音頻大地電磁測深法在某隧道勘察中的應用

范全林 王占永

(河北建筑設計研究院有限責任公司，河北石家莊 050000)

隨著我國國民經濟的快速發展，城市擴大，人口流動加快，交通運力矛盾日益突出，國家加大了鐵路工程建設的力度，而隧道工程作為鐵路工程的基礎項目越來越多。如隧道穿越崇山峻嶺，其施工前期的地質勘察難度增大。鉆探作為勘察手段有一定的局限性，而音頻大地電磁測深法在隧道工程的應用不失為一種較好的勘探方法。本文就大瑞(即云南大理到瑞麗)線高黎貢山隧道中音頻大地電磁測深法的應用談一點自己的體會。

1 基本工作原理和工作方法

1．1 基本原理

假定大地電磁場為一種平面波，沿鉛垂方向射入地下，引起水平電場分量E及垂直于E的水平磁場分量H的變化，其變化量的比值為阻抗，隨頻率的變化而變化。由于大地是導電的，電磁波透入時會產生渦旋電流而消耗能量，振幅值將不斷減小，若定義其幅度為地表的1/e倍時，穿透深度δ為:

其中，δ為穿透深度;ω為電磁波的角頻率;σ為地下介質的電導率;μ為磁導率。由此得到穿透深度隨頻率而變化。

1．2 工作裝置與頻段選擇

音頻大地電磁測量通常采用天然場源，也可以采用天然場源和人工場源相結合的方式。在野外測量時，連續電導率剖面儀信號觀測分三個不同的頻段進行:Ⅰ頻段:10 Hz～1 kHz。Ⅱ頻段:500 Hz～3 kHz。Ⅲ頻段:750 Hz～100 kHz。

具體頻段的選擇要結合工作區地質情況和地質任務，在野外測量時根據實測電磁場振幅、相位、相干度信息及一維反演結果來確定。

根據往年經驗和本項目地質任務，本次測量選用Ⅰ，Ⅲ頻段(即低頻段和高頻段)，單點測深張量測量、十字布極方式(見圖1)。低頻段采集天然場源信號，高頻段采集人工發射場源信號。

圖1 連續電導率剖面儀測量裝置圖

野外測量時電場信號接收偶極采用帶有電傳感器的不銹鋼電極，接收偶極距40 m，磁場信號采用BF-6高靈敏度磁探頭接收，使用連續電導率剖面儀進行數據接收和存儲。水平方向的兩對電極及兩根磁探頭以測點為中心對稱敷設，其中Ex，Hx與測線方向一致，Ey，Hy與測線方向垂直，方位偏差應不大于3°。

1．3 數據處理及反演

1)預處理。

音頻大地電磁測量數據預處理包括實時處理和室內編輯兩個階段。

a．實時處理。為保障原始數據質量，連續電導率剖面儀裝配了實時處理軟件，在每一個測點數據采集完成后，系統自動將采集的時間序列數據進行傅立葉變換，獲得電場和磁場虛實分量，直觀地顯示出電阻率曲線形態、圓滑程度和連續性。

實時處理是在野外采集數據過程中，由控制程序自動完成的，其處理流程見圖2。

圖2 數據實時處理流程圖

在數據采集過程中，儀器操作員隨時觀察顯示屏各道曲線形態，如遇信號不穩定、數據離差較大時可適當增加疊加次數壓制噪聲干擾，同時在記錄表上詳細記錄電磁干擾所在的位置、時刻、所處頻點等內容，在室內編輯處理時參照野外記錄將其剔除。如果某一測點測量時噪聲干擾過多，需重新采集。

b．室內編輯處理。在數據采集過程中，由于靜電、磁棒穩定性、突發性電磁干擾等原因，采集的數據往往會存在一些明顯的噪聲。含有噪聲的數據參加計算會影響所求取的張量阻抗的準確性，最終使反演計算結果出現假的異常信息。室內編輯處理就是剔除噪聲干擾、重新計算阻抗張量的過程，主要包括以下幾方面工作:對照野外記錄，檢查數據文件與原始記錄的各種參數是否一致;重新回放原始數據記錄的時間序列，根據野外記錄表刪除噪聲干擾數據塊;根據篩選后的時間序列重新對各個測點進行功率譜及阻抗張量計算，并保存更新結果;編制視電阻率、阻抗相位原始數據斷面圖，初步分析工作區內的電性分布特征，同時評價原始數據質量;對少數噪聲干擾即使從時間序列進行處理后，重新計算的視電阻率和相位曲線也可能不連續，有單個或多個“飛點”出現，即曲線不光滑、出現非正常的跳躍，有的甚至還造成曲線形態的改變，在相鄰測線相同位置不具有可比性，數據處理過程中將這類“飛點”予以剔除。

