音频大地电磁法在高海拔地区工程的应用

颜超+刘祥瑞

摘要：本文在简述音频大地电磁法，简称AMT法的基本原理和工作方法基础上，通过工程实例证实了AMT法在甘肃省甘南高海拔、薄冻土地层的可靠性。

关键词：音频大地电磁法；AMT；高海拔

中图分类号：O44 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2016）010-000-02

一、前言

频率域大地电磁法是以天然电磁场为场源来研究地球内部电性结构的一种重要的地球物理手段。根据利用的场源或频率范围不同电磁法可分为天然场源的大地电磁法（MT）、音频大地电磁法（AMT）以及人工场源的可控源音频大地电磁法（CSAMT）和利用无线电长波电台为场源的（RMT）等。 AMT法由于使用的是天然场源，无需建立人工场，具有不受高阻屏蔽层影响、探测深度大、设备轻便、工作简单、成本低等特点，目前已被广泛运用于断裂构造、地热、地下水勘探、工程勘察等领域，一直受到地质、物探等地球科学领域工作者青睐。

二、基本原理及方法

AMT法相较于大地电磁法（MT），研究频带较高，探测深度较浅稍。其频率范围主要为0.1Hz～100KHz。

式中f 代表频率。由（1）式可见，只要在地面上能观测到两个正交的水平电磁场（Ex，Hy）就可获得地下的视电阻率 s ，有人也称卡尼亚电阻率。又根据电磁波的趋肤效应理论，导出了勘探深度经验公式（2），（2）式中H代表探测深度， 代表地表电阻率，f代表频率。从（2）式可见，当地表电阻率固定时，电磁波的传播深度（或探测深度）与频率成反比。高频时，探测深度浅，低频时，探测深度深。可以通过改变发射频率来改变探测深度，从而达到变频测深的目的。

数据采集使用四个电极测量，即两个电极组成一对电偶极子MN，其中，与测线同向的MN（X-Dipole电偶极子）测量电位差并计算得到电场水平分量Ex；垂直测线的MN（Y-Dipole电偶极子）测量电位差并计算得到Ey。Hx磁探头和Hy磁探头相互垂直。电极布极方式主要为“+”字形，在地形条件较差情况下，部分测点采用了“L”形或“T”形的布极方式。

三、工程实例

甘肃甘南藏族自治州，地处青藏高原东北边缘，南与四川阿坝州相连，西南与青海黄南州、果洛州接壤，东面和北部与本省陇南、定西、临夏毗邻。全州总面积4.5万平方公里，处于青藏高原和黄土高原过渡地带，地势西北部高，大部分地区在3000米以上。年均气温1.7℃，无绝对无霜期，部分山区常年白雪覆盖，即使在夏季夜晚也存在较薄的冻土层。该地区以种植业、畜牧业为主，人均收入较低。该区环境优美，工业污染较少，国家为了促进西部大开发战略，提当地人民收入，发展当地旅游业，拟建设一条甘肃至四川的铁路。

拟建线路某隧道位于海拔3500米左右的山区，全长约5000米左右，最大埋深约380m，属构造侵蚀剥蚀中低山地貌区。整体坡度约15～30°。隧址区主体山势呈北东～南西向延展，隧址区内地形绵延起伏，峰谷相间，和隧道斜交的冲沟、溪谷发育，地表大多被第四系黄土覆盖，局部基岩裸露；地形最大高差约300m。隧址区植被茂密较发育，为灌木覆盖，耕地和居民点零散分布于地表缓坡及沟谷地带。区内人口稀少，交通条件一般。

工区地层：地表广泛分布有种植土下为全新统冲积的粉土、细圆砾土、粗圆砾土等；山体坡面较缓段分布有残坡积的粗角砾土；下部基岩为三叠系中统大河坝组第二段砂岩夹板岩和第三段板岩夹砂岩，及第三系砂岩夹砾岩、泥岩。

