天然源大地电磁法野外工作方法的研究与应用

祁晓雨　韩　松

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)

The Application and Research of AMT Field Work Methods

QI Xiaoyu　HAN Song

天然源大地电磁法野外工作方法的研究与应用

祁晓雨韩松

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

The Application and Research of AMT Field Work Methods

QI XiaoyuHAN Song

摘要影响天然源大地电磁(AMT)数据质量因素除人文噪声外，其主要影响因素有电极距的长度误差、电极距的方向偏差、电极位置相对高差、电极接地电阻、磁探头与电极夹角偏差及其磁探头水平倾角偏差，通过对上述非人文噪声的研究，提高了物探对地质断层勘察的探测精度与分辨率，为铁路地质勘察提供有力依据。

关键词天然源大地电磁法(AMT)断层构造选线视电阻率相对误差

近些年，随着物探技术的发展，天然源大地电磁法(AMT)被广泛应用到铁路地质勘察工作中，主要用于隧道、断层、采空区等探测工作，具有施工灵活、不受地形限制等优点，但也存在抗干扰能力弱、受非人文因素的影响大的缺点；影响天然源大地电磁法(AMT)数据质量因素除人文噪声外，其主要影响因素有电极距的长度误差、电极距的方向偏差、电极位置相对高差、电极接地电阻、磁探头与电极夹角偏差、磁探头水平倾角偏差，通过对上述非人文噪声的研究，目的是提高数据采集质量，增加物探对地质勘察的探测精度与分辨率，为铁路地质勘察提供有力依据。

1各种因素对AMT视电阻率的影响

1.1　电极距长度误差对AMT视电阻率的影响

在实际工作中，通常都会有电极距长度误差，其对视电阻率的影响为

(1)

有实际测量的电位差V，因此

(2)

(2)代入(1)得

(3)

式中Vc与Vr分别是MN无误差与存在误差时实际产生的电位差；ΔV=Vr-Vc；MN是电极距长度；ΔMN是电极距长度误差。

由于实际应用的电位差只有一个，因此需重新推导[1]。

设MN、ΔMN、MN+ΔMN分别为实测的长度、长度误差、实际长度，V为电位差，则

(4)

在野外，并不知道有长度误差ΔMN，所以误将MN认为是MN+ΔMN，因此，带误差的视电阻率影响为

(5)

则

(6)

(7)

令W=ΔMN/MN，上式变为

(8)

由(8)式，Δρ/ρ与ΔMN的关系如图1所示。

图1　Δρ/ρ与W的关系特征曲线

计算结果表明：①Δρ/ρ与W并不是通常所理解的2倍关系；②Δρ/ρ随着W的增大而增大。

1.2　电极距方向偏差对AMT视电阻率的影响

图2为电极距方向偏差示意。

图2　电极距方向偏差示意

在野外工作中，电极距方向通常也存在一定的偏差角度，假设有准确的电极距长度，有一偏差夹角θ，电位差V[2]，则

(9)

在野外中，并不知道有偏角θ的存在，所以误将MNcosθ代替成MN，(9)代入式(2)，则

(10)

将式(9)和式(10)代入式(6)，则

(11)

由(11)式，可以绘制Δρ/ρ与θ的关系特征曲线(如图3)。

图3　Δρ/ρ与的关系特征曲线

计算结果表明：①当电极距方向偏差θ数值相等、角度相反时，Δρ/ρ相同；②当MN准确时，Δρ/ρ随着偏差θ的增大而增大。

1.3　长度误差及方向偏差对视电阻率影响

在野外工作时，通常ΔMN与θ同时存在，则由式(6)和式(11)可得出对视电阻率的影响[2]

(12)

