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DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2104-5640-4659
摘 要：本文对音频大地电磁法的基本原理、特点和基础理论进行了研究分析，结合以往的工作经验和研究成果，总结了该方法在华蓥山隧道勘察中的适用性，对隧道勘察物探方法的选择是有所帮助的。根据其适用性，对铁路隧道的不良地质体勘察有着良好的探测效果，对隧道设计具有十分重要的指导意义，以供参考。
关键词：音频大地电磁法 原理 特点 适用性
中图分类号：P642 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）05（a）-0026-04
Application of Audio Magnetotelluric Method in Huayingshan Tunnel Survey of Xiyu High Speed Railway
GUO Jing WANG Anping
（Sichuan Zhongcheng Coalfield Geophysical Engineering Institute Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan province， 610072 China）
Abstract： This paper studies and analyzes the basic principle， characteristics and basic theory of audio frequency magnetotelluric method， Combined with the previous work experience and research results， the applicability of this method in Huayingshan tunnel survey is summarized， which is helpful for the selection of geophysical methods in tunnel survey. According to its applicability， it has a good detection effect on the investigation of unfavorable geological body of railway tunnel， and has a very important guiding significance for tunnel design， for reference.
Key Words： Audio frequency magnetotelluric method; Principle; Characteristics; Applicability
隨着国民经济的快速发展，人口流动的加快以及交通运输能力的矛盾日益突出，我国对铁路工程建设日益增强，但在穿越高山和山脊的隧道建设初期，地质勘察变得越来越困难，传统的地质方法在隧道勘察中有很大的挑战性，地球物理勘察作为隧道工程地质勘察的重要方法之一，具有重要的工程价值和社会意义。地球物理勘察作为一种间接的勘察方法，具有分辨力较高、探测精度较高、能够获取多条信息的优点，因此在隧道勘察中得到了广泛的应用。而地球物理勘察有着很多种方法，每种地球物理勘察方法都有其适应性和局限性，为了提高勘察的准确性，有必要结合勘察任务的地球物理特征，并根据各种地球物理方法的适用性进行选择，以便最大程度地提高勘察精度。而音频大地电磁法在隧道工程中是一种较好的勘察方法[1-6]，本文就音频大地电磁法对华蓥山隧道勘察的应用谈一下体会。
1 原理
该方法是基于大地电磁测深法原理，是在20世纪50年代初期提出的一种较新的地球物理探测方法。它是通过对地面电磁场的观测，来研究地下岩矿石电阻率的分布规律的一种物探方法。大地电磁理论的关键是研究地面电磁场与地下岩矿石的电阻率存在的关系。根据趋肤深度探测理论，可导出探测深度公式为：
（1）
式（1）中，D为探测深度，单位是m;ρ为电阻率，单位是Ω·m;T为周期，单位是s。
