基于航空电磁法的深大断裂三维探测方法与流程

技术领域：

本发明属于工程选址、勘察技术领域，涉及一种三维探测方法，尤其是涉及一种基于航空电磁法的深大断裂三维探测方法。

背景技术：
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深大断裂是复杂的地质构造，多具有第四系活动性，具有延伸长、断带规模宽大，工程性质复杂的特点，往往是影响工程选址和工程设计的主要地质构造，特别是地表以下深大断裂的空间位置和发育特征，直接影响建筑物地基稳定性，也是地下建筑工程(如隧道工程、地下洞室)选线、选址需重点考虑的地质问题。

目前，工程选址勘察中对于深大断裂的探测手段主要采用遥感判识、地面调绘追索、物探、钻探验证相结合的探测方法，可以实现深部探测的地面物探方法将二维断面探测交叉布设，依托地质经验进行成果的立体地质属性分析。

工程勘察中，往往结合工程选址意图布置探测手段，在铁路、公路等线状工程中，根据线路走向、重点工程等布置勘探工作，特别是物探、钻探等手段，一般布置在拟建重点工程区段，需要较多的测线断面，方可实现成果立体构建和分析。一旦发生方案变化，已完成的探测断面可能发生作废或者利用率低的情况，部分断面需要补充，效率较低。同时，网格状密布的地面物探断面受制于地形条件往往难以实施，对于高陡山区，地表水体等区段，地面物探手段无法连续实施，往往造成探测成果存在盲区，难以拟合形成三维成果进行分析和研究。

开展三维立体探测，并形成三维成果用于分析深大断裂的空间展布的研究，如断层走向、倾向、倾角，断层破碎带性质等是十分必要的。

技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种基于航空电磁法的深大断裂三维探测方法，解决了现有技术中探测深大断裂无法实现长大连续区段高效三维探测和三维成果分析，无有效方法解决深大断裂发育区工程选址大范围比选的难题等问题，其采用三维反演成果，清晰、直观的展现深大断裂在深部的空间展布，为重大工程选址和工程设计提供依据。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于航空电磁法的深大断裂三维探测方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)根据构造特征分析，遥感地质和地表调查确定深大断裂的地表分布位置，确定航空物探探测区域位置和范围；

2)根据工程方案和深大断裂研究深度确定航空物探电磁法测线布置，深度和范围满足工程方案研究比选的三维变化范围；

3)航空电磁法飞行探测，采集数据，提取航空ztem数据，经过数据预处理后，进行mtz3dinv三维反演，反演结果形成电阻率三维成果图；磁测资料经过预处理及正常场校正后得到的tmi资料，进行mvi三维反演，反演结果经过必要的处理形成磁化率三维成果图；

4)综合分析解译成果，通过电磁相对差异，电阻率值范围不同，结合地质背景资料，分析确定深大断裂的空间走向、倾向、倾角、断层破碎带宽、破碎带岩体性质；

5)根据航空电磁法探测反演解译成果，结合工程选址、工程设计需要，布设深孔钻探进行印证、对比分析，修正解译成果。

步骤2)中，包括如下步骤：

根据探测区地形地貌、区域地质构造背景、工程拟建位置埋深，确定探测布线的长度、宽度、测线间距；确保目标中心线1km深处的探测精度，横向宽度大于2km；

步骤2)中，包括如下步骤：

根据目标探测深度、范围和确定后的布线原则布线；测线布置时首先在目标中线位置布置1条测线，然后对称目标中线左右位置各布置4条测线，测线间距分别为100m、200m、400m和400m，即由距中线最近的测线间距为100m逐渐变至距中线最远的测线间距为400m，测线横向宽度为2.1km，探测深度为1.1km；根据确定的布线实施飞行探测。

步骤3)中，包括如下步骤：

根据采集的航空大地电磁法和航空磁法资料，分别进行mtz3dinv和mvi三维反演，得到工程周围空间电阻率、磁化率三维分布结果，进行三维分析，初步确定工程与断裂的空间位置关系，断裂的空间三维形态，走向。

