段難以覆蓋的特點，選擇加拿大Geotech公司研發的航空電磁法對深埋地層巖體的導電性、磁性的差異進行探測。航空電磁法可分為航空瞬變電磁法(VTEM)和航空大地電磁法(ZTEM)兩個儀器系統采集數據(圖3)。

圖3 航空VTEM、ZTEM空中測量系統

2.2 航空物探數據采集

2.2.1 測線布置

為確定航空電磁法物探測線的布置方式，通過不同測線布置下的測試反演成果對比分析，確定硬質巖9條測線、軟質巖11條時異常形態較清晰，且能保證精度要求(張玉璽等， 2020)。為滿足數據處理對深度和精度的要求，需消除邊緣效應，在測線縱向長度的基礎上兩端各外延3km，測線橫向寬度(兩最邊緣測線間距)為2.2km，測線布置如圖4所示。

圖4 藏東南某隧道9條測線組合示意圖(測線間距100m、200m、400m、400m)

2.2.2 數據采集

(1)航空VTEM系統包括發射器、接收器、GPS定位、雷達高度計以及資料采集與收錄等(李堅， 2020)，以直升機為搭載平臺，利用發射線圈的一次電流脈沖激勵發射線圈，產生電磁感應至地下巖體反射回流至接收線圈，航空瞬變電磁法工作原理如圖5所示。

圖5 航空VTEM工作原理圖

(2)航空ZTEM系統由空中接收線圈、地面基站及配套設備(GPS導航定位儀、數據收錄系統、高度計)組成(李堅， 2020)，以天然電磁暴及雷電為電磁場源，通過測量天然電磁場的垂直磁場Hz，計算垂直分量與水平分量的比值參數來分析地下介質橫向電阻率差異。工作原理如圖6所示。

圖6 航空ZTEM工作原理圖

(3)航空磁法是將航空磁力儀及其配套的輔助設備裝載在飛行器上，在測區上空按照預先設定的測線和高度對地磁場強度進行測量(Reid et al.， 2006)。ZTEM和VTEM飛行測量時，同時也搭載了先進的銫光泵磁力儀，用于測量地磁場的總磁場強度(王身龍， 2019)。航空磁法可以尋找磁鐵礦等強磁性礦體，解決地質構造、地層巖性判識等問題，與航空電磁法配合，可解決隧道地質勘察的有關問題。

2.3 數據處理

使用Geotech公司研發的航空電磁數據處理軟件及技術，最終獲得沿中線的磁化率等值線圖、線路中線的三維聯合反演電阻率斷面圖。

VTEM數據處理流程為背景場去除、組合濾波、數據調平、時間常數計算、電阻率深度成像(殷長春， 2018)。

ZTEM數據處理流程為濾波、傾子計算、總散度計算、總相位旋轉計算、ZTEM二維反演、ZTEM三維聯合反演。

其中VTEM勘探深度淺，但分辨率高； ZTEM勘探深度大，但分辨率低； 因此在ZTEM三維聯合反演時以VTEM法淺部資料作為約束和補充進行聯合反演，得到沿線路三維聯合反演電阻率斷面圖，該圖可作為后續航空物探法解譯的依據(殷長春， 2018； 李堅， 2020)。

2.4 數據解譯依據及原則

綜合分析航空電磁法電阻率斷面圖、磁化率斷面圖與地質資料，主要考慮磁化率異常、電阻率斷面背景值、低阻區的異常形態、低阻的異常值及其梯度變化等因素，對地層分界、斷裂帶、巖體的完整性或含水情況進行定性判識，根據電阻率異常形態及梯度變化準確劃分相關異常邊界(李堅等， 2015； 王茜， 2018)。主要解譯的原則如下：

(1)根據磁化率值大小和異常分布形態，并綜合考慮地層巖性、鉆孔孔內測試資料等因素，可具體劃分出地層巖性分界； 對于火成巖磁性從酸性至基性、超基性磁化率逐漸增強； 對于3大巖(火成巖、變質巖、沉積巖)，其磁化率總體表現為逐步增強的特征。

(2)根據電阻率斷面圖中向下延伸的電阻率梯度變化帶及向下延伸的低阻異常區形態，可判識斷裂帶。

(3)根據電阻率值大小和低阻區分布形態，并考慮鉆孔揭示地層巖性完整程度，可進行節理密集帶、巖體完整程度、富水情況的判別。

3 航空物探資料解譯與對比分析

3.1 航磁特征解譯

利用航空磁化率等值線圖可判識隧道工程所在的地層巖性類型特征； 磁化率大小主要由鐵磁礦物含量決定，特別是黑云母、角閃石、磁鐵礦等(朗元強等， 2011)； 研究區內原巖主要為侵入巖，由于變質程度不同，所含礦物成分發生變化，因此，可從磁化率的分布特征進行地層巖性判識。

