音频大地电磁测深法在深埋长大隧道勘探中的应用

音频大地电磁测深法在深埋长大隧道勘探中的应用
【摘要】通过介绍音频大地电磁（AMT）法工作布置、资料采集和处理流程，说明了该方法在深埋长大隧道勘探中的应用效果，同时对Winglink软件的功能特点进行了介绍，查明了隧道测区断层破碎带位置、宽度、产状，岩性分布状况及物性参数，结果证明音频大地电磁法在深埋长大隧道勘探中是有效的。

【关键词】AMT；Winglink；长大深埋隧道
0.工区地质概况
工区地层主要为新生界第四系全新统；中生界白垩系上统赤城山组、两头塘，白垩系下统朝川组；侏罗系上统九里坪组、茶湾组、西山头组三段、二段、一段。

工作区在大地构造上属华南褶皱系，为加里东期褶皱回旋之年轻地台，中生代岩浆活动强烈。

由于基底固结程度高，在陆缘活动阶段，自印支期及燕山早期，断裂活动十分发育，其承袭基底的北东向断裂，至燕山晚期断裂偏转后，北北东向等断裂也得到发育。

线路经过其次级构造单元—浙东南褶皱带，其构造差异又以丽水-余姚深断裂为界，其西为丽水-余姚隆起，东为临海-温州坳陷。

两者在地体性质和断裂构造分布上又有明显差异。

沿线另有北东向丽水-天台大断裂、永康大断裂、下坞弄大断裂及分布于临海-温州拗陷的大型“x”形共轭剪切断裂组等，它们控制着本区地貌、水系、脉状及岩株状火山岩形态、不良地质体的基本格局。

1.方法原理
音频大地电磁法（AMT）法采集天然电磁场信号，工作频率0.1～10000Hz，单点采集时间大于40分钟，有效可用频率6～10000Hz，有效勘探深度大于2000米。

AMT方法观测天然电磁场的时间序列信号，然后将时间序列数据转化为频率域数据，进而计算出每个频点的电阻率值和相位阻抗。

该方法以卡尼亚大地电磁理论为依据，其理论的基本模型是: 假设场源位于高空,地面电磁场为平面电磁波，地下介质在水平方向是均匀的；定义电磁波在地下介质传播中，振幅衰减到地面振幅的1/ e 的深度为趋肤深度或穿透深度，因此,用不同频率的阻抗计算视电阻率，便可达到测深目的。

显然,根据趋肤深度概念,频率较高时,卡尼亚视电阻率反映较浅介质的电性、频率越低则探测深度越大。

AMT采用矢量测量（如图1），可根据野外地形条件灵活地进行散点布置，最大限度地提高测点范围。

图1中有两个方向的电场和磁场，Ex、Ey、Hx、Hy，按如下公式计算出张量阻抗：
（1）
式中Z表示张量阻抗，由张量阻抗通过进一步计算可求得视电阻率ρ和相位。

不同频率的视电阻率和相位反映了地下不同深度的电性变化，根据反演后模型电阻率值的不同，就能了解地下电性结构，从而推断解释地质结构。

图1 AMT野外布置图
2.数据处理
数据处理过程中我们使用数据处理软件是Geosystem公司的Winglink，该软件是一个多种地球物理电磁勘探的处理及解释软件。

AMT时间序列文件经过傅立叶变换和Robust处理，转换为频域电阻率和相位文件，然后导入Winglink处理软件；通过D+处理编辑曲线，提高了数据的信噪比和可解释性；在频域电阻率和相位断面图下，甄别异常的可靠性，对曲线进行静态校正；然后对剖面数据进行带地形的二维非线性共轭梯度反演（NLCG）；检查曲线反演拟合效果，多次编辑曲线，调整反演参数，使反演曲线拟合良好，结果合理，具有地质可解释性。

AMT数据处理流程如图2所示。

图2 AMT数据处理流程示意图
3.地质解释及成果分析
对编辑后的AMT数据进行带地形的“NLCG”反演，经过多次试算得到以下AMT断面成果图及物性地质断面图。

从AMT二维反演电阻率断面图来看（见图3），隧道任务段内电阻率值高低变化范围大，分布极不均匀，为物探解释、物性划分提供了有利条件。

测区内岩性以凝灰岩为主，由于凝灰岩形成时期不同，造成了其成份上的变化以及完整性的不同，从而引起了电阻率的不均匀分布,变化范围。

因而凝灰岩在断面图上电阻率呈现出局部的团块状低阻封闭圈。

物探断面上凝灰岩电阻率约500～3000欧姆米。

在推电阻率断面图上出现两条带状低阻，物探解释为断层破碎带。

fw1断层带位于CK53+590～+750,宽约160米，发育在凝灰岩中，向小里程方向陡倾。

区域地质上在此处有北东向断层，但没有延伸到线路位置。

从物探断面来看，此处断层特征相对明显，从而判定该断层是穿过线路，并与线路近垂直相交的。

fw2断层带位于CK54+420～+735,宽约295米，发育在凝灰岩中，略向大里程方向倾斜。

该断层在区域地质上没有提及，但在电阻率断面图上看，存在明显的低阻条带异常，其电阻率明显低于两侧基岩。

在地貌上也有较明显的断层特征，此处为三条沟交汇的地方，沟内有流水，且出露基岩破碎。

综合电阻率断面及地貌特征，判定此异常为断层带反应。

该断层带宽度大、带内电阻率低，推测岩体破碎，并有含水可能。

以上推断基本与钻孔资料吻合性较好。

图3 浙江某铁路隧道AMT二维反演电阻率等值线断面图
图4 浙江某铁路隧AMT物性地质断面图
4.结语
长大深埋隧道综合勘察的主要目的是查明隧道工程地质条件和水文地质条件，除此之外，在具体工作中也要对于不良地质问题和隧道施工风险进行定性评估。

在对于覆盖层厚度、构造破碎带分布和产状、不同岩性接触带和倾向、隧道围岩完整性和地下水的解释中，AMT法取得了较好的应用效果。

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