大地电磁测深法探测山区深埋隧道隐伏构造<br/>——以安石隧道探测为例

大地电磁测深法探测山区深埋隧道隐伏构造
——以安石隧道探测为例

2021-06-26范祥泰张志厚苏建坤刘鹏飞石泽玉

科学技术与工程 2021年15期

范祥泰，张志厚*，苏建坤，丁可，刘鹏飞，石泽玉

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 611756；2.云南航天工程物探检测股份有限公司，昆明 650217)

大地电磁测深(magnetotelluric ，MT)法是一种通过测量地表电场和磁场在较宽频率范围内的变化来估计地下电阻率分布的物探方法[1-2]，目前被广泛应用于深层勘探如油气与地热资源勘探、地球深部探测、地震预报等领域[3-12]，并取得了丰硕的研究成果。当前对于MT法的研究，国外仍集中于深层地质体探测方面；近年来随着中国工程建设的飞速发展，该方法越来越多地应用于工程勘察领域以探测中深部地质体，并在隐伏构造的探测中取得了较好的应用效果[13-14]。例如，周振广[15]应用大地电磁测深法查明了北天山中西部输水隧洞某段的隐伏断层及其破碎带，其对于基岩埋深和断层破碎带的解释成果与钻探资料基本一致。高伊航等[16]利用MT法探测潍坊滨海区地质构造，获得了研究区隐伏断裂的位置、性质及空间展布并划分出9条隐伏断裂。冯建新等[17]对典型的隐伏构造进行了大地电磁场的数值模拟，系统地分析了地质体与正演响应的对应关系，从而为实际工程解译提供有力的支撑。肖想等[18]应用大地电磁测深法基本查明了绵九高速公路大康2号隧道岩土层分布情况，构造破碎带及裂隙密集带发育位置、展布范围及产状，岩溶发育区位置及展布范围。

此外，工程勘察中通常也采用地质雷达法[19-21]、高密度电法[22-32]、联合剖面法[33-34]、地震波法[35-36]等物探方法探测隐伏构造。但地质雷达法、高密度电法、联合剖面法勘探深度有限，因此中外普遍采用电磁测深法和地震反射波法探测中深部隐伏构造[37]。地震反射波法一般用于地形较为平缓、地层分布较均匀地区的深部大地构造和石油勘探研究，在地形切割严重、地层产状较陡的地区由于不易采集到反射波的信号，因此勘探效果较差[38]，难以适用于山区深埋隧道隐伏构造的探测。电磁测深法中，可控源音频大地电磁测深法和瞬变电磁法设备笨重，采集数据效率低，难以在交通不便的山区使用。而MT法克服了山地勘探不便的问题[39]，并且其灵活轻便的电磁设备不仅降低工作人员的劳动强度，节约成本，还可填补其他中深部物探方法实施困难地区的资料空白。除此之外，MT法不受高阻层屏蔽、对低阻层较敏感、抗干扰能力强、场源频率丰富，能够在宏观上反映中深部地层的起伏情况与分布特征，可对岩性复杂区的构造进行准确判识[40-43]。

安石隧道为山区深埋隧道，具有长大深埋、地表起伏大等特点，除MT法以外其他物探方法难以适用，并且山区深埋隧道隐伏构造具有极强的致灾性，但是当前鲜有文献聚焦于山区深埋隧道隐伏构造勘探方面的研究工作，因此选用MT法对安石隧道隐伏构造进行勘探，并通过钻探结果对物探成果进行验证，研究该技术在山区深埋隧道隐伏构造探测中的实用性与有效性。

1 地质背景

安石隧道位于凤庆县凤山镇安石村至勐佑镇中和村，为分离式特长隧道，隧道总体轴线方向约278°。左线隧道起讫桩号K38+265～K43+603，全长5 338 m，设计高程为1 861.75～1 812.24 m，最大埋深约453.11 m，位于K40+520处；右线隧道起讫桩号K38+330～K43+593，全长5 263 m，设计高程为1 863.15～1 812.44 m，最大埋深约449.81 m，位于K40+540处。截至对安石隧道隐伏构造进行勘探时，隧道左幅从K43+603开挖至K42+976.6，右幅从K43+593开挖至K42+951.6。

