大地電磁法在引水隧洞勘察中的應(yīng)用

黃禮杰 陳春陽

(華東勘測設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350000)

1 大地電磁法概述

本項(xiàng)目磁法勘探采用大地電磁法，所采用的方法設(shè)備為儀器設(shè)備及其技術(shù)參數(shù)采用美國Geometrics公司和EMI公司聯(lián)合研制的Stratagem EH4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。能觀測到離地表幾米至地下1000米內(nèi)的地質(zhì)斷面的電性變化信息，基于對(duì)斷面電性信息的分析研究，進(jìn)行地質(zhì)勘察。該系統(tǒng)適用于各種不同的地質(zhì)條件和比較惡劣的野外環(huán)境。其方法原理與傳統(tǒng)的MT法一樣，利用宇宙中的太陽風(fēng)、雷電等入射到地球上的天然電磁場信號(hào)作為激發(fā)場源，又稱一次場，該一次場是平面電磁波，垂直入射到大地介質(zhì)中，由電磁場理論可知，大地介質(zhì)中將產(chǎn)生感應(yīng)電磁場，此感應(yīng)電磁場與一次場是同頻率的，引入波阻抗Z。在均勻大地和水平層狀大地情況下，波阻抗是電場E和磁場H的水平分量的比值

(1)

(2)

(3)

式中f是頻率，單位是Hz，ρ是電阻率(Ω·M)，E是電場強(qiáng)度(mv/Km)，H是磁場強(qiáng)度(nT),φE是電場相位，φH是磁場相位，單位是mrad。必須指出的是，此時(shí)的E與H，應(yīng)理解為一次場和感應(yīng)場的空間張量疊加后的綜合場，簡稱總場。在電磁理論中，把電磁場(E、H)在大地中傳播時(shí)，其振幅衰減到初始值1/e時(shí)的深度，定義為趨膚深度(δ)：

(4)

上述公式為理論上的趨膚深度，根據(jù)實(shí)踐，探測深度的經(jīng)驗(yàn)公式為：

(5)

由(5)式可知，探測深度(H)將隨電阻率(ρ)和頻率(f)的改變而改變，頻率較高的數(shù)據(jù)反映淺部的電性特征，頻率較低的數(shù)據(jù)反映較深的地層特征。因此，在一個(gè)寬頻帶上觀測電場和磁場信息，并由此計(jì)算出視電阻率和相位?？纱_定出大地的地電特征和地下構(gòu)造。

2 工程概況

北線引水工程位于深圳市北部，全長約29.92km。起于東莞，途經(jīng)平湖、觀瀾、龍華、光明、公明，止于石巖。其主要任務(wù)是從東莞鳳崗鎮(zhèn)雁田村上埔泵站取東深原水到茜坑水庫、鵝頸水庫與石巖水庫，以解決寶安中西部地區(qū)的城市用水問題。

2.1 地形地貌

工區(qū)周圍屬低山丘陵地貌類型，主要山脊走向呈東北走向，工區(qū)位于公路邊上，工區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，海拔標(biāo)高70m～80m。工區(qū)內(nèi)合福高鐵南西-北東向穿過，上廣公路自北西-南東向穿過。工區(qū)場地基本為水泥路面，周邊有植被覆蓋的山體及居民區(qū)。

2.2 地層巖性

本區(qū)域出露的地層?xùn)|部廣泛分布中生代白堊紀(jì)早世侵入的坪田凸單元中粗粒黑云母花崗巖，中部分布下侏羅紀(jì)系統(tǒng)金雞組地層，區(qū)域北西部分布有三疊紀(jì)地層計(jì)震旦系黃婆山地層，四者呈時(shí)代不整合接觸關(guān)系。場地分布地層由新到老描述如下：

(1)坪田凸單元侵入巖。

(2)早侏羅系金雞組(J1j)。

(3)晚三疊系小坪組(T3x)。

(4)震旦系黃婆山片巖(Zh)。

2.3 水文地質(zhì)條件

工區(qū)地表溪流較發(fā)育，地下水主要賦存石炭系藕塘底組溶洞中，主要由大氣降水和南部山坡地表徑流下滲補(bǔ)給。地下水流向由南向北。

2.4 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)域在大地構(gòu)造部位上隸屬于紫金—惠陽凹褶斷束的組成部分，是加里東褶皺基底上發(fā)育而成的晚古生代凹陷，其后被中、新生代構(gòu)造疊加、改造、發(fā)生過多期次的斷裂和巖漿活動(dòng)。

