音頻電磁法在復(fù)雜山區(qū)工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用研究

卿曉鋒，王安平

（四川中成煤田物探工程院有限公司，四川 成都610072）

我國西南地區(qū)有著獨(dú)特的氣候和地質(zhì)條件，巖溶、斷裂、軟弱層及地下水發(fā)育等工程地質(zhì)問題突出，對工程建設(shè)、礦產(chǎn)資源開采造成諸多不利條件。通常工程勘察、災(zāi)害調(diào)查等多采用傳統(tǒng)的高密度直流電法和淺層地震[1]相結(jié)合的手段，但是在地形起伏大[2]、接地條件差、勘探深度較大的西南山區(qū)，往往效果不佳。天然場音頻大地電磁法[3]（以下簡稱AMT法），采用的是天然電磁場，在頻率域數(shù)據(jù)采集與處理，有效勘探深度達(dá)到1000m，該方法抗干擾能力較強(qiáng)，僅受工業(yè)電磁影響較大，適合工業(yè)偏少的西南山區(qū)工程勘察。本次嘗試對指定隧道測段（YK29+0～YK29+600）開展AMT工作，其具體目的任務(wù)為：探測150m以淺深度范圍內(nèi)斷層、破碎帶、巖溶、暗河以及富水巖體的埋深、規(guī)模和分布，并根據(jù)視電阻率對巖體進(jìn)行圍巖類型劃分，為隧道施工提供物探依據(jù)。

1 勘察區(qū)地質(zhì)特征

隧址區(qū)出露地層主要為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)泥巖夾粉砂巖地層，第四系全新統(tǒng)坡殘積層(Q4dl+el)，第四系(Q4ml)粉質(zhì)粘土層等，總厚度816m～1079m?，F(xiàn)對主要巖性分別敘述如下：

泥巖：呈棕紅色，成分主要為長石、石英、云母及粘土礦物，中～厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)為主，局部有鈣質(zhì)結(jié)核。

粉砂巖：呈青灰色～褐灰色，成分主要為石英、長石、云母及巖屑，中～厚層狀構(gòu)造，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，泥鈣質(zhì)基底式膠結(jié)。

2 勘察區(qū)電物性特征

AMT法與常規(guī)電法勘探一樣，以電阻率的差異來劃分探測對象與圍巖，并根據(jù)異常特征推測地質(zhì)體性質(zhì)和分布特征。影響電阻率的主要因素有巖石性質(zhì)、構(gòu)造、結(jié)構(gòu)、含水情況等多種因素。根據(jù)實(shí)測和收集的資料得到工區(qū)主要地層巖性的電物性參數(shù)，如表1。

表1 工區(qū)主要巖性電物性統(tǒng)計(jì)

此次工區(qū)地層較簡單，主要為第四系的黏土覆蓋層、侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)泥巖夾粉砂巖等。從表1可知，覆蓋層黏土、泥巖與砂巖三者存在較為明顯的電性差異。同時(shí)，完整巖體與斷層、破碎帶、軟弱帶或含水巖體之間也存在一定的電性差異，因此工區(qū)具備開展AMT法的地球物理前提。

3 AMT法觀測技術(shù)

3.1 方法原理

AMT法是利用天然音頻大地電磁場作為場源。其觀測的基本參數(shù)是相互正交的電場分量和磁場分量，通過傅氏變換，將信號從時(shí)間域轉(zhuǎn)換到頻率域。引入表面阻抗Z，即為地表面電場和磁場水平分量之比，其值只與介質(zhì)電阻率和電磁波的頻率有關(guān)。

當(dāng)天然交變音頻電磁場垂直入射大地，在地下以波的形式傳播時(shí)，地面電磁場的觀測值由于電磁感應(yīng)的作用，會包含地下介質(zhì)的電阻率分布的信息。不同頻率的電磁場信號具有不同穿透深度，高頻信號穿透深度小，低頻信號穿透深度大，因此通過研究地表采集的電磁數(shù)據(jù)能夠反演出地下不同深度介質(zhì)電阻率分布的信息，從而實(shí)現(xiàn)地質(zhì)解釋。

3.2 AMT法野外布置

采用加拿大產(chǎn)V8多功能電磁法系統(tǒng)，施工生產(chǎn)前對V8主機(jī)（1985）、RXU-3E輔助盒子及兩根磁棒進(jìn)行了標(biāo)定。在指定隧道里程段（YK29+0～YK29+600）的位置布置AMT測線，測點(diǎn)距為5m、10m，如圖1。

