何昕欣 陳鵬 喬勇 王澤霞

摘 要：近些年來，以音頻大地電磁測(cè)量（AMT）物探手段為依托的EH-4電磁成像系統(tǒng)在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查（鈾及多金屬礦產(chǎn)等）以及工程勘察（地下水、鐵路公路隧道、煤礦采空區(qū)等）領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，并取得了不俗的成績(jī)。文章旨在介紹EH-4電磁成像系統(tǒng)利用雙源結(jié)合的采集方式在電站樞紐工程建設(shè)方面的一些成果，針對(duì)電站廠道系統(tǒng)的地下水特征和地下廠房的位置選擇提供了建設(shè)性意見。

關(guān)鍵詞：音頻大地電磁測(cè)量（AMT）；EH-4電磁成像系統(tǒng)；雙源結(jié)合；廠道系統(tǒng)

豐寧抽水蓄能電站位于河北省豐寧縣境內(nèi)的灤河干流上。電站樞紐工程主要建筑物由上水庫(kù)、下水庫(kù)、廠道系統(tǒng)（地下廠房、水道）等部分組成。工程區(qū)地形復(fù)雜，地勢(shì)險(xiǎn)峻，懸崖眾多，山上植被發(fā)育，并有許多巖石出露，給施工帶來較多的困難，尤其是廠道系統(tǒng)。

EH-4電磁系統(tǒng)，即StratagemTMEH-4電導(dǎo)率剖面儀（以下簡(jiǎn)稱EH-4），是雙源型電導(dǎo)率張量測(cè)量?jī)x，采用人工場(chǎng)源和天然場(chǎng)源相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了天然場(chǎng)與人工場(chǎng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和處理，既具有人工場(chǎng)的穩(wěn)定性，又具有天然場(chǎng)的輕便靈活性。

一、方法原理與儀器設(shè)備

EH-4是由美國(guó)以研制大地電磁儀器而聞名的EMI公司和以制造高分辨率地震儀著名的Geometrics公司聯(lián)合研制出的，是全新概念的電導(dǎo)率張量測(cè)量?jī)x。EH-4利用大地電磁的測(cè)量原理，并配置了人工電磁波發(fā)射源，用來彌補(bǔ)大地電磁場(chǎng)的弱信號(hào)區(qū)和幾百赫茲附近的人文電磁干擾諧波，由18位高分辨率多通道全功能數(shù)據(jù)采集、處理一體機(jī)完成所有的數(shù)據(jù)采集。是一種能同時(shí)使用天然場(chǎng)源和人工場(chǎng)源信號(hào)的頻域電磁觀測(cè)系統(tǒng)。

電磁法系統(tǒng)包括兩部分，即發(fā)射裝置和接受裝置（圖1、圖2）。接收裝置包括不銹鋼電極、接地電纜、前置轉(zhuǎn)換器（AFE）、磁探頭、主機(jī)、傳輸電纜、12V蓄電池；發(fā)射裝置包括發(fā)射天線、發(fā)射機(jī)、控制器、12V蓄電池。由于儀器的輕便小巧，可以適應(yīng)地形比較復(fù)雜或環(huán)境比較惡劣的地區(qū)。野外數(shù)據(jù)采集時(shí)，以測(cè)線方向?yàn)閄方向，垂直測(cè)線方向?yàn)閅方向，沿X、Y方向布置兩組相互正交垂直的探頭和電極，記錄點(diǎn)在“十”字交叉點(diǎn)的中心，10Hz～1kHz為低頻段，采集天然場(chǎng)，750Hz～92kHz為高頻段，采集人工發(fā)射場(chǎng)，發(fā)射和接收同步進(jìn)行，主機(jī)觀測(cè)系統(tǒng)記錄Ex、Ey、Hx、Hy四個(gè)電磁分量的振幅和相位，通過時(shí)間序列數(shù)據(jù)由傅立葉變換轉(zhuǎn)換到頻率域，利用四個(gè)場(chǎng)分量的功率譜計(jì)算阻抗張量，顯示反演電阻率、相位和相干度等數(shù)值，根據(jù)這些數(shù)值來監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量。然后，用專業(yè)軟件處理，可得到反演電阻率等值圖斷面圖，結(jié)合地質(zhì)資料分析解釋，確定電性特征所反映地下介質(zhì)的巖性。

