可控源音频大地电磁法在滇中引水工程隧洞穿越区活动断裂调查中的应用

罗文行，房艳国，周 云，吴海斌，翁文林，付兴伟

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010;2.中国长江三峡集团有限公司，北京 100038

1 引 言

滇中地区是我国干旱最严重的地区之一，目前人均占有水资源量大大低于警戒线，特别是滇池流域，处于极度缺水状况。20世纪50年代初，云南省就提出“引金入滇，五湖通航”的宏伟设想。由于当时国家经济比较薄弱，该设想一直未予实施。本世纪初，国家开始积极推动金沙江调水的前期工作。2014年12月国家发改委批复了滇中引水工程项目建议书。滇中引水工程线路处于青藏高原与古扬子板块的交界处，发育多条大型活动断裂，区域构造活动强烈，地震活动频繁，是中国大陆地震活动最活跃的地区之一[1]。活动断裂构造特征研究对于输水工程非常重要。由于断层切割较深，其深部构造特征的研究较为困难[2, 3]，需要借助物探技术对断裂深部形态进行研究。可控源音频大地电磁法(CSAMT)是在大地电磁法(MT)的基础上发展起来的人工源电磁测深法[4-6]。该方法通过分析观测到的由人工可控制的电磁波信号在地球介质中激发的电磁波数据来达到勘探地球内部电性结构的目的。人工控制的信号源频率范围2-2～213Hz，改变频率可以改变探测深度，频率越低，探测深度越深。相较于其他物探方法，CSAMT法具有探测深度大(1～3 km)、不受高阻层屏蔽、横向分辨率高(可以灵敏的发现断层)等优点。随着大地电磁二维及三维正反演理论的进步[7-14]，CSAMT在深部断裂探测[15]、矿产资源[16]、地下水[17]、岩溶[18, 19]、地热资源[20-22]、城市地质[23]、公路隧道[24]等勘察中，取得了良好的应用效果。

本文研究区域位于云南剑川县北部，主要发育三条北北东向活动断层。由于该区域人口密集、村庄众多、高压线路较多，会产生较严重的人文干扰。因此选择抗干扰能力较强的CSAMT法进行探测，并在测线布置时尽量避开高压线。通过CSAMT视电阻率反演剖面结合本区的地质、构造等资料综合分析，推断出断裂带发育的范围以及深度，为后续的隧洞施工提供基础参考资料。

2 区域地质背景

研究区大地构造上位于哀牢山-红河断裂的北东侧(图1a)，处于北北西构造带和北北东构造带的复合部位东侧，北北西向的红河断裂带和北北东向的丽江-剑川断裂带交汇于乔后井附近(图1b)。滇西北地区经历了复杂的构造演化过程，从上更新世末到早更新世初，伴随着青藏高原加速隆升，区域夷平面解体，局部地段发生断陷；早更新世与中更新世之间区域发生一次重要构造事件，滇西北乃至滇西地区的下更新统与中更新统之间普遍发育角度不整合或假整合[25]；晚更新世早期青藏高原又一次强烈隆升[1]。滇西活动构造系包括多个活动断裂带，主要以北东或近南北走向为主，如龙蟠-乔后断裂带、丽江-剑川断裂带、鹤庆-洱源断裂带(图1b)，均以左旋走滑为主要运动方式。区域范围内地层出露较齐全，除寒武系外，前古生界至新生界均有出露。研究区基底元古界变质岩，盖层主要有下古生界下奥陶统砂页岩，主要分布于洱海以东以及剑川-洱源一带；上古生界泥盆系及石炭系碳酸盐岩，主要分布在剑川-洱源一带；二叠系碎屑岩及峨眉山玄武岩，主要分布在剑川-牛街-大理一线及鹤庆东部地区；三叠系碳酸盐岩、碎屑岩主要分布在鹤庆东山及松桂、北衙一带；侏罗系、白垩系主要地层分布在程海-宾川断裂以东地区，距研究区较远；古近系和新近系碎屑沉积岩，主要分布在鹤庆东山一带；第四系主要为残坡积、冲洪积堆积物，分布于洼地、缓坡、河谷和山间盆地。研究区岩浆活动较强烈，从华力西～喜山期均有活动，酸性、基性、超基性和中性岩浆岩均有出露，多沿区域长大断裂分布。区内变质作用仅分布在大理以西苍山一带，主要为苍山前寒武系变质岩带，该带为区域变质、热力变质和动力变质叠加而成的复杂变质岩系。

