EH4和纳米瞬变电磁法及激发极化联合探测断层构造★

张 毅 毋光荣

(黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003)

EH4和纳米瞬变电磁法及激发极化联合探测断层构造★

张 毅 毋光荣

(黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003)

以某工程为例，使用EH4大范围探测查明了断层的大致位置和产状，采用纳米瞬变电磁在断层的大致位置进行详查，确定了断层的准确位置及产状，并根据极化率推测了断层富水性，指出EH4、纳米瞬变电磁法和激发极化联合探测断层的构造具有可行有效性。

EH4，纳米瞬变电磁法，激发极化法，断层

在山谷间探测断层是物探工作的难点，山谷间场地狭窄，很多物探方法受场地限制很难开展。高频大地电磁法(EH4)是少数不受场地限制的物探新方法，具有工作效率高，适合在山区作业的优点，但是该方法探测的天然源信号较弱，精度较低，加之山谷间造成的地形响应难以消除，因此高频大地电磁法只能确定断层的大致位置，也无法确定浅部断层的宽度和倾角。EH4法需要一种精度高的物探方法配合使用。

纳米瞬变电磁法探测浅部断层效果很好，可以更准确探测到断层的位置、倾角和宽度。激发极化法可以评价断层富水性，但是该方法装置笨重，在山区探测效率低，很难大规模开展工作，只能在小范围进行详测。三种方法的联合使用可以发挥三种方法的优点，快速准确的查明断层，并评价断层富水性。

1 概况

1.1 工程概况

小浪底北岸灌区位于济源市和焦作市，灌溉面积74.6万亩。一期工程年均引水量为1.45亿m3，由总干渠、一干渠和输水线路组成，总干渠长17.917 km，11号隧洞是总干渠包含的12条隧洞之一，F29断层与11号隧洞相交，给施工带来了极大的安全隐患。需要查明F29断层的位置、规模和产状，确定F29断层上盘是否有承压水。

1.2 地形地貌

29号断层所在区为单斜构造，属王屋山余脉。地貌单元属基岩丘陵，地面高程250 m～420 m，高差50 m～100 m。山体以基岩为主，出露基岩破碎。地表多黄土，厚度几米至几十米不等，植被发育。河谷呈“V”字形，沟底多为坡积物覆盖，常有泉水。

1.3 地质简况

29号断层为正断层，推测走向325°，倾角76°，倾向东北，断层带宽度5 m～20 m，北侧与F59断层相交，南侧与F52断层相交。断层上盘发育有大量的塌滑体。

依据钻孔资料，探测深度内的地层岩性主要为砂岩和泥岩，覆盖层为黄土状粉质壤土。

1.4 地球物理特征

分析探测结果:地层由上到下电阻率具有逐渐增大的特征，对原始数据统计后得出，基岩电阻率值为80 Ω·m～220 Ω·m，本区的地下水位较浅，断层破碎带充水后表现为条带状低阻体，破碎带电阻率最小为25 Ω·m;地层含水率越高，极化率越高，本区完整岩体极化率为1.0～1.6，富水破碎带极化率为1.9～2.2;因此采用大地电磁法、纳米瞬变电磁探测断层，采用激发极化法评价地层富水性具有较好的地球物理前提。

2 工作布置

顺洞轴线布置测线3，分别用EH4、纳米瞬变电磁和激发极化法探测，3种方法起点相同，见图1。

图1 测线布置图

2.1 大地电磁法

1)方法原理。EH4是在大地电磁法(AMT)基础上发展起来的频率域电磁法，在高频段使用人工场源作为补充，在中、低频段仍使用天然源，与传统大地电磁法一致，但效率大大提高。其工作原理是基于麦克斯韦方程组完整统一的电磁场理论基础。利用天然场源或人工源，在探测目标体地表的同时测量相互正交的电场分量和磁场分量，然后用卡尼亚电阻率计算公式得出视电阻率。根据大地电磁场理论可知，电磁波在大地介质中穿透深度与其频率成反比，当地下电性结构一定时，电磁波频率越低穿透深度越大，能反映出深部的地电特征;电磁波频率越高，穿透深度越小，则能反映浅部地电特征。利用不同的频率，可得到不同深度上的地电信息，以达到频率测深的目的。

2)工作布置。采用无源矢量模式，20 m点距(水平距离)，20 m极距(水平距离)测量，根据天然场实时强度，中高频和低频段采用5次～20次叠加，矢量测量方式为“十”字形布极(见图2)。探测时1根电极插在测点上，另外4根以测点为中心对称布设，Ex，Hx与测线方向一致，Ey，Hy与测线方向垂直。

2.2 纳米瞬变电磁法

1)方法原理。瞬变电磁法简称TEM，以不接地回线通以脉冲电流，以激励探测目的物感生二次电流，在脉冲间隙测量二次场随时间变化的响应的一种电磁探测方法。

2)工作布置。TEM探测使用的仪器是美国Zonge公司生产GDP-32Ⅱ纳米瞬变电磁系统(NanoTEM)，采用中心回线装置(见图3)，通过现场试验，选用发射线圈为10 m×10 m的4匝导线，接收线圈则采用5 m×5 m的2匝导线，点距10 m，发射电流4 A，发射频率为32 Hz，探测效果最好。

