可控源音频大地测深问题及对策(第三届地球物理会议)

可控源音频大地电磁测深（CSAMT）在长大、深埋隧道勘察中存在的

问题及对策

张兴昶

（中铁一院甘肃勘察院有限公司，兰州，730000）

摘要：本文从总结经验入手，对当前长大隧道采用可控源大地电磁法（CSAMT）勘探中存在的问题及原因做了概略分析，提出了提高CSAMT法地质解释推断成果可靠性和准确性的思路与对策。推荐了成果报告的编写模式和物探地质推断成果的分级标准。强调在当前条件下只有从技术和管理两方面入手才能提高物探成果的质量。

关键词：长大隧道 CSAMT法质量对策

The problem of CSAMT to exploring the deeply buried tunnel and its countermeasures

Zhang xing-chang, Zhang ju-xian

(Gansu General Engineering Survey Institute of Railways Co., https://www.360docs.net/doc/4d10144796.html,nzhou,730000,china) Abstract: The purpose of this paper was to increase working level of physical exploration and exploration quality through finding problem, analyzing the reason and advancing some countermeasures. At present, the only way is make use of existing data of geological and geophysical filly, so as to strengthen the match of geological and geophysical, as well as improve technology and organizing management.

Key words: large tunnel; CSAMT method; quality ; countermeasures

1概述

1.1CSAMT应用历程

1.1.1回顾

目前CSAMT在工程勘察系统主要被用于长大、深埋隧道的各个勘察阶段。这种工程全位于山区，地形地质复杂，传统的地面调绘手段对深部地质情况很难推断准确，而深孔钻探费时、费钱，加之工期限制，多数勘察单位不便采用，故把查明深部地质情况的任务大量压在大地电磁这一勘探手段上。

铁道部开展CSAMT，首先由铁一院应用在秦岭特长隧道的勘察中。秦岭铁路隧道长18.4Km，最大埋深超过1600m，地形地质复杂。为查明隧道地质情况，铁一院抽调全院地质和物探的骨干力量，组成一个地质大队和一个物探队（特派一名有经验的地质人员配合物探工作），广泛收集地质和物探既有资料，并由地质大队统一协调，大力开展综合勘探和综合物探。以CSAMT作为探查地质情况（尤其是深部）的主要物探手段，而其他物探方法仅用做浅部勘探及其补充，再附以少量的深孔钻探验证，圆满地完成了该长大、深埋铁路隧道的勘察任务。施工证明勘察资料基本符合地质实际情况。充分显示了综合勘探和CSAMT的优越性。之后，铁一院物探公司应邀在南水北调西线长大、

深埋输水隧洞的勘察中，仍采用以CSAMT为主的综合物探方法并指派一名地质人员配合物探工作，提供的物探勘察报告得到了评审专家的好评，经钻探验证，揭示了物探异常的地质内涵。再次验证了该方法探测深部地质情况的有效性。

1.1.2应用现状

在大地电磁勘探方法中，工程勘察系统以应用可控源音频大地电磁测深最为广泛。在长大、深埋隧道勘察中几乎达到了不用这个手段就无法交出资料的程度。故很多工程勘察单位都不惜重金积极引进了CSAMT这一勘探手段，并切实解决了大量地质问题。在看到这一可喜现象的同时，也应该看到由于主观和客观的原因，这一方法在长大深埋隧道勘察应用中也出现了一些问题：一是不根据具体地形、地质条件盲目采用；二是多要求沿隧道中线贯通，并提供全断面的地质填绘和相关物性参数；三是任务书下达没有针对性，笼统要求物探查明测线地层、构造、地下水等；四是不提供或极少提供探测地段的地质资料，造成物探专业人员很难或根本无法做出合理的地质推断，更何谈解释推断的可靠性和准确性；五是接受委托的物探方虽知欲探测地段有些不符合CSAMT的应用条件，也在没有其他质量保证措施的条件下勉强按要求去做。存在问题更具体的表现和原因分析将在以后章节中叙述。

