張林成，周 聰，湯井田，原 源，蔣奇云，李 廣，黃鳳林，李廣場(chǎng)

(1.湖南城市學(xué)院信息與電子工程學(xué)院，湖南益陽 413000;2.核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心，江西南昌 330013;3.中南大學(xué)有色金屬成礦預(yù)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410083;4.浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江杭州 311122)

0 引言

深埋隧洞(道)勘察是水利水電和鐵路、公路基建交通等工程中常見的復(fù)雜問題。由于深埋隧洞(道)勘察深度常達(dá)數(shù)百米級(jí)以上，地球物理技術(shù)是重要的解決方法。電磁勘探方法因具有探測(cè)深度范圍大、適合起伏地形、工作效率高及成本低等優(yōu)勢(shì)，是一類重要的深部勘察手段。例如音頻大地電磁法(祁民等,2019;Chave and Jones,2012)、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)(Strangway et al.,1973;湯井田等,2005；周普紅等，2017)、探地雷達(dá)(李俊杰等,2019)、射頻大地電磁法(原源等，2019)和廣域電磁法(Wide Field ElectroMagnetic method,WFEM)等(湯井田等,2005；何繼善,2010;祁民等,2019;李俊杰等,2019;Strangway et al.,1973;Chave et al.,2012)都已被廣泛應(yīng)用。相較而言，探地雷達(dá)和射頻大地電磁法目標(biāo)深度較淺，不適于直接探測(cè)深埋隧洞工程。

音頻大地電磁法觀測(cè)天然電磁場(chǎng)，理論簡(jiǎn)單、探測(cè)深度大；但信號(hào)易受噪聲干擾(楊生等，1993；湯井田等，2012；周聰?shù)龋?015)。CSAMT觀測(cè)人工電磁場(chǎng)，數(shù)據(jù)信噪比高，但由于其視電阻率計(jì)算仍然采用卡尼亞視電阻率公式，實(shí)際中因場(chǎng)源的非平面波效應(yīng)而引入人為誤差，不僅影響探測(cè)深度，而且可能會(huì)引起錯(cuò)誤的解釋(湯井田等,2010；楊大方等,2015；周聰?shù)?2019)。廣域電磁法是何繼善院士提出的一種新的人工源頻率域電磁測(cè)深法(何繼善,2010)。該方法從場(chǎng)的統(tǒng)一性出發(fā)，將“近區(qū)”，“過渡區(qū)”和“遠(yuǎn)區(qū)”有機(jī)地統(tǒng)一起來，定義廣域視電阻率，改善了非遠(yuǎn)區(qū)的畸變效應(yīng)，使得測(cè)深能在廣大的、不局限遠(yuǎn)區(qū)的區(qū)域進(jìn)行，且在同等收發(fā)距上勘探深度增大。同時(shí)，廣域電磁法采用多頻偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)送，而不是常規(guī)CSAMT的變頻發(fā)送，一次所發(fā)送即可完成多個(gè)主頻成分的測(cè)量，并壓制由變頻引起的隨機(jī)噪聲影響，可有效提高勘探速度與精度(何繼善,2019)。目前，廣域電磁法已經(jīng)在金屬礦產(chǎn)(劉春明等，2013)、石油及頁巖氣(何繼善等，2014;Yang et al.,2017;Yuan et al.,2017)、煤礦(He,2018)等多種資源探測(cè)領(lǐng)域中取得了成功應(yīng)用。然而，由于首批廣域電磁儀為電場(chǎng)單通道觀測(cè)設(shè)計(jì)(蔣奇云，2010)，因此過往的廣域電磁法應(yīng)用主要采用E-Ex電場(chǎng)單通道觀測(cè)方式，在構(gòu)造復(fù)雜的地區(qū)所獲得的信息量相對(duì)單一。

