兩種方法在某引水隧洞工程隱伏斷層中的綜合應用

潘紀順 趙蕭蕭 劉宇鋒 石宗源 王曉雷

摘 要：本文通過對高密度電阻率層析成像及音頻大地電磁測深法采集的數(shù)據進行處理分析，優(yōu)劣互補，結合地質資料，為工程的鉆孔布設提供可靠的依據保障。同時，也進一步說明了高密度電阻率層析成像法與音頻大地電磁測深法探測斷層位置的可行性和重要性。

關鍵詞：高密度電阻率層析成像;音頻大地電磁測深法;隱伏斷層;視電阻率

中圖分類號：P631.3;TV221文獻標識碼：A 文章編號：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

斷層探測是一項難度較大的工作。在工程建設中出現(xiàn)斷層往往會產生很多不良影響，必須在施工前進行斷層探測[1]。淺層電法勘探方法很早就被運用到斷層探測中，最早是用聯(lián)合剖面法，認為斷層為相對低阻體，在聯(lián)合剖面曲線上表現(xiàn)為正交點。但是，正交點產生的原因多種多樣，因此，很難根據聯(lián)合剖面正交點就判定為斷層。而后，淺層地震、高密度電阻率法及瞬變電磁等被用在斷層探測中[2]，探測方法日漸成熟。其中，高密度電阻率層析成像更多用于探測埋深較淺的隱伏斷層，在識別斷層破碎帶、淺層斷裂構造方面具有優(yōu)勢;音頻大地電磁測深法更多用于探測百米到數(shù)百米的隱伏斷層[3]。本文主要分析這兩種方法在某引水隧洞工程隱伏斷層中的綜合應用。

1 方法原理

1.1 高密度電阻率層析成像法

常規(guī)的電阻率法由于其觀測方式的限制，不僅測點密度較稀，而且也很難從電極排列的某種組合上研究地電斷面的結構與分布。

高密度電阻率層析成像法（Electrical Resistance Tomography，ERT）與常規(guī)電阻率法原理基本相同[4]，是以地下介質間的導電性差異為基礎，辨別不同的地質體。在現(xiàn)場測量時，將全部電極布設在相同間隔的測點位置，用多芯電纜將其連接到程控式電極轉換裝置，使電極布設一次完成[5]。測量時由操作員控制而動作，從而實現(xiàn)電極排列方式、極距和測點的快速轉換，準確與快速地采集大量數(shù)據。在一條甚至同一測區(qū)的多條測線上完成高密度電阻率法的視電阻率觀測，便可獲得大量的實測數(shù)據。利用與之配套的電法處理軟件對采集的數(shù)據進行處理，給出相應的圖示結果，通過斷層破碎帶與兩側地層的電阻率差異或斷層兩側電阻率差異可識別斷層[6]。

1.2 音頻大地電磁測深法

音頻大地電磁測深法是以電阻率的差異來劃分地層巖性及地質構造，并根據電阻率值的大小以及展布形態(tài)來判斷地下地質體空間分布的一種物探方法[7]。影響電阻率的主要因素有礦物成分、巖石結構、構造及含水情況等。根據工區(qū)地球物理反演結果可知，較完整巖體或完整巖體與破碎、軟弱或強風化巖體之間存在一定的電性差異[8]，因此，工區(qū)具備開展大地電磁測深的地球物理勘探前提條件。電磁測深儀器是通過同時對一系列當?shù)仉妶龊痛艌霾▌拥臏y量來獲得地表的電阻抗[9]。這些野外測量要經過幾分鐘，傅立葉變換以后以能譜存儲起來。這些通過能譜值計算出來的表面阻抗是一個復雜的頻率函數(shù)，在這個頻率函數(shù)中，高頻數(shù)據受到淺部或附近地質體的影響[10]，而低頻數(shù)據受到深部或遠處地質體的影響。