步骤3)中，包括如下步骤：

根据初判结果，结合断裂位置和工程关系，找到相对控制工程方案位置或不利地段，确定三维成果切断面和高程切平面位置，通过电阻率、磁化率切断面、切平面进一步分析研究。

步骤3)中，包括如下步骤：

通过三维反演后展示的目标断面电阻率等值线和磁化率等值线成果，确定断裂边界，视倾向、倾角、断层破碎带宽、破碎带岩体所体现的电阻率、磁化率性质。

步骤4)中，包括如下步骤：

通过三维反演后展示的目标平面电阻率等值线和磁化率等值线成果，进一步确定断裂边界，走向真倾向、断层破碎带宽。

步骤4)中，包括如下步骤：

根据探测区域的航空大地电磁法和航空磁法资料三维反演成果和目标断面的电阻率、磁化率断面分析结果，综合分析确定长区段范围内深大断裂的空间走向、倾向、倾角、断层破碎带宽、破碎带岩体性质，确定其与拟建工程的三维位置关系，据此优化方案。

步骤4)中，包括如下步骤：

根据航空电磁法探测反演解译成果，结合工程选址、工程设计需要，布设深孔钻探进行印证、对比分析，修正解译成果。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

1、本发明方法基于航空电磁法，采集目标区域的航空大地电磁法(ztem)和航空磁法(tmi)资料，分别进行mtz3dinv和mvi三维反演，得到该区域空间电阻率、磁化率三维分布结果，从中提取研究区目标断面、切平面的电阻率、磁化率并形成等值线图，通过对这些等值线图及其三维空间展布特征的分析，结合地质构造环境分析，判断深大断裂空间展布、断带性质。该方法可实现大范围、低空、无盲区、长区段的三维探测，通过反演解译形成三维成果，实现深大断裂高精度空间位置和断层性质的立体化分析研究，达到了深大断裂的长区段三维探测目的，可清晰、直观的展现深大断裂在山体深部的空间展布，解决深大断裂发育的复杂山区工程选址大范围比选的难题，为重大工程选址和工程设计提供了可靠依据。

2、常规探测手段难以形成三维探测成果，高陡山区等复杂地形条件下难以实现深大断裂大范围长区段无盲区连续探测，而本发明的基于航空电磁法三维探测，可快速有效的通过三维反演解译成果分析，查明深大断裂空间展布、规模和性质，极大的提高了深大断裂探测的范围和效率。

3、常规二维地面物探探测手段实现较长区段深大断裂的探测，需要大量布置物探断面，地面物探实现所需的工作时间长，探测仪器和人员数量与时限要求矛盾突出，对于高陡山区，地表水体等区段，无法连续实施，而基于航空电磁法的三维探测方法可实现无盲区探测，且大幅度降低探测时间成本。

4、本发明基于航空电磁法的深大断裂探测为工程选址、工程设计提供了高效、大范围、高质量的勘察成果，确保了工程选线、选址中绕避具有活动性的区域深大断裂，以合理的工程方式和设计通过深大断裂，最大可能实现了工程的安全性、合理性、经济性。

附图说明：

图1是本发明提出的航空电阻率探测反演断面示意图(9条测线)：用以展示反演解译成果来确定目标探测深度和测线布置；

图2是本发明提出的航空电磁法布线示意图：用以展示探测区域、测线布置和探测目标的相对位置关系；

图3是本发明提出的航空电磁法典型实例ztem3d反演电阻率三维图：用以展示三维反演电阻率成果的三维探测成果，通过多视角旋转，电阻率差异的断裂的空间位置和形态，可进一步用于三维分析和研究；

图4是本发明提出的航空电磁法典型实例磁化率三维解译模型：用以展示三维反演磁化率成果的三维探测成果，通过多视角旋转，磁化率差异的断裂的空间位置和形态，可进一步用于三维分析和研究；