近場區(qū)的主要斷裂是北西向斷裂束和北東向斷裂帶，此外還有個(gè)別規(guī)模小的東西向斷裂。

3 工作技術(shù)方法及質(zhì)量評(píng)述

3.1 測網(wǎng)布設(shè)

本次物探工作依據(jù)設(shè)計(jì)要求開展了大地電磁法測試。物探測線按要求在隧道縱線采用大地電磁測深法進(jìn)行勘查。大地電磁法測點(diǎn)按設(shè)計(jì)點(diǎn)位使用RTK進(jìn)行定位放樣，物探測線具體位置詳見圖1。

圖1 物探勘查平面布置圖

本次GM1線完成大地電磁法測點(diǎn)299個(gè)(含15個(gè)檢測點(diǎn))，測線長度4 035m。

3.2 儀器設(shè)備

本次工作共投入大電磁法儀器2套，如表1。

表1

3.3 工作原理

大地電磁法勘探是利用巖土體電阻率的差異，通過大地電磁測量，取得測線剖面上的巖土體視電阻率變化特征，根據(jù)所測的巖土體視電阻率變化特征和當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件，分析、判斷地層巖性和構(gòu)造的分布。

3.4 資料處理

采用EH4數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)大地電磁法資料進(jìn)行處理，在處理過程中，首先對(duì)野外數(shù)據(jù)進(jìn)行剔野值、去噪、靜態(tài)校正及近場校正等處理，然后進(jìn)行一維及二維反演成像，得到視電阻率剖面圖。

4 物探成果資料解釋

4.1 物性特征分析及地球物理推斷解釋標(biāo)志

隧道場區(qū)地勢(shì)陡峭，坡度較大，坡度大于20°，局部坡度超過35°，隧址區(qū)地層表層分布松散覆蓋層，其中粉質(zhì)黏土層含少量碎石、下伏基巖風(fēng)化程度差異較大，在縱向上巖土層物性變化明顯，具備開展地球物理勘探工作的條件。

隧道場區(qū)內(nèi)主要巖土體物性參數(shù)見表2。

表2 場區(qū)巖土體物性參數(shù)表

4.2 地質(zhì)解釋

綜合上述定性分析成果，對(duì)本次大地地磁成果進(jìn)行了詳細(xì)的綜合研究，并按照異常類型、編號(hào)、平面位置、特征、解釋等五個(gè)方面做了具體的描述、推斷解釋，如圖2所示。

圖2 GM1線音頻大地電磁法視電阻率剖面圖

根據(jù)物探工作反演成果，我們得到如下地質(zhì)解釋：

GM1測線里程0～255m段為隧洞進(jìn)口端，地形較平緩。地表為含細(xì)粒土礫，洞身基巖主要為花崗巖。

由電阻率斷面圖知，洞身附近電阻率呈中阻特征，電阻率在600～900Ω·M，推測洞身段巖體破碎。施工時(shí)須采取必要措施，加強(qiáng)支護(hù)。

GM1測線里程255～730m：地表為含細(xì)粒土礫，洞身基巖主要為花崗巖。由電阻率斷面圖知，洞身附近電阻率呈低阻特征，電阻率在450～700Ω·M，推測洞身段巖體破碎, 里程255～735m段電阻率呈下凹趨勢(shì)，推測該段為破碎帶，在破碎帶以下里程415～690m段推測該段為裂隙發(fā)育帶。施工時(shí)須采取必要措施，加強(qiáng)支護(hù)。

GM1測線里程730～920 m段：地表為含細(xì)粒土礫，洞身基巖主要為花崗巖。由電阻率斷面圖知，洞身附近電阻率呈中高阻特征，電阻率在900～1500Ω·M，推測洞身段巖體較破碎和較完整。

GM1測線里程920～1620 m段：地表為含礫粉質(zhì)黏土，洞身基巖主要為砂巖和花崗巖。由電阻率斷面圖知，洞身附近電阻率呈中阻特征，電阻率在500～1500Ω·M，推測洞身段巖體較較完整和破碎；其中在洞身里程930～1620m段電阻率低且呈下凹現(xiàn)象，推測上部區(qū)域?yàn)槠扑閹?，下部區(qū)域?yàn)榱严栋l(fā)育帶。施工時(shí)須采取必要措施，加強(qiáng)支護(hù)。

GM1測線里程1620～2310 m段：地表為含礫粉質(zhì)黏土，洞身基巖主要為砂巖。由電阻率斷面圖2知，洞身附近電阻率呈低阻特征，電阻率在650～1500Ω·M，推測洞身段巖體較破碎、破碎和較完整。其中在洞身里程1620～2075m段電阻率呈下凹現(xiàn)象，推測上部區(qū)域?yàn)槠扑閹В虏繀^(qū)域?yàn)榱严栋l(fā)育帶；洞身里程1920～1980m段電阻率呈下凹且向下延伸400m左右，推測該段為斷裂構(gòu)造帶，傾角60°左右。施工時(shí)須采取必要措施，加強(qiáng)支護(hù)。

