音頻大地電磁法（AMT）勘探在公路隧道圍巖劃分中的應用

藺國騫

摘 要：該文講述了音頻大地電磁法勘探在阿爾金山公路隧道中的實際應用。依據音頻大地電磁法（AMT）的帶地形二維非線性共軛梯度（NLCG）反演結果，探查地質構造位置、性質、傾向及破碎帶寬度，查清是否存在隱伏斷裂等地質構造；劃分出不同地層巖性、巖帶的分界線并查明其接觸關系及完整性；查明相對軟弱巖體在隧道洞身段的分布形態特征；查明地下水發育特征，并進行賦水性分析；針對不同地層巖性或同一巖性的富水性、完整程度不同分段提供電阻率等物性參數。把電阻率異常帶和地調、鉆孔勘探成果相結合，綜合劃分隧道圍巖級別，為隧道設計和施工提供依據。

關鍵詞：音頻大地電磁 隧道 電阻率 圍巖分級

中圖分類號：P631 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（c）-0066-03

音頻大地電磁測深法（AMT）勘測精度高，儀器輕便，費用低，所以在工程建設中應用廣泛。在隧道工程的應用中，AMT結合地質資料能夠一定程度上探測并判段出斷層破碎帶寬度及產狀（視傾角），軟弱帶及富水帶的埋深和規模，主要地層巖性界線和判釋隧道洞身高程范圍內的資料等，為隧道設計提供基礎資料，所以一直以來在隧道工程的應用中十分廣泛。該文主要講述音頻大地電磁在阿爾金山公路隧道的實際應用。

1 測區地質概況

1.1 地質概況

地形地貌：擬建隧道位于中高山區，總體呈東西向延伸山脈。區域內山勢陡峻，層巒疊嶂，植被稀少，多基巖裸露且溝谷縱橫，山體南北兩側寬度一般11～35 km，隧道所在區山體寬度約13 km。隧址區地形地貌受東西向斷裂構造控制，隧道穿越山梁南坡通過區域斷裂F5、F7、F6，受區域斷裂構造影響強烈，地勢相對較低，東西向溝谷發育，地形破碎，地表切割強烈，起伏變化大，巖體風化嚴重，褶皺發育，形成眾多山間溝谷；北坡受區域斷裂影響相對較小，山體陡峻，地勢較高，山脊高聳，地表切割較小。隧道軸線方向為SE149°，隧址區地面高程3 200～3 760 m，相對高差約560 m。

地層巖性：隧址區地層按其時代及成因分類，在勘察深度范圍內上覆地層為第四系全新統坡積、洪積粉土、碎石土、角礫土（Q4dl、Q4pl）；下伏基巖為侵入巖和變質巖，主要有長城系黨河群（Zc）石英片巖和大理巖、震旦系多若諾爾群上巖組玄武巖、加里東期侵入（γ3）二長花崗巖和斜長花崗巖、斷層角礫巖等，巖性變化大。

地質構造：隧址區位于塔里木地塊的東部，青藏高原的東北邊緣，受阿爾金山弧形褶皺帶影響，隧址區屬康藏歹字型構造的頭部外圍褶皺帶，這個褶皺帶大致呈向北突出的弧形。隧道段地處庫潤布拉克斷層（F4）和阿爾金山南緣斷裂（當金山口～后塘北斷裂）（F7）之間的地塊中，斷裂及褶皺構造發育，破碎帶寬度達250～440 m。

1.2 地球物理特征

AMT法是以電阻率的差異來區分巖性及構造體并依據電阻率阻值大小及在地下的展布形態來識別地下地質體的空間分布和性質的一種物探方法。影響電阻率的主要因素有巖礦物成分、巖性、巖石的結構、構造及含水情況等。根據經驗統計和該區地球物理的反演結果分析，得出各地層的電阻率值（見表1）。由表1可知，各地質體之間存在一定的電性差異，因此工區具備開展AMT法的地球物理勘探前提條件。

