EH4高頻大地電磁測深數(shù)據(jù)的時頻分析

1、EH4 高頻電磁測深在斷層構造探測中的應用研究以川藏路高爾寺山隧道為例 鐘邱平1 ，趙虎1 ，宮悅2 ，趙敏2( 1 四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設計研究院，四川 成都 610041; 2 四川省地震局，四川 成都 610041)摘 要:將 EH4 高頻大地電磁測深法應用于高原特長隧道高爾寺山隧道構造、巖性的勘察，通過與鉆探及地質調繪的資料對比，EH4 音頻大地電磁法可以在宏觀上查明深埋隧道地層巖性分界、地質構造及其賦水性，為鉆孔布置 及隧道設計、施工提供地球物理依據(jù)，在高原地區(qū)深埋隧道勘查中能達到較為理想的效果。關鍵詞:EH4 高頻大地電磁測深; 深埋隧道; 高爾寺山中圖分類號:P631文獻標識

2、碼:A文章編號:1001 8115(2012)02 0042 06近年來，公路建設中面對越來越多的深埋長大隧道，長大深埋隧道有平面里程長、深埋大、地質構造復雜等特點，高原地區(qū)深埋隧道又因其特殊性( 高海拔、高寒) ，鉆探工作難以充分展開，一直是公路工程地質勘察與設計中的難點。就地球物理勘探方法而言，重磁法在研究基底的起伏和埋深、劃分構造單元、確定深大斷裂方面具備明顯的優(yōu)勢1，然而針對在公路系統(tǒng)應用中受到時間緊、任務重以及成本等條件限制的因素因此目前選擇運用最多的工程物探方法為電法與彈性波法( 面波、地震折射波、地震測井、地震反射波) ，尤其是淺層地震方法，在高原地區(qū)應用時往往會受到地形條件、震

3、源等因素制約，難以達到勘探工作的要求大地電磁法是近十幾年來迅速發(fā)展起來的一種電磁法勘探技術，具有工作效率高、探測深度大、分辨率高、受地形影響相對較小、抗干擾性能強、成本較低廉等特點2，3，在100 1 500 m深度范圍內，能查明電阻率差異較大的高、低阻不均勻體，利用 EH4 電磁成像可以完成雙源型電磁法數(shù)據(jù)自動采集和處理，若再將 EH4 配合其他綜合地球物理方法同樣也可用于探測和定位活動斷層，多種地球物理探測方法為數(shù)據(jù)處理后的對成果圖的正確解譯異常奠定堅實的基礎4，5。川藏路高爾寺山隧道為國道 318 線川藏南線公路改建工程的一座高海拔特長隧道，隧址區(qū)氣候條件極其惡劣( 積雪時間長) 、人際

4、稀少、洞身地形陡峻，傳統(tǒng)勘察方法難以充分查明其地質情況，本次勘查的重點在于探明高爾寺山隧道所通過的斷層破碎帶的位置、規(guī)模，通過采用 EH4 高頻大地電磁測深法，取得了極為顯著的效果，對后期地質勘察工作有較大的指導意義。HFM 方法原理1高頻大地電磁測深是基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組導出的水平電偶極源在地面上的電場及磁場公式:I·AB·1·( 3cos 2)2( 1)Ex =32r3 I·AB·1Ey =·sin2( 2)34rI·AB·12r20 Ez = ( i 1)··cos( 3)槡

5、2121槡0 3 I·ABHx = ( i + 1)··cos·sin( 4)34r收稿日期:2011 12 31; 修回日期: 2012 04 09作者簡介:鐘邱平( 1975 ) ，男，四川內江人，工程師 .21I·AB2Hy = ( i + 1)·( 3cos 2)( 5)3 ·槡0 4r3 I·AB·1( 6)Hz = i·sin420 r式中，I 為供電電流強度; AB 為供電偶極強度; r 為場源到接收點之間的距離。將( 1) 式沿 X 方向的電場( Ex ) 與( 5) 式沿 Y

6、方向的磁場( Hy ) 做比值運算，然后再經過一些簡單運算，就 可獲得地下的視電阻率( s ) 公式:2Ex 1 ( 7)s=25fHy式中，f 代表頻率。由( 7) 式可見，只要在地面上能觀測到兩個正交的水平電磁場( Ex ，Hy ) 就可獲得地下的視電阻率 s ，也叫卡尼亞電阻率公式。又根據(jù)電磁波的趨膚效應理論，在準靜態(tài)條件下導出趨膚深度公式 為:槡f( 8) 503式中， 代表趨膚深度， 代表電阻率，f 代表頻率。雖然趨膚深度在某種意義上說與電磁波在介質中穿透的深度有關，但它并不代表電磁勘探中實際的有效深度。勘探深度 H 是一個模糊的概念，根據(jù)經驗我們將地磁波衰減到 50% 時的深度稱為

