大地電磁測深法探測山區深埋隧道隱伏構造
——以安石隧道探測為例

范祥泰， 張志厚*， 蘇建坤， 丁 可， 劉鵬飛， 石澤玉

(1.西南交通大學地球科學與環境工程學院， 成都 611756；2.云南航天工程物探檢測股份有限公司， 昆明 650217)

大地電磁測深(magnetotelluric ，MT)法是一種通過測量地表電場和磁場在較寬頻率范圍內的變化來估計地下電阻率分布的物探方法[1-2]，目前被廣泛應用于深層勘探如油氣與地熱資源勘探、地球深部探測、地震預報等領域[3-12]，并取得了豐碩的研究成果。當前對于MT法的研究，國外仍集中于深層地質體探測方面；近年來隨著中國工程建設的飛速發展，該方法越來越多地應用于工程勘察領域以探測中深部地質體，并在隱伏構造的探測中取得了較好的應用效果[13-14]。例如，周振廣[15]應用大地電磁測深法查明了北天山中西部輸水隧洞某段的隱伏斷層及其破碎帶，其對于基巖埋深和斷層破碎帶的解釋成果與鉆探資料基本一致。高伊航等[16]利用MT法探測濰坊濱海區地質構造，獲得了研究區隱伏斷裂的位置、性質及空間展布并劃分出9條隱伏斷裂。馮建新等[17]對典型的隱伏構造進行了大地電磁場的數值模擬，系統地分析了地質體與正演響應的對應關系，從而為實際工程解譯提供有力的支撐。肖想等[18]應用大地電磁測深法基本查明了綿九高速公路大康2號隧道巖土層分布情況，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。

此外，工程勘察中通常也采用地質雷達法[19-21]、高密度電法[22-32]、聯合剖面法[33-34]、地震波法[35-36]等物探方法探測隱伏構造。但地質雷達法、高密度電法、聯合剖面法勘探深度有限，因此中外普遍采用電磁測深法和地震反射波法探測中深部隱伏構造[37]。地震反射波法一般用于地形較為平緩、地層分布較均勻地區的深部大地構造和石油勘探研究，在地形切割嚴重、地層產狀較陡的地區由于不易采集到反射波的信號，因此勘探效果較差[38]，難以適用于山區深埋隧道隱伏構造的探測。電磁測深法中，可控源音頻大地電磁測深法和瞬變電磁法設備笨重，采集數據效率低，難以在交通不便的山區使用。而MT法克服了山地勘探不便的問題[39]，并且其靈活輕便的電磁設備不僅降低工作人員的勞動強度，節約成本，還可填補其他中深部物探方法實施困難地區的資料空白。除此之外，MT法不受高阻層屏蔽、對低阻層較敏感、抗干擾能力強、場源頻率豐富，能夠在宏觀上反映中深部地層的起伏情況與分布特征，可對巖性復雜區的構造進行準確判識[40-43]。

安石隧道為山區深埋隧道，具有長大深埋、地表起伏大等特點，除MT法以外其他物探方法難以適用，并且山區深埋隧道隱伏構造具有極強的致災性，但是當前鮮有文獻聚焦于山區深埋隧道隱伏構造勘探方面的研究工作，因此選用MT法對安石隧道隱伏構造進行勘探，并通過鉆探結果對物探成果進行驗證，研究該技術在山區深埋隧道隱伏構造探測中的實用性與有效性。

1 地質背景

安石隧道位于鳳慶縣鳳山鎮安石村至勐佑鎮中和村，為分離式特長隧道，隧道總體軸線方向約278°。左線隧道起訖樁號K38+265～K43+603，全長5 338 m，設計高程為1 861.75～1 812.24 m，最大埋深約453.11 m，位于K40+520處；右線隧道起訖樁號K38+330～K43+593，全長5 263 m，設計高程為1 863.15～1 812.44 m，最大埋深約449.81 m，位于K40+540處。截至對安石隧道隱伏構造進行勘探時，隧道左幅從K43+603開挖至K42+976.6，右幅從K43+593開挖至K42+951.6。

安石隧道洞口上部為連續上坡，隧道軸線距區域性的昌寧斷裂約7.5 km，距瀾滄江斷裂約30 km，斷層之間巖漿活動和區域變質作用強烈。隧址區位于前奧陶系變質巖巖體與燕山早期花崗巖巖體接觸區帶內，未穿越區域性斷裂、褶皺，如圖1所示。