二、地質(zhì)概況

豐寧抽水蓄能水電站工程區(qū)屬中山區(qū)，海拔高程一般980～1720m，區(qū)內(nèi)灤河自西北流向東南，河道蜿蜒曲折。

下水庫(kù)庫(kù)區(qū)河谷寬度一般200～800m，主河槽寬度15m左右，高程1020～1050m。河谷兩岸群山起伏，溝谷發(fā)育。工程區(qū)附近發(fā)育有兩條較大沖溝：灰窯子溝和東溝。東溝位于下水庫(kù)攔河壩下游左岸約150m處，灰窯子溝溝口位于下庫(kù)庫(kù)區(qū)灰窯子村頭。

上水庫(kù)位于灰窯子溝溝頂，為山間凹地，庫(kù)區(qū)由三條較大的支溝組成，地形平緩開闊，三面環(huán)山，形成相對(duì)封閉的小流域單元，分水嶺高1522～1719m。上水庫(kù)西側(cè)分水嶺外即為灤河左岸坡。廠道系統(tǒng)布置在左岸山坡地下。上下水庫(kù)間可利用落差約445m。

（一）地層。工程區(qū)內(nèi)主要地層巖性包括上侏羅統(tǒng)張家口組中段（J3z2）噴出巖和華力西期花崗巖。另外，上、下庫(kù)區(qū)內(nèi)廣泛分布有第四系松散堆積。

張家口組中段噴出巖廣泛分布于上水庫(kù)及廠道系統(tǒng)上段，巖性為各類凝灰?guī)r（安山質(zhì)凝灰?guī)r、安山質(zhì)晶屑凝灰?guī)r、晶屑凝灰?guī)r、熔結(jié)凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)角礫巖等）。凝灰?guī)r呈灰白—淡綠色或暗紅色，凝灰結(jié)構(gòu)，晶屑主要為斜長(zhǎng)石和少量石英，膠結(jié)物為火山灰，礦物成份主要為長(zhǎng)石和石英。經(jīng)地質(zhì)研究所鑒定，凝灰?guī)r中的斜長(zhǎng)石多已蝕變，表現(xiàn)為較強(qiáng)烈的絹云母化、綠泥石化、碳酸鹽化。

華力西期花崗巖廣泛出露于下水庫(kù)壩址區(qū)、庫(kù)區(qū)兩岸。下庫(kù)壩址區(qū)附近的花崗巖體內(nèi)殘存有太古界變質(zhì)巖捕虜體?；◢弾r結(jié)晶顆粒為肉紅色鉀長(zhǎng)石和白色石英。

第四系覆蓋層以殘坡積和沖洪積相為主。殘坡積碎石土廣泛分布于上下水庫(kù)兩岸、上水庫(kù)庫(kù)區(qū)及水道系統(tǒng)地表，厚度一般小于2m，局部可達(dá)5m以上，結(jié)構(gòu)松散。洪積碎石砂土主要分布于工程區(qū)內(nèi)較大沖溝（如上水庫(kù)所在的灰窯子溝）溝底、溝口部位，厚度變化較大，在上水庫(kù)壩址區(qū)厚度約7m。

（二）構(gòu)造。工程區(qū)內(nèi)兩大主要巖體——凝灰?guī)r和花崗巖在構(gòu)造發(fā)育規(guī)律上有一定的差別。

凝灰?guī)r：上水庫(kù)張家口組凝灰?guī)r形成于燕山運(yùn)動(dòng)第一亞期，該期構(gòu)造線方向以NE～SW向?yàn)橹鳌Ｍ瑫r(shí)，由于凝灰?guī)r歷經(jīng)以后的多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，主要構(gòu)造方向發(fā)生了一定的變化，根據(jù)野外測(cè)繪及裂隙統(tǒng)計(jì)資料，凝灰?guī)r中的主要斷裂按發(fā)育頻度可以分為NNE向組、NNW向組、NE向組和近EW向組，多為中高傾角。另外，在不同時(shí)期形成的凝灰?guī)r巖體之間，存在不同程度、不同規(guī)模、不同產(chǎn)狀的層間破碎帶。