音频大地电磁法原理如图1所示。
2 特点
该方法主要具有以下特点。（1）该方法引入阻抗张量的概念，克服了地下介质各向异性的影响。（2）观测频带宽，其最小探测深度几米，最大探测深度达2000m，适合不同程度的工程勘察。（3）由于场源较远，观测位于波区，场源相对较简单，方法较为成熟。（4）该方法对二维地质体反映较为真实，能客观地反映地电结构。
3 适用性
根据隧道轴线穿越的路线，目前地面物探工作面临的挑战主要有以下几点：一是隧道地面地形切割大，地面施工面临着很大的挑战;二是隧道地质条件复杂，会穿越地质构造异常复杂的地区，解释难度大;三是传统意义上的可控源电磁法是只能在远区进行观测，观测区域小;四是信号强度受场源接地条件影响大;而新型电磁勘探方法例广域电磁法，虽具有横向分辨能力较强，勘探深度大、资料处理与解释技术相对成熟等特点，但设备相对笨重，信号强度亦受场源接地条件影响较大。综合上述各方法技术的优缺点及现场施工的难易程度，结合隧道实际的地形地质条件，认为可控源电磁法与广域电磁法虽然理论上可行，但在这种复杂地形条件下，施工会变得非常困难，不具有施工可行性。音频大地电磁法具有快速、经济、可靠的优点，具有施工的可行性，可以比较快速地完成2000m以浅埋深隧道的勘察工作，可应用于铁路隧道断层破碎带探测、煤矿采空区探测、岩溶探测等方面。 4 应用实例
华蓥山隧道位于川东弧形褶皱带的华蓥山背斜北段西翼，隧址区内地形坡度一般在23°～30°，局部为47°～51°，坡向主要向南东、北西，与地层倾向斜交仅局部大体一致，构成了斜交或顺向斜坡，整体属中高山地形。地貌受华蓥山背斜影响，山脉走向与背斜轴线方向基本一致，呈近南向，山脊一般由须家河组第四段砂岩组成，雷口坡组白云岩及白云质灰岩和须家河组砂岩经长期溶蚀、风化剥蚀后形成单面山脊，组成侵蚀切割地貌。
隧址区物性工作进行了有针对性的岩样采集及测试工作，岩性主要以砂岩、泥岩、白云岩为主。通过测试，隧址区内砂岩电阻率值为280～810Ω m，常见值为320Ω m，泥岩电阻率值为88～339Ω m，常见值为150Ω m，白云岩电阻率值为1208～3524Ω m，常见值为1600Ω m。该隧道目的任务为探测煤矿采空区，为隧道设计提供基础地质资料。结合勘察目的和现场工作条件，采用音频大地电磁法进行勘察。隧址区主采煤层为须家河五段至七段，须家河组地层各段电性变化较小（反演剖面等值线间距为5Ω m），通过视电阻率等值线变化异常并结合煤层位置圈定出了采空区异常。根据反演成果，结合地质资料，对分析解释如下。
4.1 音频大地电磁法剖面解释
（1）L7测线大致垂直于地层走向布设，图2为L7线反演成果图。整体规律：成果显示，浅部主要为泥岩的低电阻率特征;中部主要为砂岩的中高电阻率特征，深部主要为灰岩的高电阻率特征。局部分析：L7线反演剖面下伏须家河组五段至七段煤层位置在剖面中出现视电阻率等值线较为凌乱的现象，圈定出2处异常区域，异常编号为A1、A2，推测为校办煤矿、大队联办煤矿、监狱煤矿等老窑采掘范围较大，煤矿采空后对水进行疏干形成的采空影响区域。
（2）L8测线大致垂直于地层走向布设，图3为L8线反演成果图。整体规律：成果显示，浅部主要为泥岩的低电阻率特征;中部主要为砂岩的中高电阻率特征，深部主要为灰岩的高电阻率特征。局部分析：L8线反演剖面下伏须家河组五段至七段煤层位置在剖面中出现视电阻率等值线较为凌乱的现象，圈定出2处异常区域，异常编号为A3、A4，推测为城西煤矿采空区水未完全疏干形成的采空影响区域。
（3）L9测线大致平行于地层走向布设，图4为L9线反演成果图。整体规律：成果显示，浅部主要为泥岩的低电阻率特征;中部主要为砂岩的中高电阻率特征，深部主要为灰岩的高电阻率特征。局部分析：L9线反演剖面下伏须家河组五段至七段煤层位置在剖面中出现视电阻率等值线较为凌乱的现象，圈定出2处异常区域，异常编号为A5、A6，推测为城西煤矿及老窑采空区形成的采空影响区域。
4.2 音频大地电磁法平面解释
将剖面上圈定的异常投影到平面图上，根据地质调查成果，并结合收集到的煤矿资料，可知圈定的异常与华蓥山隧道具有如图5所示的平面位置分布关系。在异常分布图上，自西向东、由南至北，依次将异常编号为A1、A2、A3、A4、A5及A6，共圈定出6处异常，可得出以下推断。