2)反演處理。

反演處理是經過時間序列數據預處理后，對得到的視電阻率和相位數據進行反演處理，探測觀測區域不同深度上介質的導電性結構，并結合已有的物性資料，確定電性分布與地層(或巖體)的對應關系來恢復所測剖面的地電結構，進而通過反演電阻率斷面圖反映深部地質構造特征的過程。

本次數據反演處理采用Bostick法。Bostick反演方法在音頻大地電磁測深數據資料處理中應用廣泛，它選擇預處理后的數據，通過計算將頻率—電阻率數據變換為深度—電阻率數據;再通過高程轉換程序，將深度—電阻率數據轉換為高程—電阻率數據，通過Surfer8．0繪圖軟件進行網格化處理，最終生成反演電阻率斷面圖。

2 應用實例

1)云南高黎貢山隧道CK224+000～CK225+000里程段地質概況。高黎貢山隧道屬構造剝蝕深切割高山峽谷地貌，穿越燕山期侵入之花崗巖地層，CK224+700附近發育勐冒街斷層，受構造影響區內巖體較為破碎、富水、節理裂隙較發育。測區以丘陵山地為主，高差幾十米，溝壑發育，切割較深，植被發育，多為野生灌木林，施工條件較差。

2)剖面線布設。云南高黎貢山隧道CK224+000～CK225+000里程段測線布設于鐵路設計線上，測點間距為20 m，使用測量標定的里程樁號，準點準位測量，目的是查明圍巖的風化、破碎、富水和斷層等不良地質情況。

圖3 大瑞線高黎貢山隧道CK224+000～CK 225+000里程段AMT電阻率斷面圖

EH4在野外實際測量時，通過觀察時間域信號中的Ex，Ey，Hx，Hy，以規范要求1/2幅值為基準，判別干擾，及時調設參數，提高信噪比。然后通過付氏變換，將時間域信號轉換成頻率域信號，觀察顯示的一維電阻率曲線、相位曲線和相干度曲線，來監控數據質量。

3)大瑞(即云南大理到瑞麗)線高黎貢山隧道CK224+000～CK225+000里程段反演電阻率斷面圖及地質推斷解釋見圖3，圖4。

從高黎貢山隧道CK224+000～CK225+000里程段反演電阻率斷面圖上可以清晰地看到:縱觀整體，電阻率表現的特征呈表層低、中部高、深部低分布，其中在構造處電性差異表現的尤為明顯，說明構造發育較好，并且影響范圍較大。

圖4 大瑞線高黎貢山隧道CK 224+000～CK 225+000里程段地質解釋圖

地表電阻率值較低，總體ρ≤200Ω·m，推斷為第四系覆蓋層，是強風化破碎巖體或者巖體含地表水。在隧道洞身CK224+000～CK224+032里程段，電阻率呈較高阻特征反映，ρ≥600Ω·m，結合已知地質資料，推斷巖性為燕山期侵入花崗巖，隧道洞身處于斷層F1的邊緣，受到一定的影響，推測為Ⅱ類巖體，較破碎或微含水。洞身CK224+032～CK224+754里程段，電阻率與兩側圍巖相比呈較低阻和低阻特征反映，ρ≤500Ω·m，尤其在CK224+700處的電阻率值更低，推斷為斷裂F1，與地質上的勐冒街斷層吻合。由于此區段受構造F1影響，推測為Ⅰ類強風化巖體，破碎或較破碎，節理裂隙較發育，為富水或含水的斷層角礫。在CK224+360～CK224+660段，電阻率ρ≤300Ω·m，為破碎重點區;洞身CK224+754～CK224+932，電阻率值呈略高于500Ω·m反映，推測可能還是受構造F1的影響，巖體較破碎、微含水;洞身CK224+932～CK225+000，電阻率反映值:500Ω·m≥ρ≥300Ω·m，與周圍巖性相比呈較高阻特征反映，依然受到斷裂F1影響，推斷為Ⅱ類微風化巖體，可能破碎或含水。

通過該段音頻大地電磁測深，對數據資料的分析，垂直勘測線方向發育一條較大的斷裂，在電阻率斷面圖上有較好的低阻特征反映，與地質上的勐冒街斷層對應，斷裂延伸與隧道線相交，影響范圍較大。

后沿大瑞(即云南大理到瑞麗)線高黎貢山隧道CK224+000～CK225+000里程段布置鉆孔驗證，鉆孔結果表明，該段音頻大地電磁測深的地質資料解釋與實際鉆探成果基本相符。

3 結語

音頻大地電磁測深法相比其他勘察方法具有儀器輕便、勘測精度較高、費用較低、工期短的特點。相信在不久的將來，大地音頻電磁測深法必將在工程地質領域發揮更重要的、不可替代的作用。但是也要看到音頻大地電磁測深法在某些地質解釋的多解性，工作中應盡量采用多種勘察手段，使數據解釋更接近實際情況。

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