大地电磁在隧道探测中的应用

蔡建峰

摘 要：为查明隧道地下地质构造情况，文章基于麦克斯维方程组原理，了解了大地高频电磁场特征和EH4电测深系统工作方法，结合西南某隧道低电阻层段和高电阻层段的地电断面实例，讨论分析了大地电磁法在隧道勘探中的应用。结果表明，大地电磁法在岩性划分，断层、破碎带识别及含水层分析方面具有良好的应用效果，表明大地电磁法在隧道探测中具有可靠性和实用性。

关键词：隧道；大地电磁法；EH4

1 高频大地电磁测深原理

1.1 麦克斯维方程组

电磁法勘探的基本方程是麦克斯维方程组：

（1）

式中E为电场强度；B为磁感应强度；D为电通量密度；H为磁场矢量，？塄为哈密顿算符。

1.2 EH4电磁测深系统介绍

1.2.1 EH4电磁测深系统特征

EH4工作频率范围在0.1Hz-100KHz之间，属于高频电磁测深频带范围。EH4系统在勘探中有许多优点，具体表现为：（1）EH4电磁测深系统提供二维张量测量与处理、解释；（2）提供探测区外的场源，为某些频段信号差提供重要参考数据；（3）EH4电磁测深系统适用各种地形，采集数据效率高。

1.2.2 EH4电磁测深系统工作方法

EH4电磁测深系统工作首先是从野外采集电磁场数据（Ex、Ey、Hx、Hy），进而进行去噪、信号加强等处理，然后通过二次处理输出相应数据。根据EH4工作方法可以看出，其剖面测线的选择很灵活，测线布设不一定走直线，这大大提高了勘探效率。

2 大地电磁在隧道探测中的应用

2.1 工区概况

西南某公路隧道大部分地势比较平缓，但局部地区较陡，海拔高差在400米左右。自上而下的地层包括第四系的卵砾石、黏土等松散岩土层，侏罗系自流井组砂、泥岩，三叠系须家河组含煤砂、泥岩；雷口坡组石灰岩等。从电性特征来看工区完整的岩体与软弱岩体、破碎岩体存在着明显的电性差异，这为大地电磁测深勘探提供了前提保障。

2.2 测线布设

从勘探目的来看，隧道中开展大地电磁法主要是为了查明地下一定深度范围内的岩性，并划分地层界线，判断地下断层、破碎带发育情况和分布位置。因此测线沿隧道中线布设，电极距为20米，测点距为20米。

2.3 资料处理解释

2.3.1 EH4资料处理与解释流程

（1）资料处理。为保证解释数据定性、定量解释的真实可靠，需要对外业采集的原始资料进行预处理，包括极化判别、静态效应校正、视电阻率曲线编辑等。（2）定性分析。定性分析的内容包括曲线类型分析、参数分析、相位分析等。（3）资料反演。主要的反演方法包括Bostick反演、一维连续介质反演、二维连续介质反演。（4）结合地质、钻探、测井等资料，综合解释地下地质构造情况，并绘制电学地质断面图，提供综合解释成果。

2.4 应用分析

2.4.1 低阻层断面分析

图1为隧道低阻层段的大地电磁测深综合解释成果图。

从图1可以看出，红色直线代表隧道洞身的位置，该解释剖面位于隧道进口段，地形起伏较大，埋深较浅。从电阻率断面图可以看出，整体电阻率值都偏低，说明岩体总体比较软，并且破碎。在岩体极破碎位置或岩溶发育的位置，出现明显的低阻团块和等值线下凹畸变。地表和近地表覆盖层电阻率非常低，说明岩土层非常疏松，含水性高，在施工过程中应注意涌水、塌方等地质灾害。

2.4.2 高阻层断面分析

图2为隧道高阻层段的大地电磁测深综合解释成果图。

从图2可以看出该测线段位于隧道中深部地段，电阻率没有明显的低值，电阻率相对比较高，说明此段岩体比较完整，以下部老地层基岩为主。低电阻率层以地表和近地表的覆盖层为主。

3 结束语

文章从电磁场原理出发，讨论了高频大地电磁场的特征和EH4系统的工作方法，并结合实际大地电磁资料，分析了隧道低阻层段和高阻层段的电性断面。应用结果表明，大地电磁法在隧道探测中具有良好的可行性和有效性。

参考文献

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[2]刘国栋.我国大地电磁测深的发展[J].地球物理学报，1994，37（增刊1）：301-310.

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