1.2方法原理和特点

CSAMT是在大地电磁法和音频大地电磁法的基础上发展起来的一种人工源频率测深方法。根据场源布置和测量方式可将CSAMT分为标量、矢量和张量三种。标量CSAMT 布置一个场源，由接地导线AB向地下供入某一音频的谐变电流，而在一侧或两侧测点同时测量互相垂直的水平磁场分量和电场分量，并由此计算可尼亚视电阻率。通过逐次改变供电和测量频率，便可达到频率测深的目的。该方法主要特点：一是供电偶极距AB一般1-3km，收发距一般5-10km，要求测线和供电偶极平行或基本平行布置；二是标量CSAMT单测线仅适用于一维或已知构造主轴方向的二维地区，在构造复杂地区最好作网格状标量CSAMT，或采用其它方法验证，否则有发生解释错误的危险；三是CSAMT受场源和测点地形及地表电性不均影响严重，而且目前尚没有特别有效的校正方法；四是测线布置对地形要求相对不甚严格；五是效率高成本低，探测深度较大（1-3km）。后两个特点也就是为什么目前标量CSAMT被广泛应用于长大深埋隧道勘探的根本原因。六是CSAMT与其他物探方法一样，被探测对象与围岩具有足够的物性差异和大小。

2应用中出现的具体问题和原因分析

2.1存在的主要具体问题：

⑴非地质异常和性质不明异常太多，解释推断正确性和准确性还有待进一步提高。

⑵不能比较准确的给出地面异常在深部的空间位置和大小；

⑶所做地质推断资料宜用做宏观控制，有时不能满足详勘阶段对地质资料的精度要求；

⑷使用方要求物探解决地质需要解决的各种问题并提供全断面地质推断，超出物探

能力所及。

⑸使用方往往不结合其他地质资料对物探推断结果做综合分析，多是直接套用。

2.2原因分析

2.2.1主观原因

⑴物探作为地质勘察的一种手段，缺乏综合勘探中“地质调查指导物探”这个重要环节。

⑵任务委托方在下达任务书时限制过多，其主要表现一是时间要求过紧，二是规定的方法单一，不给物探采用综合物探的权力，三是不顾地形、地质条件，要求沿隧道中线贯通，限制了物探灵活布线。

⑶利用微机软件操作，把复杂的地质问题做简单化处理；

⑷综合勘察设计单位对自己所辖的物探队所提供的物探成果不组织评审就给予接收，其结果是物探专业人员没有质量压力。规范要求物探资料不能直接用于设计，而有些地质人员却不加分析地引用物探成果，以致出现不符合地质规律的解释。

2.2.2客观原因

⑴物探推断解释的多解性：多解性是影响解释推断可靠性和准确性的根本原因。众所周知，物探是一种间接的勘探手段，其解释过程是通过地质体的物性表现推断物探异常的地质内涵。一种物性异常，可由多种地质问题引起，以岩溶为例，溶洞大，埋藏深与溶洞小埋藏浅所引起的电阻率低阻异常可能是一样的，那么究竟推断成哪一种呢？虽然从理论上可以把方差最小的那个模型做为待解模型，但仅依靠软件不易减少多解，即便加上已知地质条件的“约束”，仍难以做到单解，因为多数情况下所谓的“已知地质条件”也是不确切的。

⑵地形地质条件复杂，影响因素多。标量CSAMT和其他物探手段一样均受地形、地质条件的影响产生一些非地质异常，即所谓“假异常”。标量CSAMT方法受场源和地形，地表电性不均的影响尤为明显，而且当前没有特别有效的校正方法。大量实践表明，由地形和地表电性不均引起的电阻率失真可达1-2个数量级，比如在沟谷能把本来的高阻变得更高，把原来的低阻变成高阻，本来应该有的低阻异常由于地形等的影响，异常消失了。同样由于地形的影响，在山脊上往往出现了相对较宽的低阻异常带。虽然该方法规定了适用条件，但长大隧道均处于地形、地质复杂地段，如果严格按理想条件办事，本方法就无用武之地了。

