EH4在工程地质勘察中的应用

钟韬

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙410014）

1 引言

由于西部地区大多地质情况复杂，地形起伏变化大，自然环境恶劣，常规工程地震、电法勘探方法在很大程度不能满足工程地质勘探的需要。针对上述情况，近年来逐步研究出一种新的探测技术——EH4高频大地电磁法，该方法设备轻便、采集速度快、施工费用低、勘探深度大、反演结果精度较高，能更好地适应地形起伏较大、地质情况复杂、环境恶劣地区的勘探工作。本文以西部某治理保护工程引水隧洞隐伏断层的探测为例，介绍EH4在工程地质勘察中的应用。

2 EH 4工作原理

EH4是通过对地面电磁场的观测研究地下岩石电阻率分布规律的一种物探方法。它通过观测2个正交电场分量（Ex、Ey）和磁场分量（Hx、Hy）信息，利用傅里叶变换将时间域的电磁信号变成频谱信号，得到 Ex、Ey、Hx、Hy，并由式（1）计算出卡尼亚电阻率与相位的变化规律，由式（2）计算出趋肤深度，进而推断测区地电特征和地下构造。式（1）和式（2）中，δ为趋肤深度，m；f为频率，Hz；ρ为电阻率，Ω·m；E 为电场强度，ms/km；H 为磁场强度，n T[1]。

3 数据采集技术措施[2]

影响原始数据采集质量的因素主要包括：平行试验检测、电极布置、磁棒布置、采集数据时段等。实际野外测量中需采取必要的技术措施来保证数据质量：

1）在开展工作的前一天做平行试验，检测仪器是否工作正常，2个磁棒相隔5m，平行放在地面，2个电偶极子也平行。观测电场、磁场通道的时间序列信号，检查2个方向通道的波形形态和强度是否基本一致。

2）野外工作电极的布置通常是采用4个电极，其中，每2个电极组成1个电偶极子，电偶极子的布置为分别沿平行测线方向和垂直测线方向各1对，误差夹角应在±2°以内。并确保布置的电极与大地接触良好，一般接地电阻至少要小于10 000Ω/m[2]。

3）磁棒离前置放大器大于5m，为了消除人文因素干扰，2个磁棒要埋在地下，保证其平稳，用罗盘仪定向使HX、HY两磁棒相互垂直，误差不超过±2°，且水平。所有的工作人员离开磁棒至少5m。

4）天然电磁场在不同时段的不同频率的信号强度分布不同。天然场源主要以雷暴为主，在北半球夏强冬弱，夜强日弱。场源信号的这种强弱变化，导致了阻抗数据的变化，在信号较弱时进行观测，阻抗结果往往具有明显的畸变特征，大部分表现为电磁场振幅谱曲线、视电阻率、相位曲线呈谷底型，脱节或不光滑，部分频点标准偏差非常大，此时需使用可控人工源补充天然场信号较弱的高频段信号[3]。

5）采用人工源时，EH4要求在“远区”观测，需避免因发、收距较小，出现近源效应[4]，数据发生畸变；避免因发、收距较大，不能观测到有效数据。接收器到发射源之间最大的有效距离为：标准功率发射器为400m，大功率发射器为800m。标准天线的发射频率是800~64 000Hz；大功率天线的频率范围是400~32 000Hz。

6）采用人工源进行采集数据时，尤其是在地形起伏较大的地方，需注意接收点与发射源的相对位置。

4 应用实例

工程区位于青藏高原东南部，地貌上属高山峡谷区，属冈底斯—腾冲地层区的拉萨—察隅地层分区，分布有元古代（Pt）—第四系（Q）地层。引水隧洞线路沿线为高山峡谷地貌，穿过7条深切大冲沟。地层岩性主要为片麻岩夹片岩、大理岩，引水隧洞与F26断层大角度相交，与F24断层近平行，距离约1.2km，紧临出洞口发育F42断层。工区地形起伏较大、且采集时间段由夏季跨度到冬季，图1a、图1b为不同季节数据曲线，由图可知夏季天然场源各频带信号较强，数据采集质量较好，视电阻率呈现一条近似连续光滑的曲线；冬季天然场源各频带信号较弱，数据采集质量较差，中、低频带局部出现“死频点”现象。图1c、图1d为不同高程接收点数据曲线，由图可知，当源距一定时，接收点低于发射源时，视电阻率曲线“死频点”相对减少，采集数据质量相应较高。因此，本次勘察在夏季采用天然场源信号，在冬季采用可控人工源对天然源信号进行补偿。采用人工源时，通过试验对比确定本次勘察场源距为250～500m，并根据前期测量成果，提前确定好源点位置，尽量使接收点高程低于发射点高程。

图2为引水隧洞线路打贡弄巴与松宗弄巴段剖面，桩号2+290～2+690m 段，视电阻率变化范围为 100～850Ω·m。浅部视电阻率低，小于400Ω·m，主要为崩坡积的反映，最大厚度约50m。高程2200m以上桩号2+490m处视电阻率大于850Ω·m的等值线出现中断现象，小于850Ω·m的等值线趋向断口弯曲，倾向下部的低阻异常区域，为断层（F2）的反映，倾向小里程方向；桩号3+290～3+795.29m段，视电阻率变化范围为100～3000Ω·m。浅部视电阻率低，小于 400Ω·m，主要为崩坡积的反映，最大厚度约65m。高程2500m以上桩号3+380m处视电阻率大于750Ω·m的等值线出现中断现象，小于750Ω·m的等值线趋向断口弯曲，倾向下部的低阻异常区域，为断层（F3）的反映，倾向小里程方向。

图1 典型数据曲线

图2 引水隧洞线路打贡弄巴与松宗弄巴段剖面

5 结论

通过EH4在西部地区探测隐伏断层的应用，表明该方法能快速、准确地查明地层空间分布形态与特征，是一种有效的勘探方法，并且巧妙地采用了天然场与人工场相结合的工作方式，使用可控源补充天然场信号较弱的高频段信号，既保证了浅部到深部的勘探范围，又加快了勘探过程，提高了工作效率，保证了观测质量。