2017年，中南大學(xué)研制成功雙通道矢量廣域電磁儀，雙分量廣域電磁法逐漸得到應(yīng)用。本文立足于卡拉水電工程深埋隧洞探測(cè)實(shí)例，從方法原理、施工方案、數(shù)據(jù)處理及成果解釋等多個(gè)方面對(duì)這一方法進(jìn)行了闡述。通過本次研究工作，了解了深埋引水隧洞沿線電阻率的變化規(guī)律，揭示了主要斷裂的分布位置，特別是洞線的電阻率特征，為后續(xù)隧洞巖石完整性評(píng)價(jià)研究提供了依據(jù)。

1 雙分量廣域電磁法

常規(guī)廣域電磁法在發(fā)送端采用接地偶極子作為場(chǎng)源，在接收端只觀測(cè)單分量的電場(chǎng)以提高觀測(cè)效率(He，2018)，即所謂E-Ex方式。事實(shí)上，廣域電磁法根據(jù)場(chǎng)源形式或觀測(cè)方式可以做更詳細(xì)的劃分。此處簡(jiǎn)要介紹電場(chǎng)雙分量廣域電磁法的基本原理。如圖1所示，發(fā)送端采用水平電流源發(fā)射信號(hào)，以發(fā)送偶極矩的方向的為x方向；接收端采用雙通道接收機(jī)，同時(shí)測(cè)量電場(chǎng)的x分量和y分量。

圖1 電場(chǎng)雙分量廣域電磁法發(fā)送及接收示意圖

the two-component wide-field electromagnetic method

均勻半空間條件下x方向水平電偶極子產(chǎn)生的電場(chǎng)分量Ex、Ey表達(dá)式可寫為：

(1)

(2)

式中I為發(fā)射電流，A；ρ為均勻半空間電阻率，Ω·m；dL為電偶極子長(zhǎng)度，m；r為測(cè)點(diǎn)到電偶極子中心的距離，m；φ為r與電場(chǎng)Ex的夾角，°；FE-Ex(ikr)為與地下電阻率、場(chǎng)源頻率、場(chǎng)源與觀測(cè)位置有關(guān)的系數(shù)，k為波數(shù)。

FE-Ex(ikr)=1-3sin2φ+e-ikr(1+ikr)，

k2=iωμ(1/ρ-iωε)

(3)

由式(1)～(2)可得到電阻率表達(dá)式(何繼善，2010;湯井田等，2011)：

(4)

(5)

依據(jù)E-Ex及E-Ey雙分量廣域視電阻率數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理及反演，獲得地下電阻率模型，即可進(jìn)行相應(yīng)的地質(zhì)推斷及解釋。由于地球物理反演的不適定性，通常參與反演的約束數(shù)據(jù)越多，模型精度自然越高。肖曉(2010)、董浩等(2012)等學(xué)者的研究結(jié)果證明，對(duì)于二維等高維地電模型，采用兩個(gè)觀測(cè)方向不同模式的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合反演，可獲得優(yōu)于單模式的反演結(jié)果。因此，E-Ex及E-Ey雙分量廣域電磁法具有更好地反映地下電性信息的能力。

2 工程背景與地球物理部署

2.1 工程背景

本次雙分量廣域電磁法應(yīng)用案例為卡拉水電站工程引水線開發(fā)方案的長(zhǎng)引水隧洞工程勘察。工程區(qū)位于四川省涼山州木里縣雅礱江河段內(nèi)。引水隧洞采用兩條隧洞平行布置，平均洞長(zhǎng)約22.1 km。隧洞沿線構(gòu)造發(fā)育，主要分布三大地層。本文的主要目標(biāo)為第一層，即從進(jìn)口段至卡拉鄉(xiāng)附近，主要為砂質(zhì)板巖、大理巖、變質(zhì)砂巖及含炭質(zhì)板巖混雜，與壩址區(qū)的地層相近，巖體多呈層狀，巖層與引水隧洞小角度相交，圍巖條件較差，長(zhǎng)度約11.3 km。

