基于大地电磁法高频数据静态位移校正应用

◇陕西铁道工程勘察有限公司 武栋栋

针对静位移对断层资料的解释，宽度较小的断层在通过反演软件反演后无法识别的问题，本文利用高频大地电磁数据进行静位移的识别，进而使用5点或7点滤波法对识别的静位移数据进行校正的方法。将该方法用于新建西安至安康铁路太兴山隧道，将物探成果与地质调绘、钻探结果进行了对比，取得了较好的勘探效果。

大地电磁法作为深大埋深隧道的主要勘探手段，该方法对断层、溶洞有较强的识别能力[1]。大地电磁法是一种体积勘探方法，在二、三维地质体中产生静态效应[2-4]。

在新建西安至安康高速铁路DK35～DK38+500段大地电磁勘探中，DK35+500～ Dk35+700段经地质调绘、钻探揭露存在构造带，DK36+700～DK36+980段经地质调绘、钻探揭露无构造带（图1），而物探解释成果恰恰相反（图2）。原始数据TM模式DK35+500～DK35+700段为低阻反应，推测低阻带宽度较窄，反演软件的静态校正将其作为静态效应进行了校正。静态效应的产生的主要原因是地表不均匀体或者地形切割较大的环境所引起[5]，静态效应与断裂构造带所产生的异常有较强的相似性，为物探资料解译带来较大的干扰信息，宽度较小的断层极易被误认为静态效应影响，进而丢失了有效的断层信息。

图1 太兴山隧道DK35～DK38+500大地电磁反演成果图

图2 太兴山隧道DK35～DK38+500地质简图

1 正反演模拟

1.1 2-d静态效应正演模型

据前人研究表明，CSAMT静态效应的主要源自于地表不均匀体，设计图3的低阻不均匀体的正演模型。模型为均匀半空间，背景电阻率为1000 Ωm；低阻不均匀体厚度为20 m，长度575 m，电阻率为10 Ωm，顶板埋深分别为0 m；地表采集点数78个，采集点距25 m，正演频率范围10000～1 Hz。

图3 静态效应正演模型示意图

静态效应正演TM模式卡尼亚电阻率断面图，静态效应在1d模型中表现为曲线的下移，在2d模型中表现为垂直向下的低阻带，最低值出现在低阻体边界；在负地形区域为垂直向下的低阻异常，在负地形中心约等于正常背景值。

静态效应TM模式反演成果图中，在低阻体边界出现两组垂直向下的低阻异常与断层的反演结果具有较高的相似性，地表低阻体电阻率值和横向范围与模型基本一致，厚度有所增加；在负地形区域电阻率值低于模型电阻率值。

1.2 窄小断层2d正演模型

设计图6的窄小构造带正演模型。模型为均匀半空间，背景电阻率为1000 Ωm；断层位置位于剖面位置975 m，断层电阻率为10 Ωm，宽度50 m；地表采集点数78个，采集点距25 m，正演频率范围10000～1 Hz。

图4 静态效应正演TM模式卡尼亚电阻率断面图

图5 静态效应TM模式带静态效应反演成果图

图6 窄小断层正演模型示意图

图7 窄小断层正演TM模式卡尼亚电阻率断面图

图8 窄小断层TM模式带静态效应反演成果图

窄小断层正演TM模式卡尼亚电阻率断面图，正演模型中断层位置发育有垂直向下的低阻异常，但反演成果图中仅表层为低阻异常，断层异常不明显。

正反演结果表明，存在静态效应而不进行改正，在反演结果图中为深大陡立断裂；直接使用软件的静态矫正，又损失窄小构造等有效信息。故在进行大地电磁法数据解译时首先应识别静态效应，对静态效应进行改正后进行不带静矫正的二维反演。

2 静态效应的识别与校正

2.1 静态效应产生机理

依据Kaufman推导出的导电介质中的体电荷公式：

其中 是电导率，是介电常数。由式（1）可知，当岩层的电阻率变化方向上存在电场分量时，在电阻率发生变化的界面上会产生积累电荷，电阻率变化越剧烈，积累电荷越强烈，当频率较低无法穿透不均匀体时，电场分量将会受到积累电荷的影响，磁场分量无影响，从而导致观测数据的上下平移。

2.2 静态效应的识别

由静态效应产生机理可知，当频率较低无法穿透不均匀体时，静态效应产生，当异常体厚度增大或采样频率增高时，静态效应减弱，其具体表现为高频数据有所抬升。

为研究高频数据(首支曲线)对识别静态异常的效果，建立正演模型：模型均匀半空间，背景电阻率为1000 Ωm；厚度H=20 m，电阻率ρ=10 Ωm低阻不均匀体顶板埋深h分别0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m，正演频率范围10000～1 Hz。

图9 不同深度不均匀体正演TM模式频率-视电阻率曲线图

曲线图中得出如下结论：①不均匀体顶板埋深0 m，静态位移尤为强烈，频率10000 Hz约为5 Ωm左右，随着频率的降低，视电阻率降低，频率1 Hz时小于1 Ωm；②顶板埋深0 m～30 m内，随着埋深的减小，静态位移逐渐减小；③顶板埋深40 m～50 m时，首支曲线逐渐升高，而低频数据基本重合，故认为可将不均匀体作为异常体；④曲线高频数据皆有所抬升，证明高频数据足可穿透不均匀体。

通过以上曲线对比分析认为垂直陡立的低阻异常，首支曲线升高作为断裂构造低阻异常与静态效应的识别方法。

2.3 静态效应的校正

目前，静态效应矫正方法比较多，如曲线平移法、相位换算法、相位导数法、低通滤波法、其他物探方法约束矫正等。本次工作采用的是五点滤波法和七点滤波法进行矫正。

其具体步骤如下：

（3）将测点各个频率视电阻率值乘以矫正系数，得到静态矫正后的视电阻率值。

3 应用效果

新建西康铁路太兴山隧道全长19 km，隧道最大埋深1100 m，隧址位于南秦岭印支造山带南缘，是构造活动带，断裂构造十分发育，地质构造十分复杂，地形起伏较大，植被茂密。基岩裸露，沟谷段分布有第四系冲积粉质黏土、细圆砾土，下伏地层主要为元古界片岩夹片麻岩，混合花岗岩。

可以看出（图10）利用本文的静态效应校正方法后，DK35+500～DK35+700段及DK36+700～DK36+980段有较大的改善，与地质调绘及钻探结果有较好的对应关系。

图10 本文方法反演成果图

4 结论

本文利用高频大地电磁数据进行静位移的识别，进而使用5点或7点滤波法对识别的静位移数据进行校正的方法，取得了较好的勘探效果。通过此次研究，笔者认识到在进行大地电磁资料解释的过程中，应多对原始数据进行挖掘，从而提高解释的准确性。