花崗巖：華力西期花崗巖形成于前燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，根據(jù)野外斷裂統(tǒng)計(jì)資料和一級(jí)電站水道系統(tǒng)編錄資料，花崗巖體內(nèi)的斷裂按照發(fā)育頻度依次可分為NE65°向組、NE45°向組、NE5°向組和NW275°向組。

（三）物理地質(zhì)現(xiàn)象。由于巖體結(jié)構(gòu)、成因不同，粗?；◢弾r和凝灰?guī)r在風(fēng)化方式和風(fēng)化程度上均存在一定的差異。

粗?；◢弾r以垂直風(fēng)化和球狀風(fēng)化為主，垂直全、強(qiáng)風(fēng)化厚度一般小于10m，弱風(fēng)化厚度一般40～50m。由于存在球狀風(fēng)化，并受斷裂構(gòu)造影響，某些部位的花崗巖體風(fēng)化較為嚴(yán)重，全風(fēng)化厚度可達(dá)十余米。

根據(jù)鉆孔、平洞資料，地表凝灰?guī)r全風(fēng)化厚度一般小于3m，強(qiáng)風(fēng)化厚度一般小于20m，局部近30m，弱風(fēng)化厚度一般小于50m。

凝灰?guī)r由階段性火山噴發(fā)形成，在噴發(fā)間歇期，暴露于地表的巖體受一定程度的風(fēng)化作用，當(dāng)有新的火山噴發(fā)物覆蓋在上面的時(shí)候，在高溫作用下，表部巖體發(fā)生蝕變，本報(bào)告中概括為風(fēng)化蝕變帶。因此，凝灰?guī)r除了受現(xiàn)代風(fēng)化作用以外，巖體內(nèi)部還存在有風(fēng)化蝕變帶。

（四）水文地質(zhì)條件。工程區(qū)地下水主要為兩種類型，即第四系孔隙水和基巖裂隙水。孔隙水主要分布于灤河河床砂卵礫石層內(nèi)，以及較大支溝溝底的碎塊石砂土內(nèi)，接受地表水、裂隙水和大氣降水補(bǔ)給，向地表溝谷、河流排泄。另外，在某些坡殘積碎石土和全風(fēng)化基巖內(nèi)還存在少量包氣帶水。裂隙水分布于基巖內(nèi)，接受大氣降水補(bǔ)給，向覆蓋層、地表排泄。

工程區(qū)兩大主要巖體—花崗巖和凝灰?guī)r均為弱透水巖體，裂隙水的分布和徑流主要受風(fēng)化和構(gòu)造控制。凝灰?guī)r中的地下水還受風(fēng)化蝕變帶控制。在規(guī)模較大的斷裂破碎帶，很可能形成獨(dú)立的帶狀儲(chǔ)水構(gòu)造帶。

三、成果解釋

廠道系統(tǒng)在蓄能電站的建設(shè)中起著重要作用。針對(duì)廠道系統(tǒng)的測(cè)量工作，主要目的是確定水道系統(tǒng)及地下廠房區(qū)地下水特征及分布規(guī)律，對(duì)地下廠房的位置提出合理性建議。

遵循施工設(shè)計(jì)完成6條測(cè)線，采用剖面測(cè)量，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距20m。其中WTC1、WTC2、WTC3測(cè)線和廠道系統(tǒng)主軸方向平行，而WTC4、WTC5、WTC6測(cè)線和廠道系統(tǒng)主軸方向垂直。WTC5、WTC3測(cè)線通過Ⅰ期地下廠房，WTC5、WTC2測(cè)線通過Ⅱ期地下廠房。以下以WTC2、WTC3、WTC5測(cè)線剖面為例，進(jìn)行推斷解釋。工程布置圖見圖1。