⑶综上所述，标量CSAMT适用于一维和已知构造主轴方向的二维地区，且其软件是在理想模型条件下把复杂问题简化处理编制的，现场实际地质情况多是三维的甚至多维，经过简化处理编制的解释软件，难以适应千变万化的地质条件。虽然经过各种校正后情况会变得好一些，但目前仍无法彻底解决这些影响，这也是物探需要地质配合的根本原因。

⑷由于众所周知的原因，多数物探专业人员地质知识不足，又不重视收集既有地质、物探资料。地质专业人员同样掌握物探知识太少，加之体制所限，难于主动配合物探工

作，致使物探的解释推断缺乏已知地质条件约束，其结果可能是物探成果质量不高，甚至出现低级错误。

3、提高物探地质解释推断准确性和可靠性的思路和对策

提高CSAMT成果的质量最根本的出路在于采用先进的仪器设备和提高数据处理技术水平。但在现有软硬件条件下，大力开展综合物探，加强地质与物探两专业的配合以及改善技术、组织管理等也是提高物探解释成果质量比较有效的措施。

3.1广泛收集既有地质、物探资料并深入研究

1、在利用既有资料方面，工程物探和地质填图阶段应用物探，二者不在同一个起跑线上，虽然二者的工作重点都是验证地质调查和发现隐伏的新的地质问题，但工程物探可以利用的地质、物探资料要多一些。工程物探的困难是工程设计需要物探提供更为准确和可靠的高精度资料。目前1/20地质图已基本覆盖全国（已实现数据共享），该图和报告可靠程度较高，能满足物探工作需要的对工作区地层、构造等先做宏观了解的要求。再收集本工程已做过的地质测绘和勘探试验等资料。通过认真研究和深入掌握，对物探解释推断的准确性和可靠性有极大的帮助。上述资料应该由委托方提供，地质人员应该把经过消化及现场核对过的资料概略表示在平面图及代表性洞身纵断面图上，以方便物探人员参照使用。

2、在深入研究现有地质、物探资料的基础上，结合现场踏勘认真编写物探勘察纲要。

编写勘察纲要的过程是对既有资料进一步领会和消化的过程，结合工程需要和现场地球物理特征拟定勘探重点，有针对性的选用物探方法和测线布置、测点密度并估计工作量，制定质量保证措施。经委托方或本单位专业主管审批后执行。

以上两条做好了，就具备了做好物探工作的前提。

3.2数据采集阶段

野外数据采集是物探工作的第一步，只有采集到高质量的数据才可能为内业正确、可靠的解释推断提供有力保证。

1、委托方可只提勘察目的和技术要求，给物探实施人员以灵活布置测线和设计点距的权利。

在构造、地形复杂地区，标量CSAMT能否成功完全取决于场源和测量方位的选择以及资料采集的密度。单场源的工作法，在构造复杂地区，解释推断有发生错误的危险，例如：一条直线延伸倾角很陡的断层，如果场源偶极垂直于断层走向布置，用标量CSAMT法是有效的，如果平行于断层走向布置，断层的识别和位置的确定就十分困难了。长大隧道其走向一般很少与构造主轴方向垂直，也不允许与构造主轴走向平行，多以较大角度斜交构造主轴方向通过，这就要求物探人员结合现场实际情况灵活布置测线，以满足标量CSAMT方法用于一维或已知构造主轴方向二维解释的前提。如果硬性要求测线沿隧道中线贯通，有些情况下反而达不到勘探目的，比较可行的做法是沿两侧比较靠近中线的沟谷或山顶相对平缓地段（岩溶勘探除外），结合地形和构造主轴走向

