音頻大地電磁在長大深埋隧道勘探中的研究與應用

王品豐， 康世海， 孔凡濤， 李 明

(1.重慶市地下水資源利用與環(huán)境保護實驗室,重慶 400707;2.重慶巖土工程檢測中心,重慶 400707;3.成都理工大學 地球物理學院,成都 610059;4.中國能源建設集團 新疆電力設計院有限公司,烏魯木齊 830002)

0 引言

“十三”五期間將是西南地區(qū)公路、鐵路等交通基礎設施開展全面建設時期，涉及到的長大深埋隧道勘探會越來越多。長大深埋隧道探測目標深度較大，造成地球物理場的嚴重畸變，勘探技術要求高[1]。近幾十年來，隧道勘察常用物探方法有高密度電法、淺層地震發(fā)、大地電磁法，均有各自優(yōu)勢和效果。我國西南地區(qū)往往地形陡峭多變、地質(zhì)條件復雜，地質(zhì)勘探條件苛刻。高密度電法、淺層地震法等方法受勘探深度小、地形影響大、高阻屏蔽作用，在地形起伏劇烈、基巖裸露嚴重的山區(qū)適用性和操作性不強[2-3]，尤其在西南地區(qū)的長大埋深隧道，往往無法探測到隧道深部的地質(zhì)情況，無法突出勘探目的和意義。

大地電磁測深(MT)是20世紀50年代初由A.N.TiKhonow[4]和L.Cagnird[5]提出的一種天然電磁場勘探方法。音頻大地電磁(AMT)作為大地電磁測深衍生的一種方法，以天然交變電磁場為場源，以電磁感應為基礎，依據(jù)趨膚深度，研究不同頻率的電磁波對所穿透的地質(zhì)體的響應，以得到地下介質(zhì)電阻率的分布，其頻率范圍在1 Hz-104Hz之間，具有勘探深度大、受地形影響相對較小、不受高阻層屏蔽、對含水破碎帶、巖溶發(fā)育帶及軟弱夾層等低阻體反映靈敏，且儀器輕便、操作容易，彌補了淺層物探方法在西南地區(qū)公路、鐵路隧道勘探中的不足。

筆者針對隧道探查目標，建立相應的地質(zhì)模型，

開展正反演模擬計算，探討音頻大地電磁法對隧道勘探目標的可行性及有效性，旨在為音頻大地電磁在隧道勘察中提供合理的模型依據(jù)和反演參數(shù)。結(jié)合成昆線民太隧道部分實測剖面，通過分析帶地形的二維NLCG反演結(jié)果，探明深度約1 km的斷層破碎帶寬度及產(chǎn)狀，查明軟弱帶及富水帶的埋深和規(guī)模。

1 勘探區(qū)地質(zhì)及地球物理概況

1.1 地質(zhì)概況

隧區(qū)經(jīng)歷了晉寧、華力西、燕山、喜山各期運動，除晉寧期及燕山期屬褶皺運動外，其他各期均為升降運動。區(qū)內(nèi)褶皺、斷層發(fā)育，巖漿活動頻繁，基底變質(zhì)巖巖系內(nèi)構造線以近東西向-北東向為主；紅色蓋層構造線以北北東向及北北西向為主，正、逆斷層發(fā)育。

1.2 巖石物性特征

AMT法研究范圍內(nèi)的地層電阻率，一方面取決于巖石自身性質(zhì)，如孔隙度、滲透率等，另一方面取決于孔隙內(nèi)流體的性質(zhì)。根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計和本區(qū)地球物理的反演結(jié)果分析，歸納總結(jié)了測區(qū)的巖石物性參數(shù)統(tǒng)計表(表1)。由表1可知，斷層破碎帶及富水體與其他巖體之間表現(xiàn)出明顯的電性差異，為工區(qū)開展AMT法提供了地球物理勘探條件。