2 方法技術

2.1 音頻大地電磁法（AMT）基本原理

大地電磁法勘探簡單地說就是測量大自然的大地電場和磁場強度，來研究地下地質構造的方法。傳統的大地電磁（MT）法勘探多指周期為1～10 000 s的低頻勘探，多用于數千米至數萬米的深部地質構造研究。工程勘察的目的主要在于研究數千米以內的地質情況，所以采用音頻大地電磁勘探，一般在1～10 000 Hz范圍內，因為這一頻段大體在音頻范圍內，故稱音頻大地電磁法（AMT）勘探。

該方法以卡尼亞大地電磁理論為依據，其理論的基本模型是：假設場源位于高空，地面電磁場為平面電磁波，地下介質在水平方向是均勻的；定義電磁波在地下介質傳播中，振幅衰減到地面振幅1/e的深度為趨膚深度或穿透深度，因此，用不同頻率的阻抗計算視電阻率，便可達到測深目的。顯然，根據趨膚深度概念，頻率較高時，卡尼亞視電阻率反映較淺介質的電性、頻率越低則探測深度越大。

2.2 野外施工方法

按相關的技術要求，沿隧道中線里程（K285+410～K292+960）布置一條測線，長7 850 m，測點點距為20 m。采用的儀器是加拿大鳳凰公司新一代V8大地電磁測深系統，V8與早期的V5系統相比，增加了GPS衛星時鐘同步測量技術，這極大地提高了相位的測量精度。由于測量技術的改進，使得電、磁場的測量精度提高，電阻率的離差降低到5%以下。

AMT法的野外布極方式為十字交叉形，這樣，每一個點測得的電阻率和相位值就有兩個，分別為XY方向和YX方向，即我們通常所認為的TM、TE兩種模式的電阻率和相位值。AMT野外布極方式如圖1所示。

圖1中有兩個方向的電場和磁場，Ex、Ey、Hx、Hy，按如下公式計算出張量阻抗。

式中Z表示張量阻抗，由張量阻抗通過進一步計算可求得電阻率ρ。在均勻介質中計算得到的ρ為真電阻率，在非均勻介質中ρ為視電阻率，其單位是Ω·m。由此我們得知，只要測出某一頻率的電場和磁場正交水平分量的振幅，就能計算出該頻率的視電阻率。不同頻率的視電阻率反映了地下不同深度的電性變化，根據電阻率值的不同，我們就能了解地下電性結構，從而達到勘探目的。

3 資料處理

AMT法野外測量數據為電磁場的時間序列。進行數據處理時首先將時間域數據經過傅里葉變換，轉換為頻率域數據，再進行Robust處理；然后將其轉化為MTEDITOR軟件可以識別的數據格式，并在MTEDITOR中進行數據預處理和編輯曲線。經過MTEDITOR編輯后的數據可以再輸出為EDI格式的文件，將EDI文件輸入WINGLINK反演軟件，進行帶地形的二維反演，最后形成二維反演斷面圖，在此基礎上進行地質解釋。資料處理的具體過程如圖2所示。

WINGLINK軟件正演方法為有限差分法，反演采用非線性共軛梯度法（NLCG）。在反演過程中，我們對各種參數進行了多次調試，力求在不影響分辨率的情況下使擬合誤差達到最小。并且進行了多次反演，然后結合地質調查，選取最合理的結果作為最終資料解釋的依據。由于采用帶地形的二維反演，這樣就盡可能地消除地形及靜態對反演結果的影響。

4 資料應用解釋

依據大地電磁（AMT）二維反演電阻率斷面圖，結合現有地質資料，形成了電阻率等值線斷面圖（圖3）和物性地質斷面圖（圖4）。

4.1 異常劃分原則

根據電阻率斷面圖中背景值的大小、低阻異常的形態、低阻異常值及其與背景值的差異等，結合實際地段所對應的地層巖性，對地層分界線、斷層及巖體的破碎、軟弱或含水情況進行判釋。

根據上述資料分析并結合地質資料得出解釋原則如下所述。

（1）根據值大小，并考慮地層巖性等因素，將低阻異常大致分為Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ3類：Ⅲ類異常值大于5 000 Ω·m且分布均勻的高阻區域為較完整巖體；Ⅳ類異常值2 000～3 000 Ω·m，為較破碎巖體；Ⅴ類異常值小于1 500 Ω·m，多在150～300 Ω·m，為極破碎、極軟弱或富水巖體。

