EH4 大地電磁測深在高速公路隧道勘察中的應(yīng)用

肖 想， 魏元泵， 廖先平

（湖南省核工業(yè)地質(zhì)局三〇三大隊，湖南 長沙410119）

EH4 大地電磁測深是目前較為常用的地球物理勘測手段，電磁測深指電磁感應(yīng)類的電阻率測深，利用人工或者天然電磁場在地球內(nèi)部激發(fā)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，研究地下由淺到深不同深度上地層的導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于地下水勘察、礦產(chǎn)和地?zé)峥辈煲约肮こ痰刭|(zhì)勘察等方面，取得了較好的效果。 本文就EH4 大地電磁測深在綿九高速公路隧道勘察應(yīng)用中的實例進(jìn)行說明。

1 工作原理

大地電磁法是基于電磁感應(yīng)原理，利用能量很大的天然電磁場作為場源，高空電離層、磁層的電流體系由于太陽輻射發(fā)生變化，以及大氣中的雷電效應(yīng)都將引起地球磁場的波動，它的周期十分寬闊，這種磁場的波動在導(dǎo)電的地球內(nèi)感應(yīng)出變化的電場即大地電流場，并產(chǎn)生二次磁場。 在地球內(nèi)部這種電磁場的分布強(qiáng)度取決于巖石的電性結(jié)構(gòu)（如巖石致密程度、完整性、含水性等）。 在地面上單點觀測的天然交變電磁場的四個分量（Ex、Ey、Hx、Hy）互相垂直，分析研究地面波阻抗隨頻率的變化，可以探測到地球內(nèi)部巖石電性隨深度的分布［1－3］。

2 野外工作方法

本次隧道勘查采用美國Geometrics 公司生產(chǎn)的EH4 連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 在數(shù)據(jù)采集中，四個電極構(gòu)成的偶極-偶極裝置，每兩個電極組成一對電偶極子MN，長度均為20 m。 其中，與測線同向的MN（X-Dipole 電偶極子）測量電位差并計算得到電場水平分量Ex；垂直測線的MN（Y-Dipole電偶極子） 測量電位差并計算得到Ey。 Hx磁探頭和Hy磁探頭相互垂直。 電極布極方式主要為 “ ＋”字形，圖1 為儀器的野外工作布置示意圖［4－8］。

圖1 音頻大地電磁現(xiàn)場布置示意圖

3 工作區(qū)地質(zhì)情況

隧址區(qū)位于四川盆地邊緣，地勢呈北西高南東低，北段為中低山，經(jīng)中部的丘陵高崗地形逐步過渡到四川沖積盆地。 地形地貌受地層巖性及龍門山前山斷裂構(gòu)造控制明顯，屬于構(gòu)造侵蝕、剝蝕、堆積、溶蝕構(gòu)造的中低山地貌，地形波狀舒緩起伏，坡度一般為15° ～30°，溝谷相間分布。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)繪資料分析，主要發(fā)育有第四系（Q）、白堊系（K）、侏羅系（J）、三疊系（T）、石炭系（C）、泥盆系（D）以及志留系（S）的頁巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r等地層，在桂溪隧道小樁號段發(fā)育有千枚巖，在藥王谷隧道、九皇山隧道及大康2 號隧道的溶蝕現(xiàn)象較明顯。 本文選取大康2 號隧道勘察為例。

測區(qū)巖（土）體電阻率參數(shù)表，見表1。

表1 測區(qū)巖（土）體電阻率參數(shù)表

4 資料成果及效果分析

4.1 資料成果

大康2 號隧道右縱測線里程樁號為XK208 ＋500～XK209＋460，地面高程為610.0 ～688.5 m，相對高差最大為78.5 m（如圖2）。 隧道所經(jīng)地段巖性由三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)＋銅街子組的石灰?guī)r、泥灰?guī)r、粉砂巖、泥巖以及侏羅系的泥巖、石英砂巖等所組成。巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，較破碎。

圖2 XK208+500～XK209+460 段視電阻率彩色剖面圖

從右縱線的EH4 剖面中均可以看出，隧道進(jìn)出洞口段及洞身，地表淺部為第四系覆蓋層的含碎石粉質(zhì)黏土，視電阻率較低，一般20～950 Ω·m 之間，厚度約為5～10 m；覆蓋層下為強(qiáng)風(fēng)化的石灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥巖、粉砂巖等呈韻律式互層，視電阻率值在800～2 500 Ω·m 之間，厚度為6 ～12 m 不等；中風(fēng)化的基巖，視電阻率值在1 500 ～2 500 Ω·m；再下為中-弱風(fēng)化的基巖，視電阻率值在2 000 ～3 500 Ω·m 之間。 其中在左線的右線的XK208 ＋541 ～XK208＋578、XK208＋695 ～XK208＋724、XK208＋843～XK208 ＋868、XK208 ＋932 ～XK208 ＋978、XK209 ＋330～XK209＋358 段視電阻率等值線呈現(xiàn)相對低阻區(qū)域，并出現(xiàn)凹陷特征，且上下貫通。 結(jié)合實際地質(zhì)資料和鉆孔資料，推測這些地段存在構(gòu)造破碎帶或裂隙密集帶，巖體較破碎，而在右線XK208＋932 ～XK208＋978 段的構(gòu)造破碎帶推斷為區(qū)域地質(zhì)上的F4 斷層。

如圖3 所示，右縱線的EH4 反演視電阻率斷面圖中的視電阻率從高到低變化十分明顯，據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，該處正好是巖性分界面。 在隧道其余區(qū)段視電阻率值相對較高，推測基巖相對較完整。 根據(jù)鉆孔測井資料綜合判斷，將存在構(gòu)造破碎帶或裂隙密集帶處以及隧道進(jìn)出口段的隧道圍巖分級為Ⅴ級，圍巖穩(wěn)定性差，其余區(qū)段為Ⅳ級，穩(wěn)定性較差。

圖3 XK208+500～XK209+460 段地質(zhì)解釋圖

4.2 鉆孔對比

根據(jù)后來鉆孔反饋數(shù)據(jù)：0 ～5 m 為第四系覆蓋層的含碎石粉質(zhì)黏土；5 ～20 m 為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，局部石灰?guī)r有溶蝕現(xiàn)象；20 ～70 m 為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育。 由于隧道埋深較淺，沒有進(jìn)行更深一步的鉆探，但就目前資料分析與此次測量推斷結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

（1）本次物探勘察采用EH4 大地電磁法測量?；静槊髁丝辈靺^(qū)域內(nèi)巖土層分布情況及構(gòu)造破碎帶及裂隙密集帶發(fā)育位置、展布范圍及產(chǎn)狀，巖溶發(fā)育區(qū)位置及展布范圍，達(dá)到了預(yù)期效果。

（2）大康2 號隧道地質(zhì)情況比較復(fù)雜，巖性由三疊系的石灰?guī)r、泥灰?guī)r、粉砂巖、泥巖以及侏羅系的泥巖、石英砂巖等組成韻律式互層。 巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育。 推斷存在1 條構(gòu)造破碎帶，4 條裂隙密集帶。

（3）此次EH4 勘探成果與實際地質(zhì)情況以及地球物理物特征基本一致，這說明EH4 音頻大地電磁深測法在該區(qū)實踐應(yīng)用效果明顯，勘探的結(jié)果反映了實際地質(zhì)情況，這對今后隧道勘察也具有很大的意義。