音频大地电磁测深法在某隧道中的应用

摘要： 本文主要讲述了音频大地电磁测深在某隧道的实际应用，从野外的施工到室内的数据处理和资料成图解释。依据音频大地电磁法（AMT）的带地形二维非线性共轭梯度（NLCG）反演结果，把电阻率异常分为Ⅴ类、Ⅳ类、Ⅲ类及Ⅱ类，分别对应极破碎岩体（Ⅴ级围岩）、破碎岩体（Ⅳ级围岩）、较破碎岩体（Ⅲ级围岩）和完整岩体（Ⅱ级围岩）。结合围岩分级结果，查明了隧道洞深附近岩性、断层破碎带及岩溶位置，对岩体完整性进行了评估。

Abstract： This article mainly introduces the application of audio-frequency magnetotellurics in a tunnel， from wild construction to indoor data processing and data mapping. According to the inversion results of the topography based two-dimensional nonlinear conjugate gradient （NLCG） of audio-frequency magnetotelluric （AMT）， the resistivity anomaly is divided into ClassⅤ， Ⅳ， Ⅲ and Ⅱ， corresponding to extremely broken rock mass （ClassⅤ surrounding rock）， fractured rock mass （Class Ⅳ surrounding rock）， relatively broken rock mass （Class Ⅲsurrounding rock ） and complete rock mass （ClassⅡ surrounding rock）. In combination with the surrounding rock classification result， the tunnel nearby lithology， fault fracture zone and the karst location are found out， and the integrity of rock mass is evaluated.

关键词： 音频大地电磁；隧道；电阻率异常；围岩分级

Key words： audio-frquency magnetotelluric；tunnel；resistivity anomaly；classification of surrounding rock

中图分类号：P631；U45 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）29-0116-03

0 引言

音频大地电磁测深法（AMT）勘测精度高，仪器轻便，费用低，所以在工程建设中应用广泛。在隧道工程的应用中，AMT结合地质资料能够一定程度上探测并判段出断层破碎带宽度及产状（视倾角），软弱带及富水带的埋深和规模，主要地层岩性界线和判释隧道洞身高程范围内的资料等，为隧道设计提供基础资料，所以一直以来在隧道工程的应用中十分广泛[1，2]。本文主要讲述音频大地电磁在某隧道的实际应用。

1 测区地质概况

1.1 地质概况 测区位于扬子准台地构造单元内，较大面积出露了下元古界变质岩基底岩系，上部有白垩系上统巨厚红色盖层沉积。隧区经历了晋宁、华力西、燕山、喜山各期运动，除晋宁期及燕山期属褶皱运动外，其他各期均为升降运动。区内褶皱、断层发育，岩浆活动频繁，基底变质岩岩系内构造线以近东西向-北东向为主；红色盖层构造线以北北东向及北北西向为主，高角度的正、逆断层发育。测区出露地层为：上覆第四系全新统冲洪积层、坡残积层、坡崩积层、泥石流堆积层、滑坡堆积层，局部残留第四系更新统圆砾土层；下伏地层白垩系上统赵家店组下段、白垩系上统江底河组第4段、白垩系上统江底河组第3段；下元古界上昆阳群第4段、下元古界上昆阳群第3段，下元古界上昆阳群变质岩地层中常穿插有不明期次的辉长岩、辉绿岩、花岗岩侵入体。

1.2 地球物理特征 AMT法是以电阻率的差异来区分岩性及构造体并依据电阻率阻值大小及在地下的展布形态来识别地下地质体的空间分布和性质的一种物探方法。影响电阻率的主要因素有岩矿物成分、岩性、岩石的结构、构造及含水情况等。根据经验统计和本区地球物理的反演结果分析，得出各地层的电阻率值（见表1）[3]。由表1可知，各地质体之间存在一定的电性差异，因此工区具备开展AMT法的地球物理勘探前提条件。

2 方法技术

2.1 音频大地电磁测深法基本原理 通常所指的“电磁测深”，即是指电磁感应类的电阻率测深，是建立在法拉第电磁感应定律基础上的一类电法勘探方法。AMT以天然的交变电磁场为场源，当交变电磁场以波的形式在地下介质中传播时，由于电磁感应作用，地面电磁场的观测值将包含有地下介质电阻率分布信息。并且，由于电磁场的集肤效应，不同周期的电磁场信号具有不同的穿透深度。所以研究大地对天然磁场的频率响应，可获得地下不同深度介质电阻率分布信息[4]。

Cagniard论证了当场源为垂直入射的平面波，大地介质为水平层状分布时的相应大地电磁的解，即得到了一维模型阻抗和视电阻率的理论响应：ρT=0.2T|Z|2

在实践中，就是观测不同频率的大地电磁场分量，随着频率的变化，反映了不同深度范围的电阻率信息，给出地下介质电阻率随深度变化的规律。将观测资料与不同模型得理论响应做出对比和修改，可以得到与实测资料反映的地下真实模型某种意义上最接近的解释模型[5]。

2.2 野外施工方法 按照相关的技术要求，在该隧道的中线里程（K07+035～K18+380）段沿中线布置一条测线，测点点距为20m。使用加拿大凤凰公司生产的网络化多功能V8型大地电磁仪和其配套的RXU-3ER辅助接收盒子一起采集数据。

在施测中，观测频率范围为1.25～10400Hz。四个电极测量，即两个电极组成一对电偶极子MN（长度20m），其中，通过测量测线同向的MN电位差并计算得到电场水平分量Ex；测量垂直测线的MN电位差并计算得到另一电场水平分量Ey。V8接收机放在两组电偶极子的中心；磁探头与V8接收机距离大于5m，Hx磁探头和Hy磁探头相互垂直。电极布极方式主要为“+”字形，在地形条件较差情况下，部分测点采用了 “T”形的布极方式。图1为AMT法的野外主机和盒子工作布置示意图。

