音頻大地電磁法在西南地區(qū)礦山巷道探測中的應(yīng)用

劉媛媛，王 猛，韓艷軍，張賀然，魏子鑫

（中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北 保定 071051）

音頻大地電磁法（Audio-frequency Magnetotelluric Method），簡稱AMT，具有勘探效率高，探測深度大，橫向分辨率高等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛用于礦山巷道勘查中[1]，通過對振幅和相位曲線的反演與解釋得到地電斷面信息，研究其差異進而區(qū)分巖性及構(gòu)造體，并根據(jù)電阻率量值的大小以及在地下的分布形態(tài)來識別地下地質(zhì)體的性質(zhì)和空間分布[2]，以此為依據(jù)進行圍巖級別劃分和斷裂破碎帶的判別，為后期施工提供資料。

1 AMT方法原理

音頻大地電磁法利用巖礦石導(dǎo)電性差異的一種頻率域電磁勘探方法[3，4]。當(dāng)變化的電磁波入射到地下，地下的電性介質(zhì)由于電磁感應(yīng)將產(chǎn)生二次場，通過在地表測量電磁場的相互正交的電場和磁場水平分量，在水平地層時，利用公式（1）可計算電性阻抗，電性阻抗是地球介質(zhì)電性的函數(shù)。同時電磁波向地下傳播時，其場強隨深度增加而衰減，當(dāng)其強度衰減到1/e時的深度，稱為趨膚深度，其公式如（2）式所示。通過一系列頻率點ω可確定相應(yīng)阻抗的頻譜Z（ω），它提供了地球內(nèi)部電阻率隨深度變化的信息。

式中為趨膚深度，ρ為介質(zhì)電阻率，f為頻率。

由（2）式可知低頻電磁波衰減慢，可穿透深部地質(zhì)體，高頻電磁波衰減快，穿透深度小，只能解決淺部地質(zhì)問題。通過測量不同頻率的電磁場，利用公式（2）就可以探測不同深度地下地質(zhì)體阻抗的分布特征，解決具有電阻率差異的各種地質(zhì)問題。

2 AMT數(shù)據(jù)處理與反演

AMT數(shù)據(jù)處理流程主要包括前期的數(shù)據(jù)預(yù)處理及后期的反演計算。預(yù)處理主要是對時間序列進行逐點、逐屏的挑選，然后重新對各個測點進行頻譜計算，得到視電阻率和相位數(shù)據(jù)，在反演計算前對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行整理與圓滑，即在每個測點的視電阻率和相位曲線上刪除那些連續(xù)性差、相干度低的異常點，以及進行靜態(tài)校正，最后根據(jù)反演軟件的參數(shù)要求設(shè)定各項反演參數(shù)進行一維及二維反演計算。借助迭代算法和人機交互界面，后期反演計算結(jié)合現(xiàn)代數(shù)學(xué)計算方法和人的主觀能動作用，使得反演過程能夠高速有效的進行。AMT數(shù)據(jù)處理反演流程如圖1所示。

圖1 AMT方法數(shù)據(jù)處理反演流程圖

圖2 音頻大地電磁法野外工作布置示意圖

3 工程實例

3.1 測區(qū)地質(zhì)概況

測區(qū)覆蓋層為第四系全新統(tǒng)坡殘積層（Q4dl+el）粉質(zhì)粘土，下伏地層為前震旦紀（γ21）花崗巖，局部地段由于花崗巖的交代侵入接觸，大量花崗巖脈侵入或沿片理貫入，與云母石英片巖、石英砂巖、板巖等形成片麻狀貫入混合巖帶。邊緣地帶多含有石英巖、石英砂巖、白云巖等捕虜體或包體，局部含輝綠巖脈。測區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要為高家灣斷裂，測區(qū)范圍內(nèi)走向約為NW15°，傾向北東，傾角約為60°～70°，斷層破碎帶寬度200m～250m，以斷層角礫為主。

3.2 野外工作方法

按照相關(guān)技術(shù)要求，沿隧道中線布置一條測線，測點點距為20m。使用加拿大產(chǎn)V8型大地電磁儀采集數(shù)據(jù)。電偶極長度為20m，采用“十”字張量，電極首尾相連的EMAP方式進行布站。見圖2：音頻大地電磁法野外工作布置示意圖[5]。

