可控源音频大地电磁法在长距离输水隧洞勘察中的应用

2016-05-15渠继明

陕西水利 2016年3期

关键词：洞身电性等值线

渠继明

（山西省水利水电勘测设计研究院山西太原030024）

可控源音频大地电磁法在长距离输水隧洞勘察中的应用

渠继明

（山西省水利水电勘测设计研究院山西太原030024）

本文利用勘察实例从可控源音频大地电磁法的基本原理，勘察的地球物理前提、勘察仪器、数据处理等方面说明了可控源音频大地电磁法在长距离深埋隧洞勘察中的有效性。

输水隧洞；可控源音频大地电磁法；勘察

1 可控源音频大地电磁法工作原理及方法

可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)是在大地电磁测深法(MT)的基础上发展起来的一种物探方法，两者工作原理都是基于麦克斯韦方程组完整统一的电磁场理论基础[1]。MT方法采用的是天然场源，其信号微弱，随机性较大，观测十分困难。针对这一弱点，CSAMT勘探采用了可以控制的人工场源，在探测目标体相当远处布设供电电极，用发射机通过电极向地下供交变电流，在地下建立交变电磁场。电流的频率在一定范围内按需改变，在要探测目标体的地表同时测量相互正交的电场分量和磁场分量，具体布置见图1。然后用卡尼亚电阻率计算公式得到卡尼亚视电阻率。

图1CSAMT野外装置示意图

根据大地电磁场理论可知，电磁波在大地介质中穿透深度与其频率成反比，当地下电性结构一定时，电磁波频率越低穿透深度越大，反映出深部的地电特征，电磁波频率越高，穿透深度越小，则能反映浅部地电特征[2]。调整供电频率的高低，可得到不同深度上的地电信息，达到频率测深的目的。物探采用标量测量方式，即测量沿测线方向的电场(Ex)和与测线方向垂直的磁场(Hy)。

CSAMT按下式计算卡尼亚电阻率。

式中f为频率，当从高到低逐个改变频率，便可得到卡尼亚电阻率测深曲线。

2 CSAMT资料处理

2.1 数据处理流程

CSAMT数据处理就是通过一系列数据处理手段，把不能直接解释的频率域－电阻率数据转换为深度－电阻率数据，形成沿测线变化的、反映地下电性结构的电阻率剖面图，为地质解释奠定基础。CSAMT方法本身是比较成熟的勘探方法，处理流程为如图2。

图2 资料处理流程图

2.2 数据去噪处理

由于勘察区域可能存在电力线、厂矿、村镇、公路等干扰源，在高压线附近一般影响1m～500m的范围，影响中低频段。单条高压线往往使测得视电阻率值增高，而在两条或两条以上电力线附近的干扰更为复杂，曲线形态各异。所以必须要去除数据中的噪音，否则反演结果会出现严重错误，影响解释。

2.3 静态位移校正

静态效应是由于近地表的电性横向不均匀性或地形起伏引起的，并且在某种程度上影响所有的电场测量，这些非均匀体表面上的电荷分布可使电场数据向上或向下移动一个数值，静态效应的强度有时可达两个数量级，在推断深度时可引起很大误差，并使构造解释复杂化，因此在反演解释之前需进行静校正[3]。2.4反演处理

野外观测数据得到的视电阻率曲线与地下的地电结构不是简单的对应关系，而是一种复杂的非线性关系，因此需要用特定的反演方法把频率域数据转化成电阻率—深度的关系。这种把视电阻率随频率的变化转化为电阻率随深度变化的过程就叫做反演处理，这样可以相对精确的得到地下电阻率随深度的变化情况，可以研究由于断层、地下水所引起的电阻率异常，进而研究异常的属性。

反演后得到CSAMT测线深度—电阻率断面，反演剖面图直观地展示了一定深度范围内地下电性结构特征，间接地反映了地下地质体的分布规律，进而可以赋予地质含义进行地质解释。

3 应用实例及分析

3.1 工程概况

山西省中部引黄工程是山西省“十二五规划”大水网建设中一项重要的工程，该工程包括取水工程和输水工程两部分，取水工程位于保德县境内，输水工程包括总干线、东干线、西干线以及各支线。输水总干线起于泵站出水池，沿大致平行于黄河河流的方向经保德县、兴县、临县、方山县、离石区向南至中阳县城东侧，在邢家岭处分为东、西干。以下为利用可控源音频大地电磁法对总干线输水隧洞K8+700～K13+500段进行勘察的成果与分析，目的是查明可能存在的断层、岩溶、软弱地层等不良地质体。