本次物探工作在安石隧道某工段進行，測區屬低中山地貌，地形起伏較大，如圖2所示。山體地勢較緩，植被發育，隧道進、出口處山坡均處于基本穩定狀態。測區水系屬瀾滄江水系，區域內年平均降雨量1 500 mm以上，地下水來自大氣降雨，其動態運移受氣象水文、地形地貌、地層巖性、地質構造等因素的影響和控制。地下水的補給與降雨等密切相關，排泄總體上與地形地表水文網相一致。地下水主要通過巖性接觸帶、裂隙密集帶、層理、節理、劈理等結構面往北西側羊橋河、南東側黃草壩河排泄，按地下水賦存條件可分為松散層孔隙水、基巖裂隙水兩類。

圖2 測區地形地貌圖Fig.2 Topographic map of survey area

由現場地質調查可知，隧址區主要巖性為石英片巖、絹云母石英片巖、云母片巖。巖體風化破碎程度與富水性不一，遇水軟化及力學強度差異明顯，軟硬相間，具有明顯的電阻率差異。這種地下介質之間明顯的電性差異有利于MT法開展工作。現場調查中發現掌子面附近圍巖破碎，呈碎裂狀結構，巖石礦物定向排列，片理發育，受構造擠壓作用明顯。

2 大地電磁測深法工作原理

大地電磁測深法的基本原理是不同頻率的電磁波在地下介質中的傳播具有不同的趨膚深度[44]。當地下介質的電阻率一定時，電磁場的頻率越高，探測深度越小；反之，電磁場的頻率越低，則探測深度越大，如圖3所示。一般把電磁波在地下介質傳播中振幅衰減到地面處幅值1/e(約0.37)時的深度定義為趨膚深度δ，表達式為

(1)

式(1)中：f為電磁場諧變的頻率；ρ為地下介質的電阻率。當地下介質的電阻率一定時，高頻的大地電磁場分量由于其趨膚深度較小，因此主要反映了淺部的電阻率信息；低頻的大地電磁場分量由于其趨膚深度較大，因此主要反映了深部的電阻率信息。

在實際工作中，通過儀器測量地表不同頻率的電磁響應時間序列，然后進行數據處理，得到地下介質隨深度變化的電阻率信息，再把觀測資料與不同模型的理論響應對比，研究地下介質不同深度范圍的電性結構特征。

H為磁場；E為電場圖3 不同頻率的電磁波場在導電介質中傳播規律示意圖Fig.3 Schematic diagram of the propagation law of electromagnetic fields of different frequencies in conductive media

3 野外工作方法

3.1 測線布置

為了查明安石隧道掌子面前方及上方是否存在隱伏構造，以右幅隧道K42+750～K43+000段軸線在地表的投影為L1，在其左側40 m的平面內，平行右幅隧道軸線布置測線L2～L5，點距10 m，線距10 m，在地表形成一個40 m×250 m的探測網格，該網格共有測點130個，如圖4所示。

圖4 測線與鉆孔布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of measuring line and drilling arrangement

3.2 野外采集

高精度的數據采集是地球物理反演與解譯的基礎。若有效觀測信息存在干擾大、精度低等問題，則任何科學的數據處理技術都難以彌補其對最終結果所造成的影響，因此穩定、高精度的MT數據采集設備是信息獲取的前提。

本次大地電磁測深工作使用的儀器為Geode EM3D三維張量電磁勘探系統，如圖5所示。該系統通過采集天然電磁場，或在一定距離的遠場區觀測可控源電磁場，其采集頻點數高達160個，相比EH4系統縱向分辨率更高。Geode EM3D的分布式網絡系統配置靈活，當配置多個采集站點時，站點間通過網絡互連，由中央控制器統一設置采集參數，并可將采集到的數據實時傳輸給中央控制器，能夠實時顯示電磁信號，并查看視電阻率和相位曲線，控制數據質量。該系統可從單站6通道起，根據實際需要，逐步擴展到最高240通道，具有現場實時檢測和監測功能，并且多站測量的電極首尾相連一定程度上較少了地表電性不均勻引起的靜態效應，因此其數據質量相比現有同類儀器數據質量更高。Geode EM3D發射機采用疊加式設計，由10 kW功率模塊組合，根據任務要求和地質條件，可疊加輸出20～50 kW等，提高信號強度，獲得高質量數據。該系統可靠、堅實、耐用，適用于各種不同的地質條件和比較惡劣的野外環境，可對斷裂(層)構造、破碎帶、軟弱夾層、地下水、巖溶、空腔等進行勘察，主要應用于隧道(洞)、路基、庫區工程等地質勘察中。

