肖長偉 岳彩芹 馬玉福,2

(1.西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，西藏 拉薩 850000； 2.西藏自治區(qū)冰湖災(zāi)害與水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西藏 拉薩 850000)

·水利工程·

EH-4大地電磁技術(shù)在西藏拉洛水利樞紐中的應(yīng)用★

肖長偉1岳彩芹1馬玉福1,2

(1.西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，西藏 拉薩 850000； 2.西藏自治區(qū)冰湖災(zāi)害與水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西藏 拉薩 850000)

在介紹EH-4大地電磁技術(shù)的原理、工作方法和資料處理技術(shù)的同時(shí)，將該測試技術(shù)應(yīng)用于西藏地區(qū)拉洛水利樞紐工程深厚覆蓋層現(xiàn)場探測中，獲得了較高質(zhì)量的連續(xù)面電阻率測試結(jié)果，可為該水利樞紐工程的工程地質(zhì)勘察提供較為詳細(xì)的地質(zhì)資料。

EH-4大地電磁技術(shù)，深覆蓋層，水利工程地質(zhì)勘探，應(yīng)用效果

0 引言

EH-4大地電磁技術(shù)是美國Geometrics公司和EMI公司聯(lián)合研制的電磁探測系統(tǒng)，也稱連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀、大地電磁測量儀和電導(dǎo)率成像系統(tǒng)等，是全新概念的電導(dǎo)率準(zhǔn)張量測量儀。它依靠其先進(jìn)的電磁數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和處理技術(shù)，將CSAMT(Controlled Source Audio-frequency Magneto-tellutric)和MT(Magneto-tell)有機(jī)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了天然信號(hào)源與人工信號(hào)源信號(hào)的采集和處理，既具有較好的穩(wěn)定性又具有靈活適應(yīng)性。目前，該系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于工程物探中，有較好的應(yīng)用前景。

EH-4大地電磁技術(shù)有別于采用頻率域采集信號(hào)的可控源音頻大地電磁技術(shù)，它是主要依靠天然場源采集信號(hào)的時(shí)間域大地電磁技術(shù)?；跍y線連續(xù)單點(diǎn)測量布置，可靈活地應(yīng)用于各種不利地形，并可進(jìn)行彎曲測線的測量。由于其主要依靠天然場源時(shí)間域采集信號(hào)，信號(hào)成分的豐富性為測試提供了足夠多的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)，避免了一系列由于場源所產(chǎn)生的效應(yīng)，同時(shí)也降低了數(shù)據(jù)處理與分析解譯的難度[1]。

地質(zhì)鉆探獲取詳細(xì)的地質(zhì)信息是前期工程勘察的重要技術(shù)手段，但由于地質(zhì)鉆探位置選擇及鉆孔深度具有一定的人為干擾性，且無法獲得連續(xù)面上的地質(zhì)信息，故而在探明重大工程的地質(zhì)信息方面具有一定的局限性，且存在鉆探成本高、工期長等問題。西藏地區(qū)的深厚覆蓋層由于冰川運(yùn)動(dòng)及其他地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)等因素影響，導(dǎo)致覆蓋層中存在大量的孤石，使得鉆探工作難度大，且易于導(dǎo)致鉆至基巖即結(jié)束的迷糊性。此外，對(duì)于具有一定地質(zhì)缺陷部位(如溶洞、土洞等)難以較為有效的勘明，而此系統(tǒng)可以獲得連續(xù)面上的地質(zhì)信息，通過測試結(jié)果解析獲得不良地質(zhì)構(gòu)造位置，后期加密鉆探工作，可有效避免了這一潛在問題。基于這一認(rèn)識(shí)，將此方法應(yīng)用于西藏地區(qū)拉洛水利工程地質(zhì)勘察和水利設(shè)施周邊勘察工作中，以解決深厚覆蓋層、溶洞等探測的技術(shù)難題和各類安全隱患，可為水利工程設(shè)計(jì)提供更加豐富的基礎(chǔ)資料。