3.2 地层岩性

图3 音频大地电磁勘探(CSAMT)物探成果图

图4 音频大地电磁勘探(CSAMT)地质解释断面图

表1 山西省中部引黄工程某输水隧洞可控源音频大地电磁勘探物探异常一览表

输水线路沿线地表出露的地层为太古界吕梁山群、奥陶系、石炭系、第四系等地层。输水隧洞穿过的地层主要有：太古界吕梁山群同岔沟组（Ar3t）、吕梁山群谷罗沟组（Ar3g）、吕梁山群万年饱组（Ar3w）、震旦亚界长城系（Zh）、寒武系中统徐庄组（∈2x）、中统张夏组（∈2z）、上统崮山组（∈3g）、上统崮山组与长山组（∈3gc）、上统凤山组（∈3f）；奥陶系下统（O1）、中统下马家沟组（O2x）、中统上马家沟组（O2s）、中统峰峰组（O2f）；上新近系上新统（N2）；第四系中更新统（Q2pl）；第四系全新统洪冲积（Q4pal）。

3.3 外业布置及数据采集

本项目野外数据采集按7道电道排列方式施工，数据采集采用加拿大凤凰公司生产的V8仪器。发射机采用TXU-30，仪器接收采用一台主机挂多个盒子来进行排列采集，卫星同步，这样就可以一次采集多个点，提高工作效率。

3.4 资料解释及物探推断

图3为音频大地电磁勘探(CSAMT)物探成果图，根据图中等值线进行如下描述：

在桩号K8+700～K9+400段，视电阻率等值线横向表现为两低夹一高，纵向成层性差，在洞身附近，电阻率值在350Ω· m～900Ω·m之间变化，电阻率较低，等值线呈陡立状，推测存在多组断裂，洞身位置在桩号K8+815、K9+220附近等值线陡立，推测存在断裂。

在桩号K9+400～K11+010段，横向为高低高电性特征，纵向洞身以上大部分为低阻，以下为高阻，洞身位置附近电阻率值在100Ω·m～500Ω·m之间变化。显示为低阻特征，洞身位置桩号K9+695、K10+520附近，电阻率等值线陡立，推测存在断裂；在桩号K10+850～K11+125段有焦化厂，资料受干扰影响较大。

在桩号K11+010～K12+925段,横向电性特征稳定，等值线平缓，纵向显示低高低高电性分布特征，洞身上部为低阻薄层，洞身下部为高阻层，洞身位置电阻率值为相对高阻，电阻率值在1250Ω·m～1750Ω·m之间变化，属区域内电阻率值为较高范围，变化幅度小。在桩号K11+850～K12+000段等值线有下冲现象，存在物探异常。

在桩号K12+925～K13+500段，横向剧烈变化，纵向有层状特征，表现为从低到高，洞身上部紧邻低相对阻体，下部为高阻体，洞身位置电阻率值在1000Ω·m～1500Ω·m之间变化，属于相对低阻，地层稳定性差；在桩号K13+150附近等值线陡立，推测存在断裂，该断裂与浅部低阻有相连趋势；在桩号K13+275靠近地表部位存在低阻圈闭，为物探异常。

综合以上分析并结合地质资料，在勘察区域内，共发现7处较明显异常区域及6处高风险区物探异常(如图4所示)，表1列出异常区域的位置与性质描述。

音频大地电磁勘探(CSAMT)地质解释断面图中高风险区物探异常根据以下原则标注：在隧道施工过程中，施工的高风险区往往不在电阻率最低位置，而在电阻率发生剧烈变化处，电阻率变化表明该处岩石物性发生变化，或岩石性质变化，或岩石完整性变化。高低阻变化处，最接近可能存在（承压的）地下水的位置，容易出现塌方、冒顶、突水突泥等地质灾害。

5.5 钻孔验证

为了进一步验证物探结论的准确性以及可控源音频大地电磁法勘探的有效性，在物探工作结束后，选取2处异常区域进行钻孔验证，钻孔位置对应的桩号分别为K9+250与K10+425的位置。两个钻孔布置在推断断层与洞线相交的位置。

（1）ZK12DT-1钻孔（大致对应桩号K9+250）

0m～91.3m，Q4pal卵石、混合土；91.3m～239.1mO2f片麻岩；239.1m～340.1m O2s3灰岩；340.1m～389.1m O2s2白云岩夹白云质灰岩。其中在136.0m～154.7m、155.8m～161.5m、174.5m～183.6m、184.2m～193.0m、196.3m～199.8m、209.0m～211.5m、229.8m～236.7m深度范围岩芯破碎，呈碎块状，局部呈碎屑状。

从上述钻孔资料来看，136.0m～236.7m深度范围岩体整体破碎，为断层破碎带，与物探成果吻合。

（2）ZK12DT-6钻孔（大致对应桩号K10+425）

0m～29.29m，Q4pal卵石、混合土；29.29m～133.5m O2f角砾状泥灰岩夹薄层灰岩；133.5m～230.6m O2s3灰岩，岩溶发育，岩芯破碎；230.6m～350.0m O2s2灰岩夹豹皮状灰岩，岩芯破碎。其中230.6m～238.0m为低液限粘土夹碎石的填充物，为断层破碎带。

从上述钻孔资料来看，133.5m～350.0m范围岩体整体破碎，为断层破碎带并有断层泥存在，与物探成果吻合。

通过钻孔资料与可控源音频大地电磁法（CSAMT）物探资料的对比，证明了可控源音频大地电磁法（CSAMT）在长距离深埋隧洞勘察中的有效性和适用性。