3 资料处理

AMT法资料处理分为两部分，即野外资料预处理部分和资料后续处理部分。

3.1 数据预处理 将原始数据，即各场量的时间序列数据转换为频率域测深曲线（即各个频率上的视电率和阻抗相位）数据。为了获得更高质量的资料处理结果，在室内对每个AMT测点的时间序列原始数据进行了再处理，并采用时间序列的交叠、人工选择时间序列、自适应相干度门坎值选择及Robust处理等多种方法技术，突出有用信号，抑制干扰，提高资料的信噪比[6]。

3.2 资料处理 预处理后，采用MTSoft 2D系列软件进行资料后续处理，在处理过程中，首先对数据进行飞值剔除、去噪、静态校正、空间滤波等处理，然后进行一维及二维反演作定量解释，再结合已知的地质资料进行综合解释。最后根据不同地层岩性的有不同电性特征，对得到的电阻率空间分布予以地质涵义，给出地质断面[7]。

4 应用效果

图2和图4是该隧道的电阻率反演断面图，图3和图5为综合解释断面图。图2中的①号段包括K07+550～K07+820段，②号段包括K08+600～K09+000段，③号段包括K10+905～K11+052段，④号包括K10+900～K11+060段；图4中的⑤号包括K13+747～K13+835段。

4.1 异常划分原则 根据电阻率断面图中背景值的大小、低阻异常的形态、低阻异常值及其与背景值的差异等，并结合实际地段所对应的地层岩性，对地层分界线、断层、岩溶及岩体的破碎、软弱或含水情况进行判释。

根据上述资料分析并结合地质资料得出解释原则如下：

①根据值大小，并考虑地层岩性等因素，将低阻异常大致分为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ四类：Ⅱ类异常值大于3500Ω・m且分布均匀的高阻区域为较完整岩体；Ⅲ类异常值1500～3500Ω・m，为较破碎岩体；Ⅳ类异常值100～1500Ω・m，为破碎、软弱或含水岩体；Ⅴ类异常值小于40Ω・m，为极破碎、极软弱或富水岩体。

②依据等断面图上低阻异常的等值线密集处（梯度变化最大处）确定异常的边界[3]。

4.2 电阻率断面图分析 图2中③号段、图4中的⑤号段，电阻率低或极低，为条带状反映，并且附近反演电阻率梯度值大，分别为推断为F1和F2断层。其中F2断层与地质推断的逆断层位置大致相同，断层宽度为50m左右。

K07+035～K08+660为隧道进口段，进口山体坡度约50°，植被茂密，除零星崩积块石外，基岩出露较好，为大理岩、千枚状大理岩夹千枚岩，围岩条件总体较好。节理很发育，一般3～5组以上，其中E-W/67°N、N70°W/42°NE两组节理倾向线路小里程方向的视倾角40～65°，隧顶进口仰坡施工开挖对山体稳定性影响较大，建议采取加固措施。线路右侧20m和左侧110m为巨型崩塌体，崩塌后壁明显，坡麓堆积厚度10～30m，桥隧工程位于两崩塌体之间相对稳定的陡坡。鉴于线路左右均已发生崩塌灾害，因此民太隧道进口段需做预加固处理。K08+660～K13+660段岩性主要为灰黑色，千枚状构造，薄-中厚层状千枚岩，岩质较坚硬，节理发育，多充填方解石脉，局部可能受区域构造作用存在挤压破碎现象。该段为海资哨向斜，向斜核部④号段物探揭示为异常低阻带，围岩潮湿～浸润状，局部可能小股状渗水，为含盐岩泥岩段地层，围岩条件较差。K13+660～K18+380段含盐岩地层为软质岩，地层总体缓倾，原生及构造小褶曲发育，岩体较破碎，开挖后拱顶易坍方，应加强初期支护、衬砌。K18+380为隧道出口处，出口老泥石流堆积土层厚且土石界面较陡，岩层电阻率低。其中图2中①、②号段和K11+400～K13+100段的视电阻率极低，为富水区域；因此，在隧道施工行进过程中，应当做好超前预报工作。隧区破碎带富水性强，对隧道工程影响较大，建设加强支护及地下水封堵措施。隧道进口山体存在不利节理结构面及危岩落石，开挖施工前应对进口段采取加固措施，并对危岩落石进行整治。总体而言，该隧道工程地质条件较差。

5 结论与建议

①F1断层为物探新推测的断层，建议在隧道设计和施工中，对于断层位置注意加强防护，预防地质灾害的发生。②软弱、破碎或含水岩体。隧道洞身围岩大部分位于Ⅱ～Ⅳ区域。其中的Ⅴ类异常区为极软弱、极破碎或富水岩体，提请施工中注意预防涌水、突泥和塌方。③运用音频大地电磁法（AMT）地球物理勘探和带地形二维非线性共轭梯度（NLCG）反演，对电阻率异常进行分类，结合地质资料对勘探区岩体完整性进行评估，取得良好的效果。

参考文献：

[1]赵国泽，陈小斌，汤吉.中国地球电磁法新进展和发展趋势[J].地球物理学进展，2007（04）.

[2]高利华.大地电磁测深在北天山前缘油气勘探中的应用[J].石油物探，2006（04）.

[3]张兴昶，罗延钟，高勤云.CSAMT技术在深埋隧道岩溶探测中的应用效果[J].工程地球物理学报，2004（04）.