1 工作原理

EH-4大地電磁技術(shù)使用天然場源和人工場源進(jìn)行頻域電磁觀測，主要通過電阻率的變化來解譯地下構(gòu)造情況。深部構(gòu)造的探測采用天然場源，其接收頻率范圍為10 kHz～100 kHz，淺部構(gòu)造的探測則需要一個(gè)新型的便攜式低功率發(fā)射器發(fā)射1 kHz～10 kHz的人工電磁信號(hào)來彌補(bǔ)天然信號(hào)的不足，以獲得高分辨率的成像。假設(shè)大地為水平介質(zhì)，平面電磁波垂直投射到地下形成大地電磁場，在地面上可觀測到x,y方向相互正交的電場分量(Ex，Ey)和磁場分量(Hx，Hy)。通過同時(shí)觀測相互正交的電場分量和磁場分量，可確定地下介質(zhì)的電阻率。即阻抗為電場分量與磁場分量之比：

(1)

(2)

其中，f為頻率，Hz；ρ為電阻率，Ω·m。計(jì)算的ρ值稱為視電阻率值，因?yàn)榈叵陆橘|(zhì)的不均勻性。探測深度理論上為趨膚深度δ(單位：m)：

(3)

表面阻抗對(duì)于一般地層而言是空間坐標(biāo)的函數(shù)，通過含四元素張量進(jìn)行描述，每個(gè)元素與大地電磁場的正交分量存在如下的關(guān)系：

(4)

EH-4大地電磁技術(shù)通過同時(shí)觀測x，y方向互相正交的電場分量和磁場分量，計(jì)算出阻抗張量，從而計(jì)算視電阻率，以此來分辨地下異常體，獲得地下目標(biāo)體的地質(zhì)構(gòu)造和埋深情況[2，3,8]。

2 野外工作方法

2.1 觀測點(diǎn)的布置

所測中心點(diǎn)用手持式GPS進(jìn)行定位，電極和磁棒角度及水平的控制用羅盤進(jìn)行測量，皮尺進(jìn)行電極距的測量和布設(shè)。

2.2 平行試驗(yàn)

測試工作開展之前一定要進(jìn)行平行試驗(yàn)，以檢測儀器工作的正常性。在測線的布置上，兩個(gè)磁棒平行放在地面上，相隔5 m遠(yuǎn)，且兩個(gè)電偶極子也平行布置于地面上。同時(shí)觀測電場和磁場通道的時(shí)間序列信號(hào)，當(dāng)兩個(gè)通道的波形形態(tài)和強(qiáng)度均基本一致時(shí)，說明儀器工作正常。

2.3 電機(jī)布置

通常情況下，EH-4測試工作一般采用四個(gè)電極，每兩個(gè)電極組成一個(gè)電偶極子，與測線方向一致的電偶極子叫做X-Dipole，與測線方向垂直的電偶極子叫做Y-Dipole，其長度為8 m～20 m不等。為了便于對(duì)比監(jiān)視電場信號(hào)，一般采用相等的電極距。為了保證X-Dipole電偶極子與Y-Dipole電偶極子相互正交，使用羅盤儀進(jìn)行精確定向，誤差小于±0.5°；電偶極子的長度用測繩測量，誤差小于±0.5 m。EH-4工作示意圖如圖1所示。

2.4 磁棒布置

磁棒距離前置放大器至少5 m遠(yuǎn)，用羅盤儀和水平尺使Hx,Hy兩磁棒相互垂直且水平，誤差小于±2°。為了避免人為因素的干擾，兩個(gè)磁棒要埋入地下至少5 cm深且保證其平穩(wěn)，所有測試人員離開磁棒至少5 m遠(yuǎn)，磁棒的布置盡量遠(yuǎn)離房屋、電纜、大樹等。

2.5 AFE(前置放大器)布置

電、磁道前置放大器放在兩個(gè)電偶極子的中心點(diǎn)上，AFE應(yīng)先接地，且離磁棒至少5 m遠(yuǎn)，以避免其因相互信號(hào)干擾而損壞。

2.6 主機(jī)布置

主機(jī)要水平放置，離AFE(前置放大器)至少5 m遠(yuǎn)，且保證操作員能看到AFE和磁棒。

2.7 發(fā)射機(jī)的布置

發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的距離至少要為3倍的趨膚深度，最理想距離為不小于6倍的趨膚深度[4，5]。

