EH4 电磁测深在探测断层中的应用

2013-08-29王志豪周振广张贺飞

资源环境与工程 2013年4期

王志豪，周振广，张贺飞

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

0 引言

EH4 电磁成像系统是由美国EMI 公司和Geometrics 公司联合研制的电导率张量测量仪，它依靠其先进的电磁数据自动采集和处理技术，将CSAMT(Controlled Source Audio－ frequency Magneto－ telluric)和MT(Magneto－telluric)有机结合在一起，实现了天然信号源与人工信号源信号的采集和处理，既具有较好的稳定性，又具有灵活适应性。目前，该系统已被应用于水利水电、铁路、矿产等行业的岩土工程地质勘察、地下工程探测、矿产普查等众多领域，取得了显著的探测效果和社会经济效益，并在工程实践中不断完善和提高。本文以某水利枢纽的勘察为实例，说明EH4 电磁测深技术在断层及断层破碎带探测中的应用情况，以此与同行进行切磋，以推动EH4 电磁测深技术的发展。

1 基本原理

EH4 电磁测深技术是通过同时对一系列地面电场和磁场波动的测量来获得地表的电阻抗。通过野外测量适时进行傅立叶变换以后以能谱存储起来。这些通过能谱值计算出来的表面阻抗是一个复杂的频率函数，在这个频率函数中，高频数据受到浅部或测点附近的地质体的影响，而低频数据受到深部或远处地质体的响应。一个大地电磁测量给出了测量点以下垂直地层电阻率的估计值，同时也表明了在测量点的地电复杂性。在那些点到点电阻率分布变化不大的地方，电阻率的探测是一个对测量点下地电分层的一个合理估计［1］。

在不均匀层状介质情况下用上述公式得出的“电阻率值”称为视电阻率。一般说来，视电阻率不是某层介质的真正电阻率，而是地下层状介质电性参数分布的综合反映。视电阻率与地电断面参数及观测电场信号的频率有关。一定频段的大地电磁场有一定的穿透深度和影响范围，而视电阻率就表示这一范围内地电断面的“平均”效应。

从上述公式可以看出趋肤深度δ 和勘探深度h 都与电磁波的频率和地下物质的电阻率有关，即与频率的平方根成反比，与大地介质的电阻率的平方根成正比。当工作频率高时，探测深度小，随着工作频率降低，探测深度也随着增大。在地下电阻率一定的情况下，频率越高趋肤深度和勘探深度越浅，反之亦深。在频率一定的情况下地下电阻率越小趋肤深度和勘探深度越浅，反之电阻率越高探测深度越深。当在一个宽频带(如EH4 的工作频率10 Hz～100 kHz)上由高频向低频测量每个频点上的E 和H，由此计算出视电阻率和相位变化规律，据此确定该点上一定体积范围内地下介质结构情况，这就是EH4 电磁频率测深的基本原理。

2 工程实例

2.1 概况

某水利枢纽开发方案为梯级开发，梯级电站均采用低坝径流引水式发电。建筑物主要由低坝引水枢纽、发电引水隧洞、发电厂房及厂区附属建筑组成。

工程区位于喀喇昆仑山腹地，地壳活动较强烈地区，且该区域有一条发震断裂穿过，该工程处于构造活动区，属于高山峡谷地段，呈“V”形谷，坝址两岸山体基岩裸露，卸荷较为明显，坝址上下游及左右岸均有坡崩积物存在。岸坡坡度约＞60°。河床部位为第四系地层，推测河床冲洪积物深度较厚。区内主要地层为二叠系中统灰岩、燕山早期英云闪长岩、喜马拉雅期石英正长岩和第四系松散堆积物组成。

2.2 探测技术及资料处理［2，3］

野外工作时其电偶极方向应采用罗盘仪定向，用皮尺测量偶极水平距离，并进行地形改正，误差＜1 m，方位差＜1°。

磁棒离前置放大器＞5 m，为了消除人为因素干扰两个磁棒最好要埋在地下，保证其平稳，用罗盘仪定向使Hx、Hy两磁棒相互垂直，且两磁棒距离至少2～3 m，误差控制在＜±1°，且水平。所有的工作人员离开磁棒至少5 m，尽量选择远离房屋、电缆、大树的地方布置磁棒。