圖5 Geode EM3D電磁勘探系統示意圖Fig.5 Schematic diagram of the Geode EM3D electromagnetic exploration system

野外Geode EM3D數據采集方法如下。

(1)平行試驗。在開展工作的前一天做平行試驗，如圖6所示。檢測儀器是否工作正常，兩個磁棒相隔5 m遠，平行放在地面，兩個電偶極子也平行。觀測電場、磁場通道的時間序列信號，如果兩個方向通道的波形形態和強度均基本一致，說明儀器工作正常。

圖6 Geode EM3D電磁勘探系統野外工作圖Fig.6 Field work diagram of the Geode EM3D electromagnetic exploration system

(2)布置測點。根據測線布設方案沿線路布設測點，工作中采用固定基站式實時動態定位(real-time kinematic，RTK)進行測點定位。

(3)電極的布置。此次工作共用6個陶罐電極，每兩個電極組成一個電偶極子，長度依探測深度動態設定，與測線方向一致的電偶極子叫X-dipole；與測線方向垂直的電偶極子叫做Y-dipole。

為了保證Y-dipole電偶極子的方向與X-dipole相互垂直，用羅盤儀確定方向，誤差在0.5°以內；電偶極子的長度用測繩測量，誤差在0.5 m以內。

(4)磁棒布置。磁棒離前置放大器大于5 m；為消除人為干擾兩個磁棒埋在地下至少30 cm，用地質羅盤定方向使其相互垂直，誤差控制在2°以內且水平。所有的工作人員離開磁棒至少10 m，盡量選擇遠離房屋、電纜、大樹的地方布置磁棒。

(5)EM3D采集站布置。將EM3D采集站放置在平坦、易操作接線的地方，為了保護電、磁道前置放大器應首先接地，遠離磁棒至少10 m。

4 資料處理

4.1 基于光滑約束的最小二乘反演

MT法反演成像的過程就是觀測數據求取與其相對應模型的過程。假設a為模型響應向量，b為地下電阻率向量，f為正演響應函數，則

a=f(b)

(2)

MT法反演成像問題屬于不適定問題，其反演結果不具有唯一性。反演中通常引入Tikhonov的正則化思想來提高解的穩定性，改善解的非唯一性問題。

Qβ(b)=η(b)+βR(b)

(3)

式(3)中：Qβ(b)為總目標函數；β為正則化因子；η(b)為模型響應與模型響應之差的平方和；R(b)為穩定器，這里采用基于先驗模型的最光滑模型約束。

因此，MT法反演問題的總目標函數可以表示為

Qβ(b)=‖Ca[a-f(b)]‖2+

β‖Cb(b-bref)‖2

(4)

式(4)中：Ca為模型響應權系數矩陣；Cb為光滑度矩陣；bref為先驗模型。

首先對觀測數據進行靜態效應校正等預處理，隨后在反演計算中將Bostick反演結果作為初始模型，對觀測數據進行帶地形的基于光滑約束最小二乘反演，得到MT法剖面圖。

4.2 物探解譯

隱伏構造是指被第四紀松散沉積物所覆蓋，或隱伏在表層基巖下面的地質構造[45]。若地下巖土體的完整程度較高，則電性特征表現為橫向上視電阻率比較均勻、變化較小，縱向上由于隨深度增加地下介質的密度逐漸增加，視電阻率等值線將呈現出有規律的變化，形成若干條具有相似起伏程度的曲線。當地下介質中發育有斷裂、破碎帶等隱伏構造時，則電性特征表現為橫向上視電阻率差異較大，縱向上視電阻率等值線將不再平行有規律，疏密程度上也會變化較大。

第四紀松散沉積層由于經常受到大氣降水的影響，因此其含水率通常較高，電阻率一般相對較低；表層基巖的電阻率一般與自身的風化程度和大氣降水有關，因此通常表現為高低相間的特征；隱伏斷裂或破碎帶的電阻率一般與圍巖電阻率、貫通性、含水率、填充物的電阻率、寬度等因素有關，因此其電性差異顯著，電阻率有可能高也有可能比較低，視電阻率等值線在橫向上不光滑，表現為突然上升或下降。基于以上依據可以推斷隱伏構造是否存在并確定其位置。

