王鐵領(lǐng)，趙勝嶺，張少雷

（中地華北（北京）工程技術(shù)研究院有限公司，北京 100085）

隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化的發(fā)展，區(qū)域之間的交流變得越來越頻繁，地區(qū)之間的交通擁堵已成為擺在政府面前一個(gè)亟待解決的問題。中國(guó)山區(qū)廣袤，目前各地區(qū)在地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)已經(jīng)修建了多條鐵路、公路等工程。深、長(zhǎng)隧道的地質(zhì)勘探工作一直是地質(zhì)勘察的難點(diǎn)、重點(diǎn)，也是擺在地球物理學(xué)者面前的一個(gè)重要問題。早期的物探方法勘探深度淺，受地形影響較大，無法滿足深、長(zhǎng)隧道勘探的要求。CSAMT興起于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過多年發(fā)展，理論和儀器性能不斷提高。CSAMT具有探測(cè)深度大、工作效率高、分辨能力強(qiáng)、能避免高阻屏蔽、對(duì)地阻體敏感、設(shè)備相對(duì)輕便等特點(diǎn)。目前，利用CSAMT可有效判定地下構(gòu)造形態(tài)、巖層界線、地下水賦存狀況等，為工程設(shè)計(jì)和隧道施工提供參數(shù)。筆者在北京地區(qū)隧道勘察中采用CSAMT開展了深部隧道勘探，取得了較好的效果。

1 CSAMT原理與工作方法

1.1 CSAMT原理

CSAMT是在MT（大地電磁）和AMT（音頻大地電磁）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，并于20世紀(jì)70年代得到發(fā)展應(yīng)用。其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了地質(zhì)勘察、資源勘探等領(lǐng)域，并得到了越來越多的重視。CSAMT利用垂直地面入射的平面電磁波，避免了天然場(chǎng)源的隨機(jī)性、信號(hào)弱等缺點(diǎn)。該方法以有限長(zhǎng)地電偶極子為場(chǎng)源，在場(chǎng)源中心一定距離處同時(shí)觀測(cè)電、磁場(chǎng)參數(shù)。它基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組導(dǎo)出的水平電偶極源在地面上的電場(chǎng)及磁場(chǎng)公式（遠(yuǎn)區(qū)），經(jīng)過換算可得到電場(chǎng)E、磁場(chǎng)H、頻率f與卡尼亞電阻率ps的卡尼亞公式：

式中：Ex為沿x方向的電場(chǎng)；Hy為沿y方向的磁場(chǎng)；f為頻率；ps為卡尼亞電阻率。

根據(jù)測(cè)量分量數(shù)量和場(chǎng)源數(shù)量，CSAMT有張量、矢量和標(biāo)量三種形式。目前的測(cè)試中多采用標(biāo)量中的赤道偶極裝置，過程中測(cè)量與場(chǎng)源平行的分量Ex和與場(chǎng)源正交的分量Hy。

根據(jù)趨膚效應(yīng)理論，其趨膚深度δ公式為：

測(cè)試中具體探測(cè)深度D與理論探測(cè)深度d不同，多數(shù)情況下將具體探測(cè)深度認(rèn)定為電磁波能量衰減到50%時(shí)的深度，即

由式（3）可知，隨著電阻率的減小或頻率增大，探測(cè)深度變淺；反之，隨著電阻率的增大或頻率減小，探測(cè)深度加深。在實(shí)際工作中通過調(diào)整發(fā)射頻率改變探測(cè)深度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，CSAMT在ps較低的沉積盆地或者第四紀(jì)覆蓋層較厚的地區(qū)測(cè)試深度僅為500m，在電阻率較高的巖層地區(qū)測(cè)深可達(dá)2000m。

1.2 CSAMT的現(xiàn)場(chǎng)工作方法

CSAMT的現(xiàn)場(chǎng)工作示意圖如圖1所示，該圖選用直角坐標(biāo)系，x軸平行AB，z軸垂直向下。探測(cè)中，通過A、B電極向下供電，發(fā)射電流頻率可變，在距離發(fā)射電極很遠(yuǎn)的地方進(jìn)行接收測(cè)量。

