天然源大地電磁法野外工作方法的研究與應用

祁曉雨　韓　松

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)

The Application and Research of AMT Field Work Methods

QI Xiaoyu　HAN Song

天然源大地電磁法野外工作方法的研究與應用

祁曉雨韓松

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251)

The Application and Research of AMT Field Work Methods

QI XiaoyuHAN Song

摘要影響天然源大地電磁(AMT)數據質量因素除人文噪聲外，其主要影響因素有電極距的長度誤差、電極距的方向偏差、電極位置相對高差、電極接地電阻、磁探頭與電極夾角偏差及其磁探頭水平傾角偏差，通過對上述非人文噪聲的研究，提高了物探對地質斷層勘察的探測精度與分辨率，為鐵路地質勘察提供有力依據。

關鍵詞天然源大地電磁法(AMT)斷層構造選線視電阻率相對誤差

近些年，隨著物探技術的發展，天然源大地電磁法(AMT)被廣泛應用到鐵路地質勘察工作中，主要用于隧道、斷層、采空區等探測工作，具有施工靈活、不受地形限制等優點，但也存在抗干擾能力弱、受非人文因素的影響大的缺點；影響天然源大地電磁法(AMT)數據質量因素除人文噪聲外，其主要影響因素有電極距的長度誤差、電極距的方向偏差、電極位置相對高差、電極接地電阻、磁探頭與電極夾角偏差、磁探頭水平傾角偏差，通過對上述非人文噪聲的研究，目的是提高數據采集質量，增加物探對地質勘察的探測精度與分辨率，為鐵路地質勘察提供有力依據。

1各種因素對AMT視電阻率的影響

1.1　電極距長度誤差對AMT視電阻率的影響

在實際工作中，通常都會有電極距長度誤差，其對視電阻率的影響為

(1)

有實際測量的電位差V，因此

(2)

(2)代入(1)得

(3)

式中Vc與Vr分別是MN無誤差與存在誤差時實際產生的電位差；ΔV=Vr-Vc；MN是電極距長度；ΔMN是電極距長度誤差。

由于實際應用的電位差只有一個，因此需重新推導[1]。

設MN、ΔMN、MN+ΔMN分別為實測的長度、長度誤差、實際長度，V為電位差，則

(4)

在野外，并不知道有長度誤差ΔMN，所以誤將MN認為是MN+ΔMN，因此，帶誤差的視電阻率影響為

(5)

則

(6)

(7)

令W=ΔMN/MN，上式變為

(8)

由(8)式，Δρ/ρ與ΔMN的關系如圖1所示。

圖1　Δρ/ρ與W的關系特征曲線

計算結果表明：①Δρ/ρ與W并不是通常所理解的2倍關系；②Δρ/ρ隨著W的增大而增大。

1.2　電極距方向偏差對AMT視電阻率的影響

圖2為電極距方向偏差示意。

圖2　電極距方向偏差示意

在野外工作中，電極距方向通常也存在一定的偏差角度，假設有準確的電極距長度，有一偏差夾角θ，電位差V[2]，則

(9)

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

(10)

將式(9)和式(10)代入式(6)，則

(11)

由(11)式，可以繪制Δρ/ρ與θ的關系特征曲線(如圖3)。

圖3　Δρ/ρ與的關系特征曲線

計算結果表明：①當電極距方向偏差θ數值相等、角度相反時，Δρ/ρ相同；②當MN準確時，Δρ/ρ隨著偏差θ的增大而增大。

1.3　長度誤差及方向偏差對視電阻率影響

在野外工作時，通常ΔMN與θ同時存在，則由式(6)和式(11)可得出對視電阻率的影響[2]

(12)

據(12)式，繪制Δρ/ρ與ΔMN及θ的關系特征曲線(如圖4)。

圖4　Δρ/ρ與W及的關系特征曲線

計算結果表明：①隨著W的增大，Δρ/ρ也逐漸增大；②W為負時，當θ增大，則Δρ/ρ變小；W為正時，當θ增大，則Δρ/ρ也增大；③W為正時比W為負時產生的Δρ/ρ小[2]。

