大地电磁测深在隐伏断层超前探测中的应用

潘纪顺 孙凯旋 刘海宁 刘宇锋 赵萧萧

摘 要：岩层常因构造运动或断裂变动而形成断层，此后岩体裂隙增多，破碎带发育，结构面软弱，从而降低了岩石的强度和稳定性，对工程造成不利的影响。因此，在工程实践过程中，必须查明断层真实情况，并采取可靠的基础工程措施，保障工程安全与稳定。本文利用大地电磁测深的方法，探测地表以下400m的地层状况，判断断层位置，结合钻孔资料分析，得到良好的效果。

关键词：大地电磁测深;断裂破碎带;地球物理勘探;数据处理

中图分类号：P631.325文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）02-0147-03

Abstract： Rock formations often form faults due to tectonic movements or changes in faults. Since then， rock mass fractures have increased， fracture zones have developed， and structural surfaces have weakened， thereby reducing the strength and stability of rocks and adversely affecting the project. Therefore， in the course of engineering practice， it is necessary to find out the true condition of the fault and take reliable basic engineering measures to ensure the safety and stability of the project. In this paper， the method of magnetotelluric sounding was used to detect the formation status 400m below the surface， to judge the fault location， and to obtain good results by combining with drilling data analysis.

Keywords： magnetotelluric sounding;fractured zone;geophysical exploration;data processing

近年來，随着城市建设的飞快发展，国家和社会对工程建设质量及安全尤为重视，城市地下空间构造影响着城市居民的安全和城市的稳定。在地铁隧道、南水北调隧道、引水管道等掘进过程中，由于复杂断层的岩性，某些岩层可能出现软硬突变、地下水汇集等情况。断层-围岩系统失稳会严重影响工程的稳定开展，甚至造成巨大的财产损失和人员伤亡[1]。因此，在前期勘查过程中，要及时掌握断层破碎带位置等信息，以便提前做好应对措施。

作为地球物理勘探方法的一种，EH-4高频大地电磁测深系统是近些年来迅速发展的一种地球物理方法，它具有以下优点：设备轻便，受地形影响较小;在探测深部地质构造时，具有较高的分辨率;信噪比较高[2]。因此，EH4高频大地电磁测深系统可以有效地判断深埋地质构造的发育形态，确定覆盖层厚度和目标体分布范围、深度及变化规律，可以产生很明显的社会和经济效益，为进一步研究和开发利用提供科学依据[3]。

1 方法原理

大地电磁测深（MT）是以电阻率的差异来划分地层岩性及地质构造，并根据电阻率值的大小以及展布形态来判断地下地质体空间分布的一种物探方法。影响电阻率的主要因素有矿物成分、岩石的结构、构造及含水率等[4]。根据工区地球物理反演结果分析，较完整岩体或完整岩体与破碎、软弱或强风化岩体之间存在电性差异，这是进行大地电磁测深的理论基础和先决条件。EH-4连续电导率剖面仪可使用人工电磁场和天然电磁场两种场源。该方法既具有有源电探法的稳定性，又具有无源电磁法的节能和轻便，接收频点多，具有较高的分辨率，可探测具一定电性差异的地质构造和地层分层[5]。

野外采集主要是观测记录[Ex]、[Hy]、[Ey]、[Hx]四个电磁场分量的时间域电磁信号，在实际测量过程中，可以只做单方向的电磁信号，利用傅立叶变换把时间序列信号转换为频谱信号，从而获得分量[Ex]、[Hy]、[Ey]、[Hx]的值[6]。地下介质的卡尼亚视电阻率值计算公式为：

卡尼亚视电阻率随频率变化而改变，频率还与电磁波的穿透深度、趋肤深度有密切关联。因此，不同的频率反映不同深度的卡尼亚视电阻率。

2 工区基本情况及工作方法

该工区位于河南省某地区，地理位置优越，交通便利，根据当地的远期发展规划，供水已经无法满足需求。在输水隧道掘进的过程中，如果遇到断层，会对工程产生以下影响：隧道工程穿越断裂破碎带，易发生坍塌甚至冒顶;断裂构造的岩体容易破碎，而且断层上下盘地带也有可能因岩性的差异而发生不均匀沉降甚至坍塌;断层降低了地基岩体的强度及稳定性，断裂带力学强度低，压缩性高，沉陷量大，易造成建筑物的断裂;断层破碎带常为良好的地下水通道，施工过程中遇到断层带会涌水;构造断裂带可能伴随着新的地壳运动而移动，常引起附近断裂带的伴随移动，从而影响土工建筑的稳定，给人民财产和人身安全造成威胁，因此在隧道掘进之前必须进行断层探测。

在隐伏断层探测过程中，现场数据采集用Stratagem大地电磁测深仪器，采取EMAP测量方法，该方法可以消除部分静态效应畸变。所有Stratagem电缆都配有优质带扣的接头，这些接头也带有盖，以防水防尘和保持内部干净干燥。Y探头与X探头至少间隔2 m，避免因探头过于灵敏而相互影响。野外采集数据可能产生的误差有：线圈中的高磁化率材料会对附近的磁场及采样结果产生一定影响;如果场地周围有高压线等强磁场，也会对采样结果造成一定影响。野外布置如图1所示。