圖1 CSAMT現(xiàn)場(chǎng)工作示意圖

2 CSAMT測(cè)量參數(shù)的選擇及提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法

2.1 發(fā)射測(cè)量頻率f

通常，根據(jù)探測(cè)要求和場(chǎng)地電阻率初步確定發(fā)射頻率。頻點(diǎn)的選擇要滿足目標(biāo)探測(cè)深度范圍內(nèi)都有足夠的數(shù)據(jù)，一般根據(jù)探測(cè)深度選擇20～40個(gè)頻點(diǎn)?，F(xiàn)有的儀器設(shè)備頻帶寬度為0.125～10000Hz，對(duì)應(yīng)的勘探深度為幾十米至幾千米，其中多以“2”倍率從低到高增加頻點(diǎn)，重點(diǎn)層位加密頻點(diǎn)測(cè)量。

2.2 收發(fā)距R

由發(fā)射頻率f對(duì)應(yīng)的趨膚深度和合適的測(cè)試效率來確定合理的收發(fā)距R。其主要限制因素有三個(gè)：（1）最小收發(fā)距；（2）最大收發(fā)距；（3）信號(hào)強(qiáng)度與偏離場(chǎng)源中垂線兩邊方位角30°的依賴關(guān)系。收發(fā)距太近，測(cè)深曲線尾支會(huì)出現(xiàn)45°陡峭上升的近場(chǎng)效應(yīng)；收發(fā)距R過大，遠(yuǎn)區(qū)數(shù)據(jù)越多，測(cè)試效率越高，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致有用信號(hào)在傳播過程中的衰減。信號(hào)的強(qiáng)度直接影響信號(hào)的質(zhì)量，尤其是低頻信號(hào)衰減更大。根據(jù)多次測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為收發(fā)距大于趨膚深度3～5倍時(shí)，近似認(rèn)定為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，一般收發(fā)距R為4～10km（若條件允許的話，可適當(dāng)再增大）。

2.3 供電極距AB

通常AB≤（1/3～1/5）R，AB越大，系統(tǒng)曲線的低頻特征越好，適宜探測(cè)中深部地層，AB越小，系統(tǒng)曲線的高頻特征越好，適宜探測(cè)中淺部地層。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般AB可取1～3km。為了提高采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，發(fā)射端供電時(shí)盡量采用低電壓大電流的形式，這樣有助于提高發(fā)射系統(tǒng)的效能，I越大，Ex、Hy越大，越容易被接收機(jī)觀測(cè)到，有助于壓制干擾。同時(shí)還要降低發(fā)射端AB的接地電阻，在發(fā)射端澆鹽水。

2.4 接收偶極矩MN

接收偶極矩MN約等于水平分辨異常的能力，MN越大，分辨率越低，但能提高觀測(cè)電位差值，更加易于觀測(cè)，工作效率高；MN越小，可提高分辨率，但是降低了數(shù)據(jù)質(zhì)量。根據(jù)探測(cè)目的和目標(biāo)地的深度，接收偶極矩一般可為20～50m。為了提高接收采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，接收偶極矩MN盡量采用不極化電極，減少干擾。同時(shí)保證接收偶極矩的接地電阻越小越好，在電極處澆適當(dāng)?shù)柠}水，保證接地電阻＜5kΩ。

3 CSAMT數(shù)據(jù)處理流程及數(shù)據(jù)校正

3.1 數(shù)據(jù)處理流程

CSAMT的數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 CSAMT數(shù)據(jù)處理流程圖