1.4　電極位置相對高差對視電阻率影響

在野外工作中，有時由于地形較差，高差較大，導致一對電極不在同一高度，對測得到的電阻率也會有一定影響[3]。

針對加拿大鳳凰公司生產的大地電磁系統來講，要求配對電極的高差不能超過電極距的1/10，但未具體說明對測量所得的視電阻率及相位等結果有多大的影響。野外施工中存在地形切割嚴重的情況，兩個電極的相對高差已超過電極距的1/10，所以，要對電極相對高差ΔH對測量所得的視電阻率及相位等結果產生的影響進行分析，以便在數據處理過程中對其進行校正[3]。

根據大地電磁趨膚深度理論及野外試驗，不均勻體的幾何尺寸與導電介質的波長相當時，地形對電阻率-頻率曲線的影響最大。高頻時，地表起伏的尺寸與有效探測深度相比，后者可能變得較小[2][3]。針對加拿大鳳凰公司生產的大地電磁系統V5-2000，對于天然源大地電磁法(AMT)的最高頻10 400 Hz，設地表電阻率為100 Ω·m，其有效探測深度為34.9 m；當電阻率為10 Ω·m時，其有效探測深度變為11 m。因此，在天然源大地電磁法(AMT)的高頻時，當地表電阻率較低，偶極距較大時，地形起伏的尺寸可能要大于其趨膚深度。

受地形起伏影響，當電極相對高差與電極距之比增大時，產生的視電阻率誤差比呈非同比增長。地形起伏非常復雜時，可以采用TE模式的成果，當受地形影響嚴重時，TM模式受影響程度要大于TE模式，但是，TE模式在分辨地質不均勻體方面不如TM模式[5]。

1.5　電極接地電阻的影響

依據MT的理論與誤差傳播理論，經過推導可得出

(13)

式(13)中R為接地電阻與采集儀器的輸入阻抗之和[3]。

同一偶極中的兩個電極之間的接地電阻為電極的接地電阻，電極接地的情況好壞可以由接地電阻確定，野外工作中，通常采用模擬萬用表進行測量。查閱相關文獻及物探規范，無論天然源還是可控源大地電磁方法中，要求在實際工作中的接地電阻小于2 000 Ω，同時還應注意偶極中的直流電位(DC)與交流電位(AC)，如果DC>150 mV，可能電極出現問題；如果AC>150 mV，則附近可能有強干擾源的存在。

野外工作中，接地電阻越低越好，如果出現接地電阻過高的情況，應盡快采取措施，查找原因，將接地電阻降到規范范圍內，確保采集的精度[6]。

數據采集時得到的接地電阻為采集儀器的輸入阻抗與偶極接地電阻之和，不同的時間，不同的地點，會產生不同的測量結果，很難對其進行量化。

1.6　磁探頭與電極間的偏差θ的影響

依據大地電磁測深理論，磁探頭與其對應的電極之間的角度應為90°，假設θ為野外工作中磁探頭實際方向與理論要求的夾角，Hx是正常方向的磁場，Hr是帶偏差θ的磁場，Ey是電場，如圖5所示。

圖5　磁探頭與電極夾角偏差θ示意

當存在夾角時，實測得到的磁場Hr應是Hx和Hy在Hr方向上的矢量和

(14)

(15)

假設大地為均勻的或是層狀均勻，則Hx與Hy相等，則

(16)

由上式繪制Δρ/ρ與θ的關系特征曲線[3](如圖6)。

圖6　Δρ/ρ與的關系特征曲線

從圖6中可見，當大地為均勻的或是層狀均勻時，磁探頭偏差角度為45°時，電阻率相對誤差大約為50%；當大地為二維或者三維時，大地為非均勻分布，存在各向異性，導致Hx與Hy不等，且關系復雜，與工區的地質情況也有很大關系，很難對其進行量化。因此，在野外工作中，要嚴格控制磁探頭的方向，減小偏角所帶來的視電阻率誤差[7]。