图2 测量装置示意图

图3 瞬变电磁中心回线装置示意图

2.3 激发极化法

1)方法原理。在人工电流场(即一次场或激发场)作用下，具有不同电化学性质的岩石或裂隙水，由于电化学作用将产生随时间变化的二次电场(激发极化场)。这种物理化学作用称为激发极化效应。它包括电子导体的激发极化效应和离子导体的激发极化效应。激发极化法是根据激发极化效应来解决水文地质、工程地质等问题的勘探方法。它又分为直流激发极化法(时间域法)和交流激发极化法(频率域法)。常用的电极排列有中间梯度排列、联合剖面排列、固定点电源排列、对称四极测深排列等。

2)工作布置。为了与纳米瞬变电磁探测结果比对，直流激发极化法也使用施龙贝格装置，见图4。

图4 对称四极激发极化法装置

最小AB/2为20 m，最大AB/2为600 m，最小MN/2为10 m，最大MN/2为20 m，详见表1。以铁电极作为供电电极，不极化电极(铅和氯化铅)为测量电极，使用12 V汽车电瓶加升压器作供电电源。

表1 激发极化法装置参数表

3 成果分析

3.1 大地电磁法

采用IMAGEM软件对预处理后的EH4数据进行反演计算，反演后使用测量成果进行地形校正，最终使用Surfer软件绘制电阻率—深度剖面图。

从图5中的电阻率—深度剖面图分析，在水平距离220 m～300 m，出现1条明显低阻条带，低阻条带明显倾向大桩号一侧，电阻率小于60 Ω·m，低阻区两侧的高阻区电阻率等值线明显上下错动，小桩号一侧的高阻区电阻率120 Ω·m～240 Ω·m，大桩号一侧的高阻区电阻率80 Ω·m～120 Ω·m，小桩号电阻率值明显高于大桩号一侧，推测存在1条北倾正断层，小桩号一侧为下盘。

图5EH4成果图

3.2 纳米瞬变电磁法

纳米瞬变电磁法数据采用“STEMIN”反演程序处理，用“surfer”得到图6中的电阻率—深度剖面图，剖面中部出现一条明显的低阻条带，位置与3测线大地电磁法成果图中的低阻条带一致，但更加精细，更为精确的反映出断层的位置和倾角，断层破碎带电阻率20 Ω·m～40 Ω·m，小桩号一侧的高阻区电阻率120 Ω·m～220 Ω·m，大桩号一侧的高阻区电阻率80 Ω·m～160 Ω·m，小桩号电阻率值明显高于大桩号一侧，电阻率大小关系与大地电磁法一致，推测存在1条北倾正断层，小桩号一侧为下盘。

图6 纳米瞬变电磁法成果图

3.3 激发极化法

从图7中激发极化法的电阻率—深度剖面图分析，剖面中部出现明显的高极化区(极化率1.9%～3.2%)，位置、宽度均与3测线大地电磁法成果图中的低阻条带一致，推测为富水性强的破碎带，小桩号一侧极化率η为1.0%～1.6%，大桩号一侧的极化率η为1.4%～1.6%，小桩号电阻率值明显高于大桩号一侧，极化率大小关系与大地电磁法反映的地质情况一致，断层两侧的低极化率区域形态完整，且越往深部极化率越低，说明断层两侧地层富水性整体弱，且越深富水性越弱，未发现承压水迹象。地质解释见图8。

图7 激发极化法成果图

图8 地质解释图

4 结语

经钻孔YZK01光学成像验证，采用EH4、纳米瞬变电磁法和激发极化联合探测F29断层位置，产状准确，抽水试验结果与激发极化法推测富水性一致。说明用这三种方法探测山区断层并评价富水性的做法可行。纳米瞬变电磁法在浅层的工程探测应用中效果是比较显著的，通过现场试验发现用小线框大电流可以有效提高探测深度。

［1］ 何继善.可控源音频大地电磁法［M］.长沙:中南工业大学出版社，1989.

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

［3］ 刘广岳.基于瞬变电磁法(TEM)的西昆仑地区多年冻土厚度探测与研究［J］.冰川冻土，2015(2):38-41.

EH4，TEM and induced polarization method to detect fault★

Zhang YiWu Guangrong

(YREC，Zhengzhou 450003，China)

Taking an engineering as the example，first to use a wide range of EH4 detection，find out the fault of approximate position and attitude and then use TEM method in the fault of the approximate location of the survey，the fault to determine the accurate position and attitude，and according to the polarization rate inference water rich fault，pointed out that the structure of EH4，Nano TEM and induced polarization joint detection fault had feasible and effective.

EH4，TEM，induced polarization method，fault

P631

:A

1009-6825(2016)35-0061-03

2016-09-30 ★:水利部“948”计划项目(项目编号:201506)资助

张 毅(1980-)，男，工程师; 毋光荣(1955-)，男，高级工程师