（一）WTC2剖面AMT資料解釋。測(cè)線長(zhǎng)度約1200m。從反演電阻率斷面圖（圖4）上可看出，電阻率形態(tài)基本上呈3層結(jié)構(gòu)。

第一層：地表（0～20m左右），變化穩(wěn)定的低阻帶，反演電阻率一般在0～100 Ω·m，是第四系和巖石風(fēng)化物的反映。在距離280m、450m、910m、1100m附近，有數(shù)個(gè)高阻體，并且和中部的高阻體相連，是致密巖體在地表出露的反映。

第二層：中間層，距離地表約20～150m左右，是變化較快的低阻、高阻交替帶，反演電阻率一般在100～4000 Ω·m。在距離300～570m、900～1020m處，分布有2個(gè)呈水平帶狀的高阻體，反演電阻率一般大于1000Ω·m，而在距離670～720m處，有一向下延伸的、并且與深部基巖相通的、直立狀的高阻體，該高阻體將中間層的低阻體分割開；高阻體下側(cè)的水平低阻體是弱風(fēng)化層，反演電阻率一般在200～400Ω·m，反映明顯。

第三層：下部，距地表約150～250m以下，基本隨地形的變化而變化。反演電阻率變化平穩(wěn)，一般在400～1500 Ω·m，是深部基巖的反映。地表的斷裂破碎帶對(duì)該電阻率層基本沒有影響。

地下廠房：在距離160～400m段，是Ⅱ期地下廠房的地段。從反演電阻率斷面圖上可以看出，海拔高度在1200m以下是完整的高阻體，反演電阻率變化平穩(wěn)，反演電阻率大于1000Ω·m，是深部基巖的反映，也是建設(shè)地下廠房比較有利的地段。

（二）WTC3剖面AMT資料解釋。測(cè)線長(zhǎng)度約3300m，是廠道系統(tǒng)處最長(zhǎng)的剖面測(cè)線。從反演視電阻率剖面圖（圖5）上可以看出，形態(tài)基本和WTC2測(cè)線類似，呈3層結(jié)構(gòu)，地表是低阻層，中部是高、低阻互層，以及深部的高阻層。

地表低阻層：厚度一般在0～30m，反演視電阻率一般在0～150 Ω·m，是第四系和巖石風(fēng)化物的反映。

中部是高、低阻互層：厚度一般在30～250m。在里程300m、650m、1550m、2180m、2650m、2920m處，分布有數(shù)個(gè)呈水平帶狀、團(tuán)塊狀的高阻體，反演視電阻率一般大于1000Ω·m，部分高阻體直接連通到地表，是致密巖體的反映。在高阻體的周圍或高阻體的下側(cè)，是比較明顯的、具有一定厚度的低阻體，厚度一般在10～50m，是相對(duì)富水帶的反映。在里程0～1200m、2050～2400m、2650～2800m處，分別有3條規(guī)模比較大的富水地帶，地表水沿F3、F4、F5、F6斷裂破碎帶滲入，向兩邊滲透，形成帶狀的低阻帶。

深部高阻層：在距地表200～300m以下的范圍是穩(wěn)定的高阻層，反演視電阻率一般在1000～3000Ω·m，是深部基巖的反映

Ⅰ期地下廠房位置分析：在距離2035～2247m段，是Ⅰ期地下廠房的地段。從反演電阻率斷面圖上可以看出，從地表到深部可以劃分成4個(gè)視電阻率層：（1）海拔1270m以上是第四系和巖石風(fēng)化物的低阻體；（2）海拔1180～1270m，是呈高阻的致密巖體；（3）海拔1060～1180m，是富水巖層反映的低阻體；（4）海拔小于1060m，反映的是深部的基巖。從上面的分析可以看出，海拔高度1060m以下的是致密的基巖，反演電阻率大于1000Ω·m，是廠房建設(shè)比較有利的地段。

