大地电磁法在工程勘察中的应用

陈宗刚

中国建电集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710043

近年来，水电、能源、公路等工程项目勘测中经常遇到大规模的倾倒体、变形体、滑坡体、深厚覆盖层及断层等一些工程地质问题，由于这些地质体埋深，传统的物探方法因受场地条件、物性条件和工作条件等因素的限制，工作难度较大，取得的探测效果较差，探测深度和精度往往无法满足要求。因此，急需一种物探方法解决上述工程地质问题，而具有大范围勘探深度、较高地质分辨率的大地电磁法（MT）不仅受地形影响较小，不受高阻层屏蔽，对低阻层有较好的分辨能力，还可以提高工作效率，降低成本。目前，我国铁路、公路、冶金、有色金属、核工业、煤田及油气等勘察单位，包括相关专业大学和研究所都大量引进了EH4大地电磁测深系统，其在隧道勘探、探矿工程、煤矿探测、找水工程、采空区探测等方面应用较广。

1 EH4大地电磁测深基本原理

EH4大地电磁测深的基本原理是根据导电介质中不同频率电磁波的趋肤深度不同，在地表测量地球由高频到低频的电磁响应序列，并进行相关的资料处理，以获得大地内部由浅至深的电性结构[1-2]。

趋肤深度公式表示如下：

式中：δ为趋肤深度；ρ为电阻率；f为频率；T为周期。

当频率一定时减小电阻率ρ或当电阻率一定时增高频率f，则勘探的深度会减小；反之，当频率一定时增大电阻率ρ或当电阻率一定时降低频率f，则勘探深度会增加。因此，大地电磁测深法的原理就是当大地的电阻率是定值时，不断改变电磁波信号的频率，以得到大地内部由浅至深的电阻率变化关系。大地电磁测深探测地下结构原理示意图如图1所示。

图1 大地电磁测深探测地下结构原理示意图

2 EH4大地电磁测深方法

2.1 工作布置

EH4大地电磁测深系统在野外作业时一般有两种工作测量方式：一种是连续剖面测深，另一种是单点测深，选用何种方式由研究任务和探测目的确定[3]。

（1）观测装置的布设。使用地面正交测量轴观测系统，在每一测点上，必须测量彼此正交的电磁场水平分量，使用GPS定位，也可测量垂直磁场分量，以研究水平不均匀构造情况、地下介质走向情况及增加解释信息量等的作用。

（2）布极。当已知勘探测区的地下地质构造走向时，最好使X和Y分别平行于构造的走向和倾向，即主轴方向，以便可以直接测量TE波和TM波。通常情况下，地下地质构造走向是未知的，将正北视为横坐标X轴，将正东视为纵坐标Y轴。在整个测区中，测量点的X和Y方向应尽可能一致，以统一的标准确定测区内介质电性主轴的方位角。EH4大地电磁测深系统布极方式示意图如图2所示。

图2 EH4大地电磁测深系统布极方式示意图

在野外作业时，为了较好地克服表层电流场不均匀的影响，EH4大地电磁测深系统一般采用十字形布极方式，若在十字交汇点附近测量时，这种布极方式还有助于消除共模干扰的影响。在一些特殊情况下，也可以采用L形或T形布极方式。

（3）电极距。EH4大地电磁测深系统采用的电极距范围通常为50～300m，并且地形条件允许的情况下，两端的电极应尽可能保持水平。如果测量点周围的地面不平坦且电极的两端均不水平，则必须根据实际测量的水平距离来计算电极距。

（4）磁棒。磁棒在埋在地下时，水平磁棒的入土深度应不小于30cm，垂直磁棒的入土深度应不小于磁棒长度的2/3，并且应该用土将露出地面的部分埋实。

（5）电缆。在连接电极、磁棒和主机的信号电缆过程中，大地电磁的信号比较微弱，因此需减少信号传输过程中的干扰。因为在地磁场中的悬空电缆易摆动，其感应电流对观测结果影响较大，所以铺设电缆时，不应悬空，最好的办法是将电缆掩埋，这样不仅可以防风，还可减小温度变化带来的影响。

2.2 数据处理

大地电磁测深资料处理主要步骤为原始资料预处理、资料定性分析、资料定量解释、综合推断解释及获得地质成果[4-5]。

3 EH4大地电磁测深应用实例

3.1 某隧道工程

（1）工程概况。某隧道位于G213线某段，里程桩号为K51+660～K55+050，设计为分离式隧道。隧道选址区海拔3892～4263m，属于构造剥蚀高山地貌，区内地形起伏较大，冲沟发育。

（2）地球物理工作条件。测区为第四系亚黏土，松散坡积层一般视电阻率较低，小于350Ω·m，地震纵波速度一般在1000m/s；碳质片岩地震纵波速度在2200m/s以上；构造部位伴有节理、裂隙发育，视电阻率会呈急剧下降趋势，特别是对于一些泥质充填性质的裂隙带，其往往与地下水的活动性存在着一定的联系，这种不同岩体及构造等围岩体间的差异特征是开展大地电磁测深法的地球物理前提条件。