隧道磁性特征分析：該隧道磁化率變化較大，航空電阻率斷面圖與磁化率整體對應較好，即低阻對應高磁化率特征。在隧道洞身B-B1段大面積分布高-強的磁化率500～3000(10～5SI)，多呈團塊狀，彼此不連續，處于漂浮特征； 在A-A1及C-C1段分布磁化率變化較小，基本屬于低磁、無磁特征，磁化率多小于100(10～5SI)； 可見洞身B-B1段主要表現為超基性巖或侵入巖為主，在A-A1及C-C1段可能受正變質作用嚴重，含磁暗色礦物含量減少。

結合隧道野外地質調查、地層巖性出露特征及鉆孔內綜合測試，從航空磁化率斷面上將A-A1段劃分為構造混雜巖帶，巖性主要以大理巖、變砂巖、片巖為主； 洞身B-B1段劃分為片麻狀花崗閃長巖； C-C1段劃分為元古界中下統念青唐古拉巖群花崗質片麻巖，且根據各巖性分段內鉆孔揭示，巖性解譯與實際鉆孔揭示，匹配度較高，效果良好，如圖7所示。

圖7 藏東南某隧道中線航空磁化率地層巖性解譯圖

3.2 航空電磁法特征解譯

3.2.1 斷層解譯

根據航空電磁法資料解譯依據及原則，共判識8條斷層，電阻率斷面圖上的低阻率區與磁化率斷面圖上的斷層異常帶對應性較好。且對于同套地層內的斷層，其在電性上表現為向下延伸的低阻帶，對于不同地層接觸斷層，其在電性上對應向下延伸的電阻率梯度變化帶，如圖8所示。

3.2.2 節理密集帶解譯

根據電阻率大小及低阻區異常形態，共判識2處節理密集帶，如圖8所示。在空間形態上均呈連續性低阻區向下延伸； 判斷其巖體完整性較差，巖體破碎，節理裂隙發育，可能富水，建議施工中加強超前地質預報。

3.3 成果資料對比

在開展航空電磁法勘探的過程中，同時也開展了更加精細的音頻大地電磁法(AMT)及高精度瞬變電磁法(HPTEM)，通過多種物探手段的融合可大大提高物探解譯的準確度。由于研究區地形陡峻，大部分地段人員無法到達，地面物探成果只覆蓋局部段落。綜合對比三維聯合反演的航空電阻率斷面圖、地面物探成果電阻率斷面圖和鉆探揭示地層情況(圖8)。

圖8 隧道中線三維航空電阻率與地面物探電阻率斷面對比綜合信息圖

3.3.1 宏觀電阻率特性

該隧道三維航空電磁反演電阻率與地面物探反演電阻率宏觀上電阻率總體表現為中高阻，但局部形態存在差異(如圖8中箭頭所指位置)。其中箭頭Ⅰ處航空電阻率斷面圖上部顯示為中阻區，下部為低阻，而地面物探上、下部均為中阻區； 箭頭Ⅱ航空電阻率斷面圖上整體區域為低-中阻區，地面物探顯示電阻率逐漸增大至高阻，可能是由旁側效應引起的。箭頭Ⅲ處航空電阻率斷面圖上部顯示為高阻區，下部存在低阻異常區，地面物探則整體由上往下電阻率依次增大； 該3處資料存在不一致情況。根據統計三維航空電磁反演電阻率與地面物探反演電阻率約70%段落宏觀電阻率特性相符； 對比結果可見，宏觀上兩者反演電阻率斷面圖形態相似，呈大致對應性。

3.3.2 低阻異常區特性

在圖8中，三維航空電磁反演電阻率和地面物探反演電阻率斷面圖中相對應地段均顯示為向下延伸的電阻率梯度變化帶及向下延伸的低阻異常區形態(朱光喜， 2009)。對比結果表明：兩者在低阻異常區具有一致對應性。低阻異常區特性是解譯斷層和地層巖性的主要依據，在本隧道中結合航空物探、地面物探成果資料共判識8條斷層， 2處節理密集帶。

