可控源大地电磁方法在青岛地铁蓝色硅谷线崂山隧道中的应用

臧 政

(山东科技大学，山东 青岛266590)

0 引言

工作区位于青岛市崂山区，已建成的滨海公路仰口隧道位于工作区段偏东约100m，交通十分方便，工作区地形起伏较大，海拔高度120-340m，高差较大，山体受构造抬升而隆起，剥蚀侵蚀作用强烈，山峰尖削呈尖脊状并有悬崖峭壁，沿北西向构造侵蚀谷地十分发育，植被发育，荆棘密布。地貌单元为中低山，地形起伏较大，沟梁相间，局部为山间沟谷地貌单元。工作区属暖温带季风区，气候温和，风向以SE、N、NNW居多，年平均降雨量711.2mm，多集中在7-9月份。年平均气温12.3°，年平均湿度75%，标准冻土深度为0.49m。大地电磁数据处理过程相当繁琐，具体计算方法、原理以及误差分析可参见文献[1]，本次测线总长度为4km。

1 场地附近地质及地球物理特征

1.1 地质概况

工作区结晶岩系为元古界胶南群，缺失古生界沉积；中生代燕山晚期侵入岩地层；新生代地层喜马拉雅期侵入岩地层；新生代地层发育有第四系山前组、泰安组地层[2]。

1.2 地质构造及地球物理特征

大地构造位置为中朝准地台东部的胶辽台隆，处于胶南隆起区的东部，青岛-崂山凸起之上。区域断裂构造以北东向张扭性断裂为主，节理劈理发育，以NE、NEE、NW及NNW为主，构造面平直，倾角较陡[3]。

工作区位于抬隆区，侵入岩发育，多为中性-中基性花岗岩。磁性结晶基底是引起鲁东地区磁力高的重要原因，由于各时期岩浆岩的侵入，使得其剩余质量降低，在重力场上则表现为重力低。

工作区岩浆岩分布广泛，与周围地层或者岩体有较明显的磁性密度差异，通常表现为强磁性、低密度，但基性程度高的岩体磁性高，密度也高。在此类区域，地磁场呈高频特征。

在岩石完整区域，电阻率较高，地下水沿断裂破碎带运移，导致岩石的电阻率降低。

2 工作技术方法及质量评述

2.1 物探方法选择依据

选择可控源大地电磁方法主要出于以下两点考虑：

2.1.1 探测目标

此次工作主要目的为探测沿线的地层及构造特征，以发现断裂为主。而电法针对此类目标具有优势，可以较准确的发现低阻地质体。

2.1.2 探测深度

由于隧道埋深最大约为300米，所以要求探测方法可以达到一定的探测深度。可控源大地电磁方法具有该优势，最大探测距离接近2km，并且横向分辨率较高。

2.1.3 地形影响

工作区地形起伏较大，局部通行条件不佳，如高分辨率的地震勘探等受地形影响较大，难以取得分辨率可观的数据，应用受到限制。而CSAMT方法受地形影响小，并且在数据处理阶段可以加地形进行反演，可以获取相对可靠的数据。

基于上述两点，选择CSAMT方法进行全线勘查。

2.2 野外工作方法及质量控制

2.2.1 测地工作测地工作是为物探工作敷设测线。平面坐标采用1980西安坐标系，中央经线120°′。

执行标准：《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T18314—2001）；

《作业文件》（Q/DKSY—ZY—08）

测线布设前采用控制点对手持GPS进行校准，校准后精度可达到亚米级。测点布设采用华测LT400 CM移动数据采集终端放样，标称精度：平面精度为1m+10cm，高程精度为2m+10cm。在沟谷等信号不良位置，精度为3m。

2.2.2 CSAMT测量工作

电性CSAMT法是通过人工接地场源（电偶源）向地下发送不同频率（范围1～20kHz）的交变电流，在地面一定区域内测量正交的电磁场分量，计算卡尼亚电阻率及阻抗相位，达到探测不同埋深的地质目标体的一种频率域电磁测深方法。

经过现场试验，确定最佳发射频段为1-2048Hz。供电电极经过处理，最终供电最大稳定电流达到5.7A，供电极距2km，供电电极AB的坐标分别为A：40547253.3,4018961.5；B：40546049.67,4017364.1。接收极距为20m，采用氯化铅不极化电极进行接收。

此次野外施工严格执行《铁路工程物理勘探规程》(TB10013—2010)、《物化探工程测量规范》（DZ／T 0153-95）以及院部有关的技术规定，严格把控每个操作环节以保证采集质量。

2.3 数据处理流程

CSAMT数据处理采用Zonge公司提供的与GDP232多功能电法仪相配套的软件包,包括原始数据的预处理及二维模型反演。

数据预处理:对野外采集的原始数据进行整理,利用自主开发的频点挑选软件HDC剔除干扰较大和误存的数据,利用ASTATIC软件对数据进行静态位移及近区校正,同一测线不同日期数据的拼接及平均处理,得出下一步数据处理所需的不同输入文件。

