藺國(guó)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(shí)際應(yīng)用。依據(jù)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(jié)果，探查地質(zhì)構(gòu)造位置、性質(zhì)、傾向及破碎帶寬度，查清是否存在隱伏斷裂等地質(zhì)構(gòu)造；劃分出不同地層巖性、巖帶的分界線并查明其接觸關(guān)系及完整性；查明相對(duì)軟弱巖體在隧道洞身段的分布形態(tài)特征；查明地下水發(fā)育特征，并進(jìn)行賦水性分析；針對(duì)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(shù)。把電阻率異常帶和地調(diào)、鉆孔勘探成果相結(jié)合，綜合劃分隧道圍巖級(jí)別，為隧道設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：音頻大地電磁 隧道 電阻率 圍巖分級(jí)

中圖分類(lèi)號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）10（c）-0066-03

音頻大地電磁測(cè)深法（AMT）勘測(cè)精度高，儀器輕便，費(fèi)用低，所以在工程建設(shè)中應(yīng)用廣泛。在隧道工程的應(yīng)用中，AMT結(jié)合地質(zhì)資料能夠一定程度上探測(cè)并判段出斷層破碎帶寬度及產(chǎn)狀（視傾角），軟弱帶及富水帶的埋深和規(guī)模，主要地層巖性界線和判釋隧道洞身高程范圍內(nèi)的資料等，為隧道設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料，所以一直以來(lái)在隧道工程的應(yīng)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(shí)際應(yīng)用。

1 測(cè)區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)概況

地形地貌：擬建隧道位于中高山區(qū)，總體呈東西向延伸山脈。區(qū)域內(nèi)山勢(shì)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(cè)寬度一般11～35 km，隧道所在區(qū)山體寬度約13 km。隧址區(qū)地形地貌受東西向斷裂構(gòu)造控制，隧道穿越山梁南坡通過(guò)區(qū)域斷裂F5、F7、F6，受區(qū)域斷裂構(gòu)造影響強(qiáng)烈，地勢(shì)相對(duì)較低，東西向溝谷發(fā)育，地形破碎，地表切割強(qiáng)烈，起伏變化大，巖體風(fēng)化嚴(yán)重，褶皺發(fā)育，形成眾多山間溝谷；北坡受區(qū)域斷裂影響相對(duì)較小，山體陡峻，地勢(shì)較高，山脊高聳，地表切割較小。隧道軸線方向?yàn)镾E149°，隧址區(qū)地面高程3 200～3 760 m，相對(duì)高差約560 m。

地層巖性：隧址區(qū)地層按其時(shí)代及成因分類(lèi)，在勘察深度范圍內(nèi)上覆地層為第四系全新統(tǒng)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(zhì)巖，主要有長(zhǎng)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(zhǎng)花崗巖和斜長(zhǎng)花崗巖、斷層角礫巖等，巖性變化大。

地質(zhì)構(gòu)造：隧址區(qū)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(qū)屬康藏歹字型構(gòu)造的頭部外圍褶皺帶，這個(gè)褶皺帶大致呈向北突出的弧形。隧道段地處庫(kù)潤(rùn)布拉克斷層（F4）和阿爾金山南緣斷裂（當(dāng)金山口～后塘北斷裂）（F7）之間的地塊中，斷裂及褶皺構(gòu)造發(fā)育，破碎帶寬度達(dá)250～440 m。

1.2 地球物理特征

AMT法是以電阻率的差異來(lái)區(qū)分巖性及構(gòu)造體并依據(jù)電阻率阻值大小及在地下的展布形態(tài)來(lái)識(shí)別地下地質(zhì)體的空間分布和性質(zhì)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(jié)構(gòu)、構(gòu)造及含水情況等。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和該區(qū)地球物理的反演結(jié)果分析，得出各地層的電阻率值（見(jiàn)表1）。由表1可知，各地質(zhì)體之間存在一定的電性差異，因此工區(qū)具備開(kāi)展AMT法的地球物理勘探前提條件。

2 方法技術(shù)

2.1 音頻大地電磁法（AMT）基本原理

大地電磁法勘探簡(jiǎn)單地說(shuō)就是測(cè)量大自然的大地電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度，來(lái)研究地下地質(zhì)構(gòu)造的方法。傳統(tǒng)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(shù)千米至數(shù)萬(wàn)米的深部地質(zhì)構(gòu)造研究。工程勘察的目的主要在于研究數(shù)千米以內(nèi)的地質(zhì)情況，所以采用音頻大地電磁勘探，一般在1～10 000 Hz范圍內(nèi)，因?yàn)檫@一頻段大體在音頻范圍內(nèi)，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(jù)，其理論的基本模型是：假設(shè)場(chǎng)源位于高空，地面電磁場(chǎng)為平面電磁波，地下介質(zhì)在水平方向是均勻的；定義電磁波在地下介質(zhì)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(jì)算視電阻率，便可達(dá)到測(cè)深目的。顯然，根據(jù)趨膚深度概念，頻率較高時(shí)，卡尼亞視電阻率反映較淺介質(zhì)的電性、頻率越低則探測(cè)深度越大。