图5是本发明提出的目标位置磁化率断面等值线图：用于反演成果垂直方向体现的深大断裂相对位置关系和破碎带特征；断裂体现明显的低磁特性，且分布呈带状，与其地质特性和区域构造背景相一致；

图6是本发明提出的目标高程切平面是磁化率等值线图：用于反演成果水平方向体现的深大断裂走向关系和破碎带特征；断裂体现明显的低磁特性，且分布呈带状，带宽规模大，倾向和倾角与区域地质构造背景相一致；

图7是本发明提出的航空电磁法断面综合地质解译成果图：划定深大断裂f47、f48、f48-1、f49，及新判识的f49-1、f49-2。其中f48断层带宽，低电磁特性明显，具有断裂带内主控断裂特征，与区域构造背景相一致。

具体实施方式：

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。这些实施例是用于说明本发明而不限于本发明的范围。

本发明为一种基于航空电磁法的深大断裂三维探测方法，包括如下步骤：

1)根据构造特征分析，遥感地质和地表调查确定深大断裂的地表分布位置，确定航空物探探测区域位置和范围；

2)根据工程方案和深大断裂研究深度确定航空物探电磁法测线布置，深度和范围满足工程方案研究比选的三维变化范围；

3)航空电磁法飞行探测，采集数据，提取航空ztem(z轴倾子大地电磁法)数据，经过数据预处理后，进行mtz3dinv(ubc)三维反演，反演结果形成电阻率三维成果图；磁测资料经过预处理及正常场校正后得到的tmi资料，进行mvi(磁化强度矢量)三维反演，反演结果经过必要的处理形成磁化率三维成果图；

4)综合分析解译成果，通过电磁相对差异，电阻率值范围不同，结合地质背景资料，分析确定深大断裂的空间走向、倾向、倾角、断层破碎带宽、破碎带岩体性质等。

5)根据航空电磁法(ztem、tmi)探测反演解译成果，结合工程选址、工程设计需要，布设深孔钻探进行印证、对比分析，修正解译成果。

本发明的原理：

航空电磁法是利用地下介质的导磁性和导电性的差异，通过飞行器来测量不同频率变化下的电磁场的频率特性和空间分布，由此来获取地下地电结构信息的一种物探方法。

不同的地质体作为介质，其导磁性和导电性的有所差异，根据导电差异和磁异常场的特征可以区分并圈定其范围。岩带的分布、排列、组合有一定的规律，并且常可见一些线形特征，据此可发现或追索各种断裂、断裂带、褶皱构造等，划分地质构造单元。

对在研究区上方采集的多条测线的航空ztem(z轴倾子大地电磁法)数据，经过数据预处理后，进行mtz3dinv(ubc)三维反演，反演结果形成电阻率三维成果图，并据此提取目标位置纵断面及隧道洞身切平面电阻率等值线图；对与ztem同时搭载采集的航空磁测资料经过预处理及正常场校正后得到的tmi资料，进行mvi(磁化强度矢量)三维反演，反演结果经过必要的处理形成磁化率三维成果图，并据此提取目标位置纵断面及切平面磁化率等值线图。

磁化率特征分析：磁化率形态分布及大小与岩性存在较好的对应关系；纵断面磁化率等值线竖直梯度带或相对低磁化率条带特征反映了本区的断层破碎带，且与之对应位置的切平面磁化率等值线梯度带走向与地质调绘的断层破碎带走向一致，结合三维成果图显示的低磁化率条带分布特征和空间关系，确定了深大断裂的空间形态。

电阻率特征分析：纵断面、切平面电阻率等值线呈现为异常分布，即存在几千米长大范围的陡倾低电阻率等值线展布；电阻率远低于(1.5～3倍)本区岩性电阻率的背景值；与磁化率反映的岩性、构造位置，纵断面和切平面的电阻率等值线通常为较低电阻率的中心位置，对岩性、构造有对应的反应。

