Csamt方法在隧道勘探中的应用

CSAMT方法在铁路隧道勘探中的应用夏训银1王身龙1王洪生1严良俊2吴丹1(1.天津华北地质勘查局3001812.长江大学地球物理系434023)摘要：襄渝增建二线老河口安康段白石河隧道地形复杂、隧道埋深大，常规的物探方法难以开展。CSAMT法具有地形条件限制小、勘探深度大、观测效果高、兼有测深和剖面研究等特点，可较好地解决这个问题。本文介绍了CSAMT法的工作原理和野外施工方法，采用带地形的二维多参数联合反演，可较好地解决地形影响和静态效应。通过对CSAMT资料的分析，结合地质特征解释认为，高阻层主要为石英片岩，中阻层为云母片岩、炭质硅质岩，含炭质片岩为低阻层，近直立低阻异常为断裂破碎带。关键词：CSAMT，电阻率，铁路隧道，二维反演，异常特征。APPLICATIONOFCSAMTTOTHEEXPLORATIONOFRAILWAYTUNNELXiaxunyin1Wangshenlong1WangHongsheng1YanLiangjun2WuDan1（1.TheGeologicalExploitationBureauofTianjinNorthChina,Tianjin,300181,China;2.DepartmentofGeophysics,YangtzeUniversity,Jingzhou,434023,China）DuetoduplicatedterraceanddepthtunnelintheBaishihetunnelofthesecondXiangyurailwaylineinthebandofLaohekou-Ankang,itisdifficultforustocommongeophysicalprospectingwhileCSAMTcanresolvetheproblembecauseitenjoyslesslimitedterraceconditions,depthprospectingandexploration,highobservationresults,betterbathymetryandbisectresearch,etc.wealsointroduceCSAMT’sprinciplesandconstructionmethodsinoutdoors,CSAMTcanresolveterraceinfluenceandstaticstateeffectforadopting2Dmulti-parametercombinedinversion.ThoughanalyzingdocumentsofCSAMTandgeologicalcharacteristics,quartz-schistmainlydepositsinhighresistivitylayer,glimmerite,carbonoliteandsilicolitesmainlyfindinmiddleresistivitylayer,schistandcarbonwillbefindinlowresistivitylayer,verticallowresistivityanomalyrepresentsfaultedzone.KeyWordsCSAMTResistivityRailwaytunnel2DinversionAnomalyfeature.1引言襄渝铁路增建二线老河口—安康段地处陕西省与湖北省交界地区，地形起伏较大，山峰林立，沟壑纵横，最低海拔小于200米，最高海拔达900多米。设计的隧道和桥梁占全部铁路线的百分之八十以上。为了铁路隧道的设计和施工安全，查清隧道沿线的地质构造及其分布特征是十分必要的。由于地形复杂，隧道埋深大，直流电法和浅层地震等物探方法不易开展，且勘探深度难以达到要求。因此需要找到一种适合于复杂地形条件工作，又能快速有效地探测深部地质构造的物探法。