基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組，電場、磁場和卡尼亞電阻率的關系式為：

式中，[ρs]表示卡尼亞電阻率;?表示頻率;[Ex]表示電場強度;[Hy]表示磁場強度。

卡尼亞電阻率隨頻率變化而改變，頻率還與電磁波的趨膚深度有密切關聯(lián)。不同的頻率反映不同深度的卡尼亞電阻率。

2 引水隧洞的地球物理特征與數(shù)據采集

2.1 地球物理特征

通過資料分析及現(xiàn)場實驗發(fā)現(xiàn)，該工區(qū)內分布地層主要為新近系（N）和第四系（Q）地層。低山區(qū)山頂及溝底大部分被第四系土層覆蓋，僅溝岸坡有少量基巖出露;丘陵區(qū)呈黃土丘陵地貌特征，區(qū)內地表均被第四系土層覆蓋，局部有基巖出露。第四系松散堆積層電阻率較低，在25～800 Ω·m。由此可見，測區(qū)內巖性在垂向上有明顯的電阻率差異，為高密度電阻率層析成像和音頻大地電磁測深法提供了良好的地球物理前提。

2.2 數(shù)據采集

根據工程概況及前期鉆孔的位置和資料，設計布設三條音頻大地電磁測深法（EH4）測線，即測線I-1、測線I-2和測線I-3，以及高密度電阻率層析成像法（ERT）測段CD1。

利用高密度電阻率層析成像法（ERT），查明埋深較淺（100 m以內）的隱伏斷層在隧道擬掘進路徑上的具體位置。在測量過程中，根據場地地形、地貌、地質條件及擬解決的目標等因素，采用微分裝置和溫納裝置進行測量。測線為從鉆孔zk06向swzk03方向，測線總長1 200 m，電極距5 m，鉆孔06位于400 m處，采用滾動測量方式，滾動4次，每次300 m。數(shù)據采集儀器采用DZD-8多功能全波形直流電法儀。

利用音頻大地電磁測深法（EH4），查明鹽鎮(zhèn)-李村斷層在洞軸線附近位置，為較準確判定斷層的走向和位置，平行布設3條測線，即測線I-1、測線I-2和測線I-3。數(shù)據采集用Stratagem大地電磁測深儀器。測點間距為20 m，累計測線總長為4 240 m，測線方向自北向南。

3 數(shù)據處理及分析

高密度電阻率層析成像法（ERT）的處理流程包括數(shù)據拼接、數(shù)據格式轉換、數(shù)據預處理、地形校正、正演和反演計算，最后得到電阻成像色譜圖，并對其進行地質解釋。本次處理軟件為2D電阻率反演軟件RES2DINV，根據地電條件、裝置系統(tǒng)及正演模擬結果，有針對性地進行高通或低通濾波處理，消除或減小表層干擾和由于極距化而引起的振蕩干擾。測段CD1電阻率斷面如圖1所示。

測線長1 200 m，連續(xù)滾動掃描3次，得到4個剖面，再合并4個剖面得到測段CD1。在樁號500 m下方，電阻率呈現(xiàn)高阻陡變?yōu)榈妥璧淖兓?。樁?00 m向小樁號的方向，地下呈現(xiàn)電阻率高阻區(qū)帶;而在樁號500 m向大樁號的方向，地下呈現(xiàn)電阻率低阻區(qū)帶。這種電阻率高低阻陡變分析為鹽鎮(zhèn)-李村斷層存在的跡象，推測斷層位置如圖2中黑色折線所示。

利用音頻大地電磁測深法（EH4）完成整條測線的連續(xù)觀測后，可在現(xiàn)場采用電磁排列剖面法（Electromagnetic Array Profiling，EMAP）（該法可以有效地消除靜態(tài)效應）給出擬二維反演解釋結果的灰度圖。后續(xù)處理是野外工作結束后在室內完成的一項工作，一般包括兩個內容：一是在主機上對野外數(shù)據進行相關系數(shù)、濾波系數(shù)的調整，或對時序資料（Y或V文件）進行逐個挑選，或剔除等重新處理;二是在上述工作的基礎上，對最終處理后的結果文件進一步地做定量解釋及二維反演處理。