前期工作中，采用對(duì)稱四極電測(cè)深法對(duì)卡拉水電站壩址區(qū)域巖土電阻率及水電阻率進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯采w層、不同破碎狀態(tài)及完整性的巖體以及雅礱江水的電阻率均值具有顯著的差異，表明在本工區(qū)開展雙分量廣域電磁法應(yīng)用具有很好的物性基礎(chǔ)。

表1 卡拉水電站壩址區(qū)域巖土及水電阻率測(cè)試結(jié)果

2.2 地球物理部署

測(cè)線位于長(zhǎng)引水隧洞洞線上方，共布置了1條測(cè)線，位置如圖2所示，測(cè)線平均點(diǎn)距40 m。取測(cè)線方向?yàn)閥方向。由于采用雙分量廣域電磁法，需觀測(cè)Ex及Ey兩個(gè)電場(chǎng)分量，為同時(shí)獲得較高幅值的Ex及Ey電場(chǎng)，需謹(jǐn)慎選擇場(chǎng)源位置及方位(湯井田等，2005；湯井田等，2011；湯井田等，2013)。經(jīng)過比選，確定場(chǎng)源的供電電極A、B位置位于卡拉鄉(xiāng)南部，如圖2所示。AB極長(zhǎng)度約為1.1 km，發(fā)送軸與接收測(cè)線垂直，與坐標(biāo)系x方向平行。測(cè)線北端測(cè)點(diǎn)與發(fā)送極矩的夾角φ≈78°，南端測(cè)點(diǎn)與發(fā)送極矩的夾角φ≈64°，根據(jù)可控源條件下，不同排列測(cè)量分帶的研究(湯井田等，2005)，上述場(chǎng)源選擇可以保證整條測(cè)線上都能觀測(cè)到較高幅值的雙分量電場(chǎng)。

圖2 測(cè)點(diǎn)及場(chǎng)源部署圖

3 數(shù)據(jù)采集、處理與反演

3.1 數(shù)據(jù)采集

本次廣域電磁法勘探采用中南大學(xué)何繼善院士及湯井田教授團(tuán)隊(duì)研制的廣域電磁觀測(cè)系統(tǒng)，主要設(shè)備有：廣域電磁發(fā)射機(jī)、矢量廣域電磁接收機(jī)、大功率發(fā)電機(jī)等。廣域電磁發(fā)射機(jī)的信號(hào)源為偽隨機(jī)信號(hào)，可根據(jù)勘探需要選用不同的信號(hào)頻率，實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻率同時(shí)測(cè)量的要求，以提高抗干擾能力和分辨率(何繼善，2010)。

為增加發(fā)送電流，采用多電極并聯(lián)等處理措施，降低供電電極接地電阻。采用偽隨機(jī)編碼信號(hào)源，發(fā)送7頻偽隨機(jī)信號(hào)，最大總發(fā)送電流達(dá)50 A以上。接收端共投入12套矢量廣域電磁接收機(jī)進(jìn)行同步觀測(cè)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均記錄Ex及Ey雙分量電場(chǎng)；共觀測(cè)4個(gè)頻段，28個(gè)頻點(diǎn)，頻率范圍為8192～0.75 Hz，單點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間控制在60分鐘以上。根據(jù)《廣域電磁法技術(shù)規(guī)程》(湖南省國(guó)土資源廳，2018)進(jìn)行施工，最終在該測(cè)線上共獲得測(cè)點(diǎn)137個(gè)。

需說明，與單分量觀測(cè)相比，雙分量廣域電磁法施工中增加了1個(gè)方向的電場(chǎng)觀測(cè)，僅少量增加了施工成本，而場(chǎng)源埋設(shè)、接收器部署及時(shí)間成本均一致；但獲得了雙倍的數(shù)據(jù)量，實(shí)際上提高了采集效率。

