祁曉雨　韓　松

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

The Application and Research of AMT Field Work Methods

QI Xiaoyu　HAN Song

天然源大地電磁法野外工作方法的研究與應(yīng)用

祁曉雨韓松

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

The Application and Research of AMT Field Work Methods

QI XiaoyuHAN Song

摘要影響天然源大地電磁(AMT)數(shù)據(jù)質(zhì)量因素除人文噪聲外，其主要影響因素有電極距的長(zhǎng)度誤差、電極距的方向偏差、電極位置相對(duì)高差、電極接地電阻、磁探頭與電極夾角偏差及其磁探頭水平傾角偏差，通過對(duì)上述非人文噪聲的研究，提高了物探對(duì)地質(zhì)斷層勘察的探測(cè)精度與分辨率，為鐵路地質(zhì)勘察提供有力依據(jù)。

關(guān)鍵詞天然源大地電磁法(AMT)斷層構(gòu)造選線視電阻率相對(duì)誤差

近些年，隨著物探技術(shù)的發(fā)展，天然源大地電磁法(AMT)被廣泛應(yīng)用到鐵路地質(zhì)勘察工作中，主要用于隧道、斷層、采空區(qū)等探測(cè)工作，具有施工靈活、不受地形限制等優(yōu)點(diǎn)，但也存在抗干擾能力弱、受非人文因素的影響大的缺點(diǎn)；影響天然源大地電磁法(AMT)數(shù)據(jù)質(zhì)量因素除人文噪聲外，其主要影響因素有電極距的長(zhǎng)度誤差、電極距的方向偏差、電極位置相對(duì)高差、電極接地電阻、磁探頭與電極夾角偏差、磁探頭水平傾角偏差，通過對(duì)上述非人文噪聲的研究，目的是提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，增加物探對(duì)地質(zhì)勘察的探測(cè)精度與分辨率，為鐵路地質(zhì)勘察提供有力依據(jù)。

1各種因素對(duì)AMT視電阻率的影響

1.1　電極距長(zhǎng)度誤差對(duì)AMT視電阻率的影響

在實(shí)際工作中，通常都會(huì)有電極距長(zhǎng)度誤差，其對(duì)視電阻率的影響為

(1)

有實(shí)際測(cè)量的電位差V，因此

(2)

(2)代入(1)得

(3)

式中Vc與Vr分別是MN無誤差與存在誤差時(shí)實(shí)際產(chǎn)生的電位差；ΔV=Vr-Vc；MN是電極距長(zhǎng)度；ΔMN是電極距長(zhǎng)度誤差。

由于實(shí)際應(yīng)用的電位差只有一個(gè)，因此需重新推導(dǎo)[1]。

設(shè)MN、ΔMN、MN+ΔMN分別為實(shí)測(cè)的長(zhǎng)度、長(zhǎng)度誤差、實(shí)際長(zhǎng)度，V為電位差，則

(4)

在野外，并不知道有長(zhǎng)度誤差ΔMN，所以誤將MN認(rèn)為是MN+ΔMN，因此，帶誤差的視電阻率影響為

(5)

則

(6)

(7)

令W=ΔMN/MN，上式變?yōu)?/p>

(8)

由(8)式，Δρ/ρ與ΔMN的關(guān)系如圖1所示。

圖1　Δρ/ρ與W的關(guān)系特征曲線

計(jì)算結(jié)果表明：①Δρ/ρ與W并不是通常所理解的2倍關(guān)系；②Δρ/ρ隨著W的增大而增大。

1.2　電極距方向偏差對(duì)AMT視電阻率的影響

圖2為電極距方向偏差示意。

圖2　電極距方向偏差示意

在野外工作中，電極距方向通常也存在一定的偏差角度，假設(shè)有準(zhǔn)確的電極距長(zhǎng)度，有一偏差?yuàn)A角θ，電位差V[2]，則

(9)

在野外中，并不知道有偏角θ的存在，所以誤將MNcosθ代替成MN，(9)代入式(2)，則

(10)

將式(9)和式(10)代入式(6)，則

(11)

由(11)式，可以繪制Δρ/ρ與θ的關(guān)系特征曲線(如圖3)。

圖3　Δρ/ρ與的關(guān)系特征曲線

計(jì)算結(jié)果表明：①當(dāng)電極距方向偏差θ數(shù)值相等、角度相反時(shí)，Δρ/ρ相同；②當(dāng)MN準(zhǔn)確時(shí)，Δρ/ρ隨著偏差θ的增大而增大。

1.3　長(zhǎng)度誤差及方向偏差對(duì)視電阻率影響

在野外工作時(shí)，通常ΔMN與θ同時(shí)存在，則由式(6)和式(11)可得出對(duì)視電阻率的影響[2]

(12)

