V8网络化多功能电法仪在工程中应用研究*

刘康和 王志豪 赵吉祥

V8网络化多功能电法仪在工程中应用研究*

刘康和 王志豪 赵吉祥

某工程输水隧洞线路长、海拔高、洞段多为深埋—超深埋、地质条件复杂多变。发挥V8网络化多功能电法仪即电磁测深技术的优势，系统揭示了测区岩性带、地层结构、断层破碎带等地质体的空间展布规律，为工程地质分析和工程设计决策提供了重要的依据。

大地电磁测深 电磁波 卡尼亚电阻率 深埋长隧洞 断层破碎带 岩性分带 地层划分

V8网络化多功能电法仪是目前世界上技术先进、功能齐全的电法勘探仪器。该设备由发射系统、采集 （接收）系统、定位系统组成，具备：（1）大地电磁测深（MT）；（2）音频大地电磁测深 （AMT）； （3）可控源音频大地电磁测深（CSAMT）；（4）时间域瞬变电磁（TDEM）；（5）时间域激发极化（TDIP）等电法勘探测量功能（生产厂商可根据用户要求选择配置测量模块），选用时可根据场地条件、勘测对象、探测深度及其测试精度等综合考虑。2014年中水北方勘测设计研究有限责任公司承担的水利部 “948”项目 （编号201419）引进了该系统（根据水工物探应用范围和示范工程需要选配AMT/CSAMT/TDEM/TDIP四大模块），并在某生态环境保护工程输水隧洞勘测中得到应用，通过对埋深1.5～2.0 km范围内地质情况探测，基本查明了测试区岩性分带、地层划分、断层破碎带的空间展布规律，取得了较好的应用效果，从而达到提高勘察成果质量、优化勘测技术、缩短勘测周期、节约勘察成本、保证勘察设计质量的目的。

1 基本原理及方法特点

1.1 基本原理

在电磁场理论中，当电磁波通过大地传播时，其传播能量随深度的增大逐渐被吸收，把电磁波振幅衰减到初始值的1/e时的深度定义为趋肤深度，其公式为：

式中 δ——趋肤深度，m；

ρ——卡尼亚电阻率，Ω·m；

f——频率，Hz。

勘探深度（h）是一个较为模糊的概念，一般把电磁波能量衰减到初始值的50%时的传播深度定义为勘探深度，其公式为：

从式（1）、式（2）可以看出趋肤深度（δ）和勘探深度（h）都与电磁波的频率和地下介质的电阻率有关，即与频率平方根成反比，与大地介质的电阻率平方根成正比。当工作频率高时，探测深度小，随着工作频率降低，探测深度也随着增大。在地下电阻率一定的情况下，频率越高趋肤深度和勘探深度越浅，反之亦深。在频率一定的情况下地下电阻率越小趋肤深度和勘探深度越浅，反之电阻率越高探测深度越深。当在一个宽频带（如CSAMT的工作频率1～9 600 Hz）上由高频向低频测量每个频点上的电场和磁场，由此计算出视电阻率和相位变化规律，据此确定该点上一定体积范围内地下介质结构情况，这就是电磁频率测深的基本原理。

1.2 方法特点

（1）AMT是利用天然音频大地电磁场作为场源（频率范围为1～10 000 Hz），属于被动源电磁法，观测电场和磁场分量，进而计算卡尼亚电阻率。但在采集频率范围之外很难获得较好的采集数据。该方法因无需发射装置，所以具有设备轻便、工作灵活、成本低廉的优点。其弱点是由于天然电磁场极化方向随机，所以必须进行张量测量和分析，才能得到可靠的阻抗和卡尼亚电阻率，另外，由于天然音频电磁场的信号微弱，容易受到工业电磁信号的影响，使得抗干扰能力很差，必须进行长时间叠加、远参考、Robust估计等以压制干扰。野外采集和预处理工作量大、效率低。

（2）CSAMT是利用接地水平电偶源为信号源的一种频率域电磁测深法，它采用了大功率的人工场源，其产生的电磁场具有明确的极化方向，可以在发射电偶极子两侧60°的扇形区域内进行测量。该法具有信号稳定、信噪比高、抗干扰能力强、地形影响小、探测深度大、工作效率高等优点。其缺点是整套设备较笨重、存在场源效应的影响（如过渡带效应、近场效应、长远附加效应以及场源阴影效应等）。