測線Ⅰ-1自南向北樁號標注為1 680～-500 m，總長度為2 180 m。100～500 m間出現(xiàn)一較寬的低阻異常區(qū)帶，推測斷層走向為東北70°，視傾角約60°，傾向約為東南160°。斷層位置如圖2中黑色折線所示，大樁號方向為南。

測線Ⅰ-2與測線Ⅰ-1平行，向東平移150 m，測線長度為1 100 m。探測成果見圖3，在測線樁號-100～100 m范圍內出現(xiàn)一較寬的低阻區(qū)帶異常區(qū)帶。

測線Ⅰ-3與測線Ⅰ-1平行，向西平移150 m，沿ZK6向南布設，長度為960 m。從圖4所示的電阻率剖面圖可以看出，在樁號0 m附近出現(xiàn)規(guī)模較小的低阻異常帶，分析為規(guī)模較小的斷層影響所致。

從圖示結果可以分析得出，3條EH4測線均有低阻異常帶存在，進一步驗證了鹽鎮(zhèn)-李村斷層存在的可能性。

4 結論

將高密度電阻率層析成像測段CD1與音頻大地電磁測深法（EH4）測線Ⅰ-1重合段放置在一起分析。高密度電阻率層析成像測段CD1樁號約600 m下方存在一低阻帶與EH4測線Ⅰ-1揭示的低阻帶相對應，兩種方法驗證了鹽鎮(zhèn)-李村斷層的存在，且其上斷點達到埋深70 m。

高密度測段CD1和EH4測線Ⅰ-1、Ⅰ-2和Ⅰ-3的成果圖表明，在測段CD1樁號600 m處、在測線Ⅰ-1樁號200 m處（即zk06附近處）及在測線Ⅰ-2樁號50 m處有斷層穿過跡象，推測斷層走向為西北70°，視傾角約60°，傾向約為東南160°。

測段CD1與音頻大地電磁測深法（EH4）測線Ⅰ-1重合，其目的有兩個：兩種地球物理勘探方法相互印證，以增加判定斷層的準確性;兩種地球物理勘探方法探測深度的敏感度不同，高密度電阻率層析成像法探測深度偏淺，常在100 m以內，而音頻大地電磁測深法探測深度相對較大，可達數(shù)百米到幾千米深，兩種方法的結合可揭示斷層自深部向上延伸到淺部的深度位置。

在地下隱伏斷層的探測中，工區(qū)的地質條件復雜，單純的地球物理勘探方法不足以滿足工程探查需求，通常將多種探測方法結合，由于各自的探測特性，優(yōu)劣互補，可以較為準確地得出探測結果，更好地解決問題。

參考文獻：

[1]劉福興，劉璐，劉佳林，等.淺層地震和高密度電法在走滑斷層探測中的應用[J].西部資源，2017（1）：130-131，137.

[2]董如俊.高密度電法在尋找淺埋斷層帶中的典型地電斷面[J].山西建筑，2017（17）：74-76.

[3]關藝曉，盧進添，何泰健，等.可控音頻大地電磁測深在城市隱伏斷層探測中的應用[J].上海國土資源，2016（1）：90-93.

[4]劉萬恩.高密度電法探測基巖起伏和隱伏斷裂中的應用[J].上海地質，2007（3）：51-53.

[5]李征西，曾昭發(fā)，李恩澤，等.地球物理方法探測活動斷層效果和方法最佳組合分析[J].吉林大學學報（地球科學版），2005（S1）：109-114.

[6]董澤義，湯吉，周志明.可控源音頻大地電磁法在隱伏活動斷裂探測中的應用[J].地震地質，2010（3）：442-452.

[7]鐘韜.EH4在工程地質勘察中的應用[J].工程建設與設計，2020（2）：21-22.

[8]劉戰(zhàn).音頻大地電磁法在探測斷層發(fā)育區(qū)中的應用[J].工程地球物理學報，2019（5）：730-736.

[9]趙健.高密度電法在斷層探測中的應用[J].山西焦煤科技，2013（6）：46-48，52.

[10]阿發(fā)友，周洪慶，杜定全.高密度電法在烏當斷層探測中的應用[J].勘察科學技術，2008（2）：58-60.