音频大地电磁法（AMT）勘探在公路隧道围岩划分中的应用
设计和施工提供依据。
关键词：音频大地电磁 隧道 电阻率 围岩分级
中图分类号：P631 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）10（c）-0066-03
音频大地电磁测深法（AMT）勘测精度高，仪器轻便，费用低，所以在工程建设中应用广泛。在隧道工程的应用中，AMT结合地质资料能够一定程度上探测并判段出断层破碎带宽度及产状（视倾角），软弱带及富水带的埋深和规模，主要地层岩性界线和判释隧道洞身高程范围内的资料等，为隧道设计提供基础资料，所以一直以来在隧道工程的应用中十分广泛。该文主要讲述音频大地电磁在阿尔金山公路隧道的实际应用。
1 测区地质概况
1.1 地质概况
地形地貌：拟建隧道位于中高山区，总体呈东西向延伸山脉。区域内山势陡峻，层峦叠嶂，植被稀少，多基岩裸露且沟谷纵横，山体南北两侧宽度一般11～35 km，隧道所在区山体宽度约13 km。隧址区地形地貌受东西向断裂构造控制，隧道穿越山梁南坡通过区域断裂F5、F7、F6，受区域断裂构造影响强烈，地势相对较低，东西向沟谷发育，地形破碎，地表切割强烈，起伏变化大，岩体风化严重，褶皱发育，形成众多山间沟谷；北坡受区域断裂影响相对较小，山体陡峻，地势较高，山脊高耸，地表切割较小。隧道轴线方向为SE149°，隧址区地面高程3 200～3 760 m，相对高差约560 m。
地层岩性：隧址区地层按其时代及成因分类，在勘察深度范围内上覆地层为第四系全新统坡积、洪积粉土、碎石土、角砾土（Q4dl、Q4pl）；下伏基岩为侵入岩和变质岩，主要有长城系党河群（Zc）石英片岩和大理岩、震旦系多若诺尔群上岩组玄武岩、加里东期侵入（γ3）二长花岗岩和斜长花岗岩、断层角砾岩等，岩性变化大。
地质构造：隧址区位于塔里木地块的东部，青藏高原的东北边缘，受阿尔金山弧形褶皱带影响，隧址区属康藏歹字型构造的头部外围褶皱带，这个褶皱带大致呈向北突出的弧形。隧道段地处库润布拉克断层（F4）和阿尔金山南缘断裂（当金山口～后塘北断裂）（F7）之间的地块中，断裂及褶皱构造发育，破碎带宽度达250～440 m。
1.2 地球物理特征
AMT法是以电阻率的差异来区分岩性及构造体并依据电阻率阻值大小及在地下的展布形态来识别地下地质体的空间分布和性质的一种物探方法。影响电阻率的主要因素有岩矿物成分、岩性、岩石的结构、构造及含水情况等。根据经验统计和该区地球物理的反演结果分析，得出各地层的电阻率值（见表1）。由表1可知，各地质体之间存在一定的电性差异，因此工区具备开展AMT法的地球物理勘探前提条件。
2 方法技术
2.1 音频大地电磁法（AMT）基本原理
大地电磁法勘探简单地说就是测量大自然的大地电场和磁场强度，来研究地下地质构造的方法。传统的大地电磁（MT）法勘探多指周期为1～10 000 s的低频勘探，多用于数千米至数万米的深部地质构造研究。工程勘察的目的主要在于研究数千米以内的地质情况，所以采用音频大地电磁勘探，一般在1～10 000 Hz范围内，因为这一频段大体在音频范围内，故称音频大地电磁法（AMT）勘探。
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。
2.2 野外施工方法
按相关的技术要求，沿隧道中线里程（K285+410～K292+960）布置一条测线，长7 850 m，测点点距为20 m。采用的仪器是加拿大凤凰公司新一代V8大地电磁测深系统，V8与早期的V5系统相比，增加了GPS卫星时钟同步测量技术，这极大地提高了相位的测量精度。由于测量技术的改进，使得电、磁场的测量精度提高，电阻率的离差降低到5%以下。
AMT法的野外布极方式为十字交叉形，这样，每一个点测得的电阻率和相位值就有两个，分别为XY方向和YX方向，即我们通常所认为的TM、TE两种模式的电阻率和相位值。AMT野外布极方式如图1所示。
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。
式中Z表示张量阻抗，由张量阻抗通过进一步计算可求得电阻率ρ。在均匀介质中计算得到的ρ为真电阻率，在非均匀介质中ρ为视电阻率，其单位是Ω·m。由此我们得知，只要测出某一频率的电场和磁场正交水平分量的振幅，就能计算出该频率的视电阻率。不同频率的视电阻率反映了地下不同深度的电性变化，根据电阻率值的不同，我们就能了解地下电性结构，从而达到勘探目的。
3 资料处理
