EH-4电磁测深法与高密度电法在超长隧洞隐伏断层调查中的综合应用

张峰（新疆水利水电勘测设计研究院物探队新疆昌吉831100）

EH-4电磁测深法与高密度电法在超长隧洞隐伏断层调查中的综合应用

张峰
（新疆水利水电勘测设计研究院物探队新疆昌吉831100）

本文主要介绍了在某超长隧洞工程隐伏断层构造调查中，以利用EH-4电磁测深法与高密度电法两种方法的优势相互配合、补充、印证，从而精确推断出隐伏断层的空间分布特征，并取得较好的效果。

EH-4大地电磁测深系统；高密度电法；视电阻率；隐伏断层

1　引言

工程物探中，对于浅埋断层构造的勘察主要以高密度电法、浅层地震、电剖面法、大地电磁测深等方法开展，对于深埋断层构造的勘察一般采用大地电磁测深。在地质结构相对简单的小区域内进行勘察，往往使用单一方法就能取得较为满意的效果，对于大区域或者需要得到完整资料要求的隐伏断层调查中，就需要多种方法相互配合。EH-4大地电磁测深系统（后简称EH-4）对于地层深部地层结构反映效果较好，垂直探测深度可达千米以上，确定深部宏观的构造，精确度高，而对于浅部地层结构反映较差。高密度电法对于浅部地层具有效率高，其分辨率则更为细致的特点。高密度电法与EH-4是目前先进的高分辨率地球物理探测技术，两种方法具有互补性和相互验证性。

2　基本原理

EH-4是人工可控源与天然源相结合的一种高频大地电磁测深系统。其天然源为10Hz～100kHz，人工可控源为1kHz～100kHz，以补偿天然源讯号的不足，从而更好的获得高分辨率的成像。不同地层深度的电阻率变化是通过改变不同的频率得到的，频率较高的数据反映浅部的电性特征，频率较低的数据反映较深的地层特征。通过测量相互正交的电场和磁场分量Ex，Hy，Hx，Ey，可确定介质的视电阻率值。其计算公式为：

式中，f为频率，单位Hz；ρ为视电阻率，单位Ω·m。

由于电磁波的能量会随传播深度的增大而逐渐被吸收，理论上探测深度是一个趋肤深度，其计算公式为：

式中，δ为趋肤深度。

由上式可得出，电阻率和频率的大小会影响电磁波的透入深度。

图1　f69号断层高密度电法测试剖面演图

图2　f69号断层EH4视电阻率断面图

高密度电法的基本原理与常规电法基本一样，是以地下被探测目标体与周围介质之间的电性差异为基础，只是它综合了垂向电测深及电测深剖面的特点，是阵列式勘探方法的一种，它在野外采集过程中只需一次性将几十或上百根电极沿测线布设完成，可组合成多种装置形式，如温纳а装置、温纳β装置等，实现数据的快速采集，由于采集点距小，获得的数据量密度大，因而大大增加了信息量，有效的提高了解释精度。

3　工程实例

某输水隧洞设计洞线长约300km，设计洞身最大埋深大于700m，平均埋深约430m，通过地质遥感解译洞线存在的隐伏断层有近百条。由于无法对隐伏断层的具体位置准确定位，因此采用物探方法对存在的隐伏断层进行调查测试，以查明隐伏断层的具体位置、延伸情况及影响范围，由此判定断层对隧洞工程的影响。

3.1工区地质简况及地球物理特征

隧洞范围内地表为戈壁砾石或荒漠，地层岩性主要为花岗岩、安山玢岩、凝灰岩、凝灰质砂岩、砂岩等。根据工区地球物理反演结果分析和统计，得到了不同岩体的视电阻率值范围，花岗岩视电阻率800Ω.m～2000Ω.m，安山玢岩视电阻率600Ω.m～1000Ω.m，凝灰岩视电阻率500Ω.m～800Ω.m，凝灰质砂岩视电阻率400Ω.m～600Ω.m，泥岩、砂岩互层视电阻率80Ω.m～200Ω.m。断层处视电阻率较完整基岩相对偏低。

3.2数据采集及资料解释

首先在地质遥感解译的推测断层处利用高密度电法对100m以内的地层进行测试，对断层的位置及宽度进行定位。高密度电法的数据采集采用温纳装置，电极距10m，每根电缆8个电极，排列总电极数及滚动层数视剖面长短和测试深度而定。测线布置方向与洞线方向基本一致。

然后在已定位的断层位置布置EH-4剖面，用以对100m以下的地层进行测试，来确定断层的延伸情况。EH-4的数据采集是采用天然场和人工场相结合的方法。人工场可控源是由发射系统构成，主要有发射天线、发射机和控制开关组成；发射天线采用正南正北方向布置，发射机一般距离测点150m～400m。测线布置方向与洞线方向基本一致，测试点距视地层条件而定，发现有电阻率变化较大时加密测点一般为20m，地层电阻无明显变化时加大测试点距为50m，电极距（20m，20m）。平行试验记录清晰，无畸变点，相位25°～75°之间，相干度大于0.5。