3.3.3 航空物探與深孔鉆探的對比

如圖8中，在6個鉆孔中均揭示有斷層破碎帶，地層巖性主要為壓碎巖、斷層角礫，受斷裂的影響，巖性復雜，巖體破碎，如表3及圖9所示。

表3 鉆孔1～6揭示斷層情況表

圖9 鉆孔1～6揭示巖芯照片(斷層角礫、壓碎巖)

通過深孔鉆探來驗證航空物探推測的斷層破碎帶，結果顯示與解譯成果相符，說明航空物探探測解譯成果具有可靠性，探測效果及能力是有效的。

3.4 對比結果

音頻大地電磁法(AMT)和高精度瞬變電磁法(HPTEM)是目前較成熟、應用較廣的地球物理勘探方法。通過航空電磁法成果資料與地面物探成果、鉆孔揭示情況的對比表明：航空電磁法對地層界線、斷裂構造、節理密集帶等低阻異常區和電阻率變化帶反映明顯，利用航空電磁法基本可以滿足深埋長大隧道的工程地質條件探測的基本要求。

4 航空電磁法應用分析

通過前述航空電磁法在藏東南某特長隧道勘察中應用，結合航空電磁法效率性、可靠性以及精確性等特點，就其在隧道勘察中的應用條件、應用階段以及多源勘探方法融合應用總結如下：

4.1 應用條件

航空電磁法具有數據采集效率高、探測深度大、覆蓋面廣的特點，其作為一種新興的工程勘探手段，目前國內航空物探技術還存在一定的技術壁壘，導致其勘探經濟成本偏高。因此其主要適用于地形條件極度困難、地質條件復雜的艱險山區深埋隧道，它可以很好地解決隧道勘探中物探資料空白、地面物探數據采集效率低以及安全性問題。

4.2 應用階段

從航空電磁法應用效果分析，其針對宏觀尺度的巖性解譯、斷裂構造解譯具有比較理想的效果，且其最終成果是沿隧道中線具有一定寬度的三維數據，覆蓋面較寬，隧道線路方案即使微調也可有數據覆蓋。因此隧道航空電磁法在隧道工程初勘(初測)階段最適宜開展，既可以查明影響線路方案重要地質因素(深大斷裂以及軟硬巖分布等)，為初勘階段隧道線路方案穩定提供支撐依據； 又可以為下一階段的勘察重點指明重點與方向，并將航空電磁法成果應用于隧道輔助坑道勘察中。

4.3 多源融合應用

如前文所述隧道航空電磁法勘探成果與地面物探(音頻大地電磁法和高精度瞬變電磁法)成果在局部對應不一致，并且存在一些明顯的物探異常區域。針對上述異常區域，在詳勘(定測)階段靶向性地開展地面物探、鉆探驗證，進行航空物探、地面物探、鉆探(豎向孔與定向孔)多源勘探技術融合應用就顯得十分必要。既能實現航空物探成果的可靠性驗證，又可進一步提高隧道勘探資料精度，滿足詳勘要求。

5 結 論

在藏東南某特長鐵路隧道開展航空物探數據中航磁、航電解譯與對比分析，并通過地面物探及鉆探成果驗證，結合航空電磁法技術特點，對其在隧道勘探中進行應用分析，其結論如下：

(1)航空電磁法是以直升機為載體，搭載航電、航磁設備采集數據，其填補了隧道長大段落無物探資料可參考的空白。在深埋長大隧道中實現了物探資料全覆蓋，具有探測深度大、數據采集效率高的特點。

(2)航空電磁法主要通過電阻率斷面的背景值、低阻區的異常形態、低阻的異常值及其梯度變化等因素，可實現對地層巖性分界、構造斷裂帶、節理密集帶等的判識，從而準確劃分相關邊界。

(3)隧道航空電磁法解譯成果與對應地段的地質調繪、地面物探成果及深孔鉆探資料成果吻合度較好； 說明航空電磁法在高寒艱險、地形陡峻地段的探測解譯成果具有可靠性，探測效果及能力是有效的。

(4)為了提高洞身范圍探測精度，沿鐵路中線需同時進行航空VTEM法、航空ZTEM法數據采集，通過三維反演，可以從不同物性參數、空間分布關系等角度分析隧道通過區域的地層分布、構造展布及其相互接觸關系，使物探解釋更趨全面、準確，是艱險復雜山區線路工程不可或缺的地質探測手段。

(5)目前工程建設往艱險山區發展，考慮工期、安全、人工成本等因素，建議采用航空電磁法宏觀、快速探測地下地質體，在航空物探確定的物探異常區域，有靶向性開展地面物探、鉆探驗證等精細化探測工作。