GM1測線里程2310～2910m段:地表為含礫粉質(zhì)黏土，洞身基巖主要為砂巖。由電阻率斷面圖知，洞身附近電阻率呈低阻特征，電阻率在300～450Ω·M，推測洞身段巖體較破碎、破碎和極破碎，該段為破碎帶。其中在洞身里程2315～2910m段電阻率呈下凹現(xiàn)象，推測上部區(qū)域?yàn)槠扑閹В虏繀^(qū)域?yàn)榱严栋l(fā)育帶；在里程2650～2700m段電阻率有向大里程方向下凹現(xiàn)象，推測該段為斷裂構(gòu)造帶,斷層附近為破碎帶和裂隙發(fā)育帶，傾向北西，傾角80°左右。施工時(shí)須采取必要措施，加強(qiáng)支護(hù)。

GM1測線里程2910～3540m段：地表為含礫粉質(zhì)黏土，洞身基巖主要為砂巖。由電阻率斷面圖知，洞身附近電阻率呈低阻特征，電阻率在450～700Ω·M，推測洞身段巖體破碎、較破碎和極破碎。其中在洞身里程2910～3540m段電阻率呈半封閉狀的低阻下凹條狀區(qū)域；推測上部區(qū)域?yàn)槠扑閹В?910～3175m段下部區(qū)域?yàn)榱严栋l(fā)育帶。施工時(shí)須采取必要措施，加強(qiáng)支護(hù)。

GM1測線里程3540～4035m段為隧洞出口端，地形較平緩。地表為含礫粉質(zhì)黏土，洞身基巖主要為片麻巖。該段受多條高壓線的影響，對(duì)數(shù)據(jù)采集有一定干擾，后期數(shù)據(jù)分析造成一定偏差。由電阻率斷面圖2知，洞身附近電阻率呈低阻特征，電阻率在80～250Ω·M，推測洞身段巖體極破碎。整段電阻率很低，推測為破碎帶和富水洞段含水層，施工時(shí)須采取必要措施，加強(qiáng)支護(hù)。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

通過本次大地電磁物探工作，探測了工作區(qū)附近破碎帶、斷層等構(gòu)造帶分布情況，得出結(jié)論如下。

(1)本次物探工作大地電磁測深測線共299個(gè)EH4大地電磁測深測點(diǎn)，200m的設(shè)計(jì)點(diǎn)距，15m加密點(diǎn)距，共計(jì)剖面長度4035m，勘探深度300m。圓滿完成了設(shè)計(jì)工作量，工作效果較好。

(2)根據(jù)大地電磁測深剖面測量成果，結(jié)合地質(zhì)工作成果，在勘查區(qū)內(nèi)推測了2條斷裂帶,探明了測區(qū)地段基覆界線，劃分了裂隙發(fā)育帶、破碎帶、斷層等構(gòu)造帶，富水洞段含水層、匯水構(gòu)造的分布等。其中測線1970～2000m段斷層斷面南傾，傾角在60°，斷裂呈現(xiàn)較陡的形態(tài)，由南東向北西逆沖; 里程2650～2700m段傾向北西，傾角80°左右。

5.2 建議

本次工作了解了調(diào)查區(qū)內(nèi)地質(zhì)體的電性特征，推測了2條斷層，并大致推測了地下地層分界線，劃分了裂隙發(fā)育帶、破碎帶、斷層等構(gòu)造帶，富水洞段含水層、匯水構(gòu)造的分布等。雖然以物探測量方法為主做出的推斷解釋評(píng)價(jià)較為單一，但仍然為調(diào)查區(qū)下一步工作奠定了基礎(chǔ)，后期建議在鉆探的成果基礎(chǔ)上再次解譯，加強(qiáng)綜合研究才能更好完善成果。

由于物探的多解性及異常成果為地下各種地質(zhì)體異常的綜合反映，結(jié)合鉆孔驗(yàn)證的成果，建議在設(shè)計(jì)和施工中，結(jié)合鉆探和物探資料的基礎(chǔ)上，及時(shí)調(diào)整具體實(shí)施的整治方案。

在裂隙發(fā)育帶、斷裂構(gòu)造帶區(qū)域范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)和施工中要注意加強(qiáng)支護(hù)措施，預(yù)防塌方和涌水，確保隧道施工安全順利推進(jìn)。