安石隧道洞口上部为连续上坡，隧道轴线距区域性的昌宁断裂约7.5 km，距澜沧江断裂约30 km，断层之间岩浆活动和区域变质作用强烈。隧址区位于前奥陶系变质岩岩体与燕山早期花岗岩岩体接触区带内，未穿越区域性断裂、褶皱，如图1所示。

本次物探工作在安石隧道某工段进行，测区属低中山地貌，地形起伏较大，如图2所示。山体地势较缓，植被发育，隧道进、出口处山坡均处于基本稳定状态。测区水系属澜沧江水系，区域内年平均降雨量1 500 mm以上，地下水来自大气降雨，其动态运移受气象水文、地形地貌、地层岩性、地质构造等因素的影响和控制。地下水的补给与降雨等密切相关，排泄总体上与地形地表水文网相一致。地下水主要通过岩性接触带、裂隙密集带、层理、节理、劈理等结构面往北西侧羊桥河、南东侧黄草坝河排泄，按地下水赋存条件可分为松散层孔隙水、基岩裂隙水两类。

图2 测区地形地貌图Fig.2 Topographic map of survey area

由现场地质调查可知，隧址区主要岩性为石英片岩、绢云母石英片岩、云母片岩。岩体风化破碎程度与富水性不一，遇水软化及力学强度差异明显，软硬相间，具有明显的电阻率差异。这种地下介质之间明显的电性差异有利于MT法开展工作。现场调查中发现掌子面附近围岩破碎，呈碎裂状结构，岩石矿物定向排列，片理发育，受构造挤压作用明显。

2 大地电磁测深法工作原理

大地电磁测深法的基本原理是不同频率的电磁波在地下介质中的传播具有不同的趋肤深度[44]。当地下介质的电阻率一定时，电磁场的频率越高，探测深度越小；反之，电磁场的频率越低，则探测深度越大，如图3所示。一般把电磁波在地下介质传播中振幅衰减到地面处幅值1/e(约0.37)时的深度定义为趋肤深度δ，表达式为

(1)

式(1)中：f为电磁场谐变的频率；ρ为地下介质的电阻率。当地下介质的电阻率一定时，高频的大地电磁场分量由于其趋肤深度较小，因此主要反映了浅部的电阻率信息；低频的大地电磁场分量由于其趋肤深度较大，因此主要反映了深部的电阻率信息。

在实际工作中，通过仪器测量地表不同频率的电磁响应时间序列，然后进行数据处理，得到地下介质随深度变化的电阻率信息，再把观测资料与不同模型的理论响应对比，研究地下介质不同深度范围的电性结构特征。

H为磁场；E为电场图3 不同频率的电磁波场在导电介质中传播规律示意图Fig.3 Schematic diagram of the propagation law of electromagnetic fields of different frequencies in conductive media

3 野外工作方法

3.1 测线布置

为了查明安石隧道掌子面前方及上方是否存在隐伏构造，以右幅隧道K42+750～K43+000段轴线在地表的投影为L1，在其左侧40 m的平面内，平行右幅隧道轴线布置测线L2～L5，点距10 m，线距10 m，在地表形成一个40 m×250 m的探测网格，该网格共有测点130个，如图4所示。

图4 测线与钻孔布置示意图Fig.4 Schematic diagram of measuring line and drilling arrangement

3.2 野外采集

高精度的数据采集是地球物理反演与解译的基础。若有效观测信息存在干扰大、精度低等问题，则任何科学的数据处理技术都难以弥补其对最终结果所造成的影响，因此稳定、高精度的MT数据采集设备是信息获取的前提。

