音频大地电磁在长大深埋隧道勘探中的研究与应用

王品丰， 康世海， 孔凡涛， 李 明

(1.重庆市地下水资源利用与环境保护实验室,重庆 400707;2.重庆岩土工程检测中心,重庆 400707;3.成都理工大学 地球物理学院,成都 610059;4.中国能源建设集团 新疆电力设计院有限公司,乌鲁木齐 830002)

0 引言

“十三”五期间将是西南地区公路、铁路等交通基础设施开展全面建设时期，涉及到的长大深埋隧道勘探会越来越多。长大深埋隧道探测目标深度较大，造成地球物理场的严重畸变，勘探技术要求高[1]。近几十年来，隧道勘察常用物探方法有高密度电法、浅层地震发、大地电磁法，均有各自优势和效果。我国西南地区往往地形陡峭多变、地质条件复杂，地质勘探条件苛刻。高密度电法、浅层地震法等方法受勘探深度小、地形影响大、高阻屏蔽作用，在地形起伏剧烈、基岩裸露严重的山区适用性和操作性不强[2-3]，尤其在西南地区的长大埋深隧道，往往无法探测到隧道深部的地质情况，无法突出勘探目的和意义。

大地电磁测深(MT)是20世纪50年代初由A.N.TiKhonow[4]和L.Cagnird[5]提出的一种天然电磁场勘探方法。音频大地电磁(AMT)作为大地电磁测深衍生的一种方法，以天然交变电磁场为场源，以电磁感应为基础，依据趋肤深度，研究不同频率的电磁波对所穿透的地质体的响应，以得到地下介质电阻率的分布，其频率范围在1 Hz-104Hz之间，具有勘探深度大、受地形影响相对较小、不受高阻层屏蔽、对含水破碎带、岩溶发育带及软弱夹层等低阻体反映灵敏，且仪器轻便、操作容易，弥补了浅层物探方法在西南地区公路、铁路隧道勘探中的不足。

笔者针对隧道探查目标，建立相应的地质模型，

开展正反演模拟计算，探讨音频大地电磁法对隧道勘探目标的可行性及有效性，旨在为音频大地电磁在隧道勘察中提供合理的模型依据和反演参数。结合成昆线民太隧道部分实测剖面，通过分析带地形的二维NLCG反演结果，探明深度约1 km的断层破碎带宽度及产状，查明软弱带及富水带的埋深和规模。

1 勘探区地质及地球物理概况

1.1 地质概况

隧区经历了晋宁、华力西、燕山、喜山各期运动，除晋宁期及燕山期属褶皱运动外，其他各期均为升降运动。区内褶皱、断层发育，岩浆活动频繁，基底变质岩岩系内构造线以近东西向-北东向为主；红色盖层构造线以北北东向及北北西向为主，正、逆断层发育。

1.2 岩石物性特征

AMT法研究范围内的地层电阻率，一方面取决于岩石自身性质，如孔隙度、渗透率等，另一方面取决于孔隙内流体的性质。根据经验统计和本区地球物理的反演结果分析，归纳总结了测区的岩石物性参数统计表(表1)。由表1可知，断层破碎带及富水体与其他岩体之间表现出明显的电性差异，为工区开展AMT法提供了地球物理勘探条件。

表 1 岩石物性特征统计Tab.1 Statistics of physical properties of rocks

2 理论模拟分析

2.1 模型设计及正演模拟

针对探查目标，结合测区的实际地质情况和物性参数统计所反映的电阻率变化特征，合理的设计了隐伏破碎断层和含水溶洞并存的二维地电模型(图1)，其中断层起始于1.5 km处，终止于4.5 km处，倾向剖面右侧，倾角30°，破碎带宽约500 m；溶洞位于断层右侧，深度约为1 km；上覆覆盖层厚200 m。依据表 1物性参数统计，破碎带和含水溶洞电阻率分别设为50 Ω·m和10 Ω·m，围岩电阻率设为1 500 Ω·m，覆盖层电阻率设为500 Ω·m。笔者采用MT-Soft软件对模型进行正反演模拟计算。

图1 隐伏断层和溶洞模型Fig.1 Model of buried fault and cavity

在模型有限元正演模拟结果(图2)的两种模式中，TE模式下的似电阻率断面图和相位断面图对隐伏断层和溶洞位置反映较为清晰，其中TE相位对断层产状和形态反映得更为逼真；TM模式下似电阻率断面图发生了畸变，只能对断层有所体现，而对溶洞的状态几乎没有反映，但TM相位对断层反映相对较好，对溶洞的反映也是“有迹可循”。因此，为了突出勘探目标，在本测区的实际资料处理中TE模式视电阻率资料反映的结果可能更接近真实情况，应加以重视；同时由于两种模式相位资料对深部结构均有所反映，因而在数据处理中TE与TM相位资料均具有参考价值，也不容忽视。