3.2 數(shù)據(jù)處理

本次廣域電磁法數(shù)據(jù)處理以及反演采用中南大學(xué)開發(fā)的“重磁電三維反演成像解釋一體化系統(tǒng)”GME_3DI(V4.2)中的廣域電磁法數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理包括以下步驟：(1)頻域場(chǎng)值數(shù)據(jù)計(jì)算，對(duì)采集的時(shí)間序列數(shù)據(jù)按一定的長(zhǎng)度進(jìn)行分段，對(duì)每個(gè)片段分別進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換與頻譜估計(jì)，計(jì)算電磁場(chǎng)值；(2)廣域視電阻率數(shù)據(jù)計(jì)算，利用第2節(jié)所述的方法及公式，計(jì)算每個(gè)片段的視電阻率；(3)頻域數(shù)據(jù)分段挑選，繪制視電阻率值隨時(shí)間片段序號(hào)的分布圖，以人機(jī)交互的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)挑選；(4)對(duì)經(jīng)過上述處理數(shù)據(jù)質(zhì)量仍較低的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理；(5)空間濾波處理，以壓制靜態(tài)效應(yīng)，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。整體數(shù)據(jù)處理步驟與大地電磁法基本相同。

經(jīng)過精心處理，在測(cè)區(qū)大部分區(qū)域獲取了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。多數(shù)測(cè)點(diǎn)曲線形態(tài)明確，特征明顯，能清晰地揭示地下電性特征。典型測(cè)量數(shù)據(jù)及測(cè)深曲線如圖3所示。注意到1000 Hz以上的高頻端數(shù)據(jù)質(zhì)量稍低，這是因?yàn)楦哳l端發(fā)送電流偏小，信噪比不高，曲線不夠連續(xù)，但仍有趨勢(shì)，后續(xù)可作截頻處理。

圖3 典型測(cè)點(diǎn)的廣域電位差及視電阻率數(shù)據(jù)

而工頻(50 Hz)處存在一極小值“飛點(diǎn)”，這是儀器陷波處理所致，反演前進(jìn)行頻點(diǎn)刪除或圓滑等處理即可。

3.3 數(shù)據(jù)反演

數(shù)據(jù)反演采用GME_3DI(V4.2)中的反演模塊，方法為帶地形的連續(xù)介質(zhì)反演(戴世坤和徐世浙，1997；戴世坤等，2013)。正演采用有限元方法，反演網(wǎng)格為自適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，可根據(jù)測(cè)點(diǎn)的空間分布進(jìn)行自適應(yīng)加密，初始網(wǎng)格系數(shù)選擇為點(diǎn)距的2倍，根據(jù)實(shí)測(cè)頻率和地表電阻率，反演深度設(shè)定為3 km，以模型的改變量小于預(yù)期值作為迭代終止條件。首先利用Ex及Ey雙分量電場(chǎng)廣域視電阻率進(jìn)行一維連續(xù)介質(zhì)反演，獲得初始模型；然后以該模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行二維連續(xù)介質(zhì)雙模聯(lián)合反演，獲得反演結(jié)果，并開展模型驗(yàn)證及成果推斷解釋。

圖4給出了反演前后頻率-響應(yīng)數(shù)據(jù)擬剖面圖對(duì)比。帶地形的連續(xù)介質(zhì)二維反演結(jié)果很好地?cái)M合了觀測(cè)數(shù)據(jù)，證明了反演模型的可靠性。

4 勘察結(jié)果與解釋

W1剖面廣域電磁法反演電阻率模型見圖5。根據(jù)反演模型，劃定了剖面中軟弱層的空間分布范圍以及主要斷裂構(gòu)造的分布位置。分析可知，(1)在剖面樁號(hào)0～7700 m存在一條視電阻率值范圍為100～600 Ω·m的條帶狀低阻體，該低阻體厚度和埋深變化較大，厚度主要為30～150 m，結(jié)合地質(zhì)資料分析該低阻體為基巖中的軟弱層。(2)樁號(hào)2500 m段附近發(fā)育一段北傾低阻體，結(jié)合地質(zhì)資料，分析該低阻體為構(gòu)造斷層，傾向剖面小號(hào)方向，即北西向。(3)樁號(hào)5400～5800 m段基巖電阻率降低，分析該段受構(gòu)造破碎帶影響，存在一南傾斷層。