本次大地电磁测深工作使用的仪器为Geode EM3D三维张量电磁勘探系统，如图5所示。该系统通过采集天然电磁场，或在一定距离的远场区观测可控源电磁场，其采集频点数高达160个，相比EH4系统纵向分辨率更高。Geode EM3D的分布式网络系统配置灵活，当配置多个采集站点时，站点间通过网络互连，由中央控制器统一设置采集参数，并可将采集到的数据实时传输给中央控制器，能够实时显示电磁信号，并查看视电阻率和相位曲线，控制数据质量。该系统可从单站6通道起，根据实际需要，逐步扩展到最高240通道，具有现场实时检测和监测功能，并且多站测量的电极首尾相连一定程度上较少了地表电性不均匀引起的静态效应，因此其数据质量相比现有同类仪器数据质量更高。Geode EM3D发射机采用叠加式设计，由10 kW功率模块组合，根据任务要求和地质条件，可叠加输出20～50 kW等，提高信号强度，获得高质量数据。该系统可靠、坚实、耐用，适用于各种不同的地质条件和比较恶劣的野外环境，可对断裂(层)构造、破碎带、软弱夹层、地下水、岩溶、空腔等进行勘察，主要应用于隧道(洞)、路基、库区工程等地质勘察中。

图5 Geode EM3D电磁勘探系统示意图Fig.5 Schematic diagram of the Geode EM3D electromagnetic exploration system

野外Geode EM3D数据采集方法如下。

(1)平行试验。在开展工作的前一天做平行试验，如图6所示。检测仪器是否工作正常，两个磁棒相隔5 m远，平行放在地面，两个电偶极子也平行。观测电场、磁场通道的时间序列信号，如果两个方向通道的波形形态和强度均基本一致，说明仪器工作正常。

图6 Geode EM3D电磁勘探系统野外工作图Fig.6 Field work diagram of the Geode EM3D electromagnetic exploration system

(2)布置测点。根据测线布设方案沿线路布设测点，工作中采用固定基站式实时动态定位(real-time kinematic，RTK)进行测点定位。

(3)电极的布置。此次工作共用6个陶罐电极，每两个电极组成一个电偶极子，长度依探测深度动态设定，与测线方向一致的电偶极子叫X-dipole；与测线方向垂直的电偶极子叫做Y-dipole。

为了保证Y-dipole电偶极子的方向与X-dipole相互垂直，用罗盘仪确定方向，误差在0.5°以内；电偶极子的长度用测绳测量，误差在0.5 m以内。

(4)磁棒布置。磁棒离前置放大器大于5 m；为消除人为干扰两个磁棒埋在地下至少30 cm，用地质罗盘定方向使其相互垂直，误差控制在2°以内且水平。所有的工作人员离开磁棒至少10 m，尽量选择远离房屋、电缆、大树的地方布置磁棒。

(5)EM3D采集站布置。将EM3D采集站放置在平坦、易操作接线的地方，为了保护电、磁道前置放大器应首先接地，远离磁棒至少10 m。

4 资料处理

4.1 基于光滑约束的最小二乘反演

MT法反演成像的过程就是观测数据求取与其相对应模型的过程。假设a为模型响应向量，b为地下电阻率向量，f为正演响应函数，则

a=f(b)

(2)

MT法反演成像问题属于不适定问题，其反演结果不具有唯一性。反演中通常引入Tikhonov的正则化思想来提高解的稳定性，改善解的非唯一性问题。

Qβ(b)=η(b)+βR(b)

(3)

式(3)中：Qβ(b)为总目标函数；β为正则化因子；η(b)为模型响应与模型响应之差的平方和；R(b)为稳定器，这里采用基于先验模型的最光滑模型约束。

因此，MT法反演问题的总目标函数可以表示为

Qβ(b)=‖Ca[a-f(b)]‖2+

β‖Cb(b-bref)‖2

(4)

式(4)中：Ca为模型响应权系数矩阵；Cb为光滑度矩阵；bref为先验模型。

首先对观测数据进行静态效应校正等预处理，随后在反演计算中将Bostick反演结果作为初始模型，对观测数据进行带地形的基于光滑约束最小二乘反演，得到MT法剖面图。

4.2 物探解译

隐伏构造是指被第四纪松散沉积物所覆盖，或隐伏在表层基岩下面的地质构造[45]。若地下岩土体的完整程度较高，则电性特征表现为横向上视电阻率比较均匀、变化较小，纵向上由于随深度增加地下介质的密度逐渐增加，视电阻率等值线将呈现出有规律的变化，形成若干条具有相似起伏程度的曲线。当地下介质中发育有断裂、破碎带等隐伏构造时，则电性特征表现为横向上视电阻率差异较大，纵向上视电阻率等值线将不再平行有规律，疏密程度上也会变化较大。

