EH—4电磁成像系统在丰宁抽水蓄能电站探测中的应用

何昕欣 陈鹏 乔勇 王泽霞

摘 要：近些年来，以音频大地电磁测量（AMT）物探手段为依托的EH-4电磁成像系统在地质矿产勘查（铀及多金属矿产等）以及工程勘察（地下水、铁路公路隧道、煤矿采空区等）领域应用广泛，并取得了不俗的成绩。文章旨在介绍EH-4电磁成像系统利用双源结合的采集方式在电站枢纽工程建设方面的一些成果，针对电站厂道系统的地下水特征和地下厂房的位置选择提供了建设性意见。

关键词：音频大地电磁测量（AMT）；EH-4电磁成像系统；双源结合；厂道系统

丰宁抽水蓄能电站位于河北省丰宁县境内的滦河干流上。电站枢纽工程主要建筑物由上水库、下水库、厂道系统（地下厂房、水道）等部分组成。工程区地形复杂，地势险峻，悬崖众多，山上植被发育，并有许多岩石出露，给施工带来较多的困难，尤其是厂道系统。

EH-4电磁系统，即StratagemTMEH-4电导率剖面仪（以下简称EH-4），是双源型电导率张量测量仪，采用人工场源和天然场源相结合的方式，实现了天然场与人工场信号的数据采集和处理，既具有人工场的稳定性，又具有天然场的轻便灵活性。

一、方法原理与仪器设备

EH-4是由美国以研制大地电磁仪器而闻名的EMI公司和以制造高分辨率地震仪著名的Geometrics公司联合研制出的，是全新概念的电导率张量测量仪。EH-4利用大地电磁的测量原理，并配置了人工电磁波发射源，用来弥补大地电磁场的弱信号区和几百赫兹附近的人文电磁干扰谐波，由18位高分辨率多通道全功能数据采集、处理一体机完成所有的数据采集。是一种能同时使用天然场源和人工场源信号的频域电磁观测系统。

电磁法系统包括两部分，即发射装置和接受装置（图1、图2）。接收装置包括不锈钢电极、接地电缆、前置转换器（AFE）、磁探头、主机、传输电缆、12V蓄电池；发射装置包括发射天线、发射机、控制器、12V蓄电池。由于仪器的轻便小巧，可以适应地形比较复杂或环境比较恶劣的地区。野外数据采集时，以测线方向为X方向，垂直测线方向为Y方向，沿X、Y方向布置两组相互正交垂直的探头和电极，记录点在“十”字交叉点的中心，10Hz～1kHz为低频段，采集天然场，750Hz～92kHz为高频段，采集人工发射场，发射和接收同步进行，主机观测系统记录Ex、Ey、Hx、Hy四个电磁分量的振幅和相位，通过时间序列数据由傅立叶变换转换到频率域，利用四个场分量的功率谱计算阻抗张量，显示反演电阻率、相位和相干度等数值，根据这些数值来监控数据质量。然后，用专业软件处理，可得到反演电阻率等值图断面图，结合地质资料分析解释，确定电性特征所反映地下介质的岩性。

二、地质概况

丰宁抽水蓄能水电站工程区属中山区，海拔高程一般980～1720m，区内滦河自西北流向东南，河道蜿蜒曲折。

下水库库区河谷宽度一般200～800m，主河槽宽度15m左右，高程1020～1050m。河谷两岸群山起伏，沟谷发育。工程区附近发育有两条较大冲沟：灰窑子沟和东沟。东沟位于下水库拦河坝下游左岸约150m处，灰窑子沟沟口位于下库库区灰窑子村头。

上水库位于灰窑子沟沟顶，为山间凹地，库区由三条较大的支沟组成，地形平缓开阔，三面環山，形成相对封闭的小流域单元，分水岭高1522～1719m。上水库西侧分水岭外即为滦河左岸坡。厂道系统布置在左岸山坡地下。上下水库间可利用落差约445m。