據(jù)(12)式，繪制Δρ/ρ與ΔMN及θ的關(guān)系特征曲線(如圖4)。

圖4　Δρ/ρ與W及的關(guān)系特征曲線

計(jì)算結(jié)果表明：①隨著W的增大，Δρ/ρ也逐漸增大；②W為負(fù)時(shí)，當(dāng)θ增大，則Δρ/ρ變??；W為正時(shí)，當(dāng)θ增大，則Δρ/ρ也增大；③W為正時(shí)比W為負(fù)時(shí)產(chǎn)生的Δρ/ρ小[2]。

1.4　電極位置相對(duì)高差對(duì)視電阻率影響

在野外工作中，有時(shí)由于地形較差，高差較大，導(dǎo)致一對(duì)電極不在同一高度，對(duì)測(cè)得到的電阻率也會(huì)有一定影響[3]。

針對(duì)加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的大地電磁系統(tǒng)來講，要求配對(duì)電極的高差不能超過電極距的1/10，但未具體說明對(duì)測(cè)量所得的視電阻率及相位等結(jié)果有多大的影響。野外施工中存在地形切割嚴(yán)重的情況，兩個(gè)電極的相對(duì)高差已超過電極距的1/10，所以，要對(duì)電極相對(duì)高差ΔH對(duì)測(cè)量所得的視電阻率及相位等結(jié)果產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，以便在數(shù)據(jù)處理過程中對(duì)其進(jìn)行校正[3]。

根據(jù)大地電磁趨膚深度理論及野外試驗(yàn)，不均勻體的幾何尺寸與導(dǎo)電介質(zhì)的波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，地形對(duì)電阻率-頻率曲線的影響最大。高頻時(shí)，地表起伏的尺寸與有效探測(cè)深度相比，后者可能變得較小[2][3]。針對(duì)加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的大地電磁系統(tǒng)V5-2000，對(duì)于天然源大地電磁法(AMT)的最高頻10 400 Hz，設(shè)地表電阻率為100 Ω·m，其有效探測(cè)深度為34.9 m；當(dāng)電阻率為10 Ω·m時(shí)，其有效探測(cè)深度變?yōu)?1 m。因此，在天然源大地電磁法(AMT)的高頻時(shí)，當(dāng)?shù)乇黼娮杪瘦^低，偶極距較大時(shí)，地形起伏的尺寸可能要大于其趨膚深度。

受地形起伏影響，當(dāng)電極相對(duì)高差與電極距之比增大時(shí)，產(chǎn)生的視電阻率誤差比呈非同比增長(zhǎng)。地形起伏非常復(fù)雜時(shí)，可以采用TE模式的成果，當(dāng)受地形影響嚴(yán)重時(shí)，TM模式受影響程度要大于TE模式，但是，TE模式在分辨地質(zhì)不均勻體方面不如TM模式[5]。

1.5　電極接地電阻的影響

依據(jù)MT的理論與誤差傳播理論，經(jīng)過推導(dǎo)可得出

(13)

式(13)中R為接地電阻與采集儀器的輸入阻抗之和[3]。

同一偶極中的兩個(gè)電極之間的接地電阻為電極的接地電阻，電極接地的情況好壞可以由接地電阻確定，野外工作中，通常采用模擬萬用表進(jìn)行測(cè)量。查閱相關(guān)文獻(xiàn)及物探規(guī)范，無論天然源還是可控源大地電磁方法中，要求在實(shí)際工作中的接地電阻小于2 000 Ω，同時(shí)還應(yīng)注意偶極中的直流電位(DC)與交流電位(AC)，如果DC>150 mV，可能電極出現(xiàn)問題；如果AC>150 mV，則附近可能有強(qiáng)干擾源的存在。

野外工作中，接地電阻越低越好，如果出現(xiàn)接地電阻過高的情況，應(yīng)盡快采取措施，查找原因，將接地電阻降到規(guī)范范圍內(nèi)，確保采集的精度[6]。

數(shù)據(jù)采集時(shí)得到的接地電阻為采集儀器的輸入阻抗與偶極接地電阻之和，不同的時(shí)間，不同的地點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生不同的測(cè)量結(jié)果，很難對(duì)其進(jìn)行量化。

1.6　磁探頭與電極間的偏差θ的影響

依據(jù)大地電磁測(cè)深理論，磁探頭與其對(duì)應(yīng)的電極之間的角度應(yīng)為90°，假設(shè)θ為野外工作中磁探頭實(shí)際方向與理論要求的夾角，Hx是正常方向的磁場(chǎng)，Hr是帶偏差θ的磁場(chǎng)，Ey是電場(chǎng)，如圖5所示。

圖5　磁探頭與電極夾角偏差θ示意

當(dāng)存在夾角時(shí)，實(shí)測(cè)得到的磁場(chǎng)Hr應(yīng)是Hx和Hy在Hr方向上的矢量和

(14)

(15)

假設(shè)大地為均勻的或是層狀均勻，則Hx與Hy相等，則

(16)