根据探测目的、探测条件和地形、地物等因素，一般选择电偶极距20～30 m 为佳，最大为50 m。此时尽量使测点距等于电偶极距，实现首尾相连的完整覆盖观测而形成电阻率探测剖面。当条件较差时也可使测点距大于电偶极距(其差值一般为10～20 m)进行非完整覆盖观测，此时形成的电阻率探测剖面为首尾相隔的非完整剖面(即在测点之间有漏区)，静态效应相对明显。

EH4 电磁系统自带的简易数据处理软件操作处理流程为:启动IMAGEM→修改图形显示坐标OPTIONS(含电极坐标、频率比例、电阻率比例、深度比例、相关度、数据坐标等)→数据分析DATA ANALYSIS(查看数据等)→一维分析1-D ANALYSIS(分析删除电阻率曲线)→二维电阻率剖面分析2-D ANALYSIS(含圆滑系数、剖面起始点、剖面终点、反演绘图、保存反演数据文件等)→surfer 绘图→修饰调整→最终成果图。

2.3 成果分析

岩体的电阻率取决于它的破碎程度及其含水饱和度。完整的岩体具有明显的高阻特征，其电阻率可高达几千Ω·m，甚至几万Ω·m，而当岩体破碎且含有大量水时，地层电阻率将大大降低，且降低的程度与富水程度有关。据此，通过探测地下岩层的电阻率及其变化，可以判定岩层的结构状态和含水状况，同时根据断层附近岩层的电阻率高低可判断断层的导水情况。

图1 为该工程二级电站输水隧洞支洞段EH4 电磁测深视电阻率等值线断面图。综合分析本次物探测试成果，结合地质勘察成果和以往物探结果，对该段综合物探剖面解释如下:

该测段的实测电阻率横向和垂向上变化范围均较大，一般表层为松散坡积物，层厚约51.3～78.2 m，随高程升高有变浅趋势，视电阻率范围值2～500 Ω·m。

该层下部为基岩，由图可见基岩段岩体分为三段:0～100 m 段，表现为高阻体，其视电阻率范围值500～4 000 Ω·m，推测为喜马拉雅期石英正长岩的反映;100～170 m 段，表现为低阻异常体，其视电阻率范围值20～500 Ω·m，推测为断层及破碎带的反映，该段等值线近直立;170～300 m 段，表现为高阻异常体，其视电阻率范围值500～5 000 Ω·m，推测为喜马拉雅期石英正长岩的反映;根据电阻率等值线的变化形态推测该断层倾向近直立。

图2 为该工程坝址区顺河向一条测线的EH4 电磁测深视电阻率等值线断面图。综合分析本次物探测试成果，结合前期地质勘察成果和以往物探结果，对该段综合物探剖面解释如下:

整条测线的实测电阻率垂向变化较大，表层卡尼亚电阻率为30～500 Ω·m，底界面深度一般为42.7～69.3 m，对应高程为3 489.3～3 505.9 m，为表层松散冲洪积物，下部卡尼亚视电阻率一般＞500 Ω·m，为基岩的反映;而横向上电阻率变化均相对较小，但在桩号230～270 m，高程约3 427～3 490 m 左右的基岩层内存在一横向上相对低阻带，该段电阻率梯度变化较大，低阻带卡尼亚电阻率＜500 Ω·m，基于当岩体存在裂隙且富含水时，可使该岩体电阻率相对该层无水时一般降低约1 个数量级，推测为富含水的断层破碎带的反映，倾向近直立。

图1 输水隧洞支洞某测线EH4 电磁测深视电阻率等值线断面图Fig.1 Sectional drawing of aparent resistivity contour lines of EH4 electromage netic sounding of branchtunnel of water delievery tunnel

以上勘探成果均经地质工程师现场勘察认证，其位置与影响带与图中揭示基本一致。