天然源音频大地电磁法在隧道不良地质体勘查中的应用

周海滨

【摘要】受地形条件影响，钻探方法在隧道不良地质体勘查中具有较大的局限性，非钻探方法逐渐成为隧道勘查的主要支撑技术。本文中主要介绍天然源音频大地电磁法在隧道不良地质体勘察中的应用。结合某天然气管道工程隧道勘查实例，通过分析影响采集数据质量的噪声影响因素，探讨有利的野外数据采集工作布置方案，通过实例研究结果表明天然源音频大地电磁法在采空区勘查中的优越性和有效性。

【关键词】天然源音频大地电磁法；采空区；数据采集；噪声

引言

天然气管道工程是我国实施能源战略的重点项目之一，大多管线沿线经过低中山～中山地区，地形起伏较大，相对高差大，山坡较陡，沟谷发育，沟谷多呈“V”字形，植被较茂密。 钻探方法很难开展工作，天然源音频大地电磁法在此类地区得到较为广泛的应用。

1、方法原理

天然源音频大地电磁法是利用天然电磁信号为场源，通过观测同一测点不同频率的电场与磁场的比值，研究不同深度地电断面情况，低频反映深部，高频反映浅部。大地电磁剖面法是观测同一频率不同测点的电场与磁场的比值，研究同—深度、不同测点的地电断面情况。

野外观测天然电磁场的四个水平分量（Ex、Ey、Hx、Hy）的时间序列信号，通过付氏变换，将时间序列数据转换为频率域数据，按如下公式计算出张量阻抗：

式中Z表示张量阻抗，Ex和Hx为平行地面的X轴方向上的电磁场分量，Ey和Hy为平行地面的Y轴方向上的电磁场分量，T为大地电磁场的周期。由张量阻抗通过进一步运算可求得电阻率。在均匀介质中计算得到的为真电阻率，在非均匀介质中为视电阻率，其单位是.m。

2、野外数据采集布置

AMT数据采集：采用标准十字形布极，采用25米极距连续张量模式采集，采用卫星同步技术控制各采集单元的采集时间。图1为野外工作布置示意图。

数据采集使用加拿大凤凰地球物理公司生产的MTU-5A大地電磁仪。

技术参数如下：

点距：约25m。

采用张量观测方式，观测：2电道（Ex，Ey）；2磁道（Hx，Hy）。实时记录和显示各道时间序列。

电道偶极距：一般为25m。

采集模式：AMT、MT。

采集频段：AMT：Level 3，Level 4，Level 5

采集时间：AMT有效采集时间不少于30分钟

3、资料处理分析与解释

3.1 资料处理

AMT现场数据处理：野外采集的是时间序列的电磁场信号，首先对时间序列信号进行挑选，剔除干扰大的时间段，然后转换成频率域信号，求得阻抗张量，再计算出频率域的视电阻率和相位。

AMT预处理：资料预处理主要工作是对视电阻率、相位曲线进行编缉、极化模式识别、静态校正。处理原则如下：

确定全频段振幅、相位曲线的基本形态和特征；

相邻点间互相对比，保留有意义的异常，单点静校正处理；

剔除由于噪声引起的跳变点；

视电阻率和相位互参考；

结合区域地质情况，消除静态位移。

反演解释

本次数据反演AMT采用非线性共轭梯度法反演和最小二乘一维反演，反演软件为Zonge公司开发的应用软件。为保证反演结果的可靠性，采用多种反演方法对比。

3.2 解释原则

1）根据ρ值大小，并考虑地层岩性等因素，将低阻异常大致分类。灰岩等高阻背景区：ρ值小于100Ω.m，为极破碎、极软弱、岩溶强烈发育或富水岩体；ρ值100～1000Ω.m，为破碎、软弱、岩溶发育或含水岩体；ρ值1000～2500Ω.m，为较破碎、较软弱或岩溶弱发育岩体；高阻背景值中ρ值100～1500Ω.m的条带状低阻异常则被判释为断层破碎带；而ρ值大于2500Ω.m且分布较均匀的高阻区域则对应为较完整岩体。砂岩、泥岩背景区：ρ值小于50Ω.m，为极破碎、极软弱、岩溶强烈发育或富水岩体；ρ值50～200Ω.m，为破碎、软弱、岩溶发育或含水岩体；ρ值200～500Ω.m，为较破碎、较软弱或岩溶弱发育岩体；ρ值大于500Ω.m且分布较均匀的高阻区域则对应为较完整岩体。2）依据ρ断面图上电阻率异常的等值线型态及走向趋势确定异常的边界。

3.3 解释结果

根据上述分析和解释原则，对我国西部某天然气管线的某段线位AMT物探资料进行判释，绘制出大地电磁成果图（图2）。发现两处空洞。

第一段洞身电阻率以低阻为主，等值线连续性较差，推断洞身在由强风化砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥岩混合地层中穿过，岩石完整性差，局部存在裂隙，在SDT2#0+50～SDT2#0+212.5段存在相对低阻，推测为采空区含水，设计施工时应注意水涌、塌方等地质灾害。

第二段洞身电阻率以低阻为主，等值线连续性较差，推断洞身在由强风化砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥岩混合地层中穿过，岩石完整性差，局部存在裂隙，在SDT2#0+309～SDT2#0+362.5段存在相对低阻，推测为采空区含水，设计施工时应注意塌方等地质灾害。

最危险处应为邻近高低阻的隧道段落，即高低阻变化处，最接近可能存在（承压的）地下水的位置，容易出现塌方、冒顶、突水突泥等地质灾害，重点标识为I类高风险区，大致对应于地质围岩的Ⅴ、Ⅳ级围岩；圈定的II类高风险区，大致对应于地质围岩的Ⅳ围岩，该类异常临近高低阻变化的明显低阻，也是容易出现危险区域，围岩的完整性差，由于施工穿越明显高低阻变化处后，地下水基本得到释放，围岩缺乏水的作用危险性显著降低。成果图中标识了岩体完整性差或破碎区和岩体完整性较差区。

4、 结语

在实践中证明了天然源音频大地电磁（AMT）法在采空区探测中的有效性，并取得了良好的效果。但是，在野外数据采集前，应设计合理的野外数据采集参数，并通过现场试验确定采集参数的合理性和有效性。天然源音频大地电磁噪声干扰的有效剔除，对数据解释质量影响较大。由于电磁法的体积效应，在反演电阻率断面图上异常范围往往比实际目标体大，这就要求结合调查资料更精细的确定异常范围。

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