7、勘探深度，可以 得到勘探深度的經驗公式為:( 9)H 0 6932 356槡f該式表明，隨著電阻率的減小或頻率增大，探測深度變淺; 反之，隨著電阻率的增大或頻率減小，探測深度加深。因此，當大地電阻率一定時，通過對不同頻率電磁場強度的測量就可以得到該頻率對應深度的地電 參數(shù)，從而達到測深的目的6，7，8。2HFM 工作方法2. 1 設備組成EH4 電導率成像系統(tǒng)是重點解決淺、中深度范圍內工程地質問題的一種雙源型電磁系統(tǒng)，工作頻率范 圍在 10 Hz 100 kHz。這是全新概念的電導率張量測量儀。利用大地電磁的測量原理，配置了特殊的人工 電磁波發(fā)射源。這種發(fā)射源的天線是一對十字交叉的天線，組成

8、X、Y 兩個方向的磁偶極子，輕便而且只用普通汽車電 瓶供電即可，發(fā)射頻率從 500 Hz 到 100 kHz，專門用來彌補大地電磁場的寂靜區(qū)和幾百赫茲附近的人文電磁 干擾諧波，一起用反饋式高靈敏度低噪音磁棒和特制的電極，分別接收 X、Y 兩個方向的磁場和電場。野外 工作具體方法見圖 1。2. 2 設備布設原則( 1) 觀測點的布置: 電偶極方向采用羅盤儀指示，方 便快捷; 用皮尺測量偶極距離，并進行地形改正，誤差小 于 1 米，方位差小于 1°。( 2) 電極的布置 : 工作共用四個電極，每兩個電極組 成一個電偶極子，與測線方向一致的電偶極子為 X-Di- pole; 與測線方向垂直

9、的電偶極子為 Y-Dipole。為 了 保 證 X-Dipole 方向與 Y-Dipole 方向相互垂直，要用羅盤 儀定向，誤 差 ± 1 ° ; 電偶極子的長度用測繩測 量， 誤差 ± 0. 5 m。圖 1 EH4 工作方法示意圖·44·四 川 地 震2012 年第 2 期2. 3 數(shù)據(jù)采集和處理該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式為時間域采集，然后通過傅氏變換轉換為頻域信號，再進行分析。即通過對時間域采集的兩個電場分量 Ex、Ey，兩個磁場分量 Hx、Hy 進行傅氏變換，轉換為電磁場頻域的實分量、虛分量然后計算各頻帶的視電阻率，振幅，相位差及全信息相干度等

10、，并實時顯示一維圖像。為保證采集到較高精度的資料，數(shù)據(jù)采集時，以測線方向為 x 軸，垂直測線方向為 y 軸，在測點上沿 x、y 方向布置兩組相互正交的高頻磁探頭和電極，采用“十”字形方式布極。根據(jù)地形、地物條件，各個測點的電極距為 8 20 m 不等布極方向分別平行(Ex )和垂直(Ey )于測線。同樣，磁傳感器也分別平行( Hx ) 和垂直( Hy ) 于測線接收信號選用兩個頻段，低頻段接收頻率范圍為10 1 000 Hz的信號，高頻段接收頻率范圍為 500 Hz 100 kHz 的信號，通過同時觀測地表交變電磁場 x、y 方向電場(Ex、Ey )和磁場( Hx、Hy ) 水平分量的時間序列

11、，然后經過傅立葉變換和復雜的函數(shù)計算可得到地下交變電磁場的自功率譜和互功率譜，從而計算出大地電磁場的頻率響應，即隨頻率變化的視電阻率和阻抗相位值。高頻大地電磁測深法首先對原始數(shù)據(jù)進行編輯，剔 除明顯的干擾點，對存在靜態(tài)影響的數(shù)據(jù)進行空間濾波， 形成頻率視電阻率等值線圖，再通過二維反演，繪出二 維反演斷面圖; 分析以上圖件，劃分出異常段; 把異常和 其它輔助物探方法取得的資料作對照，結合地質資料做 出初步地質推斷( 斷層帶和巖性分界的位置) 。對上述 初步物探成果進行現(xiàn)場地質調查和異常核對，并結合已 知的地質資料進行綜合推斷，形成最后地質結果，繪制物 性地質斷面圖，并得出各地質構造( 本次物探主