据(12)式，绘制Δρ/ρ与ΔMN及θ的关系特征曲线(如图4)。

图4　Δρ/ρ与W及的关系特征曲线

计算结果表明：①随着W的增大，Δρ/ρ也逐渐增大；②W为负时，当θ增大，则Δρ/ρ变小；W为正时，当θ增大，则Δρ/ρ也增大；③W为正时比W为负时产生的Δρ/ρ小[2]。

1.4　电极位置相对高差对视电阻率影响

在野外工作中，有时由于地形较差，高差较大，导致一对电极不在同一高度，对测得到的电阻率也会有一定影响[3]。

针对加拿大凤凰公司生产的大地电磁系统来讲，要求配对电极的高差不能超过电极距的1/10，但未具体说明对测量所得的视电阻率及相位等结果有多大的影响。野外施工中存在地形切割严重的情况，两个电极的相对高差已超过电极距的1/10，所以，要对电极相对高差ΔH对测量所得的视电阻率及相位等结果产生的影响进行分析，以便在数据处理过程中对其进行校正[3]。

根据大地电磁趋肤深度理论及野外试验，不均匀体的几何尺寸与导电介质的波长相当时，地形对电阻率-频率曲线的影响最大。高频时，地表起伏的尺寸与有效探测深度相比，后者可能变得较小[2][3]。针对加拿大凤凰公司生产的大地电磁系统V5-2000，对于天然源大地电磁法(AMT)的最高频10 400 Hz，设地表电阻率为100 Ω·m，其有效探测深度为34.9 m；当电阻率为10 Ω·m时，其有效探测深度变为11 m。因此，在天然源大地电磁法(AMT)的高频时，当地表电阻率较低，偶极距较大时，地形起伏的尺寸可能要大于其趋肤深度。

受地形起伏影响，当电极相对高差与电极距之比增大时，产生的视电阻率误差比呈非同比增长。地形起伏非常复杂时，可以采用TE模式的成果，当受地形影响严重时，TM模式受影响程度要大于TE模式，但是，TE模式在分辨地质不均匀体方面不如TM模式[5]。

1.5　电极接地电阻的影响

依据MT的理论与误差传播理论，经过推导可得出

(13)

式(13)中R为接地电阻与采集仪器的输入阻抗之和[3]。

同一偶极中的两个电极之间的接地电阻为电极的接地电阻，电极接地的情况好坏可以由接地电阻确定，野外工作中，通常采用模拟万用表进行测量。查阅相关文献及物探规范，无论天然源还是可控源大地电磁方法中，要求在实际工作中的接地电阻小于2 000 Ω，同时还应注意偶极中的直流电位(DC)与交流电位(AC)，如果DC>150 mV，可能电极出现问题；如果AC>150 mV，则附近可能有强干扰源的存在。

野外工作中，接地电阻越低越好，如果出现接地电阻过高的情况，应尽快采取措施，查找原因，将接地电阻降到规范范围内，确保采集的精度[6]。

数据采集时得到的接地电阻为采集仪器的输入阻抗与偶极接地电阻之和，不同的时间，不同的地点，会产生不同的测量结果，很难对其进行量化。

1.6　磁探头与电极间的偏差θ的影响

依据大地电磁测深理论，磁探头与其对应的电极之间的角度应为90°，假设θ为野外工作中磁探头实际方向与理论要求的夹角，Hx是正常方向的磁场，Hr是带偏差θ的磁场，Ey是电场，如图5所示。

图5　磁探头与电极夹角偏差θ示意

当存在夹角时，实测得到的磁场Hr应是Hx和Hy在Hr方向上的矢量和

(14)

(15)

假设大地为均匀的或是层状均匀，则Hx与Hy相等，则

(16)

由上式绘制Δρ/ρ与θ的关系特征曲线[3](如图6)。

图6　Δρ/ρ与的关系特征曲线

从图6中可见，当大地为均匀的或是层状均匀时，磁探头偏差角度为45°时，电阻率相对误差大约为50%；当大地为二维或者三维时，大地为非均匀分布，存在各向异性，导致Hx与Hy不等，且关系复杂，与工区的地质情况也有很大关系，很难对其进行量化。因此，在野外工作中，要严格控制磁探头的方向，减小偏角所带来的视电阻率误差[7]。