可控源音频大地电磁法（CSAMT）具有地形条件限制小、抗干扰能力强、勘探深度大、观测效果高、兼有测深和剖面研究的双重特点，是探测深部地质构造和寻找隐伏矿的有效方法手段。近年来，在我国的油气勘探、金属矿产勘查、地下水和地热勘探中得到了广泛应用[3-5]。本文以白石河隧道为例，讨论了CSAMT方法探测铁路隧道的基本方法和取得的初步认识。2CSAMT方法的基本原理CSAMT法是一种人工源频率域电磁法，其原理与常规大地电磁测深（MT）类似，是针对天然电磁场信号弱的特点，采用可控制人工方式，利用发射电偶极AB（一般1—2km）向地下发送不同频率的交变电流，形成交变电磁场，在距离场源足够远的地方通过测量相互垂直的电场信号xE和磁场信号yH，根据Cagniard公式可求得地下介质的视电阻率和阻抗相位[1-2]：2251yxsHEfHE(1)式中f为发射频率，s为视电阻率，为阻抗相位。CSAMT数据的深度与频率f、卡尼亚电阻率之间有以下关系fD365(2)（2）式说明，当大地电阻率结构一定时，通过改变电磁信号的频率，可得到不同深度的地电信息，从而达到电阻率垂向测深的目的。CSAMT工作频率一般在0.25Hz到8192Hz范围内进行，探测深度可达2—3km，测量电极距决定了横向分辨率，通常是电极距约为最小探测目标体的一半。此外，CSAMT观测结果还会受到近场影响和静态效应的影响，资料处理时要进行改正。3工区地质与地球物理特征白石河隧道位于陕西省白河县城西南，距县城约3公里，大地构造属于南秦岭褶皱系东段的白河褶皱束区，该褶皱束由下古生界褶皱组成，总体呈近东西向延伸，北部偏北西西，南部偏南西西，自西向东收敛于白河、鲍峡一线，呈向西敝开的喇叭状；褶皱多呈紧密线状和向南倒转。出露主要地层为下寒武统，该统上部为粉砂质板岩夹泥质灰岩；中部为炭质片岩、炭质粉砂岩、石煤及薄层硅质岩；下部主要为云母石英片岩、炭质片岩。区内断裂发育，依附于白河-石花街主断裂，发育的断裂多呈北西向，倾向北东，倾角40-60°。根据电测井资料分析表明，区内埋深90米以上岩性为含炭质片岩，电阻率较低，小于10欧姆米；埋深在90—110米岩性为石英片岩，电阻率大于100欧姆米，最大可达700欧姆米左右，埋深110—120米为岩性为云母片岩、炭质硅质岩，电阻率10—50欧姆米，为中等电阻率地层。区内地层的电性差异明显，可达1—2个数量级，另外，由于断裂破碎带在风化作用下使其孔隙度增加或充水和粘土，引起电阻率降低，而断裂带两盘则相对高阻，从而具备了CSAMT方法在该区工作的地球物理前提。4CSAMT工作方4.1野外工作方法CSAMT方法测线布设是沿隧道中轴线布设的，测线方位135°，测线长6.15km，测量点距25m。采用标量CSAMT装置，发射电偶极源AB平行测线布设，AB=2.2km，为了使测区尽可能处于远场区，选择收发距R=7.5km；考虑到勘探深度和垂直分辨率的要求，测量时采用规则和不规则（加密）两套频率测量，规则频率范围：8192—8Hz，11个频点，不规则频率范围：5461.333—5.333，11个频点，共22个频点。测量仪器使用加拿大凤凰公司生产的V5多功能电磁仪，发射系统为该公司的MG30发电机和T50发射机。由于隧道测线与区域主构造线成小角度斜交，使有效电磁信号衰减较快，另外隧道测线距白河县城较近，人文干扰较大，为了保证测量的数据质量，工作时采用大电流供电，保证高频供电电流不小于5A，1024Hz以下的工作频率大于20A。野外测量相互垂直的电场信号xE和磁场信号yH，频率由高到低逐个改变频率，求得每个频点的卡尼亚电阻率，进而得到各个测点的电阻率测深曲线。4.2CSAMT方法的资料处理CSAMT方法资料处理包括资料预处理、近场源改正、静态校正和二维联合反演。在CSAMT数据采集过程中，由于各种原因，可能会出现随机干扰信号，使电阻率测深曲线的个别频点发生跳跃性突变，必须对其进行圆滑处理。数据预处理是采取人机智对话方式进行的，以每个排列为单位，根据同一排列中视电阻率曲线形态变化不大且具有相似性的特点进行编辑。