二维模型反演:主要采用美国Zonge公司出版的商业化反演软件(SCS2D.exe),对经过预处理的CSAMT数据进行拟二维反演。该程序首先对经过预处理的数据自动给出背景模型断面,然后根据研究区的地电特征,选定合适的反演拟合参数进行多次拟合叠代,最终计算的结果为不同深度的电阻率断面模型。

2.4 物性工作

测线为大片基岩出露地区，第四系覆盖较少，仅在山间沟谷地区有局部发育。

2.4.1 标本的采集

野外施工过程中参考地质资料现场将标本定名，并捡拾体积在10cm×10cm×10cm到6cm×6cm×6cm之间的样品，采集过程中尽量采集新鲜岩石，以保证测量结果能够反应出岩石的电阻率特征值。

2.4.2 标本的测量

电性测量地点在室内进行，采用SZT-1数字四点探针测试仪进行测量并采集测试数据，把采集到的数据在计算机中加以分析。

经过对5件样品进行分析，基本数据中细粒花岗岩。经测量，干岩石电阻率平均值为3500Ω.m,饱和样品电阻率平均值为2100Ω.m。

2.5 质量评述

野外检查复测点数占总工作量的比例均大于7%，满足规范要求。在全区检查观测的数据中剔除明显畸变频点后，以单个物理点为单位，计算各个测点的观测参数（视电阻率、卡尼亚电阻率及阻抗相位）相对对误差mi并编列mi统计表，并绘制误差分布曲线了解误差分布情况。单点相对误差mi计算公式为：

式中：ρai——第i频点原始观测数值；

根据各个测点的相对误差mi，计算单个物理点l的均方相对误差Ml。Ml计算公式为：

式中：mi——第i个测点的相对误差；

n——检查观测的测点数。

全区系统检查观测质量用总均方相对误差M衡量，M的计算公式为：

式中：Ml——第l个物理点的均方相对误差；

k——全区系统检查观测的全部物理点数。

经过对重复观测检查数据的对比分析，野外数据总均方根误差为5.3%，满足规范精度（＜7%）的要求。

3 资料处理及解释

野外采集数据经过反演处理后，形成了反演视电阻率断面图，基本反映了沿测线地层由浅至深的电性特征的变化规律，现分析如下。

测线电阻率横向变化分析

测线电阻率横向变化较大，呈现高低阻相间的格局；纵向电阻率变化不大。电阻率值介于400-4000Ω.m之间，其中，低电阻率区域主要分布于沟谷地区及构造节理发育部位，反映了地层岩性及构造特征。高电阻率区域分布较广，反映了地层岩性主要为较完整的花岗岩等。

里程桩号K31+280处低阻区等值线呈长轴椭圆状，南倾陡立，与围岩相比呈中低阻特征。K32+620处异常区呈中高阻特征，为高阻围岩中近直立的较低阻区域，浅部电阻率较低，反映了沟谷浅部地层的低阻特征。里程桩号K33+020处异常为长轴状近直立具北东倾向的低阻异常带，其两侧均为高阻显示。K33+490处异常为直立的低阻异常，由两个低阻中心区构成，随深度加大，电阻率逐渐增大。K33+950处异常位于沟谷处，低阻异常等值线呈明显的低阻凹区。K34+130处异常为中高阻特征，表现为等值线扭曲中断。K34+380处异常为较明显的低阻异常区，近直立，具南西倾趋势。K34+500处异常为中等电阻率特征条带状等值线特征，具有南东倾趋势。K34+780、K35+070处异常为团块状低阻异常，电阻率值随深度增大而增加，具有北西倾趋势。K35+440处异常等值线为面积较大的低阻异常区。K35+700处异常为等值线不闭合的低阻异常带，其右侧为高阻，接触带位置近直立。

总体上，该测线电阻率横向变化较大，局部呈现高低阻相间特征。在沟谷区域多呈现低阻异常区。纵向电阻率变化不大。

4 结论及建议

此次可控源大地电磁工作，经过近10名专业技术人员近10天的艰苦工作，基本完成了工作任务，达到了预期目的，采集了工作区地层的电性资料，对隧道施工区的地质特征有了进一步的了解。

4.1 取得了沿线的电性资料，并采集了数个物性标本进行比对解释，充实了隧道施工的基础资料。

4.2 结合以往工程地质资料及此次物探成果，推断了13条断裂破碎带或者节理发育部位，为后续工作顺利开展提供了参考。

4.3 通过此次工作，进一步检验了可控源电磁法在复杂地区开展工程地质测量的可行性，为今后此类项目实施积累了宝贵经验。