1.7　磁探头水平倾角偏差β的影响

根据MT理论要求，磁探头应水平，而在实际探测中，由于受地形起伏等因素影响，磁探头很难绝对水平。当大地为一维时，源场没有垂直分量，在此，只探讨一维大地。对于二维或者三维大地，源场具有垂直分量，很难对其进行量化[3]。

设磁探头与水平地面存在倾角偏差β，水平磁场为Hx，实际测得的磁场为Hm，则Hm=Hxcosβ，产生的视电阻率相对误差为

(17)

由上式可得出Δρ/ρ与β的关系特征曲线[8](如图7)。

图7　Δρ/ρ与的关系特征曲线

在野外探测过程中，尤其应注意磁探头与电极夹角的精度，应尽可能保持磁探头与其对应的偶极的角度为90°，减小Δρ/ρ[8]。

2应用实例

山东某高速铁路工程隧道断层勘察采用天然源大地电磁法(AMT)开展工作，目的是查明土石分界、地下水情况及对线位的影响。该断层构造地表大部为黄土与风化基岩，下伏基岩为花岗岩，地质提供的地调成果中，有一处断层构造。为查明断裂走向，布置两条测线，均平行于线位，AMT-3测线距离线位10 m，AMT-4测线距离线位210 m。

图8　AMT-3大地电磁成果图

图9　AMT-4大地电磁成果

AMT-3测线的CK45+775～CK45+800段等值线向下弯曲，相对两侧围岩电阻率较低，推断存在断层破碎带，记为F2。AMT-4测线的CK45+800～CK45+825段等值线向下弯曲，相对两侧围岩电阻率较低，推断存在断层破碎带，与AMT-3线断层破碎带为同一断层破碎带，统一记为F2[8]。

物探推断断层F2走向N4°W，倾向小里程，倾角陡立，破碎带及影响带宽度25m，与线位交叉里程段为CK45+787～CK45+812。本次工作基本探明了线位附近的地质断层构造等情况，对铁路地质勘探工作具有指导意义[8]。

3结论

(1)在野外测量中，野外采集人员在布置测站时，应严格按照施工要求进行施测，减少电极距长度误差、电极距方向偏差、接地电阻、磁探头方向偏差、磁探头倾角偏差等人为因素带来的影响，从而减少视电阻率误差，获得准确的地球物理信息。

(2)通过本次研究，提高了大地电磁对地质勘察的分辨率和探测精度，成果显示正确、清晰；充分发挥出物探方便快捷、准确可靠的优势，有效缩短了勘察周期，降低了成本，对类似项目断裂、地裂缝等勘察工作具有示范和指导意义。

参考文献

[1]祁晓雨，许广春，李志华.天然源大地电磁法在构造勘察中的应用研究[J].铁道工程学报，2012(6):11-14

[2]刘黎东，张吉振.EH-4电导率成像系统在铁路长大隧道中的应用[J].铁道勘察，2007(2)：50-52

[3]石昆法.可控源音频大地电磁法理论与应用[M].北京：科学出版社，1999.

[4]祁晓雨.IPHONE手机在物探测量中的应用[J].铁道勘察，2014(6)：20-22

[5]李志华，朱旭东.复杂地质隧道的综合物探技术[J].铁道工程学报，2008(8):58-61

[6]朴化荣.电磁测深原理[M].北京：地质出版社，1990

[7]何继善.可控源音频大地电磁法[M].长沙：中南工业大学出版社，1989

中图分类号：P631.3+25

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2015)03-0075-04

作者简介：第一祁晓雨(1983—)，男，2010年毕业于中国地质大学(武汉)地球探测与信息技术专业，硕士，工程师。

收稿日期：2015-02-15