近场源改正主要是校正非平面波的影响。由于区内地表电阻率较低，收发距较大，获得视电阻率曲线类型都为K型和KHK型，没有出现低频段尾支呈45度上升的现象，说明近场影响很小，所以本次资料处理时没有进行近场源改正。近地表存在局部电性不均匀体时，该不均匀体表面积累电荷能使观测数据（视电阻率）向上或向下平移一个常数，且与观测信号的频率无关，这种视电阻率曲线平移的现象称为静态偏移影响。若用受到严重静态偏移畸变的视电阻率曲线进行反演解释，则反演结果将是错误的，因此必须采取有效措施尽可能消除静态偏移的影响。根据我们多年来对静态偏移校正方法的研究成果，可采用的校正方法包括阻抗张量分解法和考虑近地表局部异常体的二维反演算法。由于在山区，地形比较复杂，浅层电性不均匀体对CSAMT的影响与地形的影响很难完全分开，故对浅层电性不均匀体的影响进行校正时往往很难单独进行。因此，我们使用综合考虑地形和近地表电性不均匀体影响的二维反演方法，即在构造二维初始模型时尽量细分，重点加密浅部网格，以突出地表不均匀体的存在，同时也考虑地形的影响。这样可以较好地解决复杂山区CSAMT资料解释中的地形影响和静偏移校正问题。4.3二维联合反演对野外观测数据进行有效的极化模式识别，并经去噪滤波和各项影响因素的校正之后，就可进行资料的一维或拟二维反演。反演的结果作为二维反演的初始模型，这样可以提高二维反演的速度，并确保二维反演过程的有效收敛。二维反演时，将地形的起伏直接构制于用于反演的地电模型之中，这样，对具有二维特征的地形，其电磁响应将直接包含在模型的计算结果之中。为了包含地表局部不均匀体的影响，将靠近地表的网格进行适当加密，同时用反映地表电性异常敏感的观测数据去控制地表电阻率值的修改量。初步反演后，根据拟合情况再次检查极化模式的判别，确认无误后，再进行精细反演解释。由于采取这些技术措施，又是同时反演拟合视电阻率和相位两条曲线，因此，可减少反演结果的非唯一性，提高反演地电断面的可信度和可解释性。这次我们运用带地形的多参数联合二维反演法，对所获得的CSAMT资料进行了二维电阻率反演。5测深剖面的电性特征和地质解释5.1剖面的电性征图1a为白石河隧道CSAMT二维反演断面图。从图可以看出，整条剖面的电性变化较为复杂，总体可划分为三个电性段。桩号里程184.9—186.0km段：电阻率值变化不大。上下可分为两层，上层电阻率约在50-200欧姆米之间，平均厚度150m,下层电阻率约为10欧姆米左右；桩号里程186.0—190.0km段：电性纵横向变化剧烈，电性起伏较大，从上到下可分为三层，上层零星分布中阻层，电阻率约为50-100欧姆米，中间为厚度较大的高阻层，平均厚度为200m，电阻率大于100欧姆米以上,下层为稳定的中低阻层，电阻率一般小于10-50欧姆米；里程190KM以西：电性从上到下可分为两层，上层为厚度较大的高阻层，平均厚度为100m，电阻率大于100欧姆米以上，1—石英片岩；2—云母片岩、炭质硅质岩；3—含碳片岩；4—破碎带；5—断层图1白石河隧道CSAMT综合成果下层为稳定的中阻层，电阻率60欧姆米左右。5.2地质解释依据区内出露的岩石类型、岩石的电性特征，结合剖面反演电阻率变化特征，我们对该剖面的资料进行了综合地质解释。将剖面岩性划为三部分，电阻率大于100欧姆米以上的高阻层主要为石英片岩；电阻率50-100欧姆米的中阻层主要为云母片岩、炭质硅质岩；电阻率小于50欧姆米的低阻层为含炭质片岩（图1b）。在桩号里程190.1KM处，有一近直立条带状低阻异常，异常上窄下宽，根据异常的形态结合地质分析推断为断裂破碎带。在隧道施工中应引起重视。6结论襄渝增建二线老河口安康段白石河隧道地形复杂、隧道埋深大，常规的物探方法难以开展，采用CSAMT法可较好地解决这个问题。使用带地形的二维多参数联合反演，可较好地解决地形影响和静态效应，提高了反演电阻率剖面的纵横向分辨率。通过岩性与电性的对比分析，结合地质特征解释，高