强风化岩质边坡软弱结构层EH－4探测工程实例分析*

谭卓英钟 文胡天寿王晓军

（1.北京科技大学土木与环境工程学院；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室；3.江西铜业股份有限公司永平铜矿；4.江西理工大学资源与环境工程学院）

强风化岩质边坡软弱结构层EH－4探测工程实例分析*

谭卓英1，2钟 文1，2胡天寿3王晓军4

（1.北京科技大学土木与环境工程学院；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室；3.江西铜业股份有限公司永平铜矿；4.江西理工大学资源与环境工程学院）

基于EH－4大地电磁成像系统的工作原理和特点、现场探测方法以及后期数据处理优势，对某强风化边坡进行了现场探测，掌握了其低电阻层在空间上的分布，并结合钻孔数据和地质分析，对地层岩性进行了解译，查明了软弱结构层的分布。工程实例分析表明该方法可对强风化边坡内赋存的软弱结构层进行超前的宏观预测，值得在相关领域推广运用。

EH－4电磁成像系统 强风化岩质边坡 软弱结构层

由于地球磁场的影响，不同性质地层的磁场反射波不同［1］。因此，通过对地表以下不同深度地层反射磁场的测量，可以反演不同地层岩性的地磁差异特征。EH－4电磁成像系统采集大地电磁波来确定电阻率或电导率的测深，对此处理分析出地表以下岩层中的异常体。该系统基于大地电磁流理论，属于一种人工电磁场源与自然电磁场源相结合的大地电磁测深系统，是目前国际上最先进的电磁法勘探手段［1-2］。强风化岩质边坡是指边坡上绝大部分岩体已发生程度较深的风化现象，岩体的物理力学性质已经发生了较大甚至本质性的改变［3］。由于风化岩体的物理力学特性要远低于未风化岩体，其对边坡整体稳定性所起到的控制作用则会大打折扣，导致强风化岩质边坡内软弱结构层对边坡稳定性的威胁要远大于一般岩质边坡［4］。采用EH－4来查明强风化岩质边坡内未知软弱结构层的分布对边坡稳定性分析与治理有着积极而长远的意义。

1 EH－4原理及主要技术特点

EH－4电磁成像系统（简称EH－4）是一种部分可控源与自然源相结合的大地电磁测深系统［5］。地表以下的深部构造通过自然场源成像（MT），其信号源频率范围为10～1 000 Hz。浅部构造则通过一个便携式高频发射器发射人工电磁信号（CSAMT）来补偿自然场源信号的不足，其信号源频率范围为500～100 000 Hz，从而实现了自然场信号源与人工场信号源数据的采集与处理，达到高效透射地表以下不同厚度地质结构层的目的，真实准确地反演出地表以下0～1 000 m的不同地质体的电性结构［6］。通过布置连续的测站、测线，可以清晰地描绘出被测地质体的二维电阻率剖面，甚至可以组合出三维连续电阻率成像立体图，非常适合探测含有大量软弱结构层的强风化边坡工程地质情况。EH－4在测量过程中将大地假设为水平介质，则大地电磁场发射出的电磁波就可以近似看作垂直于大地的二维平面电磁波，这样在地表上通过信号采集系统就可以得到相互正交的电场分量（Ex，Ey）以及磁场分量（Hx，Hy）。把大地自然电场和磁场水平分量的比值定义为大地波阻抗Z，则在均匀大地介质的情况下，地表波阻抗与入射场极化无关，只与大地电磁场的频率以及电阻率有关［6-7］，即

式中，Z为大地波阻抗，kV／（T·m）；ρ为电阻率，Ω· m；f为频率，Hz；μ为磁导率；i为虚数单位。

对所采集到的相互正交的电场分量（Ex，Ey）与磁场分量（Hx，Hy）进行计算，可求出地下介质的电阻率值

式中，ρ为电阻率，Ω·m；E为电场强度，mV／km；H为磁场强度，nT。

假如被测大地为水平分层的不同介质，依然可以通过公式（3）进行计算，但计算出来的电阻率将和不同的地下介质频率有关，因为不同的电磁波频率会直接影响到大地透射深度（亦称趋肤深度），其表达式为

式中，δ为趋肤深度，m。

在此，通过公式（2）计算所得到的电阻率为视电阻率，也就是说，通过测量某个宽频带上的电场量E和磁场量H，并计算出该宽频带上的视电阻率和相位，就可以计算反演出所测区域地层的电性结构，从而确定其基本地质构造［8］。

2 现场探测方法

EH－4由主机系统、传感器单元及天线等基本单元组成，其现场布置可以分为三大部分，分别是发射系统部分、采集系统部分和主控处理系统部分［9］。其中发射系统部分主要包括发射器、发射天线和控制开关等；采集系统部分主要包括信号放大器、电磁传感器和相关辅助设备组成；主控处理系统部分包括主控调节器及系统处理软件，其中系统处理软件具有数据采集控制和原始数据处理两项主要功能。