第四纪松散沉积层由于经常受到大气降水的影响，因此其含水率通常较高，电阻率一般相对较低；表层基岩的电阻率一般与自身的风化程度和大气降水有关，因此通常表现为高低相间的特征；隐伏断裂或破碎带的电阻率一般与围岩电阻率、贯通性、含水率、填充物的电阻率、宽度等因素有关，因此其电性差异显著，电阻率有可能高也有可能比较低，视电阻率等值线在横向上不光滑，表现为突然上升或下降。基于以上依据可以推断隐伏构造是否存在并确定其位置。

对野外采集到的数据进行处理，得到沿测线L1～L5 MT法剖面图(图7)。图7中红色、橙色和黄色区域为相对高阻区，代表该处岩土体相对致密，完整性好，裂隙不发育，导水能力较弱，含水量小；绿色为高低阻过渡带，蓝色为相对低阻区，代表该处岩土体含水或发生一定程度的风化。

从整体上看，地表至标高2 040 m左右，横向上K42+750～K43+000范围内为视电阻率低值区域，且随着深度增加，视电阻率逐渐升高。该范围内视电阻率的变化呈现出一定的似层状规律，因此推断该区域为第四纪松散沉积层，无隐伏构造发育，低阻异常为第四纪松散沉积层和不同风化程度基岩的综合反映。越靠近地表，受大气降水影响越大，风化程度越强，岩土体越松散破碎，导水能力越强，视电阻率也就越低。在标高2 040 m以下，横向上K42+750～K43+000范围内地下岩土体视电阻率大致表现为低-高-局部低-高阻异常。视电阻率等值线不光滑，存在梯度带异常，且在多处呈现圈闭状的视电阻率异常区域，视电阻率变化较大，可能发育有隐伏构造。横向上K42+750～K42+800，纵向上1 700～2 100 m范围内为视电阻率低值区域，视电阻率变化较小，因此推断该区域地下水丰富，贯通性较好。下面对各测线剖面的反演结果进行解译分析。

测线L1 MT法剖面图中，横向上K42+860～K42+990，纵向上1 760～2 020 m范围内存在视电阻率密集过渡带，呈条带状分布，该异常带处的视电阻率等值线比较密集，形状均为下凸，且该处视电阻率相对周围更低，结合地质资料，推测该处异常带为破碎带，宽度约5 m，岩体较破碎；横向上K42+810～K42+890，纵向上1 700～2 040 m范围内存在低阻异常区域，呈条带状分布，该异常带内从上至下存在4个比较明显的呈圈闭状的低阻异常，视电阻率等值线的形状均为下凸，推测该异常带为破碎带，宽度约8 m，岩体破碎，导水性较好，如图7(a)所示。

测线L2 MT法剖面图中，横向上K42+860～K43+000，纵向上1 790～2 040 m范围内存在一系列呈串珠状分布的高阻异常区，其中部阻值较低，推测该处发育有破碎带，宽度约5 m，岩体较破碎，视电阻率的变化可能与导水程度以及填充物的电阻率有关；横向上42+820～42+900，纵向上1 710～2 050 m范围内存在低阻异常区域，呈条带状分布，该异常带内由上至下存在四个低阻异常区域，且低阻异常区之间的过渡区电阻率值也较低，因此推测低阻区之间已经相互贯通。视电阻率等值线的形状多为下凸，推测该异常带为破碎带，宽度约8 m，岩体破碎，导水性较好，如图7(b)所示。

