音频电磁法在复杂山区工程地质勘察中的应用研究

卿晓锋，王安平

（四川中成煤田物探工程院有限公司，四川 成都610072）

我国西南地区有着独特的气候和地质条件，岩溶、断裂、软弱层及地下水发育等工程地质问题突出，对工程建设、矿产资源开采造成诸多不利条件。通常工程勘察、灾害调查等多采用传统的高密度直流电法和浅层地震[1]相结合的手段，但是在地形起伏大[2]、接地条件差、勘探深度较大的西南山区，往往效果不佳。天然场音频大地电磁法[3]（以下简称AMT法），采用的是天然电磁场，在频率域数据采集与处理，有效勘探深度达到1000m，该方法抗干扰能力较强，仅受工业电磁影响较大，适合工业偏少的西南山区工程勘察。本次尝试对指定隧道测段（YK29+0～YK29+600）开展AMT工作，其具体目的任务为：探测150m以浅深度范围内断层、破碎带、岩溶、暗河以及富水岩体的埋深、规模和分布，并根据视电阻率对岩体进行围岩类型划分，为隧道施工提供物探依据。

1 勘察区地质特征

隧址区出露地层主要为侏罗系中统沙溪庙组(J2s)泥岩夹粉砂岩地层，第四系全新统坡残积层(Q4dl+el)，第四系(Q4ml)粉质粘土层等，总厚度816m～1079m。现对主要岩性分别叙述如下：

泥岩：呈棕红色，成分主要为长石、石英、云母及粘土矿物，中～厚层状构造，泥质结构，泥质胶结为主，局部有钙质结核。

粉砂岩：呈青灰色～褐灰色，成分主要为石英、长石、云母及岩屑，中～厚层状构造，粉细粒结构，泥钙质基底式胶结。

2 勘察区电物性特征

AMT法与常规电法勘探一样，以电阻率的差异来划分探测对象与围岩，并根据异常特征推测地质体性质和分布特征。影响电阻率的主要因素有岩石性质、构造、结构、含水情况等多种因素。根据实测和收集的资料得到工区主要地层岩性的电物性参数，如表1。

表1 工区主要岩性电物性统计

此次工区地层较简单，主要为第四系的黏土覆盖层、侏罗系中统沙溪庙组(J2s)泥岩夹粉砂岩等。从表1可知，覆盖层黏土、泥岩与砂岩三者存在较为明显的电性差异。同时，完整岩体与断层、破碎带、软弱带或含水岩体之间也存在一定的电性差异，因此工区具备开展AMT法的地球物理前提。

3 AMT法观测技术

3.1 方法原理

AMT法是利用天然音频大地电磁场作为场源。其观测的基本参数是相互正交的电场分量和磁场分量，通过傅氏变换，将信号从时间域转换到频率域。引入表面阻抗Z，即为地表面电场和磁场水平分量之比，其值只与介质电阻率和电磁波的频率有关。

当天然交变音频电磁场垂直入射大地，在地下以波的形式传播时，地面电磁场的观测值由于电磁感应的作用，会包含地下介质的电阻率分布的信息。不同频率的电磁场信号具有不同穿透深度，高频信号穿透深度小，低频信号穿透深度大，因此通过研究地表采集的电磁数据能够反演出地下不同深度介质电阻率分布的信息，从而实现地质解释。

3.2 AMT法野外布置

采用加拿大产V8多功能电磁法系统，施工生产前对V8主机（1985）、RXU-3E辅助盒子及两根磁棒进行了标定。在指定隧道里程段（YK29+0～YK29+600）的位置布置AMT测线，测点距为5m、10m，如图1。

图1 音频大地电磁法原理示意图

4 AMT法数据处理与解释

4.1 AMT数据处理

4.1.1 预处理

预处理采用SSMT2000及MTEDITOR软件[4]，主要对原始数据平滑、TE与TM极化模式识别、测点处理、静校正和滤波等处理，保证后续反演数据的客观真实性。

4.1.2 二维反演

数据进行预处理后，采用MTsoft2D软件结合地质资料等约束条件，进行视电阻率二维反演[5]。

该反演软件可进行多种一维、二维反演，具有界面简单人性化、反演方法多、约束设计功能强大、实时查看等特点。主要过程如下：先进行一维Bostick反演（保持结果一维性，粗略）和一维OCCAM反演（保持模型光滑性，依赖初始模型较小），然后根据一维反演结果作为初始模型进行二维NLCG反演。采取多种参数和约束条件，对不同反演结果进行对比分析，得出最合理的解释成果。

4.2 AMT资料解释

对于资料解释利用，视电阻率二维反演断面图作为资料解释的基本图件和主要依据。

4.2.1 解释原则

结合地质资料对反演电阻率断面图，分析异常值、背景值、异常形态规模和异常分布位置，对异常进行统计和分类，大致划分出地层或者岩性分界线、断层、破碎带、岩溶等分布范围。

本次工作主要研究低阻异常[2]，通过分析，将低阻异常分为Ⅴ、Ⅳ和Ⅲ三类。

将电阻率值≤10Ω·m的异常区判释为Ⅴ类异常，对应极破碎、极软弱的岩体或岩溶破坏带；电阻率值为10Ω·m～25Ω·m的异常区判释为Ⅳ类异常，对应破碎、软弱的岩体；将视电阻率值为25Ω·m～40Ω·m的异常区判释为Ⅲ类异常，对应较破碎或较软弱的岩体；将电阻率值≥40Ω·m的异常区划分为Ⅱ区域，对应较完整岩体。如下表2。

表2 解释划分标准

4.2.2 资料分析解释

本次测线段由YK29+0～YK29+600构成。下面电性断面图中横向贯穿的黑色实线为隧道洞身（图2）。

图2 AMT视电阻率反演断面图

根据AMT视电阻率[6]反演、地学地质断面图分析解释，在里程YK29+326推测了一DF1断层，该断层倾向北西，倾角约60°，见图3。同时，对隧道洞身围岩按解释划分标准进行了分级并圈定，具体如表3。

表3 隧道洞身围岩分级统计

图3 AMT地学地质断面图

5 结论

（1）资料处理采用物探与地质相结合的思路，最终得到了AMT电法反演断面图，并进行了详尽的地质解释。不仅推断出了断层，而且对隧道周围岩石进行了分级，重点圈出了较为破碎、软弱或含水的岩体，为后续工作提供了指导依据。

（2）此工程条件下中，高密度和浅层地震等常规手段通常会受条件限制，干扰多，中深部分辨力弱，异常划分困难，往往提供不了足够有用的指导依据。本次AMT法成果与已有地质成果吻合良好，并对地质工作难以判定的地下地质分布情况做出了合理推断解释，证实了AMT法在工程勘察中有效性，值得在复杂地质条件下应用推广。

（3）AMT法相对大地电磁MT法，工作效率更高，中浅部精度更高；相对可控源音频大地电磁CSAMT法，精度相当，设备更轻便，效率更高，适合各种复杂地形测区；相对常规电法和浅层地震，浅层分辨率相对较差，但勘探深度更大，抗干扰能力更强。因此，在南方复杂山区大深度工程勘察中，AMT法可作为优先考虑手段。