3 資料處理和分析解釋

3.1 資料處理

首先，對(duì)EH-4測試野外采集的時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。其次，在測試現(xiàn)場或室內(nèi)進(jìn)行FFT變換(傅里葉變換)，獲得電場和磁場虛實(shí)分量和相位數(shù)據(jù)，并利用該系統(tǒng)兼有的數(shù)據(jù)處理功能對(duì)所有測點(diǎn)進(jìn)行編輯，根據(jù)規(guī)范和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，舍棄畸變或低質(zhì)量的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)，保留高質(zhì)量的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)。然后進(jìn)行一維反演和地形校正，并在一維反演的基礎(chǔ)上進(jìn)行二維反演成像。最后使用Surfer軟件繪制出電阻率等值線圖[6]。

3.2 解釋方法

EH-4大地電磁技術(shù)勘探以地下介質(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)，不同巖性的地層具有不同的電阻率。巖石電阻率高低與巖性、孔隙度、孔隙充填物的性質(zhì)、含水性和斷裂、破碎等引起的地層結(jié)構(gòu)變化相關(guān)。此外，巖石的電阻率還與地層結(jié)構(gòu)、成分、巖石顆粒的大小、密度以及地下水含量等因素相關(guān)。可根據(jù)反演斷面圖電性特征的分布情況，推斷解釋地下目標(biāo)體的埋深、形態(tài)及分布規(guī)律等。

在斷面上，若某處視電阻率等值線密集或橫向斜率突變，說明不同地質(zhì)體分布于該處兩側(cè)，且該處往往是不同電性地質(zhì)層的分界處或斷裂帶。若某區(qū)域低電阻顯示區(qū)范圍廣且視電阻率值過低，則該區(qū)域很可能為斷裂破碎嚴(yán)重區(qū)。在資料分析和解譯過程中，主要是根據(jù)電阻率值變化及電阻率等值線的形態(tài)等綜合因素來判別異常區(qū)[7,8]。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 拉洛水利樞紐工程概況

拉洛水利樞紐工程是雅江右岸一級(jí)支流夏布曲干流上的控制性水利樞紐工程，它位于日喀則地區(qū)薩迦縣境內(nèi)，總投資43億元。該工程包括“一個(gè)大壩、兩個(gè)水電站、三個(gè)隧洞和四個(gè)灌區(qū)”，配套工程主要包括1條總干渠、8條分干渠，總干渠長39.6 km，分干渠總長115.3 km，可為申格孜、扯休、曲美和聶日雄四大灌區(qū)提供充足的水源保障。拉洛水利樞紐工程規(guī)劃建設(shè)的水庫庫容為3.55億m3，每年可向四大灌區(qū)提供1.76億m3水量，并規(guī)劃建設(shè)總裝機(jī)容量為4.84萬kW、年發(fā)電量達(dá)1.64億度的拉洛、德羅兩座電站。

4.2 地形地質(zhì)概況及地球物理特征

4.2.1 地貌概況

干渠沿線總體呈山脊與谷地(盆地)相間分布地貌。山體延伸方向多與構(gòu)造線展布方向一致，以中—高山為主，總體走向近東西向，高程4 500 m～5 000 m左右，山頂一般較寬，地形較起伏，兩側(cè)斜坡地形較陡，坡度多為25°～35°，局部形成陡崖，坡腳處普遍較緩，地形坡度一般為10°～20°。區(qū)內(nèi)斷陷盆地或侵蝕谷地自南往北分別分布較大的盆(谷)地有申格孜盆(谷)地、扯休—曲美盆(谷)地及雅魯藏布江斷陷侵蝕谷地(聶日雄谷地)，谷地內(nèi)地形平緩。各灌區(qū)、分干渠及總干渠分別布置于盆地(灌區(qū))周邊坡腳地帶，大小沖溝、殘丘等侵蝕地貌發(fā)育。渠線主要物理地質(zhì)現(xiàn)象為巖石風(fēng)化、凍融、泥石流。

