两种方法在某引水隧洞工程隐伏断层中的综合应用

潘纪顺 赵萧萧 刘宇锋 石宗源 王晓雷

摘 要：本文通过对高密度电阻率层析成像及音频大地电磁测深法采集的数据进行处理分析，优劣互补，结合地质资料，为工程的钻孔布设提供可靠的依据保障。同时，也进一步说明了高密度电阻率层析成像法与音频大地电磁测深法探测断层位置的可行性和重要性。

关键词：高密度电阻率层析成像;音频大地电磁测深法;隐伏断层;视电阻率

中图分类号：P631.3;TV221文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）01-0057-03

Abstract： In this paper， the data collected by electrical resistance tomography and controlled source audio magnetotelluric method were processed and analyzed，the advantages and disadvantages were complementary， and the geological data were combined to provide a reliable basis for the drilling layout of the project. The feasibility and importance of electrical resistance tomography and controlled source audio magnetotelluric method to detect fault location were further explained.

Keywords： electrical resistance tomography;controlled source audio magnetotelluric method;hidden faults;apparent resistivity

断层探测是一项难度较大的工作。在工程建设中出现断层往往会产生很多不良影响，必须在施工前进行断层探测[1]。浅层电法勘探方法很早就被运用到断层探测中，最早是用联合剖面法，认为断层为相对低阻体，在联合剖面曲线上表现为正交点。但是，正交点产生的原因多种多样，因此，很难根据联合剖面正交点就判定为断层。而后，浅层地震、高密度电阻率法及瞬变电磁等被用在断层探测中[2]，探测方法日渐成熟。其中，高密度电阻率层析成像更多用于探测埋深较浅的隐伏断层，在识别断层破碎带、浅层断裂构造方面具有优势;音频大地电磁测深法更多用于探测百米到数百米的隐伏断层[3]。本文主要分析这两种方法在某引水隧洞工程隐伏断层中的综合应用。

1 方法原理

1.1 高密度电阻率层析成像法

常规的电阻率法由于其观测方式的限制，不仅测点密度较稀，而且也很难从电极排列的某种组合上研究地电断面的结构与分布。

高密度电阻率层析成像法（Electrical Resistance Tomography，ERT）与常规电阻率法原理基本相同[4]，是以地下介质间的导电性差异为基础，辨别不同的地质体。在现场测量时，将全部电极布设在相同间隔的测点位置，用多芯电缆将其连接到程控式电极转换装置，使电极布设一次完成[5]。测量时由操作员控制而动作，从而实现电极排列方式、极距和测点的快速转换，准确与快速地采集大量数据。在一条甚至同一测区的多条测线上完成高密度电阻率法的视电阻率观测，便可获得大量的实测数据。利用与之配套的电法处理软件对采集的数据进行处理，给出相应的图示结果，通过断层破碎带与两侧地层的电阻率差异或断层两侧电阻率差异可识别断层[6]。

1.2 音频大地电磁测深法

音频大地电磁测深法是以电阻率的差异来划分地层岩性及地质构造，并根据电阻率值的大小以及展布形态来判断地下地质体空间分布的一种物探方法[7]。影响电阻率的主要因素有矿物成分、岩石结构、构造及含水情况等。根据工区地球物理反演结果可知，较完整岩体或完整岩体与破碎、软弱或强风化岩体之间存在一定的电性差异[8]，因此，工区具备开展大地电磁测深的地球物理勘探前提条件。电磁测深仪器是通过同时对一系列当地电场和磁场波动的测量来获得地表的电阻抗[9]。这些野外测量要经过几分钟，傅立叶变换以后以能谱存储起来。这些通过能谱值计算出来的表面阻抗是一个复杂的频率函数，在这个频率函数中，高频数据受到浅部或附近地质体的影响[10]，而低频数据受到深部或远处地质体的影响。

基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组，电场、磁场和卡尼亚电阻率的关系式为：

式中，[ρs]表示卡尼亚电阻率;?表示频率;[Ex]表示电场强度;[Hy]表示磁场强度。

卡尼亚电阻率随频率变化而改变，频率还与电磁波的趋肤深度有密切关联。不同的频率反映不同深度的卡尼亚电阻率。

2 引水隧洞的地球物理特征与数据采集

2.1 地球物理特征

通过资料分析及现场实验发现，该工区内分布地层主要为新近系（N）和第四系（Q）地层。低山区山顶及沟底大部分被第四系土层覆盖，仅沟岸坡有少量基岩出露;丘陵区呈黄土丘陵地貌特征，区内地表均被第四系土层覆盖，局部有基岩出露。第四系松散堆积层电阻率较低，在25～800 Ω·m。由此可见，测区内岩性在垂向上有明显的电阻率差异，为高密度电阻率层析成像和音频大地电磁测深法提供了良好的地球物理前提。