岩性特征分析：根据测区背景岩性为元古界片麻岩，临近雅鲁藏布江缝合带，位于嘉黎断裂带内，断裂构造和岩组倾角陡，三维反演解译的成果展示的低阻、地磁条带与构造背景显示的嘉黎断裂带内区域性断裂平行密布，其中嘉黎-迫龙藏布断裂具全新世活动性，为主控深大断裂，断带宽度大，带内岩体破碎。磁化率、电阻率反应的特征与其一致，据此，确定了深大断裂的空间走向、倾向、倾角、断层破碎带宽、破碎带岩体性质等。

实施例：

①根据探测区地形地貌、区域地质构造背景、工程拟建位置埋深等，确定探测布线的长度、宽度、测线间距等。为满足正演模型研究，要确保目标中心线1km深处的探测精度(图1)，横向宽度(两条最边缘测线间距)应大于2km(图1)。

②根据目标探测深度、范围和确定后的布线原则布线。测线布置时首先在目标中线位置布置1条测线，然后对称线路左右位置各布置4条测线，测线间距分别为100m、200m、400m和400m，即由距中线最近的测线间距为100m逐渐变至距中线最远的测线间距为400m，测线横向宽度(两最边缘测线间距)为2.1km，理论探测深度可达1.1km(图1、图2)。根据确定的布线实施飞行探测。

③根据采集的航空大地电磁法(ztem)和航空磁法(tmi)资料，分别进行mtz3dinv和mvi三维反演，得到工程周围空间电阻率、磁化率三维分布结果，进行三维分析，初步确定工程与断裂的空间位置关系，断裂的空间三维形态，走向等(图3、图4)。

④根据初判结果，结合断裂位置和工程关系(图2)，找到先对控制工程方案或不利段位(图3、图4)，确定三维成果切断面和高程面位置，通过电阻率、磁化率切断面、平面进一步分析研究。

⑤通过三维反演后展示的目标断面电阻率等值线和磁化率等值线成果，确定断裂边界，视倾向、倾角、断层破碎带宽、破碎带岩体所体现的电阻率、磁化率性质等(图5)。

⑥通过三维反演后展示的目标平面电阻率等值线和磁化率等值线成果(图6)，进一步确定断裂边界，走向真倾向、断层破碎带宽等。

⑦根据探测区域的航空大地电磁法(ztem)和航空磁法(tmi)资料三维反演成果和目标断面的电阻率、磁化率断面分析结果，综合分析确定长区段范围内深大断裂的空间走向、倾向、倾角、断层破碎带宽、破碎带岩体性质等(图7)，确定了其与拟建工程的三维位置关系，据此优化方案，为工程设计提供可靠依据。

⑧根据航空电磁法(ztem、tmi)探测反演解译成果，结合工程选址、工程设计需要，布设深孔钻探进行印证、对比分析，修正解译成果。

实验例：

以某铁路工程地质选线为例。根据构造特征分析，遥感地质和地表调查初步判别嘉黎断裂带内4条深大断裂的地表分布位置，通过目标区的航空物探三维探测，获取数据，根据航空大地电磁法(ztem)和航空磁法(tmi)三维反演结果，解译分析确定深大断裂的空间走向、倾向、倾角、断层破碎带宽、破碎带岩体性质等，为铁路选线和工程设计提供参考依据。

根据实施例步骤，已掌握资料中嘉黎断裂带为区域性深大断裂带，由近平行的4条区域性深大断裂组成，伴生支断裂密布，与工程选线相关的波密至通麦段大体沿帕隆藏布河谷分布，据此确定沿断裂展布方向垂直布置探测区域和布线原则。

根据航空物探三维探测采集的数据，分别进行mtz3dinv和mvi三维反演，得到工程周围空间电阻率、磁化率三维分布成果，进行三维分析，确定了4条深大断裂及2条支断裂的空间走向为北西向，深大断裂倾向北，其中f48为控制性深大断裂，沿河谷靠北岸坡脚展布，断层破碎带呈低磁、低阻带特征明显，带宽大于1000m，f47和f48断裂之间的相对高磁、高阻带，可作为铁路方案选线的通道，线路选择时，应尽量远离主控的f48断裂，并考虑其活动性对工程的影响。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。