天然源音頻大地電磁法在隧道不良地質(zhì)體勘查中的應(yīng)用

周海濱

【摘要】受地形條件影響，鉆探方法在隧道不良地質(zhì)體勘查中具有較大的局限性，非鉆探方法逐漸成為隧道勘查的主要支撐技術(shù)。本文中主要介紹天然源音頻大地電磁法在隧道不良地質(zhì)體勘察中的應(yīng)用。結(jié)合某天然氣管道工程隧道勘查實(shí)例，通過(guò)分析影響采集數(shù)據(jù)質(zhì)量的噪聲影響因素，探討有利的野外數(shù)據(jù)采集工作布置方案，通過(guò)實(shí)例研究結(jié)果表明天然源音頻大地電磁法在采空區(qū)勘查中的優(yōu)越性和有效性。

【關(guān)鍵詞】天然源音頻大地電磁法；采空區(qū)；數(shù)據(jù)采集；噪聲

引言

天然氣管道工程是我國(guó)實(shí)施能源戰(zhàn)略的重點(diǎn)項(xiàng)目之一，大多管線沿線經(jīng)過(guò)低中山～中山地區(qū)，地形起伏較大，相對(duì)高差大，山坡較陡，溝谷發(fā)育，溝谷多呈“V”字形，植被較茂密。 鉆探方法很難開(kāi)展工作，天然源音頻大地電磁法在此類地區(qū)得到較為廣泛的應(yīng)用。

1、方法原理

天然源音頻大地電磁法是利用天然電磁信號(hào)為場(chǎng)源，通過(guò)觀測(cè)同一測(cè)點(diǎn)不同頻率的電場(chǎng)與磁場(chǎng)的比值，研究不同深度地電斷面情況，低頻反映深部，高頻反映淺部。大地電磁剖面法是觀測(cè)同一頻率不同測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)與磁場(chǎng)的比值，研究同—深度、不同測(cè)點(diǎn)的地電斷面情況。

野外觀測(cè)天然電磁場(chǎng)的四個(gè)水平分量（Ex、Ey、Hx、Hy）的時(shí)間序列信號(hào)，通過(guò)付氏變換，將時(shí)間序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻率域數(shù)據(jù)，按如下公式計(jì)算出張量阻抗：

式中Z表示張量阻抗，Ex和Hx為平行地面的X軸方向上的電磁場(chǎng)分量，Ey和Hy為平行地面的Y軸方向上的電磁場(chǎng)分量，T為大地電磁場(chǎng)的周期。由張量阻抗通過(guò)進(jìn)一步運(yùn)算可求得電阻率。在均勻介質(zhì)中計(jì)算得到的為真電阻率，在非均勻介質(zhì)中為視電阻率，其單位是.m。

2、野外數(shù)據(jù)采集布置

AMT數(shù)據(jù)采集：采用標(biāo)準(zhǔn)十字形布極，采用25米極距連續(xù)張量模式采集，采用衛(wèi)星同步技術(shù)控制各采集單元的采集時(shí)間。圖1為野外工作布置示意圖。

數(shù)據(jù)采集使用加拿大鳳凰地球物理公司生產(chǎn)的MTU-5A大地電磁儀。

技術(shù)參數(shù)如下：

點(diǎn)距：約25m。

采用張量觀測(cè)方式，觀測(cè)：2電道（Ex，Ey）；2磁道（Hx，Hy）。實(shí)時(shí)記錄和顯示各道時(shí)間序列。

電道偶極距：一般為25m。

采集模式：AMT、MT。

采集頻段：AMT：Level 3，Level 4，Level 5

采集時(shí)間：AMT有效采集時(shí)間不少于30分鐘

3、資料處理分析與解釋

3.1 資料處理

AMT現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理：野外采集的是時(shí)間序列的電磁場(chǎng)信號(hào)，首先對(duì)時(shí)間序列信號(hào)進(jìn)行挑選，剔除干擾大的時(shí)間段，然后轉(zhuǎn)換成頻率域信號(hào)，求得阻抗張量，再計(jì)算出頻率域的視電阻率和相位。