现场进行探测之前，首先要通过已掌握的地质资料或初步现场地质调查选取合适的测站，从而绘制出详细的测线图。每个测站布置严格遵循EH－4探测系统的工作原理，即以测站为坐标原点，Ex0～Ex1、Ey0～Ey1为X、Y坐标轴，Ex0～Ex1、Ey0～Ey1的电极距为30 m，两磁极Hx0～Hx1、Hy0～Hy1垂直布置于Ex0～Ex1、Ey0～Ey1电极所构成坐标的任意象限内，两磁极端点Hx0、Hy0间的距离为2 m，磁极交汇点到前端放大器测站的距离为5 m，接收主机到测站的距离为50 m，测站间的距离为30 m，发射天线到前端放大器的距离为200 m。

3 数据处理与解译

大地磁场探测数据以自然磁场为主要信息源来判断地表以下地层地质构造，主要数据最终转换为地层介质的视电阻率［10］。即使在同一地理位置，自然介质的电磁场不仅与地层介质本身的物质组成、结构构造有关，而且与地层岩性、破碎程度及含水率等因素有关。在不同经纬度的地方，即使同一岩性的地层，由于地球本身电磁场的变化，其电阻率也存在很大的差异，因此，根据电阻率对岩性的定量地质解译是比较复杂的。然而，在地球上同一地理位置，在相同或相近的条件下，不同时间的探测结果是相对稳定的，这为大地地磁法探测提供了科学依据。由于水和盐溶液是良导体，电阻率与介质含水率及可溶性有很大的关系。一般来说，含水率越高，电阻率越低；水中含盐的成分越高，导电性越好，电阻率越低。强风化岩质边坡软弱结构层的种类构成纷繁复杂，对于破碎松软岩石一般富含水，其电阻率一般较低；对于松软地层、破碎充水或充填的地质构造，电阻率通常比较低；对于岩溶空洞，如果不被其他介质充填或充水，电阻率通常很高［11］；因此，对探测数据的低电阻及高电阻异常带的判断，可以定性地判断出强风化岩质边坡内的各种软弱结构层。再根据钻孔数据柱状图，与钻孔位置的测深－电阻率剖面进行对比，从而确定相应位置测深电阻率的地层岩性。但是，由于EH－4电磁成像系统的探测深度通常可达1 000 m以上，而深孔钻进达到一定深度后往往会出现钻孔偏斜现象，并且钻孔的偏斜率一般可达3%甚至更高。这就意味着，当地层岩性不稳定时，依赖的钻孔数据在深度达到一定界限后，其解译结果会出现较大的误差。因此，在某种程度上，主要参考钻孔的浅部信息。

4 工程实例分析

城门山铜矿是一座以铜、硫为主的多金属露天开采矿山。开采境界内边坡岩层风化强烈，褶皱、断层、节理裂隙等断裂构造复杂，且地处湖泊区域，地表水发育，灰岩地下水丰富。第四系松散土层及松软岩层、岩溶空洞与含水风化破碎带等软弱结构层对露天开采边坡的稳定性构成了极大的威胁。

探测的边坡位于采场东帮北端、中部偏南部，边坡走向为南北向，边坡坡面倾向西。实际台阶边坡角接近或超过70°。边坡工程地质岩组类型为花岗闪长斑岩，边坡上部揭露后因风化强烈，形成的高岭石多呈散体结构，边坡潜在破坏模式为圆弧形破坏。此外，边坡内存在大量情况不明的软弱结构层，包括断层破碎带、岩溶空洞以及软弱破碎岩层等，边坡多处已出现局部垮塌情况。

本次测线布置与矿区5＃地质勘探线重合，共5个测站，其中，测站1的坐标为（383 369.3，3 285 787.1，19.5），测线方位角为328°，测点间距为30 m。测线充填物主要为各类矿岩的风化产物及第四系表土，下部为湖相淤积黏土，基岩为花岗闪长斑岩、石英斑岩及褐铁矿。

通过在有效钻孔位置做剖面，形成标定剖面，各剖面电阻率的分布见表1。由表1可知，沿测线地层电阻率值变化范围较大，从而构成了一个复杂的二维电阻率剖面。本次测线与矿区原5＃勘探线重合布置，在测站1附近布置有钻孔ZK514（383 373.62，3 285 780.25，40.80），该钻孔原孔口标高为40.80 m，现标高为19.5 m，原属于山坡，现正在剥离开挖，高差21.3 m。此外，沿该测线还布置有ZK516（383 347.41，3 285 822.34，40.29）、ZK519（383 330.94，3 285 849.7，27.04）及ZK512（383 321.51，3 285 865.45，15.50）等钻孔，都可以为标定剖面提供参考。其中，ZK516原孔口标高为40.29 m，现标高为26.9 m，开挖高差13.39 m；ZK519原孔口标高为27.04 m，现标高26.9 m；ZK512原孔口标高15.50 m，现标高28.2 m，已填土12.7 m。测线区域内总体上地形已基本平缓，但从东到西，地形略有抬升，最大高差达10.9 m。沿测线各典型剖面的电阻率的变化范围为7.0～193 Ω·m，且显示含有大范围低电阻变化带。该测线范围内电阻率等高线以及地质概况解译见图1、图2。