（2）依據等斷面圖上低阻異常的等值線密集處（梯度變化最大處）確定異常的邊界。

4.2 電阻率斷面圖分析

從大地電磁（AMT）二維反演電阻率斷面圖上看，阿爾金山隧道發育多條物性異常帶，造成兩側巖層物性不連續，推斷為斷層破碎帶或節理密集帶。其中如下如述。

F2位于ZK285+680～ZK285+830段，發育在震旦系（Z）片巖地層中，向小樁號方向陡傾，沿線路寬約150 m，斷層帶內電阻率50～100 Ω·m，推斷巖體破碎；

F5位于ZK288+935～ZK289+135段，為區域性斷裂，發育在加里東晚期花崗巖與震旦系（Z）玄武巖地層間，傾向大樁號方向，破碎帶寬約200 m，斷層帶內電阻率500～1 500 Ω·m，推斷巖體破碎、富水性強；

F7位于ZK289+805～ZK290+100段，為區域性斷裂，斷層兩側均為震旦系（Z）玄武巖地層，傾向小樁號方向，破碎帶寬約295 m，斷層帶內電阻率150～300 Ω·m，推斷巖體破碎、富水性強；

ZK290+230～ZK290+325段為破碎帶，發育在震旦系（Z）玄武巖與震旦系（Z）片巖地層間，傾向大樁號方向，破碎影響帶寬約95 m，帶內電阻率300～600 Ω·m，推斷巖體破碎、含水；

ZK290+720～ZK290+800段為破碎帶，發育在震旦系（Z）片巖與加里東晚期花崗巖地層間，傾向小樁號方向，沿線路寬約80 m，帶內電阻率500～800 Ω·m，推斷巖體破碎、含水；

ZK291+915～ZK292+075為區域性斷裂F6，斷在加里東晚期花崗巖地層中，向下延伸至震旦系（Z）片巖地層，傾向小樁號方向，沿線路寬約160 m，斷層帶內電阻率500～1 000 Ω·m，推斷巖體破碎、含水。

大地電磁（AMT）揭示斷裂構造發育位置及規模與地質調查區域斷裂及鉆孔揭示位置基本一致，可作為隧道圍巖劃分依據，依據異常劃分原則和鉆孔測孔資料，可見隧道圍巖劃分為Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級，Ⅴ級圍巖巖體破碎，富水，圍巖穩定性差，在隧道施工行進過程中，應當做好超前預報工作，并加強支護及地下水封堵措施。

5 結語

（1）F5、F6、F7斷層為區域斷裂，通過音頻大地電磁法（AMT）勘探，結合地調、鉆探成果分析，相互驗證，查明了斷裂發育規模及性質，建議在隧道設計和施工中，應加強支擋防護并做好地質超前預測，預防地質災害的發生。

（2）隧道圍巖以Ⅲ級為主，其次為Ⅳ和Ⅴ級，其中的Ⅴ級異常區為軟弱、破碎或富水巖體，施工中應注意預防涌水、突泥和塌方。

（3）運用音頻大地電磁法（AMT）地球物理勘探和帶地形二維非線性共軛梯度（NLCG）反演，對電阻率異常進行分類，查清了主要斷層的位置、寬度及地質特征，對巖性分帶劃分和隧道圍巖分類提供了參考，取得良好的效果。

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].鐵路工程學報，2011（12）：11-14.

[2] 高利華.大地電磁測深在北天山前緣油氣勘探中的應用[J].石油物探，2006（4）：427-430.

[3] 張興昶，羅延鐘，高勤云.CSAMT技術在深埋隧道巖溶探測中的應用效果[J].工程地球物理學報，2004（4）：370-375.

[4] 張迅，雷旭友，李強強.音頻大地電磁法（AMT）在某鐵路隧道勘察中的應用[J].科技創新與應用，2015（1）：3-4.

[5] 唐海敏，張吉振，王銀，等.大地電磁法探測中條山隧道及斷層的結構特征[J].鐵路工程學報，2013（4）：9-13.

[6] 曹哲明.高頻大地電磁測深在隧道工程勘察中的應用[J].工程勘察，2007（5）：63-66.