AMT法野外测量数据为电磁场的时间序列。进行数据处理时首先将时间域数据经过傅里叶变换，转换为频率域数据，再进行Robust处理；然后将其转化为MTEDITOR软件可以识别的数据格式，并在MTEDITOR中进行数据预处理和编辑曲线。经过MTEDITOR编辑后的数据可以再输出为EDI格式的文件，将EDI文件输入WINGLINK反演软件，进行带地形的二维反演，最后形成二维反演断面图，在此基础上进行地质解释。资料处理的具体过程如图2所示。
WINGLINK软件正演方法为有限差分法，反演采用非线性共轭梯度法（NLCG）。在反演过程中，我们对各种参数进行了多次调试，力求在不影响分辨率的情况下使拟合误差达到最小。并且进行了多次反演，然后结合地质调查，选取最合理的结果作为最终资料解释的依据。由于采用带地形的二维反演，这样就尽可能地消除地形及静态对反演结果的影响。
4 资料应用解释
依据大地电磁（AMT）二维反演电阻率断面图，结合现有地质资料，形成了电阻率等值线断面图（图3）和物性地质断面图（图4）。
4.1 异常划分原则
根据电阻率断面图中背景值的大小、低阻异常的形态、低阻异常值及其与背景值的差异等，结合实际地段所对应的地层岩性，对地层分界线、断层及岩体的破碎、软弱或含水情况进行判释。
根据上述资料分析并结合地质资料得出解释原则如下所述。
（1）根据值大小，并考虑地层岩性等因素，将低阻异常大致分为Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ3类：Ⅲ类异常值大于5 000 Ω·m且分布均匀的高阻区域为较完整岩体；Ⅳ类异常值2 000～3 000 Ω·m，为较破碎岩体；Ⅴ类异常值小于1 500 Ω·m，多在150～300 Ω·m，为极破碎、极软弱或富水岩体。
（2）依据等断面图上低阻异常的等值线密集处（梯度变化最大处）确定异常的边界。
4.2 电阻率断面图分析
从大地电磁（AMT）二维反演电阻率断面图上看，阿尔金山隧道发育多条物性异常带，造成两侧岩层物性不连续，推断为断层破碎带或节理密集带。其中如下如述。
F2位于ZK285+680～ZK285+830段，发育在震旦系（Z）片岩地层中，向小桩号方向陡倾，沿线路宽约150 m，断层带内电阻率50～100 Ω·m，推断岩体破碎；
F5位于ZK288+935～ZK289+135段，为区域性断裂，发育在加里东晚期花岗岩与震旦系（Z）玄武岩地层间，倾向大桩号方向，破碎带宽约200 m，断层带内电阻率500～1 500 Ω·m，推断岩体破碎、富水性强；
F7位于ZK289+805～ZK290+100段，为区域性断裂，断层两侧均为震旦系（Z）玄武岩地层，倾向小桩号方向，破碎带宽约295 m，断层带内电阻率150～300 Ω·m，推断岩体破碎、富水性强；
ZK290+230～ZK290+325段为破碎带，发育在震旦系（Z）玄武岩与震旦系（Z）片岩地层间，倾向大桩号方向，破碎影响带宽约95 m，带内电阻率300～600 Ω·m，推断岩体破碎、含水；
ZK290+720～ZK290+800段为破碎带，发育在震旦系（Z）片岩与加里东晚期花岗岩地层间，倾向小桩号方向，沿线路宽约80 m，带内电阻率500～800 Ω·m，推断岩体破碎、含水；
ZK291+915～ZK292+075为区域性断裂F6，断在加里东晚期花岗岩地层中，向下延伸至震旦系（Z）片岩地层，倾向小桩号方向，沿线路宽约160 m，断层带内电阻率500～1 000 Ω·m，推断岩体破碎、含水。
大地电磁（AMT）揭示断裂构造发育位置及规模与地质调查区域断裂及钻孔揭示位置基本一致，可作为隧道围岩划分依据，依据异常划分原则和钻孔测孔资料，可见隧道围岩划分为Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级，Ⅴ级围岩岩体破碎，富水，围岩稳定性差，在隧道施工行进过程中，应当做好超前预报工作，并加强支护及地下水封堵措施。
5 结语
（1）F5、F6、F7断层为区域断裂，通过音频大地电磁法（AMT）勘探，结合地调、钻探成果分析，相互验证，查明了断裂发育规模及性质，建议在隧道设计和施工中，应加强支挡防护并做好地质超前预测，预防地质灾害的发生。
（2）隧道围岩以Ⅲ级为主，其次为Ⅳ和Ⅴ级，其中的Ⅴ级异常区为软弱、破碎或富水岩体，施工中应注意预防涌水、突泥和塌方。
（3）运用音频大地电磁法（AMT）地球物理勘探和带地形二维非线性共轭梯度（NLCG）反演，对电阻率异常进行分类，查清了主要断层的位置、宽度及地质特征，对岩性分带划分和隧道围岩分类提供了参考，取得良好的效果。
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