图1 研究区区域地质构造简图Fig.1 Regional geological tectonic simplified map of study area

3 CSAMT工作原理及野外施工

3.1 工作原理

CSAMT法基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程导出电场(Ex，单位V/m)，磁场(Hy，单位A/m)与视电阻率(ρs，单位Ω·m)的关系：

ρs=(1/5f) (Ex/Hy)2

(1)

式中,f代表频率(单位Hz)。由式(1)可见，只要地面上观测到两个正交的水平电磁场(Ex，Hy)就可获得地下的视电阻率ρs(也称卡尼尔电阻率)。

然后根据电磁波的趋肤效应理论，导出趋肤深度公式：

H≈356×(ρ/f)0.5

(2)

式中,H代表探测深度(单位m);ρ代表地表电阻率(单位Ω·m);f代表频率(单位Hz)。从式(2)可见，当视电阻率固定时，电磁波的传播深度(或探测深度)与频率成反比。高频时，探测深度浅；低频时，探测深度深。因此可以根据改变发射频率来改变探测深度，从而达到变频测深的目的。

3.2 测线布设

为达到活动断裂勘探目的，笔者在研究区内布设了两条测线，A-A′剖面和B-B′剖面，都穿越了三条主要断裂。两条测线剖面总长度约74.5 km，测点共750个，具体的测线布置见图2。剖面沿线主要出露泥盆系下统冉家湾组(D1r)、中统穷错组(D2q)、二叠系玄武(Pβ)、黑泥哨组(P2h)、三叠系中统(T2a、T2b)、北衙组(T2b)、上统中窝组(T3z)、松桂组(T3sn)、燕山期不连续分布的侵入岩、第三系(E+N)及第四系(Q)等地层。其中，白汉场槽谷(龙蟠-乔后断裂)以西多为变质岩及浅变质的片岩、板岩夹灰岩，汝寒坪、汝南河一带以二叠系玄武岩系(Pβ)喷出岩为主，鹤庆西山沙子坪至格局、北衙一带灰岩集中分布(图2)。

图2 研究区地质构造简图及物探剖面布设Fig.2 Geological tectonic map and geophysical profile setting

野外测量工作过程中，笔者采用标量的CSAMT数据采集方式，利用1个场源测量电场分量(Ex)与磁场分量(Hy)，其中x和y分别为测线方向和垂直测线方向。图3标示的就是野外测量的布设示意图，测区范围在发射点A和B两端60°角范围内，距离发射机垂向距离2～4 km。本次野外施工采集系统使用的加拿大凤凰公司生产的V8多能能接收机和RXU-3ER辅助接收机，辅助采集系统还包括AMTC-30磁探头、不极化电极罐。发射系统包括TXU-30大功率发射机，最大输出功率为20 kW，最大输出电压为1 000 V。

图3 CSAMT法野外工作布置示意图Fig.3 Schematic diagram of CSAMT in field work

4 原始数据采集及数据处理

4.1 野外工作参数

为了采集到高质量的数据，野外采集数据时候必须要选择适合CSAMT方法的野外工作参数，比如发射电流大小、发射频率范围、发射偶极长度、收发距等。通过野外踏勘和理论计算，初步确定了这些参数值：使用最低频率1 Hz，最高为7 680 Hz，同时考虑到横向分辨率的要求，接收点距为100 m。由于收发距较大，场强会逐渐减弱，为了保持场源强度，有效压制干扰信号，提高观测数据质量，供电的电流设置最高达到12 A。并且在数据采集过程中，采用多次叠加和重复观测技术，至少每个测点保持2～3次叠加。设置的全频率范围采集周期从45 min到1 h，以提高信噪比压制干扰。

