EH4电磁成像系统在吉口隧道勘察中的应用

摘要： 本文介绍了大地电磁测深的基本原理、工作方法和资料分析，并结合地质、钻探等手段，成功解释出了吉口隧道岩性分布和地下水及断层破碎带的位置，经验证物探成果与实际地质情况吻合较好，说明该方法是隧道勘察中一种行之有效的手段。

Abstract： This paper mainly introduces the basic theory， operating method and data processing of the magnetotelluric sounding. This method successfully make clear the lithology distribution and fault fracture of Ji Kou Tunnel. Moreover， the geophysical exploration results are consistent with actual geological condition.

关键词： 大地电磁；EH-4；趋肤深度；Bostick；电阻率剖面

Key words： Telluric Electromagnetic；EH-4；Skin depth；Bostick；Resistivity section

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）06-0033-02

0 引言

随着高速公路施工技术的发展提高，长大、深隧道不断增加，地质勘探难度增大。在地震折射法获取岩体纵波速度遇到困难时，根据岩石电阻率差异进行隧道围岩分级是十分必要的。大地电磁测深法可有效获得地下数米到数千米地层的电性参数，通过对深部地层电阻率分布形态进行分析，可以有效推断地质构造、划分地层岩性、圈定岩石裂隙发育区。

1 基本原理

1.1 工作原理 大地电磁法是利用太阳风等入射到地球上的天然电磁场信号作为一次场激发场源，且视为垂直入射平面电磁波，由电磁场理论可知，大地介质中会产生感应电磁场，此感应场与一次场是同频率的，引入波阻抗Z。在均匀和水平层状大地情况下，波阻抗是电场E和磁场H的水平分量的比值，故有：

Z=■e■；ρ■=■Z■■=■■■；

ρ■=■Z■■=■■■

式中f是频率（Hz），ρ是电阻率（Ω·M），E是电场强度（mv/km），H是磁场强度（nT），φE是电场相位，φH是磁场相位（mrad）。注意，此时的E与H，应理解为一次场和感应场的张量叠加后的综合场，简称总场。在电磁理论中，把电磁场在大地中传时，其振幅衰减到初始值1/e时的深度[1]，定义为穿透深度或趋肤深度（δ）：

δ=503■

由上式可知，一般来说，频率较高的数据反映浅部的电性特征，频率较低的数据反映较深的地层特征[2]。因此，在一个宽频带上观测电场和磁场，并由此计算出视电阻率和相位；可确定出大地的地电特征和地下构造。在野外能获得Hy、Ex、Hx、Ey振幅，ΦHy、ΦEx、ΦHx、ΦEy，在室内数据处理后，可获得二维正、反演结果等。

1.2 工作介绍 数据采集使用由EMI公司和Geometrics公司联合研制出EH4电磁成像系统。该仪器用反馈式高灵敏度低噪音磁棒和特制的电极，分别接收X、Y两个方向的磁场和电场。由高分辨率多通道全功能数据采集、处理一体机完成所有的数据合成[3]。

此次工作共用四个电极，每两个电极组成一个电偶极子，与测线方向一致的电偶极子叫做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的相互垂直，用地质罗盘仪确定方向，误差0.5°以内；电偶极子的长度用测绳测量，误差在0.5米以内。

1.3 数据分析 采用IMAGEM软件对资料进行预处理，对野外数据进行剔非值、去噪等处理后应用HMT软件依据各类曲线形态对有效频点、相位以及真电阻率等进行调节，并保存覆盖原文件。加入高程数据，采用Bostick反演成图，结合地质资料对电阻率断面进行综合解释[4]，获取电学地质断面图。反演是通过一系列复杂的计算把频率域数据转化为某一地球物理模型（电阻率与深度的关系），该模型按一定的标准逼近地下的地电结构，为定量解释提供模型[5]。

2 应用实例

2.1 工区地质概况和地球物理特征 吉口隧道位于福建省三明市境内，工区岩性以花岗岩为主，出口段为二叠系板岩、变质砂岩等。据经验统计和本区地球物理的反演结果分析，得出各地层的物性参数（视电阻率值ρs（Ω.m））：ρs≤2000为极破碎、极软弱、岩溶强烈发育或富水岩体；2000≤ρs≤3400为破碎、软弱、岩溶中等发育或含水岩体；3400≤ρs≤3800为较破碎或岩溶弱发育岩体；ρs≥3800为较完整岩体。

2.2 剖面线布测 本次物探目的是探测岩性及其界限，第四系覆盖层、基岩风化层厚度与连续特征，构造平面位置、宽度、产状及延伸、地下水发育情况及富水带，查明隧道的工程地质条件，为隧道安全施工提供物探依据。综合相关要求，现场工作时沿线路中线布置一条物探纵断面，测量点间距为20m，电极距为20m，测点位置由测量人员用高精度GPS定位。

2.3 剖面解释 ZK128+700～ZK130+000段：电阻率断面图上（见图1），电性特征表现为高、低阻团块相间，等值线分布较凌乱，局部夹带条带、团块低阻。在ZK128+700～

+736、ZK128+942～+979、ZK129+148～+180、ZK129+423～

+509和ZK129+833～+884五段洞身附近电阻率极低或电阻率相对极低，施工别注意预防突泥、涌水和塌方。

ZK130+000～ZK131+640段：电阻率断面图上，电性特征表现为以高阻为背景，局部夹带条带、团块低阻。在ZK131+426～+476和ZK131+611～+640两段洞身附近电阻率极低，注意预防突泥、涌水和塌方；在ZK130+181～+225、ZK130+375～+411和ZK130+641～+706三段，相对其周围围岩电阻率较低，而且从地表至洞身以下低阻相贯通。推测为断层破碎带，施工注意加强支护措施。

3 结论

通过EH4电磁成像法在吉口隧道中的应用，说明在复杂地形地质条件下该方法能够取得较好的勘察效果，相比其它物探方法，其仪器轻便，对地形环境要求低，测量速度快。在高速公路长大深埋隧道勘察中，EH-4能发现所有电阻率差异较大的高、低阻不均匀体，值得加以推广应用。由于EH4不能提供岩体电阻率，且地表浅层解释精度较差，局部具有多解，工作中应尽量采用多种勘察手段，并用少量钻孔加以验证，使物探成果更接近实际情况。

参考文献：

[1]刘国栋.大地电磁测深研究[M].北京：地震出版社，1984.

[2]陈乐寿.大地电磁测深方法[M].北京：地质出版社，1990.

[3]管旭东，白英，孙进忠.EH4电磁成像系统在岩体深部采空区勘查中的应用[J].内蒙古农业大学学报（自然科学版），2008，29（1）：223～226.

[4]何继善.可控源音频大地电磁法[M].长沙：中南工业大学出版社，2002.

[5]王绪本，李永年，高永才.大地电磁测深二维地形影响及其校正方法研究[J].物探化探计算机技术，1999（4）.