音頻大地電磁法在高海拔地區(qū)工程的應(yīng)用

顏超+劉祥瑞

摘要：本文在簡述音頻大地電磁法，簡稱AMT法的基本原理和工作方法基礎(chǔ)上，通過工程實例證實了AMT法在甘肅省甘南高海拔、薄凍土地層的可靠性。

關(guān)鍵詞：音頻大地電磁法；AMT；高海拔

中圖分類號：O44 文獻(xiàn)識別碼：A 文章編號：1001-828X（2016）010-000-02

一、前言

頻率域大地電磁法是以天然電磁場為場源來研究地球內(nèi)部電性結(jié)構(gòu)的一種重要的地球物理手段。根據(jù)利用的場源或頻率范圍不同電磁法可分為天然場源的大地電磁法（MT）、音頻大地電磁法（AMT）以及人工場源的可控源音頻大地電磁法（CSAMT）和利用無線電長波電臺為場源的（RMT）等。 AMT法由于使用的是天然場源，無需建立人工場，具有不受高阻屏蔽層影響、探測深度大、設(shè)備輕便、工作簡單、成本低等特點(diǎn)，目前已被廣泛運(yùn)用于斷裂構(gòu)造、地?zé)?、地下水勘探、工程勘察等領(lǐng)域，一直受到地質(zhì)、物探等地球科學(xué)領(lǐng)域工作者青睞。

二、基本原理及方法

AMT法相較于大地電磁法（MT），研究頻帶較高，探測深度較淺稍。其頻率范圍主要為0.1Hz～100KHz。

式中f 代表頻率。由（1）式可見，只要在地面上能觀測到兩個正交的水平電磁場（Ex，Hy）就可獲得地下的視電阻率 s ，有人也稱卡尼亞電阻率。又根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論，導(dǎo)出了勘探深度經(jīng)驗公式（2），（2）式中H代表探測深度， 代表地表電阻率，f代表頻率。從（2）式可見，當(dāng)?shù)乇黼娮杪使潭〞r，電磁波的傳播深度（或探測深度）與頻率成反比。高頻時，探測深度淺，低頻時，探測深度深?？梢酝ㄟ^改變發(fā)射頻率來改變探測深度，從而達(dá)到變頻測深的目的。

數(shù)據(jù)采集使用四個電極測量，即兩個電極組成一對電偶極子MN，其中，與測線同向的MN（X-Dipole電偶極子）測量電位差并計算得到電場水平分量Ex；垂直測線的MN（Y-Dipole電偶極子）測量電位差并計算得到Ey。Hx磁探頭和Hy磁探頭相互垂直。電極布極方式主要為“+”字形，在地形條件較差情況下，部分測點(diǎn)采用了“L”形或“T”形的布極方式。

三、工程實例

甘肅甘南藏族自治州，地處青藏高原東北邊緣，南與四川阿壩州相連，西南與青海黃南州、果洛州接壤，東面和北部與本省隴南、定西、臨夏毗鄰。全州總面積4.5萬平方公里，處于青藏高原和黃土高原過渡地帶，地勢西北部高，大部分地區(qū)在3000米以上。年均氣溫1.7℃，無絕對無霜期，部分山區(qū)常年白雪覆蓋，即使在夏季夜晚也存在較薄的凍土層。該地區(qū)以種植業(yè)、畜牧業(yè)為主，人均收入較低。該區(qū)環(huán)境優(yōu)美，工業(yè)污染較少，國家為了促進(jìn)西部大開發(fā)戰(zhàn)略，提當(dāng)?shù)厝嗣袷杖?，發(fā)展當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)，擬建設(shè)一條甘肅至四川的鐵路。

擬建線路某隧道位于海拔3500米左右的山區(qū)，全長約5000米左右，最大埋深約380m，屬構(gòu)造侵蝕剝蝕中低山地貌區(qū)。整體坡度約15～30°。隧址區(qū)主體山勢呈北東～南西向延展，隧址區(qū)內(nèi)地形綿延起伏，峰谷相間，和隧道斜交的沖溝、溪谷發(fā)育，地表大多被第四系黃土覆蓋，局部基巖裸露；地形最大高差約300m。隧址區(qū)植被茂密較發(fā)育，為灌木覆蓋，耕地和居民點(diǎn)零散分布于地表緩坡及溝谷地帶。區(qū)內(nèi)人口稀少，交通條件一般。