4.2 岩石物性参数

地层的电性差异是地球物理方法中电法类勘探必要的物理前提。只有当勘探对象与周围地质体存在一定的电性差异时，才具备应用地球物理方法进行勘探的物理条件。研究区各地质体岩性的电阻率值(ρ)的测定结果见表1，均处于一般岩性电性特征值范围内。

表1 研究区岩石标本电阻率

香炉山隧洞工程区沿物探测线主要岩性为砂岩、灰岩为主，夹黏土岩或粉砂质黏土岩。完整砂岩和灰岩的电阻率较高，但当其因破碎、岩溶或裂隙发育充水时，其导电性会显著增强，电阻率会明显降低。

4.3 数据处理流程

CSAMT原始测量数据资料存在近场效应、阴影效应及静态位移效应等，因此在数据资料解释之前必须要对原始数据进行处理，使得测量资料较好地反映客观地质情况[26]。为此人们要使用可视化软件进行跳点剔除，然后利用空间滤波器法消除近地表电性不均匀引起的静态效应以及小尺度地形影响，采用比值法消除地形引起的视电阻率畸变，进而再对数据进行一维和带地形的二维反演[27]，以获得勘探深度范围内，特别是经过三条主要活动断层的视电阻率结构分布剖面图。CSAMT数据采用CSAMT-SW V2.0软件进行处理，具体的数据处理流程如图4所示。

图4 CSAMT数据处理流程示意图Fig.4 CSAMT chematic diagram of data processing process

5 数据解释

对电磁法物探剖面进行解译时，既要考虑到视电阻率指示的地球物理意义，还要结合研究区构造地质构造背景。这样数据解释结果才更符合地质实际。

5.1 A-A′剖面

该剖面长度55.95 km，二维反演结果如图5所示。二维反演结果(图5)显示，剖面0～300 m处电阻率较低，是由于隧道口附近岩石较为破碎充水所致，在400 m处视电阻率等值线发生错断现象，推测存在小的断裂构造，倾角约87°，底部延伸深度约200 m。在3.7 km处视电阻率左高右低，与地质调查发现的岩性分界线对应。在4.8 km处，视电阻率等值线发生错断，推测为断裂构造(F1)，倾角约70°，倾向南东，根据视电阻率等值线错断情况显示为逆断层系统，断层深部延伸超过2 km。在5.7 km处视电阻率等值线发生错断现象，根据等值线错断情况显示为正断层系统(F2)，倾角77°，倾向为北西。从5.8 km到6.5 km，视电阻率等值线平稳，表明围岩较为稳定。在6.5 km处，深部存在一低阻异常体，可能是由F3断层滑动引起。在7.9 km处推测存在F4断层，倾角77°，倾向北西，深部延伸300 m。F5、F6和F7处所在区域显示为低阻异常，地表调查发现该处有高压线经过，应该是高压线干扰所致，不是断层引起的。在12.7 km处深部存在一低阻异常体，可能是由于F8断层的深部滑动引起，该断层倾角53°，倾向北西，为正断层系统。F9倾角77°，倾向南东，为正断层系统，深部延伸超过2 km。F10断层左侧为低阻异常带，右侧为高阻异常带，倾角为75°，倾向北西，为正断层系统，深部延伸超过2 km。F11断层处在高阻体内部，为高角度正断层系统，由于断层滑动，流体沿断层面进入到深部，造成深部低阻异常呈条带状展布，受到断层滑动的影响，断层影响带视电阻率明显偏低于围岩。F12处视电阻率等值线连续分布没有错断现象，推测为岩性分界面，不是由于断层滑动造成的。F13存在视电阻率等值线错断，推测为断层引起，倾角82°。F14和F15与地表调查中发现的汝南河断裂带的边界断层对应，反演剖面上视电阻率明显中间低，两侧高，为正断层性质，倾角70°。F16处整体视电阻率呈低阻特征，等值线横向不连续，有错断，为明显的断裂构造特征，倾角为72°，倾向南西。F17处地表为低阻特征，左侧视电阻率明显低于右侧，呈线性构造分布，为断层特征，倾向南西，倾角75°，深部2 km处有低阻体，可能是由于岩溶系统中充填地下水的缘故。F18处根据野外地质调查发现岩性为白云质灰岩，视电阻率等值线图上显示为低阻异常紊乱，横向不连续，有错断现象，可能是由于断层活动引起的岩溶系统贯穿的表现。F19处根据视电阻率等值线显示，左侧高阻，右侧低阻，并且深部还有低阻体，可能与岩溶系统中地下水充填有关。综合分析该处为岩性分界线，推测底部含有碳质地层导致低阻。F20为岩性分界线。F21与F22视电阻率等值线不连续，显示出断层的性质，倾角为80°，为正断层。此处在深部存在3处低阻异常体，可能由于断裂构造使得岩体破碎或者岩溶系统发育所致。F23左侧低阻异常，右侧高阻，等值线连续平稳分布，无明显低阻异常，推测为岩性分界线。F24和F25，等值线分布连续平稳，无明显错断现象，推测为岩性分界线。F26等值线横向不连续，有错断现象，明显为断层导致，正断层性质，倾向北西，倾角78°，受到断裂构造的影响，低阻异常往深部延伸。F27为正断层的反映，倾角80°，倾向北西，断裂带宽约30 m，深部延伸超2 km。F28和F29，视电阻率等值线横向不连续，有错断现象，为断层所致，正断层性质，倾向南东，深部延伸超1 km，受到断裂构造影响，深部有低阻异常现象。

