音頻電磁法在復雜山區工程地質勘察中的應用研究

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）

我國西南地區有著獨特的氣候和地質條件，巖溶、斷裂、軟弱層及地下水發育等工程地質問題突出，對工程建設、礦產資源開采造成諸多不利條件。通常工程勘察、災害調查等多采用傳統的高密度直流電法和淺層地震[1]相結合的手段，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，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，在頻率域數據采集與處理，有效勘探深度達到1000m，該方法抗干擾能力較強，僅受工業電磁影響較大，適合工業偏少的西南山區工程勘察。本次嘗試對指定隧道測段（YK29+0～YK29+600）開展AMT工作，其具體目的任務為：探測150m以淺深度范圍內斷層、破碎帶、巖溶、暗河以及富水巖體的埋深、規模和分布，并根據視電阻率對巖體進行圍巖類型劃分，為隧道施工提供物探依據。

1 勘察區地質特征

隧址區出露地層主要為侏羅系中統沙溪廟組(J2s)泥巖夾粉砂巖地層，第四系全新統坡殘積層(Q4dl+el)，第四系(Q4ml)粉質粘土層等，總厚度816m～1079m。現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～厚層狀構造，泥質結構，泥質膠結為主，局部有鈣質結核。

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～厚層狀構造，粉細粒結構，泥鈣質基底式膠結。

2 勘察區電物性特征

AMT法與常規電法勘探一樣，以電阻率的差異來劃分探測對象與圍巖，并根據異常特征推測地質體性質和分布特征。影響電阻率的主要因素有巖石性質、構造、結構、含水情況等多種因素。根據實測和收集的資料得到工區主要地層巖性的電物性參數，如表1。

表1 工區主要巖性電物性統計

此次工區地層較簡單，主要為第四系的黏土覆蓋層、侏羅系中統沙溪廟組(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，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，因此工區具備開展AMT法的地球物理前提。

3 AMT法觀測技術

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，將信號從時間域轉換到頻率域。引入表面阻抗Z，即為地表面電場和磁場水平分量之比，其值只與介質電阻率和電磁波的頻率有關。

當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，地面電磁場的觀測值由于電磁感應的作用，會包含地下介質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據能夠反演出地下不同深度介質電阻率分布的信息，從而實現地質解釋。

3.2 AMT法野外布置

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

圖1 音頻大地電磁法原理示意圖

4 AMT法數據處理與解釋

4.1 AMT數據處理

4.1.1 預處理

預處理采用SSMT2000及MTEDITOR軟件[4]，主要對原始數據平滑、TE與TM極化模式識別、測點處理、靜校正和濾波等處理，保證后續反演數據的客觀真實性。

4.1.2 二維反演

數據進行預處理后，采用MTsoft2D軟件結合地質資料等約束條件，進行視電阻率二維反演[5]。

該反演軟件可進行多種一維、二維反演，具有界面簡單人性化、反演方法多、約束設計功能強大、實時查看等特點。主要過程如下：先進行一維Bostick反演（保持結果一維性，粗略）和一維OCCAM反演（保持模型光滑性，依賴初始模型較小），然后根據一維反演結果作為初始模型進行二維NLCG反演。采取多種參數和約束條件，對不同反演結果進行對比分析，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。

4.2.1 解釋原則

結合地質資料對反演電阻率斷面圖，分析異常值、背景值、異常形態規模和異常分布位置，對異常進行統計和分類，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的異常區判釋為Ⅴ類異常，對應極破碎、極軟弱的巖體或巖溶破壞帶；電阻率值為10Ω·m～25Ω·m的異常區判釋為Ⅳ類異常，對應破碎、軟弱的巖體；將視電阻率值為25Ω·m～40Ω·m的異常區判釋為Ⅲ類異常，對應較破碎或較軟弱的巖體；將電阻率值≥40Ω·m的異常區劃分為Ⅱ區域，對應較完整巖體。如下表2。

表2 解釋劃分標準

4.2.2 資料分析解釋

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

圖2 AMT視電阻率反演斷面圖

根據AMT視電阻率[6]反演、地學地質斷面圖分析解釋，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，對隧道洞身圍巖按解釋劃分標準進行了分級并圈定，具體如表3。

表3 隧道洞身圍巖分級統計

圖3 AMT地學地質斷面圖

5 結論

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

（2）此工程條件下中，高密度和淺層地震等常規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依據。本次AMT法成果與已有地質成果吻合良好，并對地質工作難以判定的地下地質分布情況做出了合理推斷解釋，證實了AMT法在工程勘察中有效性，值得在復雜地質條件下應用推廣。

（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，設備更輕便，效率更高，適合各種復雜地形測區；相對常規電法和淺層地震，淺層分辨率相對較差，但勘探深度更大，抗干擾能力更強。因此，在南方復雜山區大深度工程勘察中，AMT法可作為優先考慮手段。