现场探测过程中，高压线经常对结果产生一定的干扰，测线1自北向南，测点间距为20 m。在测线1完成后，将测线向东平移150 m重新测量，得到测线2，以便更准确地获得断层走向信息等。

3 数据处理

资料应当实时处理。根据各个测点给出的视电阻率、相位及振幅曲线等，对数据质量进行实时分析。剔除不可靠的数据，必要时进行区域的重复测量，再继续测量。在完成整条测线的连续观测后，可实时给出拟反演解释结果的初步成果图。野外工作结束后，在室内完成后续的处理工作，包括两个内容;调整野外数据，对相关系数、滤波系数或对时序资料进行逐个挑选或剔除;对结果文件进行定量解释、二维反演处理、彩色成图等。

本次数据处理采用HMT软件，处理过程是：启动HMT软件→查看数据→一维分析，剔除干扰信号→二维电阻率剖面分析，确定圆滑系数和剖面起点和终点→保存反演数据→分析结果，再次剔除干扰点→重复保存，到达最终反演数据→Surfer成图→修饰美化→获得最终成果圖（卡尼亚视电阻率断面图）。现场工作图如图2、图3所示。

4 处理结果及分析

EH4的测量和计算可以达到几千米的深度，但地表以下过深的位置会出现一定程度的失真和误差，因此位置深度适中时的异常和分析是有效且可信的。其本身对探测到的异常体具有放大效果，人们在色谱图上可以看到更为明显的异常体形态和方向。由图4可以明显看出，色谱图有向右下角倾斜的颜色分解。断层破碎带与完整的岩土体之间会出现电阻率值的突变，尤其是低阻突变在色谱图上呈现得十分明显。

如图4所示，该地层地形略有起伏，表层均为第四系覆盖层，为农田或荒地，视电阻率都小于3 Ω·m。同时，桩号-500附近存在高压线路，对EH4高频大地电磁测深系统的测量结果有一定影响。两条测线均为南北布设，测线1总长度为2 180 m。由图4可以看出，距离桩号0点100～500 m的位置出现低阻异常，疑似有断层出没，同时大桩号（1000以上）位置的测量结果比较均匀、连续。因此，在测线2的测量中，重点勘查测线1出现低阻的区域。

如图5所示，测线2长度为1 100 m，从测线1向东平移150 m得到。如果两条测线均看到断层出没，则可以在二维地图上标注出断层的大概走向和趋势。由图5可以看出，向右下角延展的颜色逐渐变带，同时桩号0点的深部出现较为明显的异常。因此，在距离桩号0点-100～200 m内出现低阻异常，疑似有断层出没。

对比测线1、测线2的结果可知，电阻率视断面图存在明显的电阻率差异，连接两个差异位置，人们即可推测存在的疑似断层，其走向为东北方向70°，视倾角约为60°，倾向约为东南160°。该地区有灰白色砂岩露头，岩石表面破碎严重，节理发育。钻孔资料表明，该地区从上到下岩性分别为：Q2低液限黏土、细砂岩、砾岩砂岩互层、黏土质砂岩、砾岩、砂质黏土岩黏土质砂岩互层、砂岩、砂质黏土岩、黏土质砂岩互层、砂质黏土岩、细砂岩。结合钻孔资料，最终证实断层存在，推测其为延长52km的正断层。

5 结论

工程实践证明，地球物理勘探方法成本低廉，工作效率较高，可以快速获得准确的结果，使人了解工程实际进展。EH-4高频大地电磁测深系统是一种典型的地球物理勘探方法，在探测深部隐伏断层探测方面具有独特的优势，利用多次测量结果，可以在地面上找到准确的点坐标，画出其分布和走向信息，展现其二维空间展布形态和发育规律。同时，该方法可以与其他物探方法联合使用，如高密度电法、地震勘探或传统的钻探验证，提升测量精度。总之，该方法在工程地质勘察中的应用前景较为广阔。

参考文献：

[1]阮彦晟.断层附近应力分布的异常和对地下工程围岩稳定的影响[D].济南：山东大学，2008.

[2]周振广.EH-4大地电磁测深在探测隐伏断层中的应用[J].山西建筑，2016（26）：211-212.

[3]刘亮红，刘亮.综合物探方法在隧道工程勘察中的应用[J].价值工程，2019（26）：132-134.

[4]汤井田，何继善.可控源音频大地电磁法及其应用[M].长沙：中南大学出版社，2005.

[5]刘康和，练余勇.深埋长隧洞地球物理勘察及施工超前预报[M]天津：科学技术出版社，2010.

[6]李平平，陈海龙.地球物理勘探在地热勘查中的应用[J].矿产勘查，2019（4）：938-942.