圖4 反演前后響應(yīng)數(shù)據(jù)的頻率擬剖面圖對(duì)比

圖5 雙分量廣域電磁反演結(jié)果及構(gòu)造推斷圖

一般地，對(duì)于同一埋藏環(huán)境、近似巖性的巖體，巖體電阻率越大，巖體越完整、越新鮮，巖體質(zhì)量就越好；反之則越差；這是以電阻率進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí)的物理基礎(chǔ)(化希瑞等，2017;2018)。由于本段地下介質(zhì)巖性主要為砂質(zhì)板巖和炭質(zhì)板巖，整體巖性相近。巖石電阻率值可為巖石完整性及巖體質(zhì)量判斷提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。圖5b給出了隧洞的洞線電阻率分布，為后續(xù)評(píng)價(jià)提供了參考依據(jù)。

利用鉆孔及工程地質(zhì)資料，對(duì)廣域電磁法解譯結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比和驗(yàn)證。鉆孔位置見圖5，位于2510～2560 m測(cè)段。該孔深度達(dá)233 m，揭示出覆蓋層厚度為20 m，覆蓋層下巖性主要為炭質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖，孔深19.9～35 m和83.34～131.23 m段為斷層帶，斷層視傾角約為82°①。對(duì)比廣域電磁反演結(jié)果可以看出，電阻率模型在鉆孔位置處表現(xiàn)為電性分界面。根據(jù)前文的分析，該處推斷存在斷層，其傾角與鉆孔揭示的斷層視傾角相當(dāng)。同時(shí)需說明，電阻率模型的分辨率相對(duì)鉆孔較低，因此并不能完全精確地與鉆孔結(jié)果相對(duì)應(yīng)。總體上，鉆孔資料證實(shí)了廣域電磁法反演模型推斷結(jié)果中130 m以淺斷裂構(gòu)造的賦存位置及傾向；根據(jù)電性模型，進(jìn)一步推斷該斷層以相應(yīng)的傾角延伸至深部，如圖5中2400～2500 m測(cè)段間的紅色虛線所示。結(jié)合測(cè)區(qū)的工程地質(zhì)工作可知，廣域電磁法對(duì)地下整體結(jié)構(gòu)反映較好，主要電性結(jié)構(gòu)及破碎帶均有較好反映。

5 結(jié)論

在西南卡拉水電工程中，首次采用雙分量廣域電磁法開展了深埋隧洞勘察研究，驗(yàn)證了廣域電磁法在深埋隧洞勘察應(yīng)用中的有效性，獲得了以下認(rèn)識(shí)。

(1)本次雙分量廣域電磁法探測(cè)工作查明了測(cè)線地下的主要電性結(jié)構(gòu)，揭示了主要斷裂的位置和傾向，給出了引水洞線的電阻率分布。鉆孔資料表明雙分量廣域電磁法較好地揭示了構(gòu)造破碎帶；洞線電阻率分布為后續(xù)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了參考依據(jù)。

(2)相較于常規(guī)單分量觀測(cè)，雙分量廣域電磁法可在少量增加施工成本的基礎(chǔ)上提供雙倍的觀測(cè)數(shù)據(jù)量，有利于提高復(fù)雜構(gòu)造區(qū)勘探精度，是深埋隧洞勘察的一種有效探測(cè)手段。

[注 釋]

① 中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院. 2018. 四川省雅礱江卡拉水電站可研階段長(zhǎng)引水方案勘探成果報(bào)告[R].