（3）TDEM是通过不接地回线向地下发送一次脉冲电磁场（一次场），在其激发下，地下地质体中激励起的感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场（二次场）。由于二次场含有地下地质体丰富的地电信息，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈观测二次场（或称响应），通过对这些响应信息的提取或分析，从而达到探测地下地质体的目的，比较适用于中、浅深度（100～800 m）的地质勘察。

因TDEM是观测纯二次场，不存在一次场源的干扰，这称之为时间上的可分性；但发射脉冲是多频率的合成，不同延时观测的主要频率不同，相应时间的场在地层中传播速度不同，探测深度也就不同，这称之为空间的可分性。基于上述2个可分性，TDEM可避免接地带来的影响、施工效率高、成本低廉、纵向分辨率高等优点。缺点是二次场一般信号较弱，使其观测信噪比低，易受外界电磁干扰、在地形条件复杂的测区布设线框较为困难。

2 工程应用

2.1 概况

某工程输水隧洞线路长、海拔高、洞段多为深埋—超深埋、地质条件复杂多变。该隧洞存在的主要工程地质问题有：（1）断层带围岩失稳； （2）高地应力条件下围岩变形；（3）岩爆；（4）高外水压力与突涌水；（5）高地温；（6）活动性断层；（7）膨胀岩等；因此，查明输水线路上的断层构造及岩性分带是线路地质勘查的关键性工作。基于现场情况，只能布置少量的、常规的地质钻探，此难以满足工程地质勘察和工程设计的要求。通过V8网络化多功能电法仪进行大地电磁测深，可以系统揭示了测区埋深1.5～2.0 km范围内的断层构造和岩性分带等问题。

本次探测段所涉及的地层岩性有：石炭系灰岩或大理岩化灰岩和凝灰质砂岩、奥陶系灰岩、华力西期花岗岩、第三系泥岩以及第四系地层等。

2.2 探测方法与技术

主要对输水隧洞复杂地质洞段进行探测。根据探测场地地层岩性和断层构造带的物性特征及其要求的勘探深度（＞1 500 m），选用CSAMT/AMT/TDEM法进行现场探测，重点探查断层的规模、产状及随深度变化特征、岩性分布规律等。下面分别介绍施测所采用的方法与技术：

（1）CSAMT的工作频率范围为1～7 680 Hz（分40个频点进行采集），现场数据采用标量采集模式工作，使用1 台V8主机采集，点距40 m，单个采集排列长度为120 m，每个排列可同时采集3个物理点。发射电极A、B间距约2 km。为满足远场测量的要求，根据测线位置和测区地层电阻率特征，收发距一般为最大探测深度的5～9倍，本工程根据具体地形条件，收发距选取7.5 km。

（2）AMT的工作频率范围为1～10 000 Hz，现场数据采用 “十”字形的张量观测方式，同时记录2道电信号（Ex、Ey）和2道磁信号（Hx、Hy），再由傅立叶变换求取电磁场的功率谱和波阻抗，进而计算卡尼亚电阻率。剖面采集使用电磁列阵剖面法（EMAP），即首尾相接的连续剖面测量方式，观测点距40 m。

（3）TDEM的一次电磁场激发频率为25 Hz和5 Hz，其对应的允许观测最晚时间道分别为6.28 ms和37.7 ms，现场数据采用大定源回线装置，发射线框为400 m×600 m，发送电流为10～20 A不等，接收线圈为100匝、面积为1 m2，观测点距20 m。为保证记录数据的可靠性，视测区的干扰情况采用不小于50次叠加，并随时进行检查观量。满足探测深度400～600 m的要求。

2.3 成果分析

2.3.1 CSAMT探测成果分析

图1为输水隧洞穿越断层区CSAMT视电阻率等值线断面图 （最大探测深度约1 700 m）。综合分析本次探测资料，并结合地质测绘及钻探成果，对该段测试剖面解释如下：

整条测线的实测电阻率横向变化较大，在垂向上电阻率变化一般为由上到下电阻率逐渐变大。一般表层为第四系松散堆集物，层厚10～30 m，电阻率范围值1～50 Ω·m。

下部为基岩，洞身附近岩体分段为：

0～300 m段，表现为高阻异常体，其视电阻率范围值一般大于1 000 Ω·m，推测为奥陶系灰岩的反映。

300～500 m段，表现为低阻异常体，其电阻率范围值50～500 Ω·m，推测为F1断层的反映，倾向上游，视倾角80°～90°。

500～1 300 m段，表现为相对高阻异常体，其电阻率大于1 000 Ω·m，推测为石炭系厚层大理岩化灰岩及华力西期花岗岩在电性上的反映，二者分界面不明显。

1 300～1 650 m段，表现为低阻异常体，电阻率范围值100～500 Ω·m，推测为F2断层的反映，倾向下游，视倾角75°～85°。由于挤压紧密，在洞身附近电阻率范围值为1 000～2 000 Ω·m，属于较高电阻体。