表 1 巖石物性特征統(tǒng)計Tab.1 Statistics of physical properties of rocks

2 理論模擬分析

2.1 模型設計及正演模擬

針對探查目標，結(jié)合測區(qū)的實際地質(zhì)情況和物性參數(shù)統(tǒng)計所反映的電阻率變化特征，合理的設計了隱伏破碎斷層和含水溶洞并存的二維地電模型(圖1)，其中斷層起始于1.5 km處，終止于4.5 km處，傾向剖面右側(cè)，傾角30°，破碎帶寬約500 m；溶洞位于斷層右側(cè)，深度約為1 km；上覆覆蓋層厚200 m。依據(jù)表 1物性參數(shù)統(tǒng)計，破碎帶和含水溶洞電阻率分別設為50 Ω·m和10 Ω·m，圍巖電阻率設為1 500 Ω·m，覆蓋層電阻率設為500 Ω·m。筆者采用MT-Soft軟件對模型進行正反演模擬計算。

圖1 隱伏斷層和溶洞模型Fig.1 Model of buried fault and cavity

在模型有限元正演模擬結(jié)果(圖2)的兩種模式中，TE模式下的似電阻率斷面圖和相位斷面圖對隱伏斷層和溶洞位置反映較為清晰，其中TE相位對斷層產(chǎn)狀和形態(tài)反映得更為逼真；TM模式下似電阻率斷面圖發(fā)生了畸變，只能對斷層有所體現(xiàn)，而對溶洞的狀態(tài)幾乎沒有反映，但TM相位對斷層反映相對較好，對溶洞的反映也是“有跡可循”。因此，為了突出勘探目標，在本測區(qū)的實際資料處理中TE模式視電阻率資料反映的結(jié)果可能更接近真實情況，應加以重視；同時由于兩種模式相位資料對深部結(jié)構均有所反映，因而在數(shù)據(jù)處理中TE與TM相位資料均具有參考價值，也不容忽視。

圖2 模型正演模擬結(jié)果Fig.2 Results of model forward computation(a)視電阻率(TE);(b)視電阻率(TM);(c)相位(TE);(d)相位(TM)

圖3 模型一維反演結(jié)果Fig.3 Results of model 1-D inversion(a)Occam一維反演結(jié)果;(b)Bostick一維反演結(jié)果

2.2 模型反演對比

在現(xiàn)今的實測資料的處理解釋中仍然廣泛運用大地電磁的一、二維反演，其中一維反演的結(jié)果可以為解釋提供依據(jù)，更重要的是為二維反演提供初始模型。國內(nèi)比較常用的反演大地電磁反演方法主要有Bostick變換法[6]、Occam反演法[7]、RRI反演法[8]、共軛梯度(NLCG)反演法[9]等,其中Bostick變換法是大地電磁中一種特殊的一維反演算法，是基于大地電磁測深曲線低頻漸進線的性質(zhì)，將視電阻率隨周期變化的曲線變換成為電阻率隨深度變化的曲線[10]；Occam反演法是一種正則化的帶平滑約束的最小二乘法反演方法，它致力于模型最光滑，具有收斂穩(wěn)定、受初始模型影響小的特點[11]，在大地電磁一維、二維反演中得到普遍運用；RRI反演方法避免了求解雅可比矩陣，減少了內(nèi)存需求，極大地提高了計算速度，但結(jié)果嚴重依賴初始模型[12]；NLCG反演法巧妙地避開了雅克比矩陣的求取，轉(zhuǎn)換為求解大型矩陣與向量的乘積，是一種穩(wěn)定高效的反演方法[12-14]，在大地電磁反演方法中占有較高地位，但對初始模型的依賴性較高，不同的初始模型會很大程度地影響反演結(jié)果。由于一維反演結(jié)果是對真實模型的一階近似，一定程度上反映了真實模型特征，且反演參數(shù)較少，非唯一性遠弱于二維反演[15]。故實際運用中NLCG反演往往利用Occam反演和Bostick反演的一維結(jié)果作為初始模型。

Bostick、Occam一維反演的兩種結(jié)果(圖3)中，

圖4 不同初始模型的二維NLCG反演結(jié)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

兩種反演方法的TE模式反演結(jié)果均比較理想，斷層以及溶洞的形態(tài)清晰可見、且覆蓋層劃分精準，不足之處在于斷層左側(cè)圍巖與斷層的“嵌入”關系不清晰；兩者對比，Bostick-TE反演結(jié)果相對較好，體現(xiàn)在斷層和溶洞的獨立性更好，這是由于Occam算法致力于模型最光滑，而Bostick算法需求模型相對尖銳。由于正演中TM數(shù)據(jù)差強人意，因而兩種反演方法中TM數(shù)據(jù)依然不夠理想，只是對斷層位置有一定的體現(xiàn)。同時由于受到TM數(shù)據(jù)的“污染”，TE+TM模式的兩種反演結(jié)果不夠理想。綜合比較，本文挑選結(jié)果相對較好的Bostick-TE和Occam-TE一維反演結(jié)果作為二維NLCG反演的初始模型。