12、要為斷層 和巖性分界) 的特征和性質，填繪綜合成果平面圖，數(shù)據(jù) 流程如圖 2 所示。應用實例33. 1 隧址概況隧址區(qū)位于青藏高原東部邊緣地帶川西高原高山圖 2 數(shù)據(jù)處理流程圖區(qū)，區(qū)內河谷深切，地形陡峭，山巒起伏，屬高山峽谷地貌，其地勢總趨勢是: 北高南低，西高東低，山體呈南北橫向發(fā)育，其最高點位于高爾寺山山頂，最低點位于隧道進出口段發(fā)育的常年走向溪溝，相對高差約 800 m表現(xiàn)為明顯的高原丘狀地貌特征。隧址區(qū)出露揭示地層為新生界第四系全新統(tǒng)松散層和第三系上統(tǒng)雅江組( T1 ) 、兩河口組( T3 ) 變質地3y3ln層，巖性主要為低液限黏土、黏土夾碎石、碎塊石土，以及板巖、變質砂巖、炭質千枚

13、巖、絹云千枚巖等，另外在斷層帶分布有構造角礫巖。高爾寺山隧道主要位于雅江弧形構造區(qū)南側，尤西拉俄洛堆復式向斜東南段北翼的次級褶皺章果瓦背斜北側，其間主要受該弧形構造區(qū)內發(fā)育的康定新都橋海子山斷裂段影響。場地構造主要為褶皺、斷裂。3. 2場區(qū)地球物理特征在正式開展工作之前，為了解工區(qū)的電性參數(shù)，進行了物探電性參數(shù)實測，通過資料分析可知，表層塊碎石土的電阻率為 100 800 ·m，基巖以千枚巖、板巖為主，完整巖體電阻率較高，s 1 000 ·m，破碎、軟弱或含水巖體與完整巖體有一定的電阻率差異，其中，極破碎、極軟弱或富水巖體 s 300 ·m; 破碎、軟弱或含水巖體

14、 s 為 300 700 ·m; 較破碎巖體 s 為 700 1200 ·m; 較完整巖體 s 1 200 ·m。由于各種巖層的電阻率有一定的差異，而各類正常巖體與斷層及構造破碎帶的電性參數(shù)差異，且均勻巖性其電阻率表現(xiàn)也較均勻一致，這些判別條件為物探外業(yè)工作提供了前提并為資料分析提供依據(jù)。3. 3 測線布置及數(shù)據(jù)采集根據(jù)掌握的該區(qū)地質資料和物探工作的技術要求，物探測線沿隧道線路貫通，在地表沿推薦線方案右線隧道軸線布置，點距一般采用 20 m，采用首尾相連測的 EMAP 連續(xù)觀測。3. 4室內資料處理與解譯資料按前述方法進行處理，用相關軟件進行反演成圖( 圖 3)

15、，數(shù)據(jù)處理結果如下:( 1) 巖性解譯: 隧道穿越的地層相對較為簡單，主要為三疊系上統(tǒng)雅江組( T1 ) 、兩河口組( T3 ) 變質地3y3ln層，隧道進出口端有第四系地層分布。表層深度 50 m 范圍內電阻率較低，s 1000 ·m，為巖體風化的電性表現(xiàn); 中深部電阻率分布零亂，高、低阻團塊和條帶相互穿插，分布不均勻，表明圍巖總體上破碎、軟弱、裂隙較為發(fā)育，含水性較好。圖 3 相位曲線反演根據(jù)異常劃分原則，隧道洞身 K14 + 200 K15 + 300、K15 + 380 K15 + 490、K16 + 320 K16 + 430 段電阻率偏低或等值線下凹畸變( 圖 4) ，K

16、14 + 200 K15 + 300 段為高壓輸電線對電磁測深的嚴重干擾區(qū)，此段 異常非巖性地層差異應予排除，K15 + 380 K15 + 490、K16 + 320 K16 + 430 段為巖體極破碎、極軟弱的電 性反映，可能對隧道工程產生不利影響。圖 4 高爾寺山隧道 EH4 剖面 K12 + 400 K17 + 070 段電阻率分布剖面( 2) 構造解譯: 在隧道通過地段共發(fā)現(xiàn)具有斷裂構造特征的低阻異常帶 2 處( 圖 4 ) ，分別編號為 Fw1、Fw2，現(xiàn)分別解釋如下:1) Fw1:洞身 K15 + 380 K15 + 490 段電阻率呈自上而下的帶狀低阻反應，推測為該區(qū)域 F4