4.2.2 地質(zhì)概況

測區(qū)內(nèi)地層由新到老依次出露有：第四系沖洪積、洪積、洪坡積、崩坡積、殘坡積、坡積、崩積；第三系古～始新統(tǒng)柳區(qū)群紫紅色、灰黃色、黃綠色薄～厚層狀復(fù)成分礫巖、砂礫巖、巖屑石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粘土巖，第三系中—漸新統(tǒng)大竹卡組紫紅色含泥鈣質(zhì)粉砂巖、淺灰綠色頁巖與中層狀細(xì)粒長石石英砂巖互層；白堊系上統(tǒng)昂仁組灰黃、深灰色粉砂質(zhì)頁巖、薄層細(xì)粒長石砂巖；侏羅系上統(tǒng)維美組灰、灰白色中厚層～巨厚層石英砂巖夾灰黃、灰黑色粉砂質(zhì)頁巖，侏羅系中統(tǒng)遮拉組深灰色、灰色鈣質(zhì)頁巖，侏羅系下統(tǒng)日當(dāng)組黑色頁巖、灰色鈣質(zhì)頁巖。

4.2.3 地球物理特征

測區(qū)內(nèi)地形高差相對(duì)較小，起伏不大。測區(qū)上伏地層主要為第四系覆蓋層，覆蓋層電阻率約為30 Ω·m～100 Ω·m，電阻率相對(duì)較低，而完整巖石電阻率相對(duì)較高，且含水或泥土充填的斷層或破碎帶表現(xiàn)為低阻，它們之間存在明顯的電性差異。因此，為該工區(qū)開展EH-4大地電磁技術(shù)勘探提供了可靠的地球物理前提。

4.3 測試成果

現(xiàn)場物探工作完成測線長度2 000 m，測點(diǎn)間距50 m，測點(diǎn)41個(gè)，其電阻率分布云圖如圖2所示。

由圖2可知，拉洛水利樞紐工程中剛堅(jiān)寺干渠測試區(qū)電阻率在0 m～400 m范圍內(nèi)分布較為平緩，其中淺表部范圍內(nèi)(150 m～200 m)具有一定的淺層地下水存在。400 m～1 000 m范圍內(nèi)具有相對(duì)隔水層，其中測線西部范圍在地表以下1 000 m范圍外具有一定的地下水，分析為地下構(gòu)造的存在，具有一定的承壓水。在測線1 800 m～2 000 m相同部位亦具有這一現(xiàn)象。在整個(gè)2 000 m測線范圍內(nèi)，測線長度方向200 m,1 000 m及1 800 m具有電阻率等值線密集帶存在現(xiàn)象，表明該部位為地層電性變化位置，即可初步判定為地層或構(gòu)造變化部位。0 m～400 m范圍內(nèi)無電阻率等值線密集帶或橫向斜率突變帶，即無明顯地層變化現(xiàn)象存在，可初步判定第四系地層與風(fēng)化巖層在電性上差別較小。

5 結(jié)語

采用EH-4大地電磁技術(shù)在西藏地區(qū)水利樞紐工程探測中取得了較好的勘探效果，可宏觀上把握一定范圍內(nèi)的面上地質(zhì)信息，所提供的解譯結(jié)果可為水利工程建設(shè)提供較為詳盡的基礎(chǔ)資料。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)情況、后期地質(zhì)鉆孔局部加密工作，可較好的定位不良地質(zhì)體部位及類型，特別是在深厚覆蓋層和溶洞等探測方面效果尤為明顯。通過該方法的實(shí)施，可在一定程度上解決西藏高原地區(qū)鉆探難度大、效率低等問題。

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The application of EH-4 earth electromagnetic technology in Los water conservancy hub project in Tibet★

Xiao Changwei1Yue Caiqin1Ma Yufu1,2

(1.TibetHydropowerPlanningandDesignInstitute,Lhasa850000,China;2.KeyLaboratoryofIceLakeDisastersandWaterResourcesinTibet,Lhasa850000,China)

This paper introduced the principle, working method and processing technology of data of EH-4 earth electromagnetic technology, the testing technology was applied to the field detection of deep overburden of Los water conservancy project in Tibet, achieved the higher quality of continuous surface resistivity test results, can provide detailed geological data for the water conservancy engineering geological survey.

EH-4 earth electromagnetic technology， deep overburden， water conservancy engineering geology exploration， application effect

2014-11-20 ★:水利部“948”項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：201323);中國水利水電科學(xué)研究院科研專項(xiàng)(巖基本科研1411)

肖長偉(1965- )，男，碩士，工程師； 岳彩芹(1974- )，女，經(jīng)濟(jì)師； 馬玉福(1992- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)04-0224-03

P641

A