3.3 干擾試驗

由于本次測線部分地段附近有高壓線，會對本次施工造成一定的電磁干擾，正式施工前，在高壓線影響地段進行了干擾試驗，從試驗結(jié)果來看：高壓線附近測站的電場信號基本正常，無畸變數(shù)據(jù)，而磁場信號呈鋸齒狀跳躍，數(shù)據(jù)信號非常差。圖3為磁探頭在高壓線下采集的原始時間序列曲線，可以看出Hy方向的磁場受高壓線的影響較大，由此時間序列通過傅里葉變換計算得到視電阻率和相位曲線會失真，高頻數(shù)據(jù)凌亂，低頻數(shù)據(jù)出現(xiàn)假異常，不能真實反映地下介質(zhì)情況。

圖3 磁探頭在高壓線下測點的原始時間序列曲線

為了減小高壓線對測點數(shù)據(jù)的影響，根據(jù)V8多功能電法儀器測量時的布站特點以及磁場在同一地區(qū)的相對穩(wěn)定性，在高壓線影響地段，我們在實際采集數(shù)據(jù)時，把V8主機放到遠離高壓線垂直距離500m外的位置測量Hx、Hy分量，另外兩個盒子在實際測點位置測量Ex、Ey分量。高壓線下同一測點磁場偏離后測得的原始時間序列曲線如圖4，高壓線對Hy的影響明顯減弱，信噪比較高。

圖4 磁探頭偏離高壓線后測點的原始時間序列曲線

3.4 勘探成果與解釋

根據(jù)ρs值大小，并考慮地層巖性等因素，將低阻異常大致分為Ⅴ、Ⅳ和Ⅲ三類：Ⅴ類異常ρs值小于150Ω.m，為極破碎、極軟弱、巖溶強烈發(fā)育或富水巖體；Ⅳ類異常ρs值150Ω.m～500Ω.m，為破碎、軟弱、巖溶發(fā)育或含水巖體；Ⅲ類異常ρs值500Ω.m～1500Ω.m，為較破碎、較軟弱或巖溶弱發(fā)育巖體；高阻背景值中ρs值150Ω.m～1500Ω.m的條帶狀低阻異常則被判釋為斷層破碎帶；而Ⅱ類區(qū)域ρs值大于1500Ω.m且分布較均勻的高阻區(qū)域則對應(yīng)為較完整巖體。依據(jù)ρs斷面圖上電阻率異常的等值線型態(tài)及走向趨勢確定異常的邊界。

根據(jù)TE、TM兩種模式聯(lián)合反演和上述解釋原則得到隧道反演電阻率斷面圖及推斷解釋剖面圖，如圖5所示。

礦山巷道洞身510520段～514500段主要位于Ⅲ、Ⅱ類異常區(qū)域，表明巖體較完整，部分地段破碎、軟弱，節(jié)理裂隙發(fā)育。其中，在511270段～511340段，電阻率值極低，推斷巖礦石極破碎、極軟弱、風(fēng)化強烈或富水區(qū)；513160段～513430段，電阻率斷面圖上的條帶狀低阻異常判釋為斷層破碎帶，與地質(zhì)上的高家灣斷裂相吻合，電阻率值明顯呈低阻反映，表明巖體極破碎、極軟弱；514500段～515920段從整體電性來看，電阻率值變化較大，等值線連續(xù)性較差，大部分地段位于Ⅳ、Ⅴ類異常區(qū)域，推斷圍巖總體上破碎軟弱、風(fēng)化嚴重，工程地質(zhì)條件較差。

圖5 510520～515960段反演電阻率斷面及推斷解釋剖面圖

4 結(jié)語

音頻大地電磁法（AMT）在深埋、復(fù)雜的礦山巷道勘查中，能夠有效地劃分圍巖級別，圈定礦石破碎帶等不良地質(zhì)體，勘探深度能夠滿足要求，效果較好，為后期的工程設(shè)計與施工提供了良好的依據(jù)；當(dāng)AMT測量遇到強電磁干擾時，可以采取靈活機動的采集方法得到較真實可靠的抗干擾數(shù)據(jù)。