高频大地电磁在深埋隧洞探测中的应用

尹 剑，凌 巍，林永燊

（长江地球物理探测（武汉）有限公司，湖北武汉430000）

高频大地电磁在深埋隧洞探测中的应用

尹 剑，凌 巍，林永燊

（长江地球物理探测（武汉）有限公司，湖北武汉430000）

文章介绍了高频大地电磁在深埋隧洞中探测巨厚覆盖层及断层的优势，以滇中引水工程中深埋隧道探测为实例，基于EH4采集数据，对电阻率二维反演成像图异常形态、高低阻等特征进行了分析，推断出巨厚覆盖层分布情况，查明深埋隧道中断层空间位置，为隧道施工提供了可靠的依据。

高频大地电磁；深埋隧道；巨厚覆盖层；断层；探测

1 前言

在水利行业中，引水隧洞通常为深埋隧洞，其前期勘探对后期施工技术选择与作业安全有着十分重要的作用。通过勘探，摸清巨厚覆盖层分布情况以及确定断层、岩性界限位置。覆盖层由于冲积、洪积、坡积等第四纪松散沉积物的掩盖，使得地质勘查较为复杂，需采用物探、钻探、坑探等手段，以了解巨厚覆盖层的分布特征；断层由于两侧的岩石发生了显著的位移，导致岩体破碎，相对周围岩性电阻率值偏低，它的存在严重影响工程施工质量和施工安全，因而必须确定存在的空间位置。

深埋隧洞一般地处深山区，对于大于100m巨厚覆盖层勘探、确定断层位置，采用钻探等方法施工难度大、成本高、效率低、目标方向不明确，传统的物探方法探测深度又达不到要求，而近十年发展起来的EH4高频大地电磁测深法在深埋隧洞探测巨厚覆盖层、断层中发挥了重要的作用，提高了勘探精度，加快了勘查进度，节约了项目成本，为施工提供了准确的依据。

2 EH4技术及原理

EH4型STraTaGem电磁系统是双源型/地震系统。该仪器适合各种不同的地质条件和恶劣的野外环境，且不受高阻层影响，技术上率先突破传统单点测量壁垒，走向电磁测量拟地震化、联合二维连续观测和资料解释，实现0.01～100kHZ范围内电磁信号的连续采集，因而也被称为高频大地电磁法。

图1 EH4野外数据采集工作示意图

图1 是EH4野外数据采集工作示意图，该系统能观测离地表以下1km范围内断面的电性变化信息，针对这些信息的分析，能有效地研究深部构造、岩层的展布、覆盖层分布并划分其厚度等，以解决水利工程地质勘察、地热与矿产探明、地下水研究查等问题。它是以天然交变电磁场为场源，交变电磁场以波的形式在地下介质中传播，因电磁感应作用，地面电磁场的观测值将包含有地下介质电阻率分布的信息。

电磁理论中，把电磁场在大地中传播时，振幅衰减到初始值1/e时的深度，定义为穿透深度或趋肤深度（δ）

式中:ρ—电阻率值；f—频率。

由（1）式可知，趋肤深度随电阻率和频率变化，频率较低的数据反映较深的电性特性，频率较高的数据反映浅部的电性特性。因此，在一个宽频带上采集电场、磁场信息，并由此计算出的视电阻率，可确定测区电性特征和地下构造，以上就是EH4观测系统的简单原理。

高频大地电磁测深法（HmT）相对于音频大地电磁测深（AmT）、大地电磁测深法（MT）法最大的不同在于其所采用的天然电磁场的频率不同，具体分布图2所示。

图2 HMT、AmT、MT工作频率分布图

高频大地电磁测深法因其能采集高频率段信号，具有测量浅层地层、抗干扰能力强、分辨率高等优势。

3 实例

3.1 工区地质和地球物理特征

“滇中引水工程”中一深埋隧道设计埋深150～250m，最大埋深550m。线路附近山顶高程2064～2645m，山地切割深度200～600m，属中山地貌。输水线路上地表水贫乏，主要受大气降水补给。山体上冲沟较发育，地表植被稀少，地表水排泄迅速。岩溶强烈发育，地下水类型主要为岩溶裂隙水，地下水运移通畅，并可能有较大的地下暗河系统。地面调查发现有断层通过，裂隙较发育，陡坡地带卸荷作用明显。