图2 模型正演模拟结果Fig.2 Results of model forward computation(a)视电阻率(TE);(b)视电阻率(TM);(c)相位(TE);(d)相位(TM)

图3 模型一维反演结果Fig.3 Results of model 1-D inversion(a)Occam一维反演结果;(b)Bostick一维反演结果

2.2 模型反演对比

在现今的实测资料的处理解释中仍然广泛运用大地电磁的一、二维反演，其中一维反演的结果可以为解释提供依据，更重要的是为二维反演提供初始模型。国内比较常用的反演大地电磁反演方法主要有Bostick变换法[6]、Occam反演法[7]、RRI反演法[8]、共轭梯度(NLCG)反演法[9]等,其中Bostick变换法是大地电磁中一种特殊的一维反演算法，是基于大地电磁测深曲线低频渐进线的性质，将视电阻率随周期变化的曲线变换成为电阻率随深度变化的曲线[10]；Occam反演法是一种正则化的带平滑约束的最小二乘法反演方法，它致力于模型最光滑，具有收敛稳定、受初始模型影响小的特点[11]，在大地电磁一维、二维反演中得到普遍运用；RRI反演方法避免了求解雅可比矩阵，减少了内存需求，极大地提高了计算速度，但结果严重依赖初始模型[12]；NLCG反演法巧妙地避开了雅克比矩阵的求取，转换为求解大型矩阵与向量的乘积，是一种稳定高效的反演方法[12-14]，在大地电磁反演方法中占有较高地位，但对初始模型的依赖性较高，不同的初始模型会很大程度地影响反演结果。由于一维反演结果是对真实模型的一阶近似，一定程度上反映了真实模型特征，且反演参数较少，非唯一性远弱于二维反演[15]。故实际运用中NLCG反演往往利用Occam反演和Bostick反演的一维结果作为初始模型。

Bostick、Occam一维反演的两种结果(图3)中，

图4 不同初始模型的二维NLCG反演结果Fig.4 NLCG 2-D inversion results of different initial models(a)初始模型Occam-TE;(b)初始模型Bostick-TE

两种反演方法的TE模式反演结果均比较理想，断层以及溶洞的形态清晰可见、且覆盖层划分精准，不足之处在于断层左侧围岩与断层的“嵌入”关系不清晰；两者对比，Bostick-TE反演结果相对较好，体现在断层和溶洞的独立性更好，这是由于Occam算法致力于模型最光滑，而Bostick算法需求模型相对尖锐。由于正演中TM数据差强人意，因而两种反演方法中TM数据依然不够理想，只是对断层位置有一定的体现。同时由于受到TM数据的“污染”，TE+TM模式的两种反演结果不够理想。综合比较，本文挑选结果相对较好的Bostick-TE和Occam-TE一维反演结果作为二维NLCG反演的初始模型。

图4为比对优选过后的二维NLCG反演结果，分别列出了Bostick-TE、Occam-TE一维反演结果作为初始模型的三种反演参数的二维NLCG反演结果。由于挑选的初始模型本身就很接近真实模型，故两种反演算法三种反演参数的6个结果均能清晰突显勘察目标。总体而言，初始模型为Bostick-TE的结果比初始模型为Occam-TE的结果对断层的反映更清晰真实，体现出了一维反演没有表现的断层与围岩的“嵌入”关系，这对断层破碎带宽度的评价提供了更真实的信息。但由于初始模型的影响，TE模式和TM模式的结果中依然有断层和溶洞相连接的假象，而TE+TM模式的结果较好。综上所述，初始模型为Occam-TE反演的二维NLCG-TE+TM反演结果，在较清晰地反映出勘察目标的位置、几何形态以及厚度的同时，不会形成无关的假象异常，客观地反映真实理论模型。

3 野外数据采集及资料处理

3.1 野外数据采集

大地电磁测深的目的在于探测地下不同深度介质的导电性构造，而应用的成功与否，很大程度上取决于数据采集[16]。本次野外工作使用加拿大凤凰公司生产的V8多功能电法系统，由于地形条件所限，部分测点采用V8配套的RXU-3ER辅助接收盒采集电场信号，与主机V8共用磁场信息行进处理。在施测中，观测频率范围为1.25 Hz～10 400 Hz。野外数据采集为四分量采集，即Ex、Ey、Hx、Hy，布极方式为十字型，在地形条件较差情况下，部分测点采用了“T”形的布极方式。

3.2 资料处理

野外原始资料预处理采用V8观测系统标配的处理软件SSMT2000，尽管AMT的研究对象是介质对不同频率的响应，但依然是时间域的观测方法。为此首先将时间域数据转为频率域数据，再采用Robust张量阻抗估计方法，即根据设置权函数对实际数据进行校正[17]，求取张量阻抗，继而计算出各个模式下的电阻率和相位值。预处理后进行资料后续处理，首先结合实际地质和物性资料以及设计模型正反演的经验，对数据进行飞值剔除、去噪、静态校正、空间滤波等处理，然后进行一维及二维反演对比研究。