（一）地层。工程区内主要地层岩性包括上侏罗统张家口组中段（J3z2）喷出岩和华力西期花岗岩。另外，上、下库区内广泛分布有第四系松散堆积。

张家口组中段喷出岩广泛分布于上水库及厂道系统上段，岩性为各类凝灰岩（安山质凝灰岩、安山质晶屑凝灰岩、晶屑凝灰岩、熔结凝灰岩、凝灰质角砾岩等）。凝灰岩呈灰白—淡绿色或暗红色，凝灰结构，晶屑主要为斜长石和少量石英，胶结物为火山灰，矿物成份主要为长石和石英。经地质研究所鉴定，凝灰岩中的斜长石多已蚀变，表现为较强烈的绢云母化、绿泥石化、碳酸盐化。

华力西期花岗岩广泛出露于下水库坝址区、库区两岸。下库坝址区附近的花岗岩体内残存有太古界变质岩捕虏体。花岗岩结晶颗粒为肉红色钾长石和白色石英。

第四系覆盖层以残坡积和冲洪积相为主。残坡积碎石土广泛分布于上下水库两岸、上水库库区及水道系统地表，厚度一般小于2m，局部可达5m以上，结构松散。洪积碎石砂土主要分布于工程区内较大冲沟（如上水库所在的灰窑子沟）沟底、沟口部位，厚度变化较大，在上水库坝址区厚度约7m。

（二）构造。工程区内两大主要岩体——凝灰岩和花岗岩在构造发育规律上有一定的差别。

凝灰岩：上水库张家口组凝灰岩形成于燕山运动第一亚期，该期构造线方向以NE～SW向为主。同时，由于凝灰岩历经以后的多次构造运动，主要构造方向发生了一定的变化，根据野外测绘及裂隙统计资料，凝灰岩中的主要断裂按发育频度可以分为NNE向组、NNW向组、NE向组和近EW向组，多为中高倾角。另外，在不同时期形成的凝灰岩岩体之间，存在不同程度、不同规模、不同产状的层间破碎带。

花岗岩：华力西期花岗岩形成于前燕山期构造运动，根据野外断裂统计资料和一级电站水道系统编录资料，花岗岩体内的断裂按照发育频度依次可分为NE65°向组、NE45°向组、NE5°向组和NW275°向组。

（三）物理地质现象。由于岩体结构、成因不同，粗粒花岗岩和凝灰岩在风化方式和风化程度上均存在一定的差异。

粗粒花岗岩以垂直风化和球状风化为主，垂直全、强风化厚度一般小于10m，弱风化厚度一般40～50m。由于存在球状风化，并受断裂构造影响，某些部位的花岗岩体风化较为严重，全风化厚度可达十余米。

根据钻孔、平洞资料，地表凝灰岩全风化厚度一般小于3m，强风化厚度一般小于20m，局部近30m，弱风化厚度一般小于50m。

凝灰岩由阶段性火山喷发形成，在喷发间歇期，暴露于地表的岩体受一定程度的风化作用，当有新的火山喷发物覆盖在上面的时候，在高温作用下，表部岩体发生蚀变，本报告中概括为风化蚀变带。因此，凝灰岩除了受现代风化作用以外，岩体内部还存在有风化蚀变带。

（四）水文地质条件。工程区地下水主要为两种类型，即第四系孔隙水和基岩裂隙水。孔隙水主要分布于滦河河床砂卵砾石层内，以及较大支沟沟底的碎块石砂土内，接受地表水、裂隙水和大气降水补给，向地表沟谷、河流排泄。另外，在某些坡残积碎石土和全风化基岩内还存在少量包气带水。裂隙水分布于基岩内，接受大气降水补给，向覆盖层、地表排泄。