斷裂分析：J10節(jié)理帶和F4斷裂破碎帶（低阻異常）基本對(duì)應(yīng)。而J9（J9在WTC2線上的反映見前面的分析）、J12在視電阻率剖面圖上反映的是淺層的低阻異常，深度一般小于50m。

（三）WTC5剖面AMT資料解釋。測(cè)線長(zhǎng)度約800m，是垂直于廠道系統(tǒng)主軸方向的剖面測(cè)線。從反演電阻率斷面圖（圖6）上可以看出，電阻率形態(tài)基本上以距離400m左右可以劃分成南北兩段。

南段：距離0～400m段。以中、高阻體為主，垂向分布呈四層結(jié)構(gòu)。第一層，是厚度約30m的地表低阻層；第二層是厚度在50～100m的高阻層；第三層是厚度在50～80m的低阻層，推測(cè)是富水層；第四層是中、高阻層，是深部基巖的反映。

北段：距離400～800m地段。以中、高阻體為主，其反演電阻率一般大于600Ω·m，是基巖的反映（推測(cè)為花崗巖體）。表層的厚度在50m左右，反演電阻率一般在200～400 Ω·m；下部為中、高阻體，反演電阻率一般大于600Ω·m，隨海拔高度的降低反演電阻率呈增高穩(wěn)定趨勢(shì)；在中、高阻體的范圍內(nèi)，海拔1300～1150m、距離700～800m的區(qū)域，有一明顯的團(tuán)塊狀高阻體，反演電阻率在2000～12000Ω·m，是致密巖體的反映。

低阻異常：在距離390m附近，有一電阻率變異帶，寬度在20～50m，向下延伸約80m，推斷為F8斷裂破碎帶。該低阻帶的兩側(cè)，宏觀上反演電阻率差異較大，推測(cè)該異常帶上有斷裂破碎帶存在，可能是巖性分界的位置，也可能是由于斷裂破碎帶的原因使得南段相對(duì)富水而形成反演電阻率差異較大。

地下廠房地段：（1）在距離83～280m的地段，測(cè)線穿過Ⅰ期地下廠房。從反演電阻率斷面可以看出，在海拔小于1100m的區(qū)域，其反演電阻率一般在300～400 Ω·m，雖然反演電阻率值不是很高，但變化非常小，反映基巖是很穩(wěn)定的。（2）在距離320～480m的地段，測(cè)線穿過Ⅱ期地下廠房。該地段位于反演電阻率梯度變化較快的過渡部位，反演電阻率從600Ω·m增加到1500Ω·m，因此在該地段建設(shè)地下廠房是不是很適應(yīng)，還需要進(jìn)一步的工作。

四、結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)反演電阻率斷面的分析，水道系統(tǒng)的地下水位埋深一般在10～30m之間，形態(tài)上基本和地形相一致。在斷裂破碎帶發(fā)育地段，地下水位埋深可達(dá)到50～80m。距地表200米以下，基本上為致密基巖，基本上不含水。

局部地段發(fā)育有相對(duì)富水帶，呈水平條帶狀或弧形分布，埋深一般在100m左右。

從WTC2、WTC3、WTC5線反演電阻率斷面上可以看出，Ⅰ期地下廠房區(qū)是穩(wěn)定的高阻體區(qū)，巖體穩(wěn)定，適宜建設(shè)地下廠房。而Ⅱ期地下廠房區(qū)的西側(cè)是反演電阻率梯度帶（WTC5線距離的320～470m），雖然變化不是很劇烈，但需要引起注意。

EH-4采用雙源結(jié)合（人工場(chǎng)源和天然場(chǎng)源）相結(jié)合的采集方式，能適當(dāng)彌補(bǔ)中頻段天然場(chǎng)信號(hào)的不足，提高信號(hào)的信噪比。

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作者簡(jiǎn)介：何昕欣，核工業(yè)航測(cè)遙感中心物化探勘查院。