3.2 靜態(tài)校正

靜態(tài)效應(yīng)是指由于地表局部存在的尺度規(guī)模遠(yuǎn)小于最小趨膚深度的三維不均勻電性體，造成電荷積累而引起的電阻率和頻率無關(guān)的電阻率變化。靜態(tài)效應(yīng)是電法勘探中（CSAMT、AMT、MT）共有的一種現(xiàn)象，只影響電場(chǎng)數(shù)據(jù)，不影響磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，表現(xiàn)為在電阻率雙對(duì)數(shù)曲線中曲線保持形態(tài)不變的上下平移，而相位保持不變。靜態(tài)效應(yīng)對(duì)低阻局部異常影響明顯，表現(xiàn)為曲線向下平移；對(duì)高阻局部異常體影響較小，表現(xiàn)為使曲線輕微上移。在具體的CASMT成果圖上表現(xiàn)為橫向較小的范圍內(nèi)直上直下的等值線帶狀異常。目前提出的靜態(tài)校正方法很多，主要有數(shù)值分析法、曲線平移法、空間濾波法、不變量響應(yīng)分析法等，最常用的為基于人工識(shí)別的空間濾波法（五點(diǎn)濾波、七點(diǎn)濾波、中值濾波）。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程地質(zhì)概括

擬建北京山區(qū)隧道勘察工程位于北京西北太行山脈的延伸地帶，地形起伏較大，穿過的場(chǎng)區(qū)地貌為近東西走向的構(gòu)造剝蝕丘陵、低山山脈及溝谷地貌。山體坡度一般在40～50°，局部為陡崖，山坡植被較為發(fā)育，海拔高程為410～690m。沿線分布的地層以中元古界沉積巖與中生界火山巖、火山碎屑巖及侵入巖為主，在山間沖溝與河谷地帶分布第四紀(jì)洪沖積層，在山麓斜坡帶分布第四紀(jì)殘坡積層。區(qū)內(nèi)含水層主要為第四系松散巖類含水巖層、碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖層和火山碎屑巖、巖漿巖裂隙含水層，含水量受季節(jié)和氣候的影響顯著。

4.2 巖礦石物性統(tǒng)計(jì)

對(duì)該場(chǎng)區(qū)的主要常見巖性的物性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試統(tǒng)計(jì)，如表1所示。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，該區(qū)域各類巖石電阻率變化范圍較大，平均電阻率為138.14～1334.84Ω·m，且具有明顯的各向異性。白云巖電阻率變化范圍最大，同時(shí)出露的灰質(zhì)白云巖的電阻率值較低，平均電阻率僅為179.81Ω·m，該灰質(zhì)白云巖在該區(qū)域普遍分布，且具有一定的連續(xù)性和分層性，對(duì)該區(qū)域物探異常的識(shí)別具有一定的影響，綜合分析時(shí)應(yīng)注意識(shí)別。

表1 典型地層巖性的物性參數(shù)

4.3 測(cè)試參數(shù)取值及檢查校正

在本次CSAMT測(cè)試中，使用加拿大鳳凰地球物理有限公司生產(chǎn)的V8網(wǎng)絡(luò)化多功能電法儀，采用赤道偶極裝置標(biāo)量觀測(cè)方式。為滿足觀測(cè)條件，沿測(cè)線方向布設(shè)電極排列，工作頻率選取為9600～0.125Hz中的25個(gè)頻點(diǎn)；收發(fā)距R約6km；發(fā)射AB極距2km；發(fā)射電流2～8A；磁探頭方向與AB供電極垂直；接收偶極矩MN為20m。在施工過程中，及時(shí)布置檢查點(diǎn)總數(shù)大于測(cè)點(diǎn)總數(shù)的3%；檢查點(diǎn)兩次觀測(cè)的相應(yīng)視電阻率曲線形態(tài)一致，對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的數(shù)值接近，相對(duì)均方誤差小于5%，均滿足規(guī)范要求。

4.4 探測(cè)成果

該工程實(shí)施測(cè)線較長(zhǎng)，總計(jì)完成CSAMT測(cè)線剖面6km，本文只選取2個(gè)典型剖面進(jìn)行綜合物探分析。剖面一CSAMT反演成果圖如圖3所示。