17、斷裂，視傾角約為 70°，斷層破碎帶附近電阻率為 50 500 ·m，根據(jù)電性特征判斷，傾向隧道出口方向，影響寬度約·46·四 川 地 震2012 年第 2 期100 m，地表及洞身附近位置電阻率較低，s 1000 ·m，推測較為破碎，含水性好，受破碎帶影響，周圍巖體完整性差，工程地質條件也較差，且附近可能發(fā)育有其他小型斷層破碎帶。2) Fw2: 在地表 K16 + 320 K16 + 430 段附近，電阻率變化較大，電阻率為 70 600 ·m，推測為受構造影響所致，電阻率較低且梯度變化大，推測為斷層破碎帶巖體較為破碎，含水，且局部

18、有小斷裂或裂隙密集發(fā)育，視傾角約為 85°，巖體工程地質條件較差。圖 5 為隧道進口處采用 EH4 對斷層破碎帶勘察的視電阻率剖面，由圖可見完整基巖和斷層破碎帶，在視電阻率上的明顯差異，EH4 大地電磁法在斷層勘探中起著非常明顯、良好的效果。圖 5 隧道進口 EH4 視電阻率剖面( 3) 含水帶解譯: 隧道穿越地層巖性主要以三疊系變質巖地層為主，根據(jù)地下水在巖層中的賦存條件及水力特征，可分為第四系松散堆積層孔隙潛水、風化及構造裂隙地下水。從物探成果資料看，并不能對地下水類型進行區(qū)分，只能以電阻率來初步判斷含水帶，供地質人員參考，隧址區(qū)主要富水區(qū)為斷層破碎帶，根據(jù)電阻率判斷，推測的 2

19、 條破碎帶及隧道進出口含水性較好。表 1高爾寺山隧道線路斷層或構造破碎帶統(tǒng)計編號名稱地 表 位 置視寬度( m)簡 單 描 述高阻背景中低阻帶狀異常，電阻率為 50 500 ·m，巖體比較破碎，并可能含水，影響范圍較大。1Fw 1K15 + 380 K15 + 4901002Fw 2K16 + 320 K16 + 430110電阻率偏低且梯度變化大，70 600 ·m，巖體比較破碎，并可能含水。( 4) 圍巖分類: 根據(jù)電阻率的變化、巖性、含水性等特征，結合區(qū)域地質情況、地質調查、淺部鉆孔情況，綜合判斷出隧道軸 線的圍巖類別，特別是對隧道工程影響較大的 IV、V 級圍巖，詳

20、 見表 2。推測斷層破碎帶全部劃為 V 級圍巖，未編入表中。( 5) 地質驗證: 根據(jù)物探解釋成果，地質人員重點對物探推 測 Fw1、Fw2 附近位置進行地面地質調查工作，均有斷層的地 質反映，與物探推測結果基本吻合，只有局部細節(jié)存在差異。表 2 高爾寺山隧道軸線圍巖分類里程樁號s ( ·m)圍巖類別K12 + 400 K13 + 000K16 + 800 K17 + 070K13 + 000 K15 + 380K15 + 490 K16 + 320K16 + 430 K16 + 800 700 700700 2000700 2000700 2000V IV結束語4( 1) 利用 E

21、H4 電磁測深方法，成功地對高原、高寒、高海拔的高爾寺山隧道的巖性、構造、地下水進行了解譯，結合區(qū)域地質情況、地質調查情況進行了圍巖類別的劃分，達到了預期效果，并經后期勘察工作與實際情況基本吻合。與其他大地測深法一樣，EH4 同樣要嚴格按照規(guī)范要求布線和采集數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)時采用各種避免干擾的措施，盡量采用 EMAP 連續(xù)觀測以減少地表不均勻性及靜態(tài)效應帶來的影響，在資料處理時要刪除“飛點”畸變，電磁測深反演效果好壞是由對數(shù)據(jù)野外采集的好壞及室內資料處理的細致程度決定的，在做好正確物探圖件分析后結合地質情況才能得出比較符合實際的結論。( 2) EH4 電磁測深法具有工作效率高、探測深度大、分辨率

22、高、受地形影響相對較小、抗干擾性能強、成本較低廉等特點，在 100 1 000 m 深度范圍內，能發(fā)現(xiàn)所有的電阻率差異較大的高、低阻不均勻體，是公路長大深埋隧道勘察的一種行之有效的手段，在高原地區(qū)的成功運用表明在高原隧道勘察中值得推廣應用。( 3) 由于 EH4 電磁測深法不能提供巖體波速，且局部具有多解性，工作中應盡量采用多種勘察手段，并 用少量鉆孔加以驗證，使地質成果更接近實際情況。參考文獻1 李才明 重磁勘探教程M 成都理工大學信息工程學院，2006 22 陳仲候，王興泰，杜世漢 工程與環(huán)境物探教程M 北京: 地質出版社，20053 雷 宛，肖宏躍 工程與環(huán)境物探M 北京: 地質出版社，

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