1.7　磁探頭水平傾角偏差β的影響

根據MT理論要求，磁探頭應水平，而在實際探測中，由于受地形起伏等因素影響，磁探頭很難絕對水平。當大地為一維時，源場沒有垂直分量，在此，只探討一維大地。對于二維或者三維大地，源場具有垂直分量，很難對其進行量化[3]。

設磁探頭與水平地面存在傾角偏差β，水平磁場為Hx，實際測得的磁場為Hm，則Hm=Hxcosβ，產生的視電阻率相對誤差為

(17)

由上式可得出Δρ/ρ與β的關系特征曲線[8](如圖7)。

圖7　Δρ/ρ與的關系特征曲線

在野外探測過程中，尤其應注意磁探頭與電極夾角的精度，應盡可能保持磁探頭與其對應的偶極的角度為90°，減小Δρ/ρ[8]。

2應用實例

山東某高速鐵路工程隧道斷層勘察采用天然源大地電磁法(AMT)開展工作，目的是查明土石分界、地下水情況及對線位的影響。該斷層構造地表大部為黃土與風化基巖，下伏基巖為花崗巖，地質提供的地調成果中，有一處斷層構造。為查明斷裂走向，布置兩條測線，均平行于線位，AMT-3測線距離線位10 m，AMT-4測線距離線位210 m。

圖8　AMT-3大地電磁成果圖

圖9　AMT-4大地電磁成果

AMT-3測線的CK45+775～CK45+800段等值線向下彎曲，相對兩側圍巖電阻率較低，推斷存在斷層破碎帶，記為F2。AMT-4測線的CK45+800～CK45+825段等值線向下彎曲，相對兩側圍巖電阻率較低，推斷存在斷層破碎帶，與AMT-3線斷層破碎帶為同一斷層破碎帶，統一記為F2[8]。

物探推斷斷層F2走向N4°W，傾向小里程，傾角陡立，破碎帶及影響帶寬度25m，與線位交叉里程段為CK45+787～CK45+812。本次工作基本探明了線位附近的地質斷層構造等情況，對鐵路地質勘探工作具有指導意義[8]。

3結論

(1)在野外測量中，野外采集人員在布置測站時，應嚴格按照施工要求進行施測，減少電極距長度誤差、電極距方向偏差、接地電阻、磁探頭方向偏差、磁探頭傾角偏差等人為因素帶來的影響，從而減少視電阻率誤差，獲得準確的地球物理信息。

(2)通過本次研究，提高了大地電磁對地質勘察的分辨率和探測精度，成果顯示正確、清晰；充分發揮出物探方便快捷、準確可靠的優勢，有效縮短了勘察周期，降低了成本，對類似項目斷裂、地裂縫等勘察工作具有示范和指導意義。

參考文獻

[1]祁曉雨，許廣春，李志華.天然源大地電磁法在構造勘察中的應用研究[J].鐵道工程學報，2012(6):11-14

[2]劉黎東，張吉振.EH-4電導率成像系統在鐵路長大隧道中的應用[J].鐵道勘察，2007(2)：50-52

[3]石昆法.可控源音頻大地電磁法理論與應用[M].北京：科學出版社，1999.

[4]祁曉雨.IPHONE手機在物探測量中的應用[J].鐵道勘察，2014(6)：20-22

[5]李志華，朱旭東.復雜地質隧道的綜合物探技術[J].鐵道工程學報，2008(8):58-61

[6]樸化榮.電磁測深原理[M].北京：地質出版社，1990

[7]何繼善.可控源音頻大地電磁法[M].長沙：中南工業大學出版社，1989

中圖分類號：P631.3+25

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)03-0075-04

作者簡介：第一祁曉雨(1983—)，男，2010年畢業于中國地質大學(武漢)地球探測與信息技術專業，碩士，工程師。

收稿日期：2015-02-15