测线L3 MT法剖面图中，横向上K42+890～K42+980，纵向上1 830～2 030 m范围内存在低阻异常，呈条带状分布，该异常带处的视电阻率等值线的形状均为下凸，其视电阻率相对周围更低，推测为破碎带，宽度约5 m，岩体破碎，导水性较好，如图7(c)所示。

测线L4 MT法剖面图中，横向上K42+850～K42+990，纵向上1 750～2 050 m范围内存在低阻异常，呈条带状分布，该异常带处的视电阻率等值线的形状均为下凸，其视电阻率相对周围更低，推测该异常带为破碎带，宽度约5 m，岩体较破碎，如图7(d)所示。

测线L5 MT法剖面图中，横向上K42+880～K42+970，纵向上1 830～2 030 m范围内存在视电阻率密集过渡带，呈条带状分布，该异常带处的视电阻率等值线比较密集，形状均为下凸，其视电阻率相对周围更低，推测该处为破碎带，宽度约5 m，岩体较破碎，如图7(e)所示。

图7 MT法剖面图Fig.7 Profile of magnetotelluric sounding method

综合分析沿测线L1～L5 MT法剖面图可以看出，测线L1、L2 MT法剖面图中大里程方向的破碎带与测线L3、L4、L5 MT法剖面图中的破碎带在空间位置与展布形态上具有较好的一致性，且这五条测线之间相距较近，因此推断上述破碎带为同一条破碎带F1，宽度约5 m。测线L1、L2 MT法剖面图中小里程方向的破碎带在其他剖面图中没有反映，因此推断其为不同于破碎带F1的另一条破碎带F2，宽度约8 m，且展布规模小于F1。

5 钻探验证

为了对MT法推断的破碎带F1、F2的存在性及位置进行验证，将钻孔1 (ZK1)布设于K42+952左13 m处，将钻孔2 (ZK2)布设于K42+870左13 m处，如图4所示。MT法成果与钻探成果对比见表1、表2。ZK1与ZK2部分岩芯照片如图8、图9所示。综合分析物探与钻探成果可知：

表1 MT法成果与ZK1成果对比Table 1 The comparison between the results of MT method and the results of ZK1

表2 MT法成果与ZK2成果对比Table 2 The comparison between the results of MT method and the results of ZK2

(1)L1剖面中大里程方向的破碎带F1宽度约5 m，ZK2钻至地下95 m处到达该区域，钻探结果为破碎带，如图9(c)所示；小里程方向的破碎带F2宽度约8 m，ZK2钻至地下290 m处到达该区域，钻探结果为破碎带，如图9(e)所示。

(2)L2剖面中大里程方向的破碎带F1宽度约5 m，ZK1钻至地下180 m处到达该区域，得到的岩芯结果为破碎带，如图8(a)所示；ZK2钻至地下90 m处到达该区域，钻探结果为破碎带，如图9(b)所示。小里程方向的破碎带F2宽度约8 m，ZK2钻至地下188 m处到达该区域，钻探结果为岩芯局部破碎，如图9(d)所示。

(3)L3剖面中破碎带F1宽度约5 m，ZK1钻至地下210 m处到达该区域，钻探结果为岩芯局部破碎，如图8(b)所示。

(4)L4剖面中破碎带F1宽度约5 m，ZK1钻至地下210 m处到达该区域，钻探结果为岩芯局部破碎，如图8(b)所示；ZK2钻至地下80 m处到达该区域，钻探结果为破碎带，如图9(a)所示。

(5)L5剖面中破碎带F1宽度约5 m，ZK1钻至地下220 m处到达该区域，钻探结果为岩芯局部破碎，如图8(c)所示。

(6)在破碎带与局部破碎区域所采集到的岩芯岩质软，遇水软化，岩体手捏即碎，富水性强。由于工作区位于构造地质作用强烈的区域，且调查中发现掌子面附近围岩破碎，呈碎裂状结构，岩石矿物定向排列，片理发育，受构造挤压作用明显，并且从物探资料上可以看出岩芯破碎带与局部破碎区域呈带状展布，导水性较好，空间展布规模较大，因此推断破碎带F1、F2由构造挤压剪切破坏导致，为构造挤压剪切破碎带。