图1 CSAMT视电阻率等值线断面图

1 650～2 200 m段，表现为高阻异常体，其视电阻率范围值1 000～7 000 Ω·m，推测为华力西期花岗岩的反映。

2 200～2 600 m段，表现为低阻异常体，电阻率范围值50～500 Ω·m，推测为F3断层的反映，倾向上游，视倾角65°～80°。由于挤压紧密，在洞身附近电阻率范围值为1 000～2 000 Ω·m，属于较高电阻体。

2 600～3 120 m段，表现为高阻异常体，其视电阻率范围值1 000～7 000 Ω·m，推测为石炭系厚层大理岩化灰岩及华力西期花岗岩在电性上的反映，二者分界面不明显。

2.3.2 AMT探测成果分析

图2为图1测线西侧约200 m处且与之平行的AMT视电阻率等值线断面图（最大探测深度约1 600 m），起点与图1起点相比略向大桩号偏移。由图2可以看出，F1断层与图1中F1断层位置及其形态方面较为一致，但是在细节方面具有一定的差异，初步推测为附近高压线产生的电磁干扰对AMT测试方法产生了一定的影响。

图2 AMT视电阻率等值线断面图

2.3.3 TDEM探测成果分析

图3为输水隧洞进口段TDEM视电阻率等值线断面图（最大探测深度约450 m）。综合分析本次探测资料，并结合地质测绘及钻探成果，对该段测试剖面解释如下：

地表至洞线以下100 m范围内地层电阻率变化较大，其中深度0～150 m范围内相对低阻区为第四系地层或破碎岩体的电阻率反映，下部相对高阻区为较完整岩体的电阻率反映。

图3 TDEM视电阻率等值线断面图

洞身附近岩体分段为：

0～210 m段，表现为相对高阻异常体，其视电阻率范围值120～300 Ω·m，推测为石炭系C2dnb-1凝灰质砂岩的反映；其中洞线附近210 m处视电阻率等值线相对密集，反映变化梯度较大，推测为F4断层的反映，该深度段等值线近直立，视倾角约86°，倾向小桩号。

210～400 m段，表现为低阻异常体，其视电阻率范围值70～120 Ω·m，推测为第三系地层N1+2红色泥岩的反映。

3 结语

通过工程应用研究，取得了以下认识：

（1）V8中CSAMT法在某工程输水隧洞中的应用能够达到勘探深度不小于1 500 m的要求，也基本保证了复杂地质条件下勘测成果的精度。

（2）由于V8中CSAMT法接收的是人工场而非天然场，所以具有一定的抗干扰能力。但是在高压线的强干扰下也存在一些影响，此时测线宜适当偏移，以保证测试效果。

（3）对V8中CSAMT、AMT进行了相互验证、补充，所得结果基本一致。而TDEM法测试结果经钻探验证，也基本符合实际情况。

（4）工程实践证明，在地形地貌、地质条件复杂的情况下，应用V8网络化多功能电法仪即电磁测深技术对深埋地下工程中的岩性分带、断层破碎带等复杂地质现象的勘测可形象地揭示其在空间的展布规律，为工程地质分析、指导其它勘探工作的布置和工程设计决策提供重要的基础成果。

[1]刘康和，练余勇.深埋长隧洞地球物理勘察及施工超前预报[M].天津∶天津科学技术出版社，2010.

[2]刘康和，段伟，王光辉，等.深埋长隧洞勘测技术及超前预报[M].北京∶学苑出版社，2013.

[3]何继善.广义电磁法和伪随机信号电法 [M].北京：高等教育出版社，2010.

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[5]SL 326—2005水利水电工程物探规程[S].

[6]中国水利电力物探科技信息网.工程物探手册 [M].北京∶中国水利水电出版社，2011.

刘康和 男 教授级高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

王志豪 男 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

赵吉祥 男 助理工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

TU413

B

1007-6980（2015）04-0043-03

2015-08-12）

*水利部“948”项目，编号201419。