天然源音頻大地電磁法在隧道不良地質體勘查中的應用

周海濱

【摘要】受地形條件影響，鉆探方法在隧道不良地質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。本文中主要介紹天然源音頻大地電磁法在隧道不良地質體勘察中的應用。結合某天然氣管道工程隧道勘查實例，通過分析影響采集數據質量的噪聲影響因素，探討有利的野外數據采集工作布置方案，通過實例研究結果表明天然源音頻大地電磁法在采空區勘查中的優越性和有效性。

【關鍵詞】天然源音頻大地電磁法；采空區；數據采集；噪聲

引言

天然氣管道工程是我國實施能源戰略的重點項目之一，大多管線沿線經過低中山～中山地區，地形起伏較大，相對高差大，山坡較陡，溝谷發育，溝谷多呈“V”字形，植被較茂密。 鉆探方法很難開展工作，天然源音頻大地電磁法在此類地區得到較為廣泛的應用。

1、方法原理

天然源音頻大地電磁法是利用天然電磁信號為場源，通過觀測同一測點不同頻率的電場與磁場的比值，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同一頻率不同測點的電場與磁場的比值，研究同—深度、不同測點的地電斷面情況。

野外觀測天然電磁場的四個水平分量（Ex、Ey、Hx、Hy）的時間序列信號，通過付氏變換，將時間序列數據轉換為頻率域數據，按如下公式計算出張量阻抗：

式中Z表示張量阻抗，Ex和Hx為平行地面的X軸方向上的電磁場分量，Ey和Hy為平行地面的Y軸方向上的電磁場分量，T為大地電磁場的周期。由張量阻抗通過進一步運算可求得電阻率。在均勻介質中計算得到的為真電阻率，在非均勻介質中為視電阻率，其單位是.m。

2、野外數據采集布置

AMT數據采集：采用標準十字形布極，采用25米極距連續張量模式采集，采用衛星同步技術控制各采集單元的采集時間。圖1為野外工作布置示意圖。

數據采集使用加拿大鳳凰地球物理公司生產的MTU-5A大地電磁儀。

技術參數如下：

點距：約25m。

采用張量觀測方式，觀測：2電道（Ex，Ey）；2磁道（Hx，Hy）。實時記錄和顯示各道時間序列。

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

采集時間：AMT有效采集時間不少于30分鐘

3、資料處理分析與解釋

3.1 資料處理

AMT現場數據處理：野外采集的是時間序列的電磁場信號，首先對時間序列信號進行挑選，剔除干擾大的時間段，然后轉換成頻率域信號，求得阻抗張量，再計算出頻率域的視電阻率和相位。

AMT預處理：資料預處理主要工作是對視電阻率、相位曲線進行編緝、極化模式識別、靜態校正。處理原則如下：

確定全頻段振幅、相位曲線的基本形態和特征；

相鄰點間互相對比，保留有意義的異常，單點靜校正處理；

剔除由于噪聲引起的跳變點；

視電阻率和相位互參考；

結合區域地質情況，消除靜態位移。

反演解釋

本次數據反演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公司開發的應用軟件。為保證反演結果的可靠性，采用多種反演方法對比。

3.2 解釋原則

1）根據ρ值大小，并考慮地層巖性等因素，將低阻異常大致分類。灰巖等高阻背景區：ρ值小于100Ω.m，為極破碎、極軟弱、巖溶強烈發育或富水巖體；ρ值100～1000Ω.m，為破碎、軟弱、巖溶發育或含水巖體；ρ值1000～2500Ω.m，為較破碎、較軟弱或巖溶弱發育巖體；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域則對應為較完整巖體。砂巖、泥巖背景區：ρ值小于50Ω.m，為極破碎、極軟弱、巖溶強烈發育或富水巖體；ρ值50～200Ω.m，為破碎、軟弱、巖溶發育或含水巖體；ρ值200～500Ω.m，為較破碎、較軟弱或巖溶弱發育巖體；ρ值大于500Ω.m且分布較均勻的高阻區域則對應為較完整巖體。2）依據ρ斷面圖上電阻率異常的等值線型態及走向趨勢確定異常的邊界。

3.3 解釋結果

根據上述分析和解釋原則，對我國西部某天然氣管線的某段線位AMT物探資料進行判釋，繪制出大地電磁成果圖（圖2）。發現兩處空洞。

第一段洞身電阻率以低阻為主，等值線連續性較差，推斷洞身在由強風化砂質泥巖、泥質粉砂巖、泥巖混合地層中穿過，巖石完整性差，局部存在裂隙，在SDT2#0+50～SDT2#0+212.5段存在相對低阻，推測為采空區含水，設計施工時應注意水涌、塌方等地質災害。

第二段洞身電阻率以低阻為主，等值線連續性較差，推斷洞身在由強風化砂質泥巖、泥質粉砂巖、泥巖混合地層中穿過，巖石完整性差，局部存在裂隙，在SDT2#0+309～SDT2#0+362.5段存在相對低阻，推測為采空區含水，設計施工時應注意塌方等地質災害。

最危險處應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，容易出現塌方、冒頂、突水突泥等地質災害，重點標識為I類高風險區，大致對應于地質圍巖的Ⅴ、Ⅳ級圍巖；圈定的II類高風險區，大致對應于地質圍巖的Ⅳ圍巖，該類異常臨近高低阻變化的明顯低阻，也是容易出現危險區域，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性顯著降低。成果圖中標識了巖體完整性差或破碎區和巖體完整性較差區。

4、 結語

在實踐中證明了天然源音頻大地電磁（AMT）法在采空區探測中的有效性，并取得了良好的效果。但是，在野外數據采集前，應設計合理的野外數據采集參數，并通過現場試驗確定采集參數的合理性和有效性。天然源音頻大地電磁噪聲干擾的有效剔除，對數據解釋質量影響較大。由于電磁法的體積效應，在反演電阻率斷面圖上異常范圍往往比實際目標體大，這就要求結合調查資料更精細的確定異常范圍。

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