工區(qū)地層：地表廣泛分布有種植土下為全新統(tǒng)沖積的粉土、細(xì)圓礫土、粗圓礫土等；山體坡面較緩段分布有殘坡積的粗角礫土；下部基巖為三疊系中統(tǒng)大河壩組第二段砂巖夾板巖和第三段板巖夾砂巖，及第三系砂巖夾礫巖、泥巖。

數(shù)據(jù)采集使用由美國EMI公司和Geometrics公司聯(lián)合研制出EH4電磁成像系統(tǒng)，觀測頻率為10～100000Hz。四個電極測量兩個方向的電分量，電偶極子MN（長度不小于20m），在野外探測中，電極務(wù)必穿透薄凍土層，否則無法獲得有效的電場信號。兩個磁棒測量磁場分量。布設(shè)一條沿擬建鐵路中心線的測線，測線長5100米，點(diǎn)距30米，共完成181個測點(diǎn)，檢查點(diǎn)10個，質(zhì)檢點(diǎn)數(shù)量滿足質(zhì)量檢查工作量不少于工點(diǎn)工作總量5%的規(guī)范要求。

后期AMT法的資料處理分為兩部分，即野外資料預(yù)處理部分和資料后續(xù)處理部分。預(yù)處理的主要目的是將原始數(shù)據(jù)（各場量的時間序列數(shù)據(jù)）轉(zhuǎn)換為頻率域測深曲線（各個頻率上的視電阻率和阻抗相位）數(shù)據(jù)。EH4采集的時間序列數(shù)據(jù)經(jīng)挑選（手動去除有干擾的時間序列）后，由IMAGEM 程序從時間序列變換到頻率域并計算出視電阻率和阻抗相位。后續(xù)處理，對由IMAGEM程序計算得的阻抗文件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換之后，采用SCS2D（3.2r版本）軟件進(jìn)行資料后續(xù)處理，在處理過程中，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行飛點(diǎn)剔除等處理，然后進(jìn)行一維及二維反演成像。

反演電阻率及地質(zhì)解釋如下2幅斷面圖（圖1～圖2）：

綜合分析反演電阻率斷面圖和地質(zhì)資料，主要考慮反演電阻率斷面圖中的背景值、低阻異常形態(tài)、低阻異常值及其梯度值等因素，對地層分界線及巖體的破碎、軟弱或含水情況進(jìn)行判釋；根據(jù)反演電阻率斷面圖中異常的型態(tài)和梯度高值位置確定異常邊界。

對資料進(jìn)行解釋如下：

（1）285+150～287+000段下部電阻率為500～1500Ω·m，分析下伏地層為砂巖夾板巖，巖體較完整；（2）286+520～286+680段下部電阻率為50～200Ω·m，兩側(cè)電阻率相對較高，分析下伏地層為裂隙發(fā)育帶，巖體破碎，中等富水；（3）287+000～287+700段下部電阻率為200～500Ω·m，分析下伏地層為砂巖夾板巖，巖體較破碎，弱富水；（4）287+700～289+350段下部電阻率為500～1500Ω·m，分析下伏地層為砂巖夾板巖，巖體較完整；（5）288+500～288+650段下部電阻率為50～200Ω·m，兩側(cè)電阻率相對較高，分析下伏地層為裂隙發(fā)育帶，巖體破碎，中等富水；（6）289+350-289+500段電阻率向下貫通延伸的低阻異常，分析該段為斷層構(gòu)造帶；根據(jù)兩側(cè)電阻率變化的差異，兩側(cè)巖性也發(fā)生變化。構(gòu)造帶向小里程方向為三疊系砂巖夾板巖巖體，構(gòu)造帶向大里程方向為第三系砂巖夾礫巖、泥巖地層。

提交相關(guān)報告后，在擬建隧道2處位置289+350-289+500段、290+100～290+300段進(jìn)行鉆孔驗證，鉆探結(jié)果對斷層構(gòu)造帶、第三系砂巖夾礫巖、泥巖地層與物探推斷相符合。

四、結(jié)論

通過本次在甘肅甘南藏族自治州高海拔地區(qū)的AMT法工程應(yīng)用實例，我們得出只要探測用的金屬電極棒或不極化電極，穿透薄凍土層，埋設(shè)到正常的土層即可采集到有效的電場信號。隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)向西部發(fā)展的需要，在基礎(chǔ)建設(shè)中，如公路、鐵路、橋梁、隧道、水利等的大規(guī)模的建設(shè)開發(fā)，在其中的地質(zhì)選址、線路地質(zhì)勘探、不良地質(zhì)體等的探測中，音頻大地電磁（AMT）法以其設(shè)備的輕便、探測的高有效性，將在大量的工程地質(zhì)勘探中得到廣泛的應(yīng)用。

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