随着西部大开发的进行，建设高速公路，铁路高铁，南水北调以及其他的大型工程都在进行着，而在西部多为山区，避免不了长大隧道的开挖，尤其南水北调工程，在秦岭段特长埋深隧道是不可避免的，那么对于特长埋深隧道的勘察技术变得尤为重要，然而仅依靠钻探和地质调查很难满足特殊条件下的地质勘查需求，此时地球物理方法将发挥其优势，由于工程物探可加快勘测速度，降低成本，还可得到岩体原位的物性参数，因此对工程地质条件的定量评价起到促进作用.地球物理勘探方法，从50年代单一的电法勘探, 发展到后来的地震勘探，弹性波测试、综合测井、瞬变电磁法、高密度电法、大地电磁法，层析成像(地学Cr)、地质雷达探测等(侯云廷, 2006).然而在诸多的工程地球物理方法中，音频大地电磁法和浅层地震勘探方法最为常用.

大地电磁法是20世纪50年代初由A.N.Tikhonov和L.Cagnird(Cagniard, 1953)分别提出的天然电磁场方法，该方法具有工作效率高、不受高阻层屏蔽、对低阻层较敏感、抗干扰性强、成本较低廉等特点.在100~1500 m深度范围内，能查明电阻率差异较大的高、低阻不均匀体.70年代左右开始，国外就有人将该方法用于石油勘探(Vozoff, 1972), 20世纪末在我国物探新技术迅速发展起来，该方法成功应用于地矿、煤炭、石油、水利、水电系统中(龙作元等, 2009；宋希利等, 2012；陈玉玲等, 2013；曾昭发等, 2013；姚文等, 2015).近几年，有些学者将音频大地电磁应用于长大埋深隧道地质勘查方面，取得了不错的效果(朱光喜, 2009；赵虎, 2014)，同时，可控源音频大地电磁在岩溶洞以及其他方面的勘察也取得了不错的效果(陈玉玲等, 2015；孙英勋, 2005).

浅层地震反射勘探作为探测地壳浅部结构与构造的有效的一种技术手段，在工程和断层活动调查方面得到了广泛的应用(李澎和王山山, 2004；卓武等, 2013)，其主要用于解决“水、工、环”等领域中的地质问题，在勘探范围上为近地表几米至上百米的深度范围，大多是对浅部层位(基覆界面、软弱夹层等)或小规模的地质构造(小断层、溶洞等)的勘查.浅层反射地震勘探技术已广泛应用于第四系覆盖区的隐伏断裂探测，在各种长大埋深隧洞的地质勘查以及核电站选址方面都发挥了很重要的作用(刘保金等, 2009, 2011, 2012；何正勤等, 2010).

在南水北调工程中，有必不可少的隧道工程，隧道多经过山区，在受水区布设地球物理方法时，应该结合多种方法，尽可能减小物探解的非唯一性，鉴于此，在此工程受水区布设了音频大地电磁法，地震浅层反射两种方法，旨在两种方法相配合下，查明隧洞覆盖层厚度、地层岩性、隐伏构造、地下水位以及小断层等特征.

音频大地电磁测深(石应骏等, 1985)是一种以天然存在的区域性分布的交变电磁场为场源的电磁勘探法.这类天然电磁场具有很大的能量，很宽的频带，可以穿过巨厚的岩石圈，为研究几十乃至上百公里深的地壳与上地幔提供信息，其视电阻率计算公式为

(1)

其中ρ_a表示视电阻率，ω为角频率，μ为磁导率，Z为波阻抗.

又根据电磁波的趋肤效应理论，在准静态条件下导出趋肤深度公式为

(2)

式中δ代表趋肤深度，ρ代表电阻率，f代表频率.

虽然趋肤深度在某种意义上与电磁波在介质中穿透的深度有关，但它并不代表电磁勘探中实际的有效深度.勘探深度H是一个模糊的概念，根据经验我们将地磁波衰减到50%时的深度称为勘探深度，可以得到勘探深度的经验公式为

(3)

该式表明，随着电阻率的减小或频率增大，探测深度变浅；反之，随着电阻率的增大或频率减小，探测深度加深.因此，当大地电阻率一定时，通过对不同频率电磁场强度的测量就可以得到该频率对应深度的地电参数，从而达到测深的目的.

音频大地电磁工作常用装置如图 1，水平方向的两对电极和两磁传感器分别垂直铺设，其方位偏差不大于1°，水平磁棒顶端距中心点距离不大于10 m.