（3）工作技术方法。为了保证数据的质量并提高工作效率，以25m为最优电极距，分频段对数据进行仪器采集，将其分为3个频组，每个频组在采集数据时叠加次数不少于4次。

（4）典型测段成果及结论。电阻率剖面图如图3所示，地质推断剖面图如图4所示。由图3可知，电阻率沿深度增大的方向有增大的趋势，总体上隧道标高附近电阻率呈中高阻特征且电性变化较均一，处于片岩中风化区。该测段内，地表附近呈低电阻率特性，推测为片岩全、强风化层，下伏为片岩中风化层。结合地质资料可知，该测段之间共发育4个断层。其中K51+932～K51+986段、K53+006～K53+062段视电阻率等值线发生明显的扭曲变化，推测为断裂构造F1和F3，北倾，倾角分别为83°、86°，宽度分别为53m、64m，延伸深度较大且穿过洞深标高位置；K52+503～K52+553段、K53+197～K53+257段视电阻率等值线曲线形态发生明显了扭曲变化，推测存在断裂构造F2、F4，南倾，倾角分别为83°、78°，宽度分别为50m、60m，延伸深度较大且穿过洞深标高位置。

图3 某隧道K51+760m～K53+405m电阻率剖面图

图4 某隧道K51+760m～K53+405m地质推断剖面

3.2 某水库工程

（1）工程概况。为在都兰县东南部热水乡的察汗乌苏河中游段拟建某水库工程，需首先查明该区域内覆盖层的厚度、坝轴线下游侧河道中隐伏断层的赋存位置及基岩顶板的展布形态，采用EH4大地电磁测深法。

（2）地球物理工作条件。拟建的水库区域河谷平坦开阔，呈U形，NW274°展布。在枯水期内，当前河道的宽度为10～20m，河谷的宽度为400m。库区河床的总纵比降约为7.7‰，并且库区的两岸都有I级和II级的阶地，均呈二元结构，其宽度大约在20～150m，比当地的河水面高出4～20m。库区出露的地层为三叠系喷出岩与印支期侵入岩，库岸的主要岩性为三叠系的安山岩，而印支期的灰白色花岗岩主要分布在库区上游段的左岸。库区的第四纪地层主要包括坡积、洪积、冲积及崩坡积层，分布于库区河谷两岸的山坡上的是坡积及崩坡积层，其岩性主要是碎石土；分布于河床及两岸阶地上的主要是冲击层，其岩性主要是卵石、砾石层；分布于各个冲沟沟口位置的主要是洪积层，其岩性主要是碎石土。

（3）工作方法。此次采用的是EH4大地电磁测深方法，为了保证数据的质量，提高工作效率，以25m为最优电极距，并且分频段对数据进行仪器采集，将其分为3个频组，每个频组在采集数据时叠加次数不少于4次。通过现场测试采集数据，对频组进行多次叠加，并且根据对测试结果分析，最后在坝轴线下游从左至右布设EH4大地电磁测线，测点点距为10m。

（4）成果及结论。某水库坝轴线下游EH4测线电阻率剖面图及地质推断剖面图如图5所示。由图5可知，视电阻率沿深度方向存在明显变化，由10Ω·m增大至约2000Ω·m。结合地质及钻孔资料，分析认为视电阻率值700Ω·m为覆盖层与弱风化岩体的分界线，视电阻率小于700Ω·m的上覆地层推测为覆盖层及全强风化层，视电阻率大于700Ω·m下伏地层推测为弱风化层。桩号282～300m两侧视电阻率等值线斜率发生明显变化，推测为隐伏断层的赋存位置，断层向大桩号方向倾，宽度约17m，延伸深度较深，未能探测到断层底部。依据EH4成果资料，在断层位置布置钻孔，钻探资料证明此次EH4成果勘测精度较高，结论准确。

图5 某水库坝轴线下游EH4测线视电阻率及地质推断剖面图

4 结束语

通过分析EH4大地电磁测深在实际工作中的具体应用，笔者认为该方法在工程勘察领域具有广阔的应用前景，该方法和其他方法的结合，对一些隐覆结构、断层及破碎带，覆盖层等均具有较好的分辨能力。采用天然源，对场地条件要求较低，仅需20m×20m空间即可满足相关要求；EH4大地电磁法可为相关工作人员提供足够多的频点数据，以便获取丰富的地下电性特征，并且避免了由于源所产生的一系列效应，数据的客观度与可信度较高，如果采用张量测量方式，则可以最大限度地还原地质体的原貌。但EH4大地电磁测深在实际生产应用中的影响因素较多，如信号不稳定、不规则，容易受到工业噪声干扰，地表接地条件要求较高。因此，要想取得较高精度、较准确的解释成果，在开展EH4大地电磁法现场工作时应设法避开高压线塔，远离居民村庄集镇、工业区等地，对于表层为干砾石等过差的接地场地应采取措施进行处理。同时，后期数据处理及资料解释也至关重要，应合理运用钻孔、地质及其他物探方法的数据及资料进行分析处理。