2.2 数据采集

根据工程概况及前期钻孔的位置和资料，设计布设三条音频大地电磁测深法（EH4）测线，即测线I-1、测线I-2和测线I-3，以及高密度电阻率层析成像法（ERT）测段CD1。

利用高密度电阻率层析成像法（ERT），查明埋深較浅（100 m以内）的隐伏断层在隧道拟掘进路径上的具体位置。在测量过程中，根据场地地形、地貌、地质条件及拟解决的目标等因素，采用微分装置和温纳装置进行测量。测线为从钻孔zk06向swzk03方向，测线总长1 200 m，电极距5 m，钻孔06位于400 m处，采用滚动测量方式，滚动4次，每次300 m。数据采集仪器采用DZD-8多功能全波形直流电法仪。

利用音频大地电磁测深法（EH4），查明盐镇-李村断层在洞轴线附近位置，为较准确判定断层的走向和位置，平行布设3条测线，即测线I-1、测线I-2和测线I-3。数据采集用Stratagem大地电磁测深仪器。测点间距为20 m，累计测线总长为4 240 m，测线方向自北向南。

3 数据处理及分析

高密度电阻率层析成像法（ERT）的处理流程包括数据拼接、数据格式转换、数据预处理、地形校正、正演和反演计算，最后得到电阻成像色谱图，并对其进行地质解释。本次处理软件为2D电阻率反演软件RES2DINV，根据地电条件、装置系统及正演模拟结果，有针对性地进行高通或低通滤波处理，消除或减小表层干扰和由于极距化而引起的振荡干扰。测段CD1电阻率断面如图1所示。

测线长1 200 m，连续滚动扫描3次，得到4个剖面，再合并4个剖面得到测段CD1。在桩号500 m下方，电阻率呈现高阻陡变为低阻的变化。桩号500 m向小桩号的方向，地下呈现电阻率高阻区带;而在桩号500 m向大桩号的方向，地下呈现电阻率低阻区带。这种电阻率高低阻陡变分析为盐镇-李村断层存在的迹象，推测断层位置如图2中黑色折线所示。

利用音频大地电磁测深法（EH4）完成整条测线的连续观测后，可在现场采用电磁排列剖面法（Electromagnetic Array Profiling，EMAP）（该法可以有效地消除静态效应）给出拟二维反演解释结果的灰度图。后续处理是野外工作结束后在室内完成的一项工作，一般包括两个内容：一是在主机上对野外数据进行相关系数、滤波系数的调整，或对时序资料（Y或V文件）进行逐个挑选，或剔除等重新处理;二是在上述工作的基础上，对最终处理后的结果文件进一步地做定量解释及二维反演处理。

测线Ⅰ-1自南向北桩号标注为1 680～-500 m，总长度为2 180 m。100～500 m间出现一较宽的低阻异常区带，推测断层走向为东北70°，视倾角约60°，倾向约为东南160°。断层位置如图2中黑色折线所示，大桩号方向为南。

测线Ⅰ-2与测线Ⅰ-1平行，向东平移150 m，测线长度为1 100 m。探测成果见图3，在测线桩号-100～100 m范围内出现一较宽的低阻区带异常区带。

测线Ⅰ-3与测线Ⅰ-1平行，向西平移150 m，沿ZK6向南布设，长度为960 m。从图4所示的电阻率剖面图可以看出，在桩号0 m附近出现规模较小的低阻异常带，分析为规模较小的断层影响所致。

从图示结果可以分析得出，3条EH4测线均有低阻异常带存在，进一步验证了盐镇-李村断层存在的可能性。

4 结论

将高密度电阻率层析成像测段CD1与音频大地电磁测深法（EH4）测线Ⅰ-1重合段放置在一起分析。高密度电阻率层析成像测段CD1桩号约600 m下方存在一低阻带与EH4测线Ⅰ-1揭示的低阻带相对应，两种方法验证了盐镇-李村断层的存在，且其上断点达到埋深70 m。

高密度测段CD1和EH4测线Ⅰ-1、Ⅰ-2和Ⅰ-3的成果图表明，在测段CD1桩号600 m处、在测线Ⅰ-1桩号200 m处（即zk06附近处）及在测线Ⅰ-2桩号50 m处有断层穿过迹象，推测断层走向为西北70°，视倾角约60°，倾向约为东南160°。

测段CD1与音频大地电磁测深法（EH4）测线Ⅰ-1重合，其目的有两个：两种地球物理勘探方法相互印证，以增加判定断层的准确性;两种地球物理勘探方法探测深度的敏感度不同，高密度电阻率层析成像法探测深度偏浅，常在100 m以内，而音频大地电磁测深法探测深度相对较大，可达数百米到几千米深，两种方法的结合可揭示断层自深部向上延伸到浅部的深度位置。

在地下隐伏断层的探测中，工区的地质条件复杂，单纯的地球物理勘探方法不足以满足工程探查需求，通常将多种探测方法结合，由于各自的探测特性，优劣互补，可以较为准确地得出探测结果，更好地解决问题。

参考文献：

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