图 1

Figure 1

图 1 十字形装置 Figure 1 Cross device

浅层地震反射波(刘江平等, 2015)通过利用不同炮检距的检波器接收到的地震波的不同振动情况，得到地震的初始数据后，进行速度分析，动校正，叠加，偏移归位，等处理，得到的叠加剖面就是地下地质体真实情况的一种反映，从而综合分析解释，解决地质问题.如图 2，此次采用单边放炮的多次覆盖观测系统.野外施工采用仪器为SE2404NT型地震仪采集仪一台.包括采集站6台，交叉站1台，60 Hz P波检波器60个.

图 2

Figure 2

图 2 浅层地震反射波法常见观测系统 Figure 2 The general observation system of shallow seismic reflection methods

测区位于关中平原的秦岭北部山区及北坡山前地区.

该工区位于秦岭北坡(滕吉文等, 2014)，该区分布有大片的花岗岩体，多以岩基产出，尤以燕山印支期到喜山期的花岗岩侵入体为主，是一种岩浆型花岗岩.在秦岭中元古代宽坪群地层展布的秦岭主脊还分布有大量的由于花岗岩化作用形成的混合岩类岩石，其中一部分达到花岗岩化作用的晚期，形成典型的混合花岗岩，是一种陆壳交代型花岗岩.其时空分布具有明显的规律性.前寒武纪主要分布于华北、扬子两个稳定地块的边缘，加里东期主要分布于加里东褶皱带，华力西、印支期主要分布于秦岭印支构造带的西部及北秦岭加里东构造带；燕山期主要分布于北秦岭加里东构造带及华北地块南缘东段，先以重熔型为主，后以分异型为主.秦岭区随其地质发展，总体自南北向中心迁移，西强东弱，北秦岭为多期侵入活动带.

表 1是几种常见岩石的电阻率值分布范围曲线，由图可见：火成岩与变质岩的电阻率值较高，通常在10²~10⁵ Ω·m范围变化；沉积岩电阻率值一般较低，如粘土电阻率约为10⁰~10¹ Ω·m；砂岩电阻率值约为10²~10³ Ω·m，而灰岩电阻率值较高些.

表 1 (Table 1)

表 1 几种岩石电阻率值的分布范围 Table 1 Resistivity's distribution of several kinds of rock

表 1 几种岩石电阻率值的分布范围 Table 1 Resistivity's distribution of several kinds of rock

由此可见，测区分布的太古界太华群、前震旦系宽坪群变质岩、燕山期花岗岩具有较高的电阻率值，第三系沉积岩及第四系松散层电阻率值则较低，在电性上基岩与上覆地层具有较明显的差异，这就为利用电法、电磁法查明覆盖层厚度、地层岩性、隐伏构造等提供了必要的地球物理前提.

本区内上覆粘土层与下伏的基岩具有较大的(波阻抗)差.反射波组出现扭曲、错断等异常现象，这是识别断层的重要标志.因此，利用浅层反射波勘探技术勘查区内地层岩性及断裂构造具备了较好的地球物理条件.

选取明流方案主线9#隧洞受水区作为说明对象，在该段布设了大地电磁法，地震浅层反射等勘探手段，其中重叠桩号为46+200-46+876段，如图 3.该段走向东南方向，剖面西北段地表主要为山前坡积物，地形相对平缓，东段为秦岭北部山地区.地表浅层主要为第四纪松散层，岩性以含碎石壤土等为主，下部为基岩，岩性主要为二云石英片岩.

图 3

Figure 3

图 3 勘探区测线布置图 Figure 3 The line layout diagram in exploration area

由图 4a可以看出：纵向上，由浅到深电阻率总体逐渐增大，剖面地表浅部电阻率总体较低，局部有小的高阻异常分布.横向上，剖面西段电阻率整体较东段电阻率小，不同段高低阻相间，在中西段的中阻、高阻区中46+760-46+860、47+640-47+900为低阻区(或相对低阻区)，电阻率值在100 Ω·m以下，将其解释为岩层裂隙带.将地层分界线确定为电阻率有小变大的梯度带上，水位线确定为表层电阻率降低的梯度带上，解释图见图 4b.

图 4

Figure 4

图 4 46+200-48+580段大地电磁反演断面图和解释断面图 (a)大地电磁反演断面图；(b)解释断面图. Figure 4 The Magnetotelluric inversion profile and interpretation of profile between 46+200 and 48+580 (a)The Magnetotelluric inversion profile; (b)The interpretation of profile.