灵活布线，这样既满足了标量CSAMT解释的要求，又可基本覆盖全线。

2、严格野外工作布置是提高数据质量的基本保证

CSAMT与其它所有需要测量电场分量的电法勘探方法一样受地形和地表电性不均匀影响，所以，在工作设计和测点布置时必须认真考虑地形和表层电性不均匀的影响，最好能够避开，如实在无法避开则必须作好记录，在测量完成之后进行校正；其次，场源的选择应在保证信号有一定强度的情况下，尽量在远区测量，避免或减小近场影响，尤其是测点在高阻地区。

3、在充分考虑经济限制的前提下，保证足够的数据密度。

数据密度问题与垂直和水平两个方向探测的分辨率都有关系。垂直密度一般取决于典型的现代化数字仪器的频率范围。水平或横向密度受地质需要和经济制约两方面的影响，一般来说，在普查阶段至少要在要探测的目标和背景地段上方都有足够的数据。一条测线在探测目标上的数据要占50%，测线两端背景则各占25%，求得响应的背景值以便于对比。测点之间最好间隔规则，避免解释出现偏移。

4、现场地质调查和重点异常核对是提高异常可靠性的重要环节

为提高物探成果的质量，我们的做法是指派一名有经验的地质人员专门配合物探工作。此人的主要任务一是沿测线核对既有地质资料，二是在物探人员初步划定的异常基础上，在外野与物探人员探讨异常性质，即初步确定哪些是地质异常，哪些是性质不明异常，哪些可能是非地质异常并加以排除，为内业资料处理和解释推断提供帮助。现场异常核对资料应做为报告的必备附件。

5、结合勘探目的在现场取得物性参数是提高解释推断正确性和准确性的重要前提

物探做为地质勘察的手段，其作用一是核对地质调查资料，二是发现隐伏的新的地质问题，通过物性参数确定工程所处地段岩体物性参数正常值和异常值的范围，建立解释标准，以此达到解释推断未知地质问题的目的。

6、综合物探是提高异常可靠性的重要手段

众所周知，不同原理的物探方法由于受不同因素的影响，而产生各自的真“假”异常，同一种地质体可能在不同物探方法中产生相关的异常。如一条断层，标量CSAMT 方法表现为低阻，用地震方法则表现为低速，用氡射气测量则可能表现为高值，利用这些相关异常表现就可以确定其为真正的地质异常。而由一种方法产生的“假”异常，不会在其他原理的方法中产生，这样就达到了排除“假异常”的目的。

5、大力推行现场初步验收和物探成果评审制度

实践表明，增加验收程序是保证最后成果质量的有效措施，其具体做法应该是：

⑴外业资料初步验收：物探项目组初步整理外业资料并把初步解释推断结果以草图的方式表示在平面、剖面图中，地质负责人及包括物探专业在内的其他人员组成现场初验组，对初步结果深入了解，检查勘察纲要执行情况、物探自检和异常现场核对资料等。对重点物探异常和怀疑的地方双方联合现场核对，必要时提出补救措施。

⑵对物探提交的成果，组织评审（包括承担任务单位内部组织的评审），重点项目

要组织行业内专家评审。这是勘察阶段对成果检查的最后一步。根据专家评审意见修改和补充后提交正式报告。对未经评审的物探成果，使用方一般不宜直接利用。

3.3、内业资料处理和地质解释推断阶段

3.3.1数据处理和正演是反演的前提，选择从大量已知模型的正演结果中选出方差最小的那个模型作为待求模型的解是提高反演速度和质量的关键。

资料处理包括预处理和解释处理。预处理主要是检查数据的误差和噪声，对原始数据进行编辑。解释处理主要是对曲线进行的圆滑、校正（静校正、地形校正、场源校正）以及为突出某些有用信息通过对数据组归一化、滤波、以及导数运算等特殊处理。通过分析测得的电场E和磁场H分量的振幅和相位以及数据分散情况，结合处理人员的经验和野外记录，剔除那些明显错误突变点。这些点不剔除会造成反演莫名的异常及解释中的低级错误。