图5 A-A′物探剖面二维反演资料解释Fig.5 CSAMT 2D inversion data interpretation diagram of A-A′ section(1∶1 000)

5.2 B-B′剖面

该剖面线长28.5 km，二维反演结果如图6所示。如二维CSAMT反演剖面所示，F1处视电阻率左高右低，等值线不连续，有错断现象，为高角度正断层，倾角80°，倾向南东。F2左侧低阻，右侧高阻，等值线不连续，有错断现象，是断层的反映，倾角75°，倾向北西。F3和F4处等值线连续，地层分界线，电阻率较低可能由于溶洞的影响。F5视电阻率等值线不连续，受到断裂的影响，深部延伸超过2 km，正断层性质，倾向北西，倾角80°。F6处视电阻率等值线连续，推测为岩性分界线。F7左侧高阻，右侧低阻，视电阻率等值线有错断，正断层性质，倾向南东，倾角80°。F8为岩性分界线，呈椭圆形分布，通过野外地质分析本区含有碳质页岩层，很可能是碳质页岩造成的低阻现象。F9和F10为岩性分界线，视电阻率等值线连续分布，中间为低阻，两侧高阻，低阻现象是由于岩溶系统发育充填地下水所致。F11视电阻率等值线不连续，有错断现象，为典型的断层特征，正断层性质，倾向南东，倾角80°，受断裂构造影响，断层上盘(右侧)岩石破碎造成电阻率较低。

图6 B-B′物探剖面二维反演资料解释Fig.6 CSAMT 2D inversion data interpretation diagram of B-B′ section(1∶1 000)

6 结 论

在滇中引水工程香炉山隧洞工程需穿越3条主要的活动断裂，隧洞埋深最大处上千米深，需要对断裂构造深部延伸情况进行详细研究。本文讨论了可控源音频大地电磁法在研究区深部断裂构造探测中的应用成果，根据与实地地质构造调查成果的对比，效果比较好。通过综合分析和对比，得出如下初步结论：

1)CSAMT方法在本区活动断层探测中具有一定的优越性。首先该方法比人工地震成本低，施工方便、快速，探测深度和精度比人工地震低，但也都可以满足工程研究的需要。其次，相对于其他天然源电磁法，CSAMT采用人工源发射电磁信号，提高了信噪比，降低了人文干扰对探测结果的影响。最后，CSAMT数据带地形处理反演方法的改进，使得该方法在研究区这样山体大、地形陡的山区，探测和解释成果也可以非常符合地质实际。

2)本次工作获得的CSAMT二维反演结果成图效果较好，与野外地质构造调查结果相结合进行综合分析解释，除了对地层进行电性分层外，还识别出多条新的断层，并且对其形态、性质进行了初步几何学和运动学描述，为下一步钻探工程和隧道施工提供了参考依据。