圖3 剖面一CSAMT反演成果圖

該剖面測(cè)試深度范圍內(nèi)電阻率值變化較大，大部分巖體電阻率為200～5000Ω·m，局部電阻率為5000Ω·m以上。隧道洞身附近，高中低阻相間分布，說明構(gòu)造比較復(fù)雜。

其中樁號(hào)YK25+330～YK25+380段存在一相對(duì)低阻異常變化帶，電阻率＜100Ω·m，地表存在溝谷發(fā)育，推斷為斷裂破碎帶，記為F1。該斷裂帶向下延伸穿過隧道洞身，該處巖體軟弱、破碎，局部含水量較高，影響隧道施工。經(jīng)驗(yàn)證，附近1#鉆孔巖芯整體較為破碎，局部存在泥質(zhì)充填物。樁號(hào)ZK25+640～ZK25+660段分布有相對(duì)低阻異常變化帶，電阻率＜100Ω·m，由地表延伸至隧道下方，推斷為斷裂破碎帶，記為F2。該斷裂帶向下延伸穿過隧道洞身，受其影響，該處工程地質(zhì)條件較差，巖體較破碎，對(duì)隧道施工影響較大。

剖面二CSAMT反演電阻率斷面圖如圖4所示。

圖4 剖面二CSAMT反演成果圖

由圖2可以看出，測(cè)試深度范圍內(nèi)電阻率變化較大，大部分巖體電阻率為20～3000Ω·m。該段淺表電阻率橫向連續(xù)性較差，推斷為淺部覆蓋層及白云巖風(fēng)化不均勻的反應(yīng)。隧道洞身附近及以下，表現(xiàn)為一層較為連續(xù)的低阻異常帶（電阻率值＜130Ω·m，起止樁號(hào)為ZK25+950～ZK26+230）。經(jīng)打鉆驗(yàn)證，該處2#鉆孔巖芯整體完整性較高，洞身隧道巖芯為微風(fēng)化灰質(zhì)白云巖。由前期該區(qū)物性測(cè)試和巖芯電阻率測(cè)試可知，該區(qū)域灰質(zhì)白云巖平均電阻率在179Ω·m以下，故推斷該低阻異常為受該層賦存的灰質(zhì)白云巖所致。可見，CSAMT對(duì)低阻體異常的反應(yīng)比較敏感。

5 結(jié)束語

本次根據(jù)CSAMT的探測(cè)成果并結(jié)合該段山區(qū)地質(zhì)資料劃定了多處斷層破碎帶和低阻異常區(qū)，取得了很好的勘察效果，得到了以下結(jié)論和認(rèn)識(shí)。

（1）CSAMT探測(cè)深度大、工作效率高、分辨能力強(qiáng)、能避免高阻屏蔽、對(duì)地阻體異常敏感，是山區(qū)隧道勘察項(xiàng)目中有效的地球物理勘察手段。

（2）在野外采集數(shù)據(jù)時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)探測(cè)目的和目標(biāo)體位置，分析計(jì)算觀測(cè)裝置參數(shù)。在保證信噪比的情況下，要盡量使采集的數(shù)據(jù)處在遠(yuǎn)區(qū)，并且按照規(guī)范要求布置發(fā)射、接收偶極子，采取提高發(fā)射電流、降低接地電阻等方式提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

（3）在數(shù)據(jù)處理中，要識(shí)別靜態(tài)效應(yīng)，謹(jǐn)慎分析處理這些效應(yīng)的影響。

（4）在電阻率反演斷面圖中，斷層破裂帶、軟弱帶及富水帶等不良地質(zhì)體在圖中顯示為片狀、團(tuán)塊狀、條帶狀以及串珠狀低阻等特征。

（5）由于山區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，在使用CSAMT方法時(shí)要注意結(jié)合地質(zhì)資料、鉆探資料、其他物探方法及資料綜合分析。

（6）通過對(duì)本次工作的應(yīng)用，隧道洞身附近的異常體已經(jīng)基本查明，滿足了地質(zhì)勘察任務(wù)的要求，為工程設(shè)計(jì)和施工提供了可靠的參考。