（1）L7线圈定的A1、A2异常及L9线圈定的A6异常位于隧道北侧，最近采空区异常影响区域（A6异常）边界距离隧道平距160m，方位341°方向，且隧道洞身与A6异常底界高差为155m。因此，北侧圈定A1、A2异常及A6异常未向隧道洞身延伸。
（2）隧道线路穿过L8测线圈定的A3采空区异常影响区域，穿过L9测线圈定A5采空区异常影响区域下方约30m处。
（3）6处异常空间位置与实际地质吻合性较好，结合现有物探成果及煤矿资料综合分析，推测隧道存在煤矿采空区的风险。因此，在该地段提请隧道设计和施工中应采取相应的措施。
5 结语
（1）音频大地电磁法成果显示华蓥山隧道存在煤矿采空区的风险，基本控制了煤矿采空区的空间展布位置，该方法适用于铁路隧道不良地质体的勘察，应用效果较好。
（2）音頻大地电磁法能够较为真实地反映了地层结构，为隧道选线及布设钻孔提供了科学的物探资料。
参考文献
[1] 罗术，彭勇，刘阳飞，等.高密度电法及音频大地电磁法在公路隧道勘察中的适用性分析及应用[J].西部探矿工程，2018（4）：164-167.
[2] 蒲海龙，屈泽伟，刘强.大地电磁法在西南地区矿产资源勘探中的应用及研究[J].世界有色金属，2020（22）：176-177.
[3] 张凯，林年添，聂西坤.用于深部采空区探测的可控源音频大地电磁法抗强干扰数据采集及处理策略[J].地球物理学进展，2019（5）：2119-2127.
[4] 龚胜平，刘瑞德.利用可控源音频大地电磁测深法获得地热田勘查资料解译效果探讨[J].矿产勘查，2021（2）：362-367.
[5] 李茹.可控源音频大地电磁法在硝盐矿采空区溶腔探测中的应用[J].资源信息与工程，2021（1）：50-52.
[6] 区小毅，黎海龙，杨富强，等.音频大地电磁法在广西北海市海水入侵调查中的应用[J].物探与化探，2020（1）：66-73.
摘 要：本文对音频大地电磁法的基本原理、特点和基础理论进行了研究分析，结合以往的工作经验和研究成果，总结了该方法在华蓥山隧道勘察中的适用性，对隧道勘察物探方法的选择是有所帮助的。根据其适用性，对铁路隧道的不良地质体勘察有着良好的探测效果，对隧道设计具有十分重要的指导意义，以供参考。
关键词：音频大地电磁法 原理 特点 适用性
中图分类号：P642 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）05（a）-0026-04
Application of Audio Magnetotelluric Method in Huayingshan Tunnel Survey of Xiyu High Speed Railway
GUO Jing WANG Anping
（Sichuan Zhongcheng Coalfield Geophysical Engineering Institute Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan province， 610072 China）
Abstract： This paper studies and analyzes the basic principle， characteristics and basic theory of audio frequency magnetotelluric method， Combined with the previous work experience and research results， the applicability of this method in Huayingshan tunnel survey is summarized， which is helpful for the selection of geophysical methods in tunnel survey. According to its applicability， it has a good detection effect on the investigation of unfavorable geological body of railway tunnel， and has a very important guiding significance for tunnel design， for reference.
