音频大地电磁法在西南地区矿山巷道探测中的应用

刘媛媛，王 猛，韩艳军，张贺然，魏子鑫

（中国冶金地质总局地球物理勘查院，河北 保定 071051）

音频大地电磁法（Audio-frequency Magnetotelluric Method），简称AMT，具有勘探效率高，探测深度大，横向分辨率高等优点，现已广泛用于矿山巷道勘查中[1]，通过对振幅和相位曲线的反演与解释得到地电断面信息，研究其差异进而区分岩性及构造体，并根据电阻率量值的大小以及在地下的分布形态来识别地下地质体的性质和空间分布[2]，以此为依据进行围岩级别划分和断裂破碎带的判别，为后期施工提供资料。

1 AMT方法原理

音频大地电磁法利用岩矿石导电性差异的一种频率域电磁勘探方法[3，4]。当变化的电磁波入射到地下，地下的电性介质由于电磁感应将产生二次场，通过在地表测量电磁场的相互正交的电场和磁场水平分量，在水平地层时，利用公式（1）可计算电性阻抗，电性阻抗是地球介质电性的函数。同时电磁波向地下传播时，其场强随深度增加而衰减，当其强度衰减到1/e时的深度，称为趋肤深度，其公式如（2）式所示。通过一系列频率点ω可确定相应阻抗的频谱Z（ω），它提供了地球内部电阻率随深度变化的信息。

式中为趋肤深度，ρ为介质电阻率，f为频率。

由（2）式可知低频电磁波衰减慢，可穿透深部地质体，高频电磁波衰减快，穿透深度小，只能解决浅部地质问题。通过测量不同频率的电磁场，利用公式（2）就可以探测不同深度地下地质体阻抗的分布特征，解决具有电阻率差异的各种地质问题。

2 AMT数据处理与反演

AMT数据处理流程主要包括前期的数据预处理及后期的反演计算。预处理主要是对时间序列进行逐点、逐屏的挑选，然后重新对各个测点进行频谱计算，得到视电阻率和相位数据，在反演计算前对预处理后的数据进行整理与圆滑，即在每个测点的视电阻率和相位曲线上删除那些连续性差、相干度低的异常点，以及进行静态校正，最后根据反演软件的参数要求设定各项反演参数进行一维及二维反演计算。借助迭代算法和人机交互界面，后期反演计算结合现代数学计算方法和人的主观能动作用，使得反演过程能够高速有效的进行。AMT数据处理反演流程如图1所示。

图1 AMT方法数据处理反演流程图

图2 音频大地电磁法野外工作布置示意图

3 工程实例

3.1 测区地质概况

测区覆盖层为第四系全新统坡残积层（Q4dl+el）粉质粘土，下伏地层为前震旦纪（γ21）花岗岩，局部地段由于花岗岩的交代侵入接触，大量花岗岩脉侵入或沿片理贯入，与云母石英片岩、石英砂岩、板岩等形成片麻状贯入混合岩带。边缘地带多含有石英岩、石英砂岩、白云岩等捕虏体或包体，局部含辉绿岩脉。测区地质构造主要为高家湾断裂，测区范围内走向约为NW15°，倾向北东，倾角约为60°～70°，断层破碎带宽度200m～250m，以断层角砾为主。

3.2 野外工作方法

按照相关技术要求，沿隧道中线布置一条测线，测点点距为20m。使用加拿大产V8型大地电磁仪采集数据。电偶极长度为20m，采用“十”字张量，电极首尾相连的EMAP方式进行布站。见图2：音频大地电磁法野外工作布置示意图[5]。

3.3 干扰试验

由于本次测线部分地段附近有高压线，会对本次施工造成一定的电磁干扰，正式施工前，在高压线影响地段进行了干扰试验，从试验结果来看：高压线附近测站的电场信号基本正常，无畸变数据，而磁场信号呈锯齿状跳跃，数据信号非常差。图3为磁探头在高压线下采集的原始时间序列曲线，可以看出Hy方向的磁场受高压线的影响较大，由此时间序列通过傅里叶变换计算得到视电阻率和相位曲线会失真，高频数据凌乱，低频数据出现假异常，不能真实反映地下介质情况。

图3 磁探头在高压线下测点的原始时间序列曲线

为了减小高压线对测点数据的影响，根据V8多功能电法仪器测量时的布站特点以及磁场在同一地区的相对稳定性，在高压线影响地段，我们在实际采集数据时，把V8主机放到远离高压线垂直距离500m外的位置测量Hx、Hy分量，另外两个盒子在实际测点位置测量Ex、Ey分量。高压线下同一测点磁场偏离后测得的原始时间序列曲线如图4，高压线对Hy的影响明显减弱，信噪比较高。

图4 磁探头偏离高压线后测点的原始时间序列曲线

3.4 勘探成果与解释

根据ρs值大小，并考虑地层岩性等因素，将低阻异常大致分为Ⅴ、Ⅳ和Ⅲ三类：Ⅴ类异常ρs值小于150Ω.m，为极破碎、极软弱、岩溶强烈发育或富水岩体；Ⅳ类异常ρs值150Ω.m～500Ω.m，为破碎、软弱、岩溶发育或含水岩体；Ⅲ类异常ρs值500Ω.m～1500Ω.m，为较破碎、较软弱或岩溶弱发育岩体；高阻背景值中ρs值150Ω.m～1500Ω.m的条带状低阻异常则被判释为断层破碎带；而Ⅱ类区域ρs值大于1500Ω.m且分布较均匀的高阻区域则对应为较完整岩体。依据ρs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。

根据TE、TM两种模式联合反演和上述解释原则得到隧道反演电阻率断面图及推断解释剖面图，如图5所示。

矿山巷道洞身510520段～514500段主要位于Ⅲ、Ⅱ类异常区域，表明岩体较完整，部分地段破碎、软弱，节理裂隙发育。其中，在511270段～511340段，电阻率值极低，推断岩矿石极破碎、极软弱、风化强烈或富水区；513160段～513430段，电阻率断面图上的条带状低阻异常判释为断层破碎带，与地质上的高家湾断裂相吻合，电阻率值明显呈低阻反映，表明岩体极破碎、极软弱；514500段～515920段从整体电性来看，电阻率值变化较大，等值线连续性较差，大部分地段位于Ⅳ、Ⅴ类异常区域，推断围岩总体上破碎软弱、风化严重，工程地质条件较差。

图5 510520～515960段反演电阻率断面及推断解释剖面图

4 结语

音频大地电磁法（AMT）在深埋、复杂的矿山巷道勘查中，能够有效地划分围岩级别，圈定矿石破碎带等不良地质体，勘探深度能够满足要求，效果较好，为后期的工程设计与施工提供了良好的依据；当AMT测量遇到强电磁干扰时，可以采取灵活机动的采集方法得到较真实可靠的抗干扰数据。