音頻電磁法在工程地質(zhì)勘察的應(yīng)用

時(shí)間:2022-12-22 09:54:18

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音頻電磁法在工程地質(zhì)勘察的應(yīng)用

摘要:音頻大地電磁測深法簡稱AMT,屬于地球物理電法勘探中的一種方法。它采用天然場源,其具有勘探深度大、抗干擾能力較強(qiáng)和工作效率高等特點(diǎn),適合南方地形起伏地區(qū)工程中的中深部地質(zhì)勘察。對指定隧道測段(YK29+0~YK29+600)開展AMT工作,結(jié)合視電阻率剖面進(jìn)行二維反演,得到地電斷面。通過分析研究,推斷出了工程地質(zhì)不利條件,為解決隧道勘察施工中的工程地質(zhì)問題提供了有力依據(jù)。

關(guān)鍵詞:地球物理;地形起伏;頻率;反演電阻率斷面圖

我國西南地區(qū)有著獨(dú)特的氣候和地質(zhì)條件,巖溶、斷裂、軟弱層及地下水發(fā)育等工程地質(zhì)問題突出,對工程建設(shè)、礦產(chǎn)資源開采造成諸多不利條件。通常工程勘察、災(zāi)害調(diào)查等多采用傳統(tǒng)的高密度直流電法和淺層地震[1]相結(jié)合的手段,但是在地形起伏大[2]、接地條件差、勘探深度較大的西南山區(qū),往往效果不佳。天然場音頻大地電磁法[3](以下簡稱AMT法),采用的是天然電磁場,在頻率域數(shù)據(jù)采集與處理,有效勘探深度達(dá)到1000m,該方法抗干擾能力較強(qiáng),僅受工業(yè)電磁影響較大,適合工業(yè)偏少的西南山區(qū)工程勘察。本次嘗試對指定隧道測段(YK29+0~YK29+600)開展AMT工作,其具體目的任務(wù)為:探測150m以淺深度范圍內(nèi)斷層、破碎帶、巖溶、暗河以及富水巖體的埋深、規(guī)模和分布,并根據(jù)視電阻率對巖體進(jìn)行圍巖類型劃分,為隧道施工提供物探依據(jù)。

1勘察區(qū)地質(zhì)特征

隧址區(qū)出露地層主要為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)泥巖夾粉砂巖地層,第四系全新統(tǒng)坡殘積層(Q4dl+el),第四系(Q4ml)粉質(zhì)粘土層等,總厚度816m~1079m?,F(xiàn)對主要巖性分別敘述如下:泥巖:呈棕紅色,成分主要為長石、石英、云母及粘土礦物,中~厚層狀構(gòu)造,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),泥質(zhì)膠結(jié)為主,局部有鈣質(zhì)結(jié)核。粉砂巖:呈青灰色~褐灰色,成分主要為石英、長石、云母及巖屑,中~厚層狀構(gòu)造,粉細(xì)粒結(jié)構(gòu),泥鈣質(zhì)基底式膠結(jié)。

2勘察區(qū)電物性特征

AMT法與常規(guī)電法勘探一樣,以電阻率的差異來劃分探測對象與圍巖,并根據(jù)異常特征推測地質(zhì)體性質(zhì)和分布特征。影響電阻率的主要因素有巖石性質(zhì)、構(gòu)造、結(jié)構(gòu)、含水情況等多種因素。根據(jù)實(shí)測和收集的資料得到工區(qū)主要地層巖性的電物性參數(shù),如表1。此次工區(qū)地層較簡單,主要為第四系的黏土覆蓋層、侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)泥巖夾粉砂巖等。從表1可知,覆蓋層黏土、泥巖與砂巖三者存在較為明顯的電性差異。同時(shí),完整巖體與斷層、破碎帶、軟弱帶或含水巖體之間也存在一定的電性差異,因此工區(qū)具備開展AMT法的地球物理前提。

3AMT法觀測技術(shù)

3.1方法原理

AMT法是利用天然音頻大地電磁場作為場源。其觀測的基本參數(shù)是相互正交的電場分量和磁場分量,通過傅氏變換,將信號從時(shí)間域轉(zhuǎn)換到頻率域。引入表面阻抗Z,即為地表面電場和磁場水平分量之比,其值只與介質(zhì)電阻率和電磁波的頻率有關(guān)。當(dāng)天然交變音頻電磁場垂直入射大地,在地下以波的形式傳播時(shí),地面電磁場的觀測值由于電磁感應(yīng)的作用,會(huì)包含地下介質(zhì)的電阻率分布的信息。不同頻率的電磁場信號具有不同穿透深度,高頻信號穿透深度小,低頻信號穿透深度大,因此通過研究地表采集的電磁數(shù)據(jù)能夠反演出地下不同深度介質(zhì)電阻率分布的信息,從而實(shí)現(xiàn)地質(zhì)解釋。