Key Words： Audio frequency magnetotelluric method; Principle; Characteristics; Applicability
隨着国民经济的快速发展，人口流动的加快以及交通运输能力的矛盾日益突出，我国对铁路工程建设日益增强，但在穿越高山和山脊的隧道建设初期，地质勘察变得越来越困难，传统的地质方法在隧道勘察中有很大的挑战性，地球物理勘察作为隧道工程地质勘察的重要方法之一，具有重要的工程价值和社会意义。地球物理勘察作为一种间接的勘察方法，具有分辨力较高、探测精度较高、能够获取多条信息的优点，因此在隧道勘察中得到了广泛的应用。而地球物理勘察有着很多种方法，每种地球物理勘察方法都有其适应性和局限性，为了提高勘察的准确性，有必要结合勘察任务的地球物理特征，并根据各种地球物理方法的适用性进行选择，以便最大程度地提高勘察精度。而音频大地电磁法在隧道工程中是一种较好的勘察方法[1-6]，本文就音频大地电磁法对华蓥山隧道勘察的应用谈一下体会。
1 原理
该方法是基于大地电磁测深法原理，是在20世纪50年代初期提出的一种较新的地球物理探测方法。它是通过对地面电磁场的观测，来研究地下岩矿石电阻率的分布规律的一种物探方法。大地电磁理论的关键是研究地面电磁场与地下岩矿石的电阻率存在的关系。根据趋肤深度探测理论，可导出探测深度公式为：
（1）
式（1）中，D为探测深度，单位是m;ρ为电阻率，单位是Ω·m;T为周期，单位是s。
音频大地电磁法原理如图1所示。
2 特点
该方法主要具有以下特点。（1）该方法引入阻抗张量的概念，克服了地下介质各向异性的影响。（2）观测频带宽，其最小探测深度几米，最大探测深度达2000m，适合不同程度的工程勘察。（3）由于场源较远，观测位于波区，场源相对较简单，方法较为成熟。（4）该方法对二维地质体反映较为真实，能客观地反映地电结构。
3 适用性
根据隧道轴线穿越的路线，目前地面物探工作面临的挑战主要有以下几点：一是隧道地面地形切割大，地面施工面临着很大的挑战;二是隧道地质条件复杂，会穿越地质构造异常复杂的地区，解释难度大;三是传统意义上的可控源电磁法是只能在远区进行观测，观测区域小;四是信号强度受场源接地条件影响大;而新型电磁勘探方法例广域电磁法，虽具有横向分辨能力较强，勘探深度大、资料处理与解释技术相对成熟等特点，但设备相对笨重，信号强度亦受场源接地条件影响较大。综合上述各方法技术的优缺点及现场施工的难易程度，结合隧道实际的地形地质条件，认为可控源电磁法与广域电磁法虽然理论上可行，但在这种复杂地形条件下，施工会变得非常困难，不具有施工可行性。音频大地电磁法具有快速、经济、可靠的优点，具有施工的可行性，可以比较快速地完成2000m以浅埋深隧道的勘察工作，可应用于铁路隧道断层破碎带探测、煤矿采空区探测、岩溶探测等方面。 4 应用实例
华蓥山隧道位于川东弧形褶皱带的华蓥山背斜北段西翼，隧址区内地形坡度一般在23°～30°，局部为47°～51°，坡向主要向南东、北西，与地层倾向斜交仅局部大体一致，构成了斜交或顺向斜坡，整体属中高山地形。地貌受华蓥山背斜影响，山脉走向与背斜轴线方向基本一致，呈近南向，山脊一般由须家河组第四段砂岩组成，雷口坡组白云岩及白云质灰岩和须家河组砂岩经长期溶蚀、风化剥蚀后形成单面山脊，组成侵蚀切割地貌。
隧址区物性工作进行了有针对性的岩样采集及测试工作，岩性主要以砂岩、泥岩、白云岩为主。通过测试，隧址区内砂岩电阻率值为280～810Ω m，常见值为320Ω m，泥岩电阻率值为88～339Ω m，常见值为150Ω m，白云岩电阻率值为1208～3524Ω m，常见值为1600Ω m。该隧道目的任务为探测煤矿采空区，为隧道设计提供基础地质资料。结合勘察目的和现场工作条件，采用音频大地电磁法进行勘察。隧址区主采煤层为须家河五段至七段，须家河组地层各段电性变化较小（反演剖面等值线间距为5Ω m），通过视电阻率等值线变化异常并结合煤层位置圈定出了采空区异常。根据反演成果，结合地质资料，对分析解释如下。