圖1 音頻大地電磁法原理示意圖

4 AMT法數(shù)據(jù)處理與解釋

4.1 AMT數(shù)據(jù)處理

4.1.1 預(yù)處理

預(yù)處理采用SSMT2000及MTEDITOR軟件[4]，主要對原始數(shù)據(jù)平滑、TE與TM極化模式識別、測點(diǎn)處理、靜校正和濾波等處理，保證后續(xù)反演數(shù)據(jù)的客觀真實(shí)性。

4.1.2 二維反演

數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，采用MTsoft2D軟件結(jié)合地質(zhì)資料等約束條件，進(jìn)行視電阻率二維反演[5]。

該反演軟件可進(jìn)行多種一維、二維反演，具有界面簡單人性化、反演方法多、約束設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大、實(shí)時(shí)查看等特點(diǎn)。主要過程如下：先進(jìn)行一維Bostick反演（保持結(jié)果一維性，粗略）和一維OCCAM反演（保持模型光滑性，依賴初始模型較?。?，然后根據(jù)一維反演結(jié)果作為初始模型進(jìn)行二維NLCG反演。采取多種參數(shù)和約束條件，對不同反演結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出最合理的解釋成果。

4.2 AMT資料解釋

對于資料解釋利用，視電阻率二維反演斷面圖作為資料解釋的基本圖件和主要依據(jù)。

4.2.1 解釋原則

結(jié)合地質(zhì)資料對反演電阻率斷面圖，分析異常值、背景值、異常形態(tài)規(guī)模和異常分布位置，對異常進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分類，大致劃分出地層或者巖性分界線、斷層、破碎帶、巖溶等分布范圍。

本次工作主要研究低阻異常[2]，通過分析，將低阻異常分為Ⅴ、Ⅳ和Ⅲ三類。

將電阻率值≤10Ω·m的異常區(qū)判釋為Ⅴ類異常，對應(yīng)極破碎、極軟弱的巖體或巖溶破壞帶；電阻率值為10Ω·m～25Ω·m的異常區(qū)判釋為Ⅳ類異常，對應(yīng)破碎、軟弱的巖體；將視電阻率值為25Ω·m～40Ω·m的異常區(qū)判釋為Ⅲ類異常，對應(yīng)較破碎或較軟弱的巖體；將電阻率值≥40Ω·m的異常區(qū)劃分為Ⅱ區(qū)域，對應(yīng)較完整巖體。如下表2。

表2 解釋劃分標(biāo)準(zhǔn)

4.2.2 資料分析解釋

本次測線段由YK29+0～YK29+600構(gòu)成。下面電性斷面圖中橫向貫穿的黑色實(shí)線為隧道洞身（圖2）。

圖2 AMT視電阻率反演斷面圖

根據(jù)AMT視電阻率[6]反演、地學(xué)地質(zhì)斷面圖分析解釋，在里程YK29+326推測了一DF1斷層，該斷層傾向北西，傾角約60°，見圖3。同時(shí)，對隧道洞身圍巖按解釋劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分級并圈定，具體如表3。

表3 隧道洞身圍巖分級統(tǒng)計(jì)

圖3 AMT地學(xué)地質(zhì)斷面圖

5 結(jié)論

（1）資料處理采用物探與地質(zhì)相結(jié)合的思路，最終得到了AMT電法反演斷面圖，并進(jìn)行了詳盡的地質(zhì)解釋。不僅推斷出了斷層，而且對隧道周圍巖石進(jìn)行了分級，重點(diǎn)圈出了較為破碎、軟弱或含水的巖體，為后續(xù)工作提供了指導(dǎo)依據(jù)。

（2）此工程條件下中，高密度和淺層地震等常規(guī)手段通常會受條件限制，干擾多，中深部分辨力弱，異常劃分困難，往往提供不了足夠有用的指導(dǎo)依據(jù)。本次AMT法成果與已有地質(zhì)成果吻合良好，并對地質(zhì)工作難以判定的地下地質(zhì)分布情況做出了合理推斷解釋，證實(shí)了AMT法在工程勘察中有效性，值得在復(fù)雜地質(zhì)條件下應(yīng)用推廣。

（3）AMT法相對大地電磁MT法，工作效率更高，中淺部精度更高；相對可控源音頻大地電磁CSAMT法，精度相當(dāng)，設(shè)備更輕便，效率更高，適合各種復(fù)雜地形測區(qū)；相對常規(guī)電法和淺層地震，淺層分辨率相對較差，但勘探深度更大，抗干擾能力更強(qiáng)。因此，在南方復(fù)雜山區(qū)大深度工程勘察中，AMT法可作為優(yōu)先考慮手段。