2.2 野外施工方法

按相關(guān)的技術(shù)要求，沿隧道中線里程（K285+410～K292+960）布置一條測(cè)線，長(zhǎng)7 850 m，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)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(cè)深系統(tǒng)，V8與早期的V5系統(tǒng)相比，增加了GPS衛(wèi)星時(shí)鐘同步測(cè)量技術(shù)，這極大地提高了相位的測(cè)量精度。由于測(cè)量技術(shù)的改進(jìn)，使得電、磁場(chǎng)的測(cè)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(gè)點(diǎn)測(cè)得的電阻率和相位值就有兩個(gè)，分別為XY方向和YX方向，即我們通常所認(rèn)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(gè)方向的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，Ex、Ey、Hx、Hy，按如下公式計(jì)算出張量阻抗。

式中Z表示張量阻抗，由張量阻抗通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算可求得電阻率ρ。在均勻介質(zhì)中計(jì)算得到的ρ為真電阻率，在非均勻介質(zhì)中ρ為視電阻率，其單位是Ω·m。由此我們得知，只要測(cè)出某一頻率的電場(chǎng)和磁場(chǎng)正交水平分量的振幅，就能計(jì)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(jù)電阻率值的不同，我們就能了解地下電性結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到勘探目的。

3 資料處理

AMT法野外測(cè)量數(shù)據(jù)為電磁場(chǎng)的時(shí)間序列。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)首先將時(shí)間域數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)傅里葉變換，轉(zhuǎn)換為頻率域數(shù)據(jù)，再進(jìn)行Robust處理；然后將其轉(zhuǎn)化為MTEDITOR軟件可以識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，并在MTEDITOR中進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和編輯曲線。經(jīng)過(guò)MTEDITOR編輯后的數(shù)據(jù)可以再輸出為EDI格式的文件，將EDI文件輸入WINGLINK反演軟件，進(jìn)行帶地形的二維反演，最后形成二維反演斷面圖，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地質(zhì)解釋。資料處理的具體過(guò)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(guò)程中，我們對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行了多次調(diào)試，力求在不影響分辨率的情況下使擬合誤差達(dá)到最小。并且進(jìn)行了多次反演，然后結(jié)合地質(zhì)調(diào)查，選取最合理的結(jié)果作為最終資料解釋的依據(jù)。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(tài)對(duì)反演結(jié)果的影響。

4 資料應(yīng)用解釋

依據(jù)大地電磁（AMT）二維反演電阻率斷面圖，結(jié)合現(xiàn)有地質(zhì)資料，形成了電阻率等值線斷面圖（圖3）和物性地質(zhì)斷面圖（圖4）。

4.1 異常劃分原則

根據(jù)電阻率斷面圖中背景值的大小、低阻異常的形態(tài)、低阻異常值及其與背景值的差異等，結(jié)合實(shí)際地段所對(duì)應(yīng)的地層巖性，對(duì)地層分界線、斷層及巖體的破碎、軟弱或含水情況進(jìn)行判釋。

根據(jù)上述資料分析并結(jié)合地質(zhì)資料得出解釋原則如下所述。

（1）根據(jù)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(lèi)：Ⅲ類(lèi)異常值大于5 000 Ω·m且分布均勻的高阻區(qū)域?yàn)檩^完整巖體；Ⅳ類(lèi)異常值2 000～3 000 Ω·m，為較破碎巖體；Ⅴ類(lèi)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(jù)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(fā)育多條物性異常帶，造成兩側(cè)巖層物性不連續(xù)，推斷為斷層破碎帶或節(jié)理密集帶。其中如下如述。

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

F5位于ZK288+935～ZK289+135段，為區(qū)域性斷裂，發(fā)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(hào)方向，破碎帶寬約200 m，斷層帶內(nèi)電阻率500～1 500 Ω·m，推斷巖體破碎、富水性強(qiáng)；

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

ZK290+230～ZK290+325段為破碎帶，發(fā)育在震旦系（Z）玄武巖與震旦系（Z）片巖地層間，傾向大樁號(hào)方向，破碎影響帶寬約95 m，帶內(nèi)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(fā)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(hào)方向，沿線路寬約80 m，帶內(nèi)電阻率500～800 Ω·m，推斷巖體破碎、含水；

ZK291+915～ZK292+075為區(qū)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(hào)方向，沿線路寬約160 m，斷層帶內(nèi)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(gòu)造發(fā)育位置及規(guī)模與地質(zhì)調(diào)查區(qū)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(jù)，依據(jù)異常劃分原則和鉆孔測(cè)孔資料，可見(jiàn)隧道圍巖劃分為Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級(jí)，Ⅴ級(jí)圍巖巖體破碎，富水，圍巖穩(wěn)定性差，在隧道施工行進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)做好超前預(yù)報(bào)工作，并加強(qiáng)支護(hù)及地下水封堵措施。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）F5、F6、F7斷層為區(qū)域斷裂，通過(guò)音頻大地電磁法（AMT）勘探，結(jié)合地調(diào)、鉆探成果分析，相互驗(yàn)證，查明了斷裂發(fā)育規(guī)模及性質(zhì)，建議在隧道設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)加強(qiáng)支擋防護(hù)并做好地質(zhì)超前預(yù)測(cè)，預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

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

（3）運(yùn)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(duì)電阻率異常進(jìn)行分類(lèi)，查清了主要斷層的位置、寬度及地質(zhì)特征，對(duì)巖性分帶劃分和隧道圍巖分類(lèi)提供了參考，取得良好的效果。

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