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探测解译结果表明该区域除地表附近0～42 m深度内出露花岗闪长斑岩、含铁石榴子石矽卡岩，电阻率为100～193Ω·m，177～229 m深度局部有含铜黄铁矿化石英斑岩，电阻率为100Ω·m，其他部位均表现为低电阻异常带，其大致分布见表2、表3。

通过解译并结合附近有效钻孔资料分析可以得到该区域探测结果。浅部为复合充填土及一些砂岩褐铁矿，下部主要为中风化花岗闪长斑岩岩体构成的风化基岩。而各类斑岩、灰岩、黄铁矿及少量角砾岩等强风化类岩体所构成的软弱结构层，多以破碎松软岩石、松软地层或破碎充填地质构造的形式夹杂在基岩内，对边坡整体稳定性造成极大的安全隐患，需尽早治理。

5 结 论

强风化岩质边坡发生失稳破坏往往是从其内部的软弱结构层开始发展的。通过EH－4电磁成像系统在城门山露天开采边坡工程软弱结构层探测中的工程实例分析，可以说明在强风化条件下EH－4电磁成像系统对于探明岩质边坡内部软弱结构层的基本形态与分布有着明显的效果，相比于其他的探测方法有操作简单、携带方便、经济高效等许多明显优势。尤其是在1 km深度范围内的浅部地层，能精确探明所有的电阻率变化较大的电阻异常带，结合探测区域附近的有效钻孔数据，从而准确解译出坡体内潜在的各种软弱结构层，为后期边坡稳定性研究奠定基础。EH－4电磁成像系统是强风化岩质边坡工程探测软弱结构层的一种行之有效的方法，可以在相关领域加以推广应用。

图1 电阻率等高线

图2 地质概况解译

表2 电阻率沿典型剖面分布情况

表3 低电阻带分布情况

［1］陈乐寿，王光锷.大地电磁测深法［M］.北京：地质出版社，1990：13-15.

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［3］刘新根，奥村运明，张小旺.岩石边坡风化与侵蚀的研究［J］.矿业研究与开发，2006，26（4）：30-32.

［4］谭捍华，罗 强，祁生文.全强风化岩高边坡破坏模式与加固效果分析［J］.公路，2007（12）：21-25.

［5］尉宗深，李文嵩，郝阜森，等.EH－4电导率成像系统在煤矿古窑采空区勘查中的应用研究［J］.矿山测量，2012（6）：61-63.

［6］赵智能，刘 建，邢保国.EH－4电磁成像系统在高速公路隧道工程勘察中的应用研究［J］.工程地球物理学报，2010，7（3）：323-326.

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［8］樊战军，于爱军，陈孝强，等.EH－4连续电导率测量在森林覆盖区找矿中的应用效果——以黑龙江省嘉荫县张三沟金矿区为例［J］.黄金科学技术，2007，15（1）：48-53.

［9］樊战军，卿 敏，于爱军，等.EH－4电磁成像系统在金矿勘查中的应用［J］.物探与化探，2007，31（S1）：72-76.

［10］莫亦可.EH－4电磁成像系统在高速铁路隧道工程勘察中的应用［J］.重庆科技学院学报：自然科学版，2011，13（6）：154-156.

［11］吴文贤，周琛杰，邓 珂.EH－4电磁成像系统在岩溶地区铁路桥梁墩台勘查中的应用与分析［J］.工程地球物理学报，2011，8（6）：755-758.

Engineering Case Study of Weak Interfaces Detection by EH-4 for Highly Weathered Rock Slope

Tan Zhuoying1，2Zhong Wen1，2Hu Tianshou3Wang Xiaojun4
（1.Civil and Environmental Engineering School，University of Science and Technology Beijing；2.State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，Ministry of Education；3.Yongping Copper Mine of Jiangxi Copper Co.，Ltd.；4.Faculty of Resources＆Environment Engineering，Jiangxi University of Science and Technology）

Based on the working principle and characteristics，on-site detection and the post data processing of EH-4 magnetotelluric imaging system，a highly weathered rock slope is detected on site to grasp the spatial distribution of its low resistivity layer.Combined with drilling data and geological analysis，the formation lithology is interpreted，and the distribution ofweak interfaces is determined.The engineering practice shows that EH-4 provides advanced macro forecast for weak interfaces of the highly weathered slope which isworth to be applied and popularized in related fields.

EH-4 electromagnetic imaging system，Highly weathered slope，Weak interfaces

2013-07-09）

* 国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（编号：2010CB731501），国家自然科学基金项目（编号：51034001，51174013），江西省教育厅青年科学基金项目（编号：GJJ11137）。谭卓英（1965—），男，教授，博士研究生导师，100083北京市海淀区学院路30号。