對野外采集到的數據進行處理，得到沿測線L1～L5 MT法剖面圖(圖7)。圖7中紅色、橙色和黃色區域為相對高阻區，代表該處巖土體相對致密，完整性好，裂隙不發育，導水能力較弱，含水量小；綠色為高低阻過渡帶，藍色為相對低阻區，代表該處巖土體含水或發生一定程度的風化。

從整體上看，地表至標高2 040 m左右，橫向上K42+750～K43+000范圍內為視電阻率低值區域，且隨著深度增加，視電阻率逐漸升高。該范圍內視電阻率的變化呈現出一定的似層狀規律，因此推斷該區域為第四紀松散沉積層，無隱伏構造發育，低阻異常為第四紀松散沉積層和不同風化程度基巖的綜合反映。越靠近地表，受大氣降水影響越大，風化程度越強，巖土體越松散破碎，導水能力越強，視電阻率也就越低。在標高2 040 m以下，橫向上K42+750～K43+000范圍內地下巖土體視電阻率大致表現為低-高-局部低-高阻異常。視電阻率等值線不光滑，存在梯度帶異常，且在多處呈現圈閉狀的視電阻率異常區域，視電阻率變化較大，可能發育有隱伏構造。橫向上K42+750～K42+800，縱向上1 700～2 100 m范圍內為視電阻率低值區域，視電阻率變化較小，因此推斷該區域地下水豐富，貫通性較好。下面對各測線剖面的反演結果進行解譯分析。

測線L1 MT法剖面圖中，橫向上K42+860～K42+990，縱向上1 760～2 020 m范圍內存在視電阻率密集過渡帶，呈條帶狀分布，該異常帶處的視電阻率等值線比較密集，形狀均為下凸，且該處視電阻率相對周圍更低，結合地質資料，推測該處異常帶為破碎帶，寬度約5 m，巖體較破碎；橫向上K42+810～K42+890，縱向上1 700～2 040 m范圍內存在低阻異常區域，呈條帶狀分布，該異常帶內從上至下存在4個比較明顯的呈圈閉狀的低阻異常，視電阻率等值線的形狀均為下凸，推測該異常帶為破碎帶，寬度約8 m，巖體破碎，導水性較好，如圖7(a)所示。

測線L2 MT法剖面圖中，橫向上K42+860～K43+000，縱向上1 790～2 040 m范圍內存在一系列呈串珠狀分布的高阻異常區，其中部阻值較低，推測該處發育有破碎帶，寬度約5 m，巖體較破碎，視電阻率的變化可能與導水程度以及填充物的電阻率有關；橫向上42+820～42+900，縱向上1 710～2 050 m范圍內存在低阻異常區域，呈條帶狀分布，該異常帶內由上至下存在四個低阻異常區域，且低阻異常區之間的過渡區電阻率值也較低，因此推測低阻區之間已經相互貫通。視電阻率等值線的形狀多為下凸，推測該異常帶為破碎帶，寬度約8 m，巖體破碎，導水性較好，如圖7(b)所示。

測線L3 MT法剖面圖中，橫向上K42+890～K42+980，縱向上1 830～2 030 m范圍內存在低阻異常，呈條帶狀分布，該異常帶處的視電阻率等值線的形狀均為下凸，其視電阻率相對周圍更低，推測為破碎帶，寬度約5 m，巖體破碎，導水性較好，如圖7(c)所示。

測線L4 MT法剖面圖中，橫向上K42+850～K42+990，縱向上1 750～2 050 m范圍內存在低阻異常，呈條帶狀分布，該異常帶處的視電阻率等值線的形狀均為下凸，其視電阻率相對周圍更低，推測該異常帶為破碎帶，寬度約5 m，巖體較破碎，如圖7(d)所示。

測線L5 MT法剖面圖中，橫向上K42+880～K42+970，縱向上1 830～2 030 m范圍內存在視電阻率密集過渡帶，呈條帶狀分布，該異常帶處的視電阻率等值線比較密集，形狀均為下凸，其視電阻率相對周圍更低，推測該處為破碎帶，寬度約5 m，巖體較破碎，如圖7(e)所示。

圖7 MT法剖面圖Fig.7 Profile of magnetotelluric sounding method

綜合分析沿測線L1～L5 MT法剖面圖可以看出，測線L1、L2 MT法剖面圖中大里程方向的破碎帶與測線L3、L4、L5 MT法剖面圖中的破碎帶在空間位置與展布形態上具有較好的一致性，且這五條測線之間相距較近，因此推斷上述破碎帶為同一條破碎帶F1，寬度約5 m。測線L1、L2 MT法剖面圖中小里程方向的破碎帶在其他剖面圖中沒有反映，因此推斷其為不同于破碎帶F1的另一條破碎帶F2，寬度約8 m，且展布規模小于F1。