由上式繪制Δρ/ρ與θ的關(guān)系特征曲線[3](如圖6)。

圖6　Δρ/ρ與的關(guān)系特征曲線

從圖6中可見，當(dāng)大地為均勻的或是層狀均勻時(shí)，磁探頭偏差角度為45°時(shí)，電阻率相對(duì)誤差大約為50%；當(dāng)大地為二維或者三維時(shí)，大地為非均勻分布，存在各向異性，導(dǎo)致Hx與Hy不等，且關(guān)系復(fù)雜，與工區(qū)的地質(zhì)情況也有很大關(guān)系，很難對(duì)其進(jìn)行量化。因此，在野外工作中，要嚴(yán)格控制磁探頭的方向，減小偏角所帶來的視電阻率誤差[7]。

1.7　磁探頭水平傾角偏差β的影響

根據(jù)MT理論要求，磁探頭應(yīng)水平，而在實(shí)際探測(cè)中，由于受地形起伏等因素影響，磁探頭很難絕對(duì)水平。當(dāng)大地為一維時(shí)，源場(chǎng)沒有垂直分量，在此，只探討一維大地。對(duì)于二維或者三維大地，源場(chǎng)具有垂直分量，很難對(duì)其進(jìn)行量化[3]。

設(shè)磁探頭與水平地面存在傾角偏差β，水平磁場(chǎng)為Hx，實(shí)際測(cè)得的磁場(chǎng)為Hm，則Hm=Hxcosβ，產(chǎn)生的視電阻率相對(duì)誤差為

(17)

由上式可得出Δρ/ρ與β的關(guān)系特征曲線[8](如圖7)。

圖7　Δρ/ρ與的關(guān)系特征曲線

在野外探測(cè)過程中，尤其應(yīng)注意磁探頭與電極夾角的精度，應(yīng)盡可能保持磁探頭與其對(duì)應(yīng)的偶極的角度為90°，減小Δρ/ρ[8]。

2應(yīng)用實(shí)例

山東某高速鐵路工程隧道斷層勘察采用天然源大地電磁法(AMT)開展工作，目的是查明土石分界、地下水情況及對(duì)線位的影響。該斷層構(gòu)造地表大部為黃土與風(fēng)化基巖，下伏基巖為花崗巖，地質(zhì)提供的地調(diào)成果中，有一處斷層構(gòu)造。為查明斷裂走向，布置兩條測(cè)線，均平行于線位，AMT-3測(cè)線距離線位10 m，AMT-4測(cè)線距離線位210 m。

圖8　AMT-3大地電磁成果圖

圖9　AMT-4大地電磁成果

AMT-3測(cè)線的CK45+775～CK45+800段等值線向下彎曲，相對(duì)兩側(cè)圍巖電阻率較低，推斷存在斷層破碎帶，記為F2。AMT-4測(cè)線的CK45+800～CK45+825段等值線向下彎曲，相對(duì)兩側(cè)圍巖電阻率較低，推斷存在斷層破碎帶，與AMT-3線斷層破碎帶為同一斷層破碎帶，統(tǒng)一記為F2[8]。

物探推斷斷層F2走向N4°W，傾向小里程，傾角陡立，破碎帶及影響帶寬度25m，與線位交叉里程段為CK45+787～CK45+812。本次工作基本探明了線位附近的地質(zhì)斷層構(gòu)造等情況，對(duì)鐵路地質(zhì)勘探工作具有指導(dǎo)意義[8]。

3結(jié)論

(1)在野外測(cè)量中，野外采集人員在布置測(cè)站時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照施工要求進(jìn)行施測(cè)，減少電極距長(zhǎng)度誤差、電極距方向偏差、接地電阻、磁探頭方向偏差、磁探頭傾角偏差等人為因素帶來的影響，從而減少視電阻率誤差，獲得準(zhǔn)確的地球物理信息。

(2)通過本次研究，提高了大地電磁對(duì)地質(zhì)勘察的分辨率和探測(cè)精度，成果顯示正確、清晰；充分發(fā)揮出物探方便快捷、準(zhǔn)確可靠的優(yōu)勢(shì)，有效縮短了勘察周期，降低了成本，對(duì)類似項(xiàng)目斷裂、地裂縫等勘察工作具有示范和指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]祁曉雨，許廣春，李志華.天然源大地電磁法在構(gòu)造勘察中的應(yīng)用研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2012(6):11-14

[2]劉黎東，張吉振.EH-4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)在鐵路長(zhǎng)大隧道中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2007(2)：50-52

[3]石昆法.可控源音頻大地電磁法理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1999.

[4]祁曉雨.IPHONE手機(jī)在物探測(cè)量中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2014(6)：20-22

[5]李志華，朱旭東.復(fù)雜地質(zhì)隧道的綜合物探技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2008(8):58-61

[6]樸化榮.電磁測(cè)深原理[M].北京：地質(zhì)出版社，1990

[7]何繼善.可控源音頻大地電磁法[M].長(zhǎng)沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1989

中圖分類號(hào)：P631.3+25

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)03-0075-04

作者簡(jiǎn)介：第一祁曉雨(1983—)，男，2010年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球探測(cè)與信息技術(shù)專業(yè)，碩士，工程師。

收稿日期：2015-02-15