3.3.2资料解释可分为定性解释和定量解释两部分，必须要树立只有定性解释正确定量解释才有意义的概念。如果定性解释错了，定量解释就显得意义不大了。所以应结合已有的地质资料及其它物探方法进行综合解释，首先保证定性解释的正确性。

3.3.3反演方法的选择

在简单成层的地质条件，或者横向电阻率变化相对测网密度大的情况下，一维解释一般够用。但实际工程勘察中地质情况大多比较复杂，目前常用的是带地形二维反演解释（三维解释实际中应用较少）。带地形的二维反演能够较好地把地形起伏纳入剖面计算，有效地减小了地形的影响。

3.3.4自动反演与人机联动相结合是提高解释成果准确性和可靠性的重要手段

较为可行的方法是先以平均电阻率为均匀背景做自动反演，将反演的结果作为初始模型再进行人机联动反演。在这个过程中要根据引入已知地质条件对模型作不断修正并建立约束条件，以减少多解。

3.3.5对推断结果进行复核，强调复核的重要性。如果时间允许，最好能换人单独进行复核，这样不受前解释的影响，真正起到复核的作用。地质人员引用物探必须进行成果综合分析，必要时再一次进行现场核对。

3.3.6地质和物探专业的密切配合是当前提高物探地质解释质量的有效措施

地质人员和物探人员都可以对物探资料做出解释，但二者的出发点不同。地质人员主要从地质规律方面看待物探异常，而物探人员多从物探数据的内在相关性方面去分析异常。地质的优势在于当基岩露头比较好时可以比较容易的排除非地质异常，而在大面积覆盖的条件下，对地形、地质复杂地区的物探异常无能为力，或只能通过分析地质规律对异常做出粗略的是否为地质异常的推断。物探的优势恰在后者，能发现隐伏的地质体异常。但由于目前该方法干扰因素多，对于多种影响因素产生的非地质异常不能通过校正根本排除，造成异常性质不清，致使物探异常的地质推断不准，甚至产生错误解释。此时如能通过地质和物探的密切配合，做到优势互补，就可以提高对物探异常解释推断的质量。具体做法应该是委托方提供地质资料并组织外野初验，接受方的地质人员全过

程配合物探工作。

4、解释推断成果的表达和报告书编写

4.1、成果表达

把解释推断成果表示在平、剖面图上，在物性剖面图下方的说明框内简要说明地质因素和非地质因素引起的异常及性质不明异常，以留出给使用资料的地质人员自己考虑的余地；在物性地质推断剖面图上以不同线条表示出不同可靠性的地质推断结果（如断层或岩层界线），写上必要的解释参数（如电阻率、波速），并在下方简要说明栏内做必要的说明。

4.2、报告书编写

可按传统做法编排，第一部分为工作报告，主要叙述任务依据、勘探目的、技术要求及勘察内容、采用的主要规范、规程，应提交的成果、工程概况、收集既有资料情况、勘察纲要执行情况及完成工作量等。第二部分为成果及说明书，说明书内容主要包括：

⑴地质概述及地球物理特征；

⑵简述方法原理；

⑶质量保证措施；

⑷分段并对每个异常逐一详细解释，提供定性，定量依据。包括：①地层解释；②构造解释；③地下水定性分析；④其他解释。

⑸简述主要成果并应对其可靠性和准确性进行分级评价；

⑹工点工程地质综合评价；

⑺结论；

⑻存在问题及建议。

4.3附图及附件：

1、附图

①平面图：标出测线布置及解释推断成果；②沿测线物性剖面图；③沿测线物性地质推断剖面图：标示断层、岩层及其他需表示的内容，主要判释依据参数等；④中线物性地质剖面图（必要时作）。