圖4為比對優(yōu)選過后的二維NLCG反演結(jié)果，分別列出了Bostick-TE、Occam-TE一維反演結(jié)果作為初始模型的三種反演參數(shù)的二維NLCG反演結(jié)果。由于挑選的初始模型本身就很接近真實模型，故兩種反演算法三種反演參數(shù)的6個結(jié)果均能清晰突顯勘察目標?？傮w而言，初始模型為Bostick-TE的結(jié)果比初始模型為Occam-TE的結(jié)果對斷層的反映更清晰真實，體現(xiàn)出了一維反演沒有表現(xiàn)的斷層與圍巖的“嵌入”關系，這對斷層破碎帶寬度的評價提供了更真實的信息。但由于初始模型的影響，TE模式和TM模式的結(jié)果中依然有斷層和溶洞相連接的假象，而TE+TM模式的結(jié)果較好。綜上所述，初始模型為Occam-TE反演的二維NLCG-TE+TM反演結(jié)果，在較清晰地反映出勘察目標的位置、幾何形態(tài)以及厚度的同時，不會形成無關的假象異常，客觀地反映真實理論模型。

3 野外數(shù)據(jù)采集及資料處理

3.1 野外數(shù)據(jù)采集

大地電磁測深的目的在于探測地下不同深度介質(zhì)的導電性構造，而應用的成功與否，很大程度上取決于數(shù)據(jù)采集[16]。本次野外工作使用加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8多功能電法系統(tǒng)，由于地形條件所限，部分測點采用V8配套的RXU-3ER輔助接收盒采集電場信號，與主機V8共用磁場信息行進處理。在施測中，觀測頻率范圍為1.25 Hz～10 400 Hz。野外數(shù)據(jù)采集為四分量采集，即Ex、Ey、Hx、Hy，布極方式為十字型，在地形條件較差情況下，部分測點采用了“T”形的布極方式。

3.2 資料處理

野外原始資料預處理采用V8觀測系統(tǒng)標配的處理軟件SSMT2000，盡管AMT的研究對象是介質(zhì)對不同頻率的響應，但依然是時間域的觀測方法。為此首先將時間域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為頻率域數(shù)據(jù)，再采用Robust張量阻抗估計方法，即根據(jù)設置權函數(shù)對實際數(shù)據(jù)進行校正[17]，求取張量阻抗，繼而計算出各個模式下的電阻率和相位值。預處理后進行資料后續(xù)處理，首先結(jié)合實際地質(zhì)和物性資料以及設計模型正反演的經(jīng)驗，對數(shù)據(jù)進行飛值剔除、去噪、靜態(tài)校正、空間濾波等處理，然后進行一維及二維反演對比研究。

4 勘探成果與解釋

基于前述理論模型正反演模擬研究，將民太隧

圖5 DK710+000至DK714+500段電阻率斷面圖和綜合解釋圖Fig.5 DK710+000 to DK714+500 section of resistivity profile and integrated interpretation chart (a)電阻率斷面圖;(b)綜合解釋圖

道實測數(shù)據(jù)以一維Occam-TE反演作為初始模型進行二維NLCG-TE+TM反演，得到隧道電阻率斷面圖作為資料解釋的基本圖件，結(jié)合實際地質(zhì)資料和物性資料進行綜合分析得到隧道綜合解釋圖件。圖5列出了隧道中DK710+000至DK714+500段的電阻率斷面圖(上)和綜合解釋圖(下)，其中貫穿剖面的橫線代表隧道。

4.1 電性異常分類

根據(jù)電阻率斷面圖中背景值的大小、低阻異常的形態(tài)、低阻異常值及其與背景值的差異等，結(jié)合實際地段所對應的地層巖性，對地層分界線、斷層、巖溶及巖體的破碎、軟弱或含水情況進行判釋。