工程区两大主要岩体—花岗岩和凝灰岩均为弱透水岩体，裂隙水的分布和径流主要受风化和构造控制。凝灰岩中的地下水还受风化蝕变带控制。在规模较大的断裂破碎带，很可能形成独立的带状储水构造带。

三、成果解释

厂道系统在蓄能电站的建设中起着重要作用。针对厂道系统的测量工作，主要目的是确定水道系统及地下厂房区地下水特征及分布规律，对地下厂房的位置提出合理性建议。

遵循施工设计完成6条测线，采用剖面测量，测点点距20m。其中WTC1、WTC2、WTC3测线和厂道系统主轴方向平行，而WTC4、WTC5、WTC6测线和厂道系统主轴方向垂直。WTC5、WTC3测线通过Ⅰ期地下厂房，WTC5、WTC2测线通过Ⅱ期地下厂房。以下以WTC2、WTC3、WTC5测线剖面为例，进行推断解释。工程布置图见图1。

（一）WTC2剖面AMT资料解释。测线长度约1200m。从反演电阻率断面图（图4）上可看出，电阻率形态基本上呈3层结构。

第一层：地表（0～20m左右），变化稳定的低阻带，反演电阻率一般在0～100 Ω·m，是第四系和岩石风化物的反映。在距离280m、450m、910m、1100m附近，有数个高阻体，并且和中部的高阻体相连，是致密岩体在地表出露的反映。

第二层：中间层，距离地表约20～150m左右，是变化较快的低阻、高阻交替带，反演电阻率一般在100～4000 Ω·m。在距离300～570m、900～1020m处，分布有2个呈水平带状的高阻体，反演电阻率一般大于1000Ω·m，而在距离670～720m处，有一向下延伸的、并且与深部基岩相通的、直立状的高阻体，该高阻体将中间层的低阻体分割开；高阻体下侧的水平低阻体是弱风化层，反演电阻率一般在200～400Ω·m，反映明显。

第三层：下部，距地表约150～250m以下，基本随地形的变化而变化。反演电阻率变化平稳，一般在400～1500 Ω·m，是深部基岩的反映。地表的断裂破碎带对该电阻率层基本没有影响。

地下厂房：在距离160～400m段，是Ⅱ期地下厂房的地段。从反演电阻率断面图上可以看出，海拔高度在1200m以下是完整的高阻体，反演电阻率变化平稳，反演电阻率大于1000Ω·m，是深部基岩的反映，也是建设地下厂房比较有利的地段。

（二）WTC3剖面AMT资料解释。测线长度约3300m，是厂道系统处最长的剖面测线。从反演视电阻率剖面图（图5）上可以看出，形态基本和WTC2测线类似，呈3层结构，地表是低阻层，中部是高、低阻互层，以及深部的高阻层。

地表低阻层：厚度一般在0～30m，反演视电阻率一般在0～150 Ω·m，是第四系和岩石风化物的反映。

中部是高、低阻互层：厚度一般在30～250m。在里程300m、650m、1550m、2180m、2650m、2920m处，分布有数个呈水平带状、团块状的高阻体，反演视电阻率一般大于1000Ω·m，部分高阻体直接连通到地表，是致密岩体的反映。在高阻体的周围或高阻体的下侧，是比较明显的、具有一定厚度的低阻体，厚度一般在10～50m，是相对富水带的反映。在里程0～1200m、2050～2400m、2650～2800m处，分别有3条规模比较大的富水地带，地表水沿F3、F4、F5、F6断裂破碎带渗入，向两边渗透，形成带状的低阻带。

深部高阻层：在距地表200～300m以下的范围是稳定的高阻层，反演视电阻率一般在1000～3000Ω·m，是深部基岩的反映

Ⅰ期地下厂房位置分析：在距离2035～2247m段，是Ⅰ期地下厂房的地段。从反演电阻率断面图上可以看出，从地表到深部可以划分成4个视电阻率层：（1）海拔1270m以上是第四系和岩石风化物的低阻体；（2）海拔1180～1270m，是呈高阻的致密岩体；（3）海拔1060～1180m，是富水岩层反映的低阻体；（4）海拔小于1060m，反映的是深部的基岩。从上面的分析可以看出，海拔高度1060m以下的是致密的基岩，反演电阻率大于1000Ω·m，是厂房建设比较有利的地段。