数据采集使用由美国EMI公司和Geometrics公司联合研制出EH4电磁成像系统，观测频率为10～100000Hz。四个电极测量两个方向的电分量，电偶极子MN（长度不小于20m），在野外探测中，电极务必穿透薄冻土层，否则无法获得有效的电场信号。两个磁棒测量磁场分量。布设一条沿拟建铁路中心线的测线，测线长5100米，点距30米，共完成181个测点，检查点10个，质检点数量满足质量检查工作量不少于工点工作总量5%的规范要求。

后期AMT法的资料处理分为两部分，即野外资料预处理部分和资料后续处理部分。预处理的主要目的是将原始数据（各场量的时间序列数据）转换为频率域测深曲线（各个频率上的视电阻率和阻抗相位）数据。EH4采集的时间序列数据经挑选（手动去除有干扰的时间序列）后，由IMAGEM 程序从时间序列变换到频率域并计算出视电阻率和阻抗相位。后续处理，对由IMAGEM程序计算得的阻抗文件进行格式转换之后，采用SCS2D（3.2r版本）软件进行资料后续处理，在处理过程中，首先对数据进行飞点剔除等处理，然后进行一维及二维反演成像。

反演电阻率及地质解释如下2幅断面图（图1～图2）：

综合分析反演电阻率断面图和地质资料，主要考虑反演电阻率断面图中的背景值、低阻异常形态、低阻异常值及其梯度值等因素，对地层分界线及岩体的破碎、软弱或含水情况进行判释；根据反演电阻率断面图中异常的型态和梯度高值位置确定异常边界。

对资料进行解释如下：

（1）285+150～287+000段下部电阻率为500～1500Ω·m，分析下伏地层为砂岩夹板岩，岩体较完整；（2）286+520～286+680段下部电阻率为50～200Ω·m，两侧电阻率相对较高，分析下伏地层为裂隙发育带，岩体破碎，中等富水；（3）287+000～287+700段下部电阻率为200～500Ω·m，分析下伏地层为砂岩夹板岩，岩体较破碎，弱富水；（4）287+700～289+350段下部电阻率为500～1500Ω·m，分析下伏地层为砂岩夹板岩，岩体较完整；（5）288+500～288+650段下部电阻率为50～200Ω·m，两侧电阻率相对较高，分析下伏地层为裂隙发育带，岩体破碎，中等富水；（6）289+350-289+500段电阻率向下贯通延伸的低阻异常，分析该段为断层构造带；根据两侧电阻率变化的差异，两侧岩性也发生变化。构造带向小里程方向为三叠系砂岩夹板岩岩体，构造带向大里程方向为第三系砂岩夹砾岩、泥岩地层。

提交相关报告后，在拟建隧道2处位置289+350-289+500段、290+100～290+300段进行钻孔验证，钻探结果对断层构造带、第三系砂岩夹砾岩、泥岩地层与物探推断相符合。

四、结论

通过本次在甘肃甘南藏族自治州高海拔地区的AMT法工程应用实例，我们得出只要探测用的金属电极棒或不极化电极，穿透薄冻土层，埋设到正常的土层即可采集到有效的电场信号。随着国家经济建设向西部发展的需要，在基础建设中，如公路、铁路、桥梁、隧道、水利等的大规模的建设开发，在其中的地质选址、线路地质勘探、不良地质体等的探测中，音频大地电磁（AMT）法以其设备的轻便、探测的高有效性，将在大量的工程地质勘探中得到广泛的应用。

参考文献：

[1]考夫曼A.A.凯勒G.V.大地电磁测深法[M].北京：地震出版社.

[2]日丹诺夫.电法勘探[M].武汉：中国地质大学出版社，1990.

[3]陈久平等.层状介质中三维大地电磁模拟[J].地球物理学报，1990.

[4]傅良魁.点发勘探教程[M].北京：地质出版社，1981.

[5]殷长春，朴化荣.电磁测深发视电阻率定义问题的研究[J].物探与化探，1991.