AMT預(yù)處理：資料預(yù)處理主要工作是對(duì)視電阻率、相位曲線進(jìn)行編緝、極化模式識(shí)別、靜態(tài)校正。處理原則如下：

確定全頻段振幅、相位曲線的基本形態(tài)和特征；

相鄰點(diǎn)間互相對(duì)比，保留有意義的異常，單點(diǎn)靜校正處理；

剔除由于噪聲引起的跳變點(diǎn)；

視電阻率和相位互參考；

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)情況，消除靜態(tài)位移。

反演解釋

本次數(shù)據(jù)反演AMT采用非線性共軛梯度法反演和最小二乘一維反演，反演軟件為Zonge公司開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件。為保證反演結(jié)果的可靠性，采用多種反演方法對(duì)比。

3.2 解釋原則

1）根據(jù)ρ值大小，并考慮地層巖性等因素，將低阻異常大致分類。灰?guī)r等高阻背景區(qū)：ρ值小于100Ω.m，為極破碎、極軟弱、巖溶強(qiáng)烈發(fā)育或富水巖體；ρ值100～1000Ω.m，為破碎、軟弱、巖溶發(fā)育或含水巖體；ρ值1000～2500Ω.m，為較破碎、較軟弱或巖溶弱發(fā)育巖體；高阻背景值中ρ值100～1500Ω.m的條帶狀低阻異常則被判釋為斷層破碎帶；而ρ值大于2500Ω.m且分布較均勻的高阻區(qū)域則對(duì)應(yīng)為較完整巖體。砂巖、泥巖背景區(qū)：ρ值小于50Ω.m，為極破碎、極軟弱、巖溶強(qiáng)烈發(fā)育或富水巖體；ρ值50～200Ω.m，為破碎、軟弱、巖溶發(fā)育或含水巖體；ρ值200～500Ω.m，為較破碎、較軟弱或巖溶弱發(fā)育巖體；ρ值大于500Ω.m且分布較均勻的高阻區(qū)域則對(duì)應(yīng)為較完整巖體。2）依據(jù)ρ斷面圖上電阻率異常的等值線型態(tài)及走向趨勢(shì)確定異常的邊界。

3.3 解釋結(jié)果

根據(jù)上述分析和解釋原則，對(duì)我國(guó)西部某天然氣管線的某段線位AMT物探資料進(jìn)行判釋，繪制出大地電磁成果圖（圖2）。發(fā)現(xiàn)兩處空洞。

第一段洞身電阻率以低阻為主，等值線連續(xù)性較差，推斷洞身在由強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖混合地層中穿過(guò)，巖石完整性差，局部存在裂隙，在SDT2#0+50～SDT2#0+212.5段存在相對(duì)低阻，推測(cè)為采空區(qū)含水，設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)注意水涌、塌方等地質(zhì)災(zāi)害。

第二段洞身電阻率以低阻為主，等值線連續(xù)性較差，推斷洞身在由強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖混合地層中穿過(guò)，巖石完整性差，局部存在裂隙，在SDT2#0+309～SDT2#0+362.5段存在相對(duì)低阻，推測(cè)為采空區(qū)含水，設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)注意塌方等地質(zhì)災(zāi)害。

最危險(xiǎn)處應(yīng)為鄰近高低阻的隧道段落，即高低阻變化處，最接近可能存在（承壓的）地下水的位置，容易出現(xiàn)塌方、冒頂、突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害，重點(diǎn)標(biāo)識(shí)為I類高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，大致對(duì)應(yīng)于地質(zhì)圍巖的Ⅴ、Ⅳ級(jí)圍巖；圈定的II類高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，大致對(duì)應(yīng)于地質(zhì)圍巖的Ⅳ圍巖，該類異常臨近高低阻變化的明顯低阻，也是容易出現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域，圍巖的完整性差，由于施工穿越明顯高低阻變化處后，地下水基本得到釋放，圍巖缺乏水的作用危險(xiǎn)性顯著降低。成果圖中標(biāo)識(shí)了巖體完整性差或破碎區(qū)和巖體完整性較差區(qū)。

4、 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)踐中證明了天然源音頻大地電磁（AMT）法在采空區(qū)探測(cè)中的有效性，并取得了良好的效果。但是，在野外數(shù)據(jù)采集前，應(yīng)設(shè)計(jì)合理的野外數(shù)據(jù)采集參數(shù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定采集參數(shù)的合理性和有效性。天然源音頻大地電磁噪聲干擾的有效剔除，對(duì)數(shù)據(jù)解釋質(zhì)量影響較大。由于電磁法的體積效應(yīng)，在反演電阻率斷面圖上異常范圍往往比實(shí)際目標(biāo)體大，這就要求結(jié)合調(diào)查資料更精細(xì)的確定異常范圍。

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