2、附件

①任务书；②勘察纲要；③自查及委托方现场初验资料；④专家评审意见；⑤其他。

5需要研究及强调的几个问题

5.1关于解释推断成果可靠性及准确性的分级标准

依据我们的经验可以分为可靠的、比较可靠的和可靠性较差的三类。

5.1.1可靠的。

⑴断层推断：①异常反应明显并经钻探证实的；②两种以上不同“源”的物探方法均有明显的相关异常反应的；③已知断层的延伸，有地貌地质表现，物探有明显异常的。

⑵地层划分：①地表分界清楚，物性异常反应明显的；②虽有地表覆盖，但几种物探方法均有相关明显异常反应，根据区域地质资料应该有岩层界线的；③有地表覆盖，但物性异常反应明显，属于已知界限延伸或已经钻探证实的。

⑶岩溶：物探有明显异常反应并经钻探证实。

5.1.2比较可靠的：

①同类异常地质解释推断中有的已经钻孔证实；②有异常反应，附近有一定的地质标志，而且从区域地质条件分析上，在测线上有可能出现的地质体；③地形地质条件比较简单，所测物性参数与已知物性参数基本一致的，用作地层划分是比较可靠的。④由岩溶引起的物性异常，多种方法均有相关异常反应，这种异常在划分岩溶发育段落上是比较可靠的。

5.1.3可靠性较差的，探测地段部分符合标量CSAMT方法的应用条件，单一测线有较明显异常反应，但未经其他辅助方法验证的，定为性质不明异常。其地质推断仅供地质人员结合其它地质资料综合分析时参考。

5.2关于既有地质、物探资料的收集问题

按正常做法物探资料由物探专业人员收集，而既有地质资料应该由委托方提供。提供资料内容不但应该包括既有区域地质资料，而且更应该包括具体工点的地质测绘及勘探、试验等资料，并且应该把上述资料概略表示在平面及洞身纵断面图上，以便物探人员在编制勘察纲要、场源及测线布置、辅助方法选择以及在解释推断时参考使用。

5.3物探成果只能做为地质专业的基础资料，不可直接应用于设计。只有经过地质专业人员与其他手段取得的全部资料汇总分析，把物探成果融会在地质勘察报告及图件中，才能作为隧道设计的地质依据，其中特别是断层、岩层产状在洞身的推断位置、断层宽度以及岩溶的空间分布，必须结合沿线地质调绘及区域构造特点综合确定，否则，将出现较大误差，甚至是错误。需知，地质人员一旦把物探成果充实在地质勘察报告当中去，就同时承担起了成果被引用部分的质量责任。

5.4要求物探沿测线（中线）全部推断地质是不合理的

物探填绘的地质剖面是以地质体的物性差异为基础推断的“物性地质断面”，与地质按时代或岩性划分的地质断面，不完全是一回事，只有当物性界面与地质界面一致时，二者填绘的结果才可能是一致的。因为地层时代或岩性不同，不一定有足够的物性差异被采用的物探方法区别。此时，“物性地质断面”与“地质断面”有出入是正常的，不能视为物探资料不准，更不能说是错误。所以强调地质人员必须结合其他资料对物探成果做综合分析后再利用是合理的。

5.5本文对问题的分析和为提高物探地质解释推断成果的正确性和准确性提出的对策，虽然是针对CSAMT在长大、深埋隧道中的应用而言的，但对其他物探方法也有一定的参考或指导作用。对策中既有技术措施又有技术管理措施，涉及面较宽。如果按上面提出的措施执行，有可能延长勘察周期，故必须有行政领导的支持和计划部门的大力协调，单凭技术人员是难以做到的。可是如果仍按目前的状况继续下去，要提高物探技

术水平及整个地质勘察资料的质量也是困难的。

参考文献：

[1] 严良俊等编著，电磁勘探方法及其在南方碳酸盐岩地区的应用.石油工业出版社，2001.

[2] 刘士毅，重磁异常解释中的一些复杂因素与对策.物探与化探，2007年第5期.

[3] 何继善等编译，可控源音频大地电磁法.中南工业大学出版社，1990年.

[4] 工程地质手册（第四版）.《工程地质手册》编委会，中国建筑工业出版社.

作者简介：

张兴昶：男，1973年出生，汉族，物探高级工程师。