又名平滑肌瘤、平滑肌肉瘤、怪异性平滑肌瘤的胃肠道间质瘤是一种少见的非上皮性肿瘤类疾病。胃肠道、网膜、肠系膜是肿瘤生长的主要部位，临床将这一类疾病定义为干细胞生长因子受体阳性的梭形细胞或上皮样细胞类肿瘤疾病[1]。我院2012年4月—2017年收治了17例胃肠道间质瘤患者，笔者就本组患者CT影像资料进行回顾分析，现将胃肠道间质瘤CT影像特征表现总结如下。

深埋隧道穿越地层大部岩性为灰岩、白云质灰岩及白云岩夹泥岩、泥质灰岩、页岩、粉砂岩等，岩层倾角25～35°，岩层走向与洞轴线方向呈小角度交切，局部有花岗斑岩侵入。

地球物理方法电磁法类勘探必要的物理前提是地层的电性差异，只有当勘探对象与周围地层存在一定的差异时，才具备应用该方法进行勘探的地球物理条件。根据探测目的、要求及工区内地层的电性差异，地球物理参数电阻率值（ρ）综合为如下对应关系:

灰岩、白云质灰岩及白云岩:＞3500Ω·m；

泥岩、泥质灰岩、页岩、粉砂岩:250～750 Ω·m；

第四系覆盖层、泥石流堆积:30～150Ω·m。

通过物性参数可以明显的看出，覆盖层与基岩存在明显的电性差异，满足地球物理高频大地电磁勘探条件。

3.2 数据采集

野外原始数据采集，要根据该工区现场条件对磁棒、电极线采用“十”型方式铺设；其次测量点尽量远离电磁场干扰区；数据采集过程中禁止人员在磁棒附近来回走动，并严密监视采样叠加过程中的误差棒，对畸变点或异常点进行重复观测，消除因偶然因素引起的假象，以获取高质量的数据，确保野外资料真实可靠。

EH4高频大地电磁法探测是根据电磁波在地下岩层中传播时存在的时差性来反映地下介质的物性差异，即地下介质电场强度、磁场强度和相位的差异；资料处理就是依据磁场强度、电场强度和相位的差异来计算视电阻率值和相位值。简易数据处理流程如图3所示:

图3 EH4数据处理流程

（1）野外采集的电场、磁场信号，通过剔除干扰信号后进行ROBUST处理［5］，计算出每个频点相对应的平均电阻率与相位差。

（2）通过软件进行原始数据的二维反演，获取深度与视电阻率数据。

（3）用反演数据绘制视电阻率等值图。首先用反演数据在Surfer软件中绘制电阻率等值线图，再转换到AuToCAD中，经修整完成最后的成果图，供分析、研究。

由于岩石视电阻率值与地层岩性、构造等关系密切，在视电阻率等值剖面图上可从电性层的倾向以及视电阻率等值线的疏密程度来分析地下介质存在的物性差异。特别是电性的不连续现象显示出视电阻率等值线的密集带、横向斜率突变带或高电阻率区内出现的低电阻率区域等都说明在该处或两侧存在着不同的地质体和地质构造现象。

3.4 资料解释

资料解释是依据地层的物性差异。地下地层由于成因环境不同，同时受构造运动的影响，从而在纵向和横向上产生视电阻率和相位上的变化，研究这些变化以及岩性物性等特征，可以推断地下地层的分布规律、覆盖层分布和厚度、断裂构造等。

在资料分析中，判别异常区主要是根据电阻率值变化及相对值、等值线的形态等综合因素考虑的。本次成果解释的依据是:覆盖层物质相对较松散，且含粘粒成分多，其电阻率值相对较低，加之覆盖层物质相对较复杂多变，电阻率值相对基岩来说均一性差，所以，只要圈定出表层相对低阻与不均匀电性特征的范围，并根据现有资料对比，选取一定值的电阻率等值线，就可能了解覆盖层厚度分布，具体见图4。

TV221

B

1672-2469（2015）10-0080-02

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.25

尹 剑（1986年—），男，助理工程师。