4 勘探成果与解释

基于前述理论模型正反演模拟研究，将民太隧

图5 DK710+000至DK714+500段电阻率断面图和综合解释图Fig.5 DK710+000 to DK714+500 section of resistivity profile and integrated interpretation chart (a)电阻率断面图;(b)综合解释图

道实测数据以一维Occam-TE反演作为初始模型进行二维NLCG-TE+TM反演，得到隧道电阻率断面图作为资料解释的基本图件，结合实际地质资料和物性资料进行综合分析得到隧道综合解释图件。图5列出了隧道中DK710+000至DK714+500段的电阻率断面图(上)和综合解释图(下)，其中贯穿剖面的横线代表隧道。

4.1 电性异常分类

根据电阻率断面图中背景值的大小、低阻异常的形态、低阻异常值及其与背景值的差异等，结合实际地段所对应的地层岩性，对地层分界线、断层、岩溶及岩体的破碎、软弱或含水情况进行判释。

根据似电阻率ρs值大小，并考虑地层岩性等因素，将低阻异常大致分为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ四类(图5下)：Ⅱ类异常ρs值大于3 500 Ω·m且分布均匀的高阻区域为较完整岩体；Ⅲ类异常ρs值1 500 Ω·m～3 500 Ω·m，为较破碎岩体；Ⅳ类异常ρs值100 Ω·m～1 500 Ω·m，为破碎、软弱或含水岩体；Ⅴ类异常ρs值小于40 Ω·m，为极破碎、极软弱或富水岩体。其中依据似电阻率断面图上低阻异常的等值线密集处(梯度变化最大处)确定异常的边界。

4.2 综合解释

依据NLCG二维反演得到的电性剖面图，结合地质情况和后期钻孔的验证，对隧道测线剖面的地质构造和岩性作出综合解释。

测区地表岩性相对单一，主要变现为灰色中薄层的页岩、钙质砂岩、页岩夹砂岩，表层风化程度较弱，该层在电性上对应电性结构中低阻特征。下层岩性较杂，常穿插有不明期次的辉长岩、辉绿岩、花岗岩侵入体，电性特征表现为高阻或极高阻；DK708+660～DK713+660段岩性主要为灰黑色，千枚状构造，薄-中厚层状千枚岩，岩质较坚硬，节理发育，多充填方解石脉，局部可能受区域构造作用存在挤压破碎现象。该段对应的地质构造为海资哨向斜，向斜核部DK710+900～DK711+060段物探揭示为异常低阻带，围岩潮湿～浸润状，局部可能小股状渗水，为含盐岩泥岩段地层，围岩条件较差。

DK710+000～DK714+500段大致可以分为3段，DK710+000～DK711+500段、DK712+700～DK714+500段电阻率整体表现为A型，深层为较完整岩体的综合反映；其间DK710+905～DK711+052段、DK713+747～DK713+835段电阻率表现出相对低或极低的特征，电阻率值介于10 Ω·m～150 Ω·m，为条带状反映，且附近反演电阻率梯度值大，对应断层破碎带，可以推断存在F1和F2断层(图5下)。其中，F2断层与地质推断的FM7(明太7号断层)逆断层位置大致相同，断层宽度为50 m左右；F1断层为物探新推测的断层，在后期钻井资料中得到证实。DK711+500～DK712+700段电阻率总体表现为Q型，深部视电阻率极低，小于40 Ω·m，为Ⅴ类异常，对应岩溶强烈发育或富水岩体，推断可能有溶洞存在的可能。

5 结论

笔者在实际隧道勘查中，针对隧道勘察中常遇到的断层、含水破碎带、岩溶等低阻体，形成的一套研究思路和探索过程，并作结论如下：

1)音频大地电磁法具有工作效率高、探测深度大，且不受高阻层屏蔽、对低阻敏感等诸多优点，对长大深埋隧道勘探中的地质目标体具有良好的识别能力，是一种行之有效的隧道勘探方法。

2)针对隧道探查目标，结合测区的实际地质情况和物性参数，建立相应的地质模型，开展正演模拟计算，分析对比两种极化模式，得到TE模式视电阻率资料反映的结果可能更接近真实情况，TE与TM相位资料具有一定的参考价值。

3)选择不同初始模型的多反演参数对模型进行反演计算，在综合考虑正演模拟分析和研究区实际地质调查资料的基础上，最终确立了以一维Occam-TE反演作为初始模型对成昆线民太隧道实测数据进行二维NLCG-TE+TM反演。根据似电阻率断面图，对岩体完整性进行评价，结合实际地质资料，能够基本成完成电性-地质分界线、构造破碎带、岩溶溶蚀带及富水带的分辨,结果证明了模型的合理性和反演参数选择的有效性。

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