EH4数据处理采用EH4专业反演软件进行二维反演，利用UltraEdit数据传数与转换软件对原始数据进行@文件的编辑。对@文件中出现坏点、不合格点进行剔除，通过数据分析，分析造成的原因，对视电阻率值超大或超小不符合规律时仅作参考或删除，反复试验选择合适的圆滑系数，处理后输出DAT文件。使用SURFER反演软件对输出的DAT文件进行成图处理，并对最终结果进行完善。

高密度电法数据处理采用RES2高密度视电阻率反演软件进行二维反演，

利用Res2高密度电法数据反演软件对野外观测时如出现坏点参考剔除，通过数据分析，视电阻率出现负值时，参考电压和电流值分析原因，对应视电阻率作为参考修正或删除，视电阻率值超大或超小不符合规律时仅作参考或删除。再对数据进行反演成图。

在EH-4与高密度电法获取的二维成果图件中，利用图件中视电阻率的分布变化规律，进行地质构造的对比、分析判断。对于同一种岩性内视电阻率等值线图出现的相对较低阻段推测为断层及影响带；对于不同岩性视电阻率等值线图在水平方向上挫断，且挫断处视电阻率值在同深度与两侧视电阻率值相差较大段推测为断层及影响带，视电阻率值水平方向变化较大的界面推测为断层界面。

图3　f85号断层高密度电法测试剖面演图

图4　f85号断层EH4视电阻率断面图

3.3断层异常解释实例

图1、图2分别为f69号断层处的高密度电法测试成果图与EH4测试成果图。剖面桩号位置、方向一致，设计洞身埋深700m左右。高密度电法测试剖面（图1）中在剖面桩号240m～440m段，自浅表部向下存在上下贯通的条带状相对低阻体，其视电阻率在20Ω.m～224Ω.m，两侧相对较高度视电阻率在320Ω.m～620Ω.m左右，该低阻体地表宽度约为210m，地表下约100m处宽度在150m左右，其倾向南东方向，视倾角为60°～80°；EH4测试剖面（图2）在剖面桩号250～380段90m往下有一相对低视电阻率槽异常，视电阻率在60Ω.m～280Ω.m左右，两侧相对较高度视电阻率在400Ω.m～600Ω.m左右，顶部宽度在150m左右，其倾向南东方向，过洞线段视倾角80°～85°。根据对两种方法的解释成果进行比对、分析，推测剖面低视电阻率异常段为断层及影响带的反映，因此可推断f69号断层在剖面桩号240m～440m段通过，地表宽度在200m左右，其倾向南东方向，视倾角为60°～85°，断层通过洞身处的影响带宽度约为50m左右。

图3、图4分别为f85号断层处高密度电法测试成果图与EH4测试成果图，剖面桩号位置、方向一致，设计洞身埋深380m左右。在高密度电法测试剖面（图3）中在剖面桩号200m左右，自浅表部向下存在一个高视电阻率与低视电阻率的接触界面，于接触界面以东方向视电阻率相对较低，在5Ω.m～221Ω.m之间，于接触界面以西方向视电阻率相对较高，基本在220Ω.m～ 650Ω.m之间，其倾向东方向，视倾角为60°～70°；EH4测试剖面（图4）剖面桩号200m左右，自浅表部往下有一视电阻率相对高、低的接触面异常，接触界面以东方向视电阻率相对较低，在40Ω.m～100Ω.m之间，于接触界面以西方向视电阻率相对较高，在200Ω.m～560Ω.m，视倾角为60°～80°。根据对两种方法的解释成果进行比对、分析，推测该剖面在桩号200m左右处岩性发生变化，剖面以东低视电阻率地层为砂岩，以西高视电阻率地层为凝灰质砂岩，因此推断f85号断层为接触性断层，在剖面桩号200m左右通过，其倾向东方向，视倾角为60°～80°，断层通过洞身处的影响带宽度约为80m左右。

4　结语

在后期勘探过程中，多处断层位置及延伸情况被钻孔或被开挖验证与物探测试结果基本一致。采用高密度电法测试能较好的反映地层分布规律，其高分辨率对于地质构造的查找更为细致，但勘探深度有限；EH4测试对于对浅表部存在一定盲区，但对于中深部构造的确定比较直观。因此以两种测试方法结合展开工作，通过两种方法的相互补充和相互验证，具有较好的对应性，取得的测试成果精度较高，结合地质资料，更能有效、准确的推测地质构造，为后续工程提供可靠的依据。陕西水利

［1］SL326-2005，水利水电工程物探规程［S］.

［2］周琛杰、吴文贤等.EH 4电磁成像系统在铁路隧道与桥梁勘查中的应用［J］，工程地球物理学报，2012.1.

［3］中国水利电力物探科技信息网.工程物探手册（第一版）［M］.北京：中国水利水电出版社，2011，3.

（责任编辑：畅妮）

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