断裂分析：J10节理带和F4断裂破碎带（低阻异常）基本对应。而J9（J9在WTC2线上的反映见前面的分析）、J12在视电阻率剖面图上反映的是浅层的低阻异常，深度一般小于50m。

（三）WTC5剖面AMT资料解释。测线长度约800m，是垂直于厂道系统主轴方向的剖面测线。从反演电阻率断面图（图6）上可以看出，电阻率形态基本上以距离400m左右可以划分成南北两段。

南段：距离0～400m段。以中、高阻体为主，垂向分布呈四层结构。第一层，是厚度约30m的地表低阻层；第二层是厚度在50～100m的高阻层；第三层是厚度在50～80m的低阻层，推测是富水层；第四层是中、高阻层，是深部基岩的反映。

北段：距离400～800m地段。以中、高阻体为主，其反演电阻率一般大于600Ω·m，是基岩的反映（推测为花岗岩体）。表层的厚度在50m左右，反演电阻率一般在200～400 Ω·m；下部为中、高阻体，反演电阻率一般大于600Ω·m，随海拔高度的降低反演电阻率呈增高稳定趋势；在中、高阻体的范围内，海拔1300～1150m、距离700～800m的区域，有一明显的团块状高阻体，反演电阻率在2000～12000Ω·m，是致密岩体的反映。

低阻异常：在距离390m附近，有一电阻率变异带，宽度在20～50m，向下延伸约80m，推断为F8断裂破碎带。该低阻带的两侧，宏观上反演电阻率差异较大，推测该异常带上有断裂破碎带存在，可能是岩性分界的位置，也可能是由于断裂破碎带的原因使得南段相对富水而形成反演电阻率差异较大。

地下厂房地段：（1）在距离83～280m的地段，测线穿过Ⅰ期地下厂房。从反演电阻率断面可以看出，在海拔小于1100m的区域，其反演电阻率一般在300～400 Ω·m，虽然反演电阻率值不是很高，但变化非常小，反映基岩是很稳定的。（2）在距离320～480m的地段，测线穿过Ⅱ期地下厂房。该地段位于反演电阻率梯度变化较快的过渡部位，反演电阻率从600Ω·m增加到1500Ω·m，因此在该地段建设地下厂房是不是很适应，还需要进一步的工作。

四、结语

通过对反演电阻率断面的分析，水道系統的地下水位埋深一般在10～30m之间，形态上基本和地形相一致。在断裂破碎带发育地段，地下水位埋深可达到50～80m。距地表200米以下，基本上为致密基岩，基本上不含水。

局部地段发育有相对富水带，呈水平条带状或弧形分布，埋深一般在100m左右。

从WTC2、WTC3、WTC5线反演电阻率断面上可以看出，Ⅰ期地下厂房区是稳定的高阻体区，岩体稳定，适宜建设地下厂房。而Ⅱ期地下厂房区的西侧是反演电阻率梯度带（WTC5线距离的320～470m），虽然变化不是很剧烈，但需要引起注意。

EH-4采用双源结合（人工场源和天然场源）相结合的采集方式，能适当弥补中频段天然场信号的不足，提高信号的信噪比。

参考文献

[1] 李金铭编著.地电场与电法勘探[M].地质出版社，2005.

[2] 何继善编译.可控源音频大地电磁法[M].中南工业大学出版社，1990.

[3] 石昆法.可控源音频大地电磁法理论与应用[M].科学出版社，1999.

作者简介：何昕欣，核工业航测遥感中心物化探勘查院。