根據(jù)似電阻率ρs值大小，并考慮地層巖性等因素，將低阻異常大致分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ四類(圖5下)：Ⅱ類異常ρs值大于3 500 Ω·m且分布均勻的高阻區(qū)域為較完整巖體；Ⅲ類異常ρs值1 500 Ω·m～3 500 Ω·m，為較破碎巖體；Ⅳ類異常ρs值100 Ω·m～1 500 Ω·m，為破碎、軟弱或含水巖體；Ⅴ類異常ρs值小于40 Ω·m，為極破碎、極軟弱或富水巖體。其中依據(jù)似電阻率斷面圖上低阻異常的等值線密集處(梯度變化最大處)確定異常的邊界。

4.2 綜合解釋

依據(jù)NLCG二維反演得到的電性剖面圖，結(jié)合地質(zhì)情況和后期鉆孔的驗證，對隧道測線剖面的地質(zhì)構造和巖性作出綜合解釋。

測區(qū)地表巖性相對單一，主要變現(xiàn)為灰色中薄層的頁巖、鈣質(zhì)砂巖、頁巖夾砂巖，表層風化程度較弱，該層在電性上對應電性結(jié)構中低阻特征。下層巖性較雜，常穿插有不明期次的輝長巖、輝綠巖、花崗巖侵入體，電性特征表現(xiàn)為高阻或極高阻；DK708+660～DK713+660段巖性主要為灰黑色，千枚狀構造，薄-中厚層狀千枚巖，巖質(zhì)較堅硬，節(jié)理發(fā)育，多充填方解石脈，局部可能受區(qū)域構造作用存在擠壓破碎現(xiàn)象。該段對應的地質(zhì)構造為海資哨向斜，向斜核部DK710+900～DK711+060段物探揭示為異常低阻帶，圍巖潮濕～浸潤狀，局部可能小股狀滲水，為含鹽巖泥巖段地層，圍巖條件較差。

DK710+000～DK714+500段大致可以分為3段，DK710+000～DK711+500段、DK712+700～DK714+500段電阻率整體表現(xiàn)為A型，深層為較完整巖體的綜合反映；其間DK710+905～DK711+052段、DK713+747～DK713+835段電阻率表現(xiàn)出相對低或極低的特征，電阻率值介于10 Ω·m～150 Ω·m，為條帶狀反映，且附近反演電阻率梯度值大，對應斷層破碎帶，可以推斷存在F1和F2斷層(圖5下)。其中，F(xiàn)2斷層與地質(zhì)推斷的FM7(明太7號斷層)逆斷層位置大致相同，斷層寬度為50 m左右；F1斷層為物探新推測的斷層，在后期鉆井資料中得到證實。DK711+500～DK712+700段電阻率總體表現(xiàn)為Q型，深部視電阻率極低，小于40 Ω·m，為Ⅴ類異常，對應巖溶強烈發(fā)育或富水巖體，推斷可能有溶洞存在的可能。

5 結(jié)論

筆者在實際隧道勘查中，針對隧道勘察中常遇到的斷層、含水破碎帶、巖溶等低阻體，形成的一套研究思路和探索過程，并作結(jié)論如下：

1)音頻大地電磁法具有工作效率高、探測深度大，且不受高阻層屏蔽、對低阻敏感等諸多優(yōu)點，對長大深埋隧道勘探中的地質(zhì)目標體具有良好的識別能力，是一種行之有效的隧道勘探方法。

2)針對隧道探查目標，結(jié)合測區(qū)的實際地質(zhì)情況和物性參數(shù)，建立相應的地質(zhì)模型，開展正演模擬計算，分析對比兩種極化模式，得到TE模式視電阻率資料反映的結(jié)果可能更接近真實情況，TE與TM相位資料具有一定的參考價值。

3)選擇不同初始模型的多反演參數(shù)對模型進行反演計算，在綜合考慮正演模擬分析和研究區(qū)實際地質(zhì)調(diào)查資料的基礎上，最終確立了以一維Occam-TE反演作為初始模型對成昆線民太隧道實測數(shù)據(jù)進行二維NLCG-TE+TM反演。根據(jù)似電阻率斷面圖，對巖體完整性進行評價，結(jié)合實際地質(zhì)資料，能夠基本成完成電性-地質(zhì)分界線、構造破碎帶、巖溶溶蝕帶及富水帶的分辨,結(jié)果證明了模型的合理性和反演參數(shù)選擇的有效性。

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