根据地震水平叠加剖面的波组特征和反射CT速度反演结果，对剖面范围内能量较强、连续性较好并可能具有一定地质意义的各反射波(组)和有一定差异的CT速度分界面进行了对比追踪和层位标定，分别定名为T0、T1、T2、T3层位(如图 7).其中：T0层位：松散坡积层；T1层位：全-强风化基岩层；T2层位：强-中风化基岩；T3层位：弱风化基岩；

图 5

Figure 5

图 5 水平叠加时间剖面 Figure 5 Horizontal stacked time profile

图 6

Figure 6

图 6 反射CT速度断面图 Figure 6 Reflection of CT velocity profile

图 7

Figure 7

图 7 地震地质解释剖面 Figure 7 Seismic geological interpretation of profile

总体而言，较连续稳定的反射波场同相轴主要表现了具有一定意义的地质分层界限或者速度差异界面，而波组的断续、空白和局部的起伏变化异常，分析认为可能与断裂构造有关系，CT反演结果主要表征了剖面范围内地层的层速度展布特征，由浅到深各CT剖面的反演速度变化为500~3000 m/s，主要体现了工区第四系覆盖层至下面地层和横向岩性变化带的速度变化特征.其成层性变化和局部高低值快速变化带以及低值异常带，分析认为与浅表层地层变化、断层的发育直接关系.

在层位标定的基础上，对反射、CT速度剖面进行综合分析和对比解释，总体上CT反演出的速度场由浅至深逐渐增大，横向连续性较好，反射剖面中同相轴较为连续，较稳定，能量中等.CT速度剖面中存在局部的速度突变，在相应的反射剖面上表现为波组紊乱不连续现象，两者异常特征较为吻合，分析认为与断层的发育有关.在该测线解释断层3条，编号F1-1，F1-2，F1-3.其异常位置及属性见表 3.

表 2 (Table 2)

表 2 测线方向综合层位参数表 Table 2 The parameter in the direction of line

表 2 测线方向综合层位参数表 Table 2 The parameter in the direction of line

表 3 (Table 3)

表 3 断层属性要素 Table 3 The attribute of fault

表 3 断层属性要素 Table 3 The attribute of fault

大地电磁法的勘探结果表明在46+760-46+860段是低阻区，因此可以判断出其为岩层裂隙带，反映出该段基岩局部破碎、裂隙发育.基岩面确定在电阻率变化的梯度带上，46+450以北段基岩埋深度超过150 m左右，至46+650以南基岩埋深一般在十几~几米，与浅层地震勘探的T0层位相对应.水位线与其地形大致一致，水位埋深为10~30 m.由浅层地震反射结果可以看出，在重合剖面上，解释为三条断层，断层反映在电阻率剖面上表现为低阻，结合大电磁勘探结果，可以看出，F1-1，F1-2和F1-3断层对应的位置表现为相对低阻区，因此结合波组特征，以及电阻率特征，可以判断出该剖面上存在三条断层.

在桩号46+250，46+600的位置有钻井MZK37，MZK38，其中MZK37钻井深40 m，其全部为覆盖层；MZK38钻井深76 m，钻井结果显示，覆盖层厚度大概为17 m，全-强风化层大概为37 m，强-中风化层大概为26 m，测井结果与综合解释的结果一致.

结合两种方法的结果，将其地质综合解释，如图 8.

图 8

Figure 8

图 8 46+200-47+200段综合解释断面图 Figure 8 Integrated Interpretation of profile between 46+200 and 47+200

运用音频大地电磁法，有效的查明了隧洞覆盖层厚度、水位线深度、岩性界线、以及基岩碎裂带等地质条件.

通过分析地震水平叠加剖面的波组特征和反射CT速度反演结果，进行了层位标定以及断层的识别.在该剖面上主要是T0层位：松散坡积层；T1层位：全-强风化基岩层；T2层位：强-中风化基岩；T3层位：弱风化基岩，同时综合大地电磁和浅层反射地震的结果，在该断面上推断有三条断层.

本文研究的是音频大电磁法与浅层地震反射勘探相结合在工程地质勘察中的应用，两种方法相配合，查明了受水区的地质构造.因此在以后的隧洞地质勘查中，应该结合多种地球物理勘探方法，相辅相成，从而达到多种方法综合解释减小地球物理方法的非唯一性.从本文做的结果来看，大地电磁与浅层地震勘探结合效果较好，建议将这常用两种方法结合使用.

在进行多种地球物理方法联合解释的时候，应该收集该区域已知的地质资料，钻井资料以及测井资料，然后进行全方面，多层次的解释，将地球物理资料解释成可靠的地质成果.