5 鉆探驗證

為了對MT法推斷的破碎帶F1、F2的存在性及位置進行驗證，將鉆孔1 (ZK1)布設于K42+952左13 m處，將鉆孔2 (ZK2)布設于K42+870左13 m處，如圖4所示。MT法成果與鉆探成果對比見表1、表2。ZK1與ZK2部分巖芯照片如圖8、圖9所示。綜合分析物探與鉆探成果可知：

表1 MT法成果與ZK1成果對比Table 1 The comparison between the results of MT method and the results of ZK1

表2 MT法成果與ZK2成果對比Table 2 The comparison between the results of MT method and the results of ZK2

(1)L1剖面中大里程方向的破碎帶F1寬度約5 m，ZK2鉆至地下95 m處到達該區域，鉆探結果為破碎帶，如圖9(c)所示；小里程方向的破碎帶F2寬度約8 m，ZK2鉆至地下290 m處到達該區域，鉆探結果為破碎帶，如圖9(e)所示。

(2)L2剖面中大里程方向的破碎帶F1寬度約5 m，ZK1鉆至地下180 m處到達該區域，得到的巖芯結果為破碎帶，如圖8(a)所示；ZK2鉆至地下90 m處到達該區域，鉆探結果為破碎帶，如圖9(b)所示。小里程方向的破碎帶F2寬度約8 m，ZK2鉆至地下188 m處到達該區域，鉆探結果為巖芯局部破碎，如圖9(d)所示。

(3)L3剖面中破碎帶F1寬度約5 m，ZK1鉆至地下210 m處到達該區域，鉆探結果為巖芯局部破碎，如圖8(b)所示。

(4)L4剖面中破碎帶F1寬度約5 m，ZK1鉆至地下210 m處到達該區域，鉆探結果為巖芯局部破碎，如圖8(b)所示；ZK2鉆至地下80 m處到達該區域，鉆探結果為破碎帶，如圖9(a)所示。

(5)L5剖面中破碎帶F1寬度約5 m，ZK1鉆至地下220 m處到達該區域，鉆探結果為巖芯局部破碎，如圖8(c)所示。

(6)在破碎帶與局部破碎區域所采集到的巖芯巖質軟，遇水軟化，巖體手捏即碎，富水性強。由于工作區位于構造地質作用強烈的區域，且調查中發現掌子面附近圍巖破碎，呈碎裂狀結構，巖石礦物定向排列，片理發育，受構造擠壓作用明顯，并且從物探資料上可以看出巖芯破碎帶與局部破碎區域呈帶狀展布，導水性較好，空間展布規模較大，因此推斷破碎帶F1、F2由構造擠壓剪切破壞導致，為構造擠壓剪切破碎帶。

巖芯箱長度為1 m圖8 ZK1部分巖芯照片Fig.8 Some core photos of ZK1

巖芯箱長度為1 m圖9 ZK2部分巖芯照片Fig.9 Some core photos of ZK2

6 結論

針對山區深埋隧道長大深埋、地表起伏大等特點，在適合探測中深部隱伏構造的物探方法中優選大地電磁測深法并將其用于安石隧道隱伏構造的探測中，通過將物探成果與鉆探成果進行對比，得出以下結論。

(1)大地電磁測深法能夠有效地查明山區深埋隧道隱伏構造的空間展布形態并得到了鉆探結果的有力驗證，為隧道安全施工與地質災害防治提供了重要的參考依據。

(2)本次大地電磁測深工作推斷并證實了隧道掌子面前方及上方存在與隧道軸線斜交的構造擠壓剪切破碎帶F1、F2，且隧道已經開挖至該范圍內。因此在隧道掘進的過程中，要對該處工程地質條件予以重視，必要時采取一定的安全防范措施，從而避免隧道地質災害的發生。

(3)在隧道掌子面前方140 m左右出現較大范圍視電阻率低值區域，推斷該處地下水較發育，貫通性較好。因此建議加強隧道后續施工開挖綜合性超前地質預報工作，根據地質情況及時調整與地質情況相適應的施工方案及支護手段，確保隧道施工安全順利推進。