音頻大地電磁法在高海拔地區工程的應用

顏超+劉祥瑞

摘要：本文在簡述音頻大地電磁法，簡稱AMT法的基本原理和工作方法基礎上，通過工程實例證實了AMT法在甘肅省甘南高海拔、薄凍土地層的可靠性。

關鍵詞：音頻大地電磁法；AMT；高海拔

中圖分類號：O44 文獻識別碼：A 文章編號：1001-828X（2016）010-000-02

一、前言

頻率域大地電磁法是以天然電磁場為場源來研究地球內部電性結構的一種重要的地球物理手段。根據利用的場源或頻率范圍不同電磁法可分為天然場源的大地電磁法（MT）、音頻大地電磁法（AMT）以及人工場源的可控源音頻大地電磁法（CSAMT）和利用無線電長波電臺為場源的（RMT）等。 AMT法由于使用的是天然場源，無需建立人工場，具有不受高阻屏蔽層影響、探測深度大、設備輕便、工作簡單、成本低等特點，目前已被廣泛運用于斷裂構造、地熱、地下水勘探、工程勘察等領域，一直受到地質、物探等地球科學領域工作者青睞。

二、基本原理及方法

AMT法相較于大地電磁法（MT），研究頻帶較高，探測深度較淺稍。其頻率范圍主要為0.1Hz～100KHz。

式中f 代表頻率。由（1）式可見，只要在地面上能觀測到兩個正交的水平電磁場（Ex，Hy）就可獲得地下的視電阻率 s ，有人也稱卡尼亞電阻率。又根據電磁波的趨膚效應理論，導出了勘探深度經驗公式（2），（2）式中H代表探測深度， 代表地表電阻率，f代表頻率。從（2）式可見，當地表電阻率固定時，電磁波的傳播深度（或探測深度）與頻率成反比。高頻時，探測深度淺，低頻時，探測深度深。可以通過改變發射頻率來改變探測深度，從而達到變頻測深的目的。

數據采集使用四個電極測量，即兩個電極組成一對電偶極子MN，其中，與測線同向的MN（X-Dipole電偶極子）測量電位差并計算得到電場水平分量Ex；垂直測線的MN（Y-Dipole電偶極子）測量電位差并計算得到Ey。Hx磁探頭和Hy磁探頭相互垂直。電極布極方式主要為“+”字形，在地形條件較差情況下，部分測點采用了“L”形或“T”形的布極方式。

三、工程實例

甘肅甘南藏族自治州，地處青藏高原東北邊緣，南與四川阿壩州相連，西南與青海黃南州、果洛州接壤，東面和北部與本省隴南、定西、臨夏毗鄰。全州總面積4.5萬平方公里，處于青藏高原和黃土高原過渡地帶，地勢西北部高，大部分地區在3000米以上。年均氣溫1.7℃，無絕對無霜期，部分山區常年白雪覆蓋，即使在夏季夜晚也存在較薄的凍土層。該地區以種植業、畜牧業為主，人均收入較低。該區環境優美，工業污染較少，國家為了促進西部大開發戰略，提當地人民收入，發展當地旅游業，擬建設一條甘肅至四川的鐵路。

擬建線路某隧道位于海拔3500米左右的山區，全長約5000米左右，最大埋深約380m，屬構造侵蝕剝蝕中低山地貌區。整體坡度約15～30°。隧址區主體山勢呈北東～南西向延展，隧址區內地形綿延起伏，峰谷相間，和隧道斜交的沖溝、溪谷發育，地表大多被第四系黃土覆蓋，局部基巖裸露；地形最大高差約300m。隧址區植被茂密較發育，為灌木覆蓋，耕地和居民點零散分布于地表緩坡及溝谷地帶。區內人口稀少，交通條件一般。

工區地層：地表廣泛分布有種植土下為全新統沖積的粉土、細圓礫土、粗圓礫土等；山體坡面較緩段分布有殘坡積的粗角礫土；下部基巖為三疊系中統大河壩組第二段砂巖夾板巖和第三段板巖夾砂巖，及第三系砂巖夾礫巖、泥巖。