3.2AMT法野外布置

采用加拿大產(chǎn)V8多功能電磁法系統(tǒng),施工生產(chǎn)前對V8主機(jī)(1985)、RXU-3E輔助盒子及兩根磁棒進(jìn)行了標(biāo)定。在指定隧道里程段(YK29+0~YK29+600)的位置布置AMT測線,測點(diǎn)距為5m、10m,如圖1。

4AMT法數(shù)據(jù)處理與解釋

4.1AMT數(shù)據(jù)處理

4.1.1預(yù)處理預(yù)處理采用SSMT2000及MTEDITOR軟件[4],主要對原始數(shù)據(jù)平滑、TE與TM極化模式識別、測點(diǎn)處理、靜校正和濾波等處理,保證后續(xù)反演數(shù)據(jù)的客觀真實(shí)性。4.1.2二維反演數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后,采用MTsoft2D軟件結(jié)合地質(zhì)資料等約束條件,進(jìn)行視電阻率二維反演[5]。該反演軟件可進(jìn)行多種一維、二維反演,具有界面簡單人性化、反演方法多、約束設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大、實(shí)時(shí)查看等特點(diǎn)。主要過程如下:先進(jìn)行一維Bostick反演(保持結(jié)果一維性,粗略)和一維OCCAM反演(保持模型光滑性,依賴初始模型較?。缓蟾鶕?jù)一維反演結(jié)果作為初始模型進(jìn)行二維NLCG反演。采取多種參數(shù)和約束條件,對不同反演結(jié)果進(jìn)行對比分析,得出最合理的解釋成果。

4.2AMT資料解釋

對于資料解釋利用,視電阻率二維反演斷面圖作為資料解釋的基本圖件和主要依據(jù)。4.2.1解釋原則結(jié)合地質(zhì)資料對反演電阻率斷面圖,分析異常值、背景值、異常形態(tài)規(guī)模和異常分布位置,對異常進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分類,大致劃分出地層或者巖性分界線、斷層、破碎帶、巖溶等分布范圍。本次工作主要研究低阻異常[2],通過分析,將低阻異常分為Ⅴ、Ⅳ和Ⅲ三類。將電阻率值≤10Ω·m的異常區(qū)判釋為Ⅴ類異常,對應(yīng)極破碎、極軟弱的巖體或巖溶破壞帶;電阻率值為10Ω·m~25Ω·m的異常區(qū)判釋為Ⅳ類異常,對應(yīng)破碎、軟弱的巖體;將視電阻率值為25Ω·m~40Ω·m的異常區(qū)判釋為Ⅲ類異常,對應(yīng)較破碎或較軟弱的巖體;將電阻率值≥40Ω·m的異常區(qū)劃分為Ⅱ區(qū)域,對應(yīng)較完整巖體。如下表2。4.2.2資料分析解釋本次測線段由YK29+0~YK29+600構(gòu)成。下面電性斷面圖中橫向貫穿的黑色實(shí)線為隧道洞身(圖2)。根據(jù)AMT視電阻率[6]反演、地學(xué)地質(zhì)斷面圖分析解釋,在里程YK29+326推測了一DF1斷層,該斷層傾向北西,傾角約60°,見圖3。同時(shí),對隧道洞身圍巖按解釋劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分級并圈定,具體如表3。

5結(jié)論

(1)資料處理采用物探與地質(zhì)相結(jié)合的思路,最終得到了AMT電法反演斷面圖,并進(jìn)行了詳盡的地質(zhì)解釋。不僅推斷出了斷層,而且對隧道周圍巖石進(jìn)行了分級,重點(diǎn)圈出了較為破碎、軟弱或含水的巖體,為后續(xù)工作提供了指導(dǎo)依據(jù)。(2)此工程條件下中,高密度和淺層地震等常規(guī)手段通常會(huì)受條件限制,干擾多,中深部分辨力弱,異常劃分困難,往往提供不了足夠有用的指導(dǎo)依據(jù)。本次AMT法成果與已有地質(zhì)成果吻合良好,并對地質(zhì)工作難以判定的地下地質(zhì)分布情況做出了合理推斷解釋,證實(shí)了AMT法在工程勘察中有效性,值得在復(fù)雜地質(zhì)條件下應(yīng)用推廣。(3)AMT法相對大地電磁MT法,工作效率更高,中淺部精度更高;相對可控源音頻大地電磁CSAMT法,精度相當(dāng),設(shè)備更輕便,效率更高,適合各種復(fù)雜地形測區(qū);相對常規(guī)電法和淺層地震,淺層分辨率相對較差,但勘探深度更大,抗干擾能力更強(qiáng)。因此,在南方復(fù)雜山區(qū)大深度工程勘察中,AMT法可作為優(yōu)先考慮手段。

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作者:卿曉鋒 王安平 單位:四川中成煤田物探工程院有限公司