數據采集使用由美國EMI公司和Geometrics公司聯合研制出EH4電磁成像系統，觀測頻率為10～100000Hz。四個電極測量兩個方向的電分量，電偶極子MN（長度不小于20m），在野外探測中，電極務必穿透薄凍土層，否則無法獲得有效的電場信號。兩個磁棒測量磁場分量。布設一條沿擬建鐵路中心線的測線，測線長5100米，點距30米，共完成181個測點，檢查點10個，質檢點數量滿足質量檢查工作量不少于工點工作總量5%的規范要求。

后期AMT法的資料處理分為兩部分，即野外資料預處理部分和資料后續處理部分。預處理的主要目的是將原始數據（各場量的時間序列數據）轉換為頻率域測深曲線（各個頻率上的視電阻率和阻抗相位）數據。EH4采集的時間序列數據經挑選（手動去除有干擾的時間序列）后，由IMAGEM 程序從時間序列變換到頻率域并計算出視電阻率和阻抗相位。后續處理，對由IMAGEM程序計算得的阻抗文件進行格式轉換之后，采用SCS2D（3.2r版本）軟件進行資料后續處理，在處理過程中，首先對數據進行飛點剔除等處理，然后進行一維及二維反演成像。

反演電阻率及地質解釋如下2幅斷面圖（圖1～圖2）：

綜合分析反演電阻率斷面圖和地質資料，主要考慮反演電阻率斷面圖中的背景值、低阻異常形態、低阻異常值及其梯度值等因素，對地層分界線及巖體的破碎、軟弱或含水情況進行判釋；根據反演電阻率斷面圖中異常的型態和梯度高值位置確定異常邊界。

對資料進行解釋如下：

（1）285+150～287+000段下部電阻率為500～1500Ω·m，分析下伏地層為砂巖夾板巖，巖體較完整；（2）286+520～286+680段下部電阻率為50～200Ω·m，兩側電阻率相對較高，分析下伏地層為裂隙發育帶，巖體破碎，中等富水；（3）287+000～287+700段下部電阻率為200～500Ω·m，分析下伏地層為砂巖夾板巖，巖體較破碎，弱富水；（4）287+700～289+350段下部電阻率為500～1500Ω·m，分析下伏地層為砂巖夾板巖，巖體較完整；（5）288+500～288+650段下部電阻率為50～200Ω·m，兩側電阻率相對較高，分析下伏地層為裂隙發育帶，巖體破碎，中等富水；（6）289+350-289+500段電阻率向下貫通延伸的低阻異常，分析該段為斷層構造帶；根據兩側電阻率變化的差異，兩側巖性也發生變化。構造帶向小里程方向為三疊系砂巖夾板巖巖體，構造帶向大里程方向為第三系砂巖夾礫巖、泥巖地層。

提交相關報告后，在擬建隧道2處位置289+350-289+500段、290+100～290+300段進行鉆孔驗證，鉆探結果對斷層構造帶、第三系砂巖夾礫巖、泥巖地層與物探推斷相符合。

四、結論

通過本次在甘肅甘南藏族自治州高海拔地區的AMT法工程應用實例，我們得出只要探測用的金屬電極棒或不極化電極，穿透薄凍土層，埋設到正常的土層即可采集到有效的電場信號。隨著國家經濟建設向西部發展的需要，在基礎建設中，如公路、鐵路、橋梁、隧道、水利等的大規模的建設開發，在其中的地質選址、線路地質勘探、不良地質體等的探測中，音頻大地電磁（AMT）法以其設備的輕便、探測的高有效性，將在大量的工程地質勘探中得到廣泛的應用。

參考文獻：

[1]考夫曼A.A.凱勒G.V.大地電磁測深法[M].北京：地震出版社.

[2]日丹諾夫.電法勘探[M].武漢：中國地質大學出版社，1990.

[3]陳久平等.層狀介質中三維大地電磁模擬[J].地球物理學報，1990.

[4]傅良魁.點發勘探教程[M].北京：地質出版社，1981.

[5]殷長春，樸化榮.電磁測深發視電阻率定義問題的研究[J].物探與化探，1991.