4.1 音频大地电磁法剖面解释
（1）L7测线大致垂直于地层走向布设，图2为L7线反演成果图。整体规律：成果显示，浅部主要为泥岩的低电阻率特征;中部主要为砂岩的中高电阻率特征，深部主要为灰岩的高电阻率特征。局部分析：L7线反演剖面下伏须家河组五段至七段煤层位置在剖面中出现视电阻率等值线较为凌乱的现象，圈定出2处异常区域，异常编号为A1、A2，推测为校办煤矿、大队联办煤矿、监狱煤矿等老窑采掘范围较大，煤矿采空后对水进行疏干形成的采空影响区域。
（2）L8测线大致垂直于地层走向布设，图3为L8线反演成果图。整体规律：成果显示，浅部主要为泥岩的低电阻率特征;中部主要为砂岩的中高电阻率特征，深部主要为灰岩的高电阻率特征。局部分析：L8线反演剖面下伏须家河组五段至七段煤层位置在剖面中出现视电阻率等值线较为凌乱的现象，圈定出2处异常区域，异常编号为A3、A4，推测为城西煤矿采空区水未完全疏干形成的采空影响区域。
（3）L9测线大致平行于地层走向布设，图4为L9线反演成果图。整体规律：成果显示，浅部主要为泥岩的低电阻率特征;中部主要为砂岩的中高电阻率特征，深部主要为灰岩的高电阻率特征。局部分析：L9线反演剖面下伏须家河组五段至七段煤层位置在剖面中出现视电阻率等值线较为凌乱的现象，圈定出2处异常区域，异常编号为A5、A6，推测为城西煤矿及老窑采空区形成的采空影响区域。
4.2 音频大地电磁法平面解释
将剖面上圈定的异常投影到平面图上，根据地质调查成果，并结合收集到的煤矿资料，可知圈定的异常与华蓥山隧道具有如图5所示的平面位置分布关系。在异常分布图上，自西向东、由南至北，依次将异常编号为A1、A2、A3、A4、A5及A6，共圈定出6处异常，可得出以下推断。
（1）L7线圈定的A1、A2异常及L9线圈定的A6异常位于隧道北侧，最近采空区异常影响区域（A6异常）边界距离隧道平距160m，方位341°方向，且隧道洞身与A6异常底界高差为155m。因此，北侧圈定A1、A2异常及A6异常未向隧道洞身延伸。
（2）隧道线路穿过L8测线圈定的A3采空区异常影响区域，穿过L9测线圈定A5采空区异常影响区域下方约30m处。
（3）6处异常空间位置与实际地质吻合性较好，结合现有物探成果及煤矿资料综合分析，推测隧道存在煤矿采空区的风险。因此，在该地段提请隧道设计和施工中应采取相应的措施。
5 结语
（1）音频大地电磁法成果显示华蓥山隧道存在煤矿采空区的风险，基本控制了煤矿采空区的空间展布位置，该方法适用于铁路隧道不良地质体的勘察，应用效果较好。
（2）音頻大地电磁法能够较为真实地反映了地层结构，为隧道选线及布设钻孔提供了科学的物探资料。
参考文献
[1] 罗术，彭勇，刘阳飞，等.高密度电法及音频大地电磁法在公路隧道勘察中的适用性分析及应用[J].西部探矿工程，2018（4）：164-167.
[2] 蒲海龙，屈泽伟，刘强.大地电磁法在西南地区矿产资源勘探中的应用及研究[J].世界有色金属，2020（22）：176-177.
[3] 张凯，林年添，聂西坤.用于深部采空区探测的可控源音频大地电磁法抗强干扰数据采集及处理策略[J].地球物理学进展，2019（5）：2119-2127.
[4] 龚胜平，刘瑞德.利用可控源音频大地电磁测深法获得地热田勘查资料解译效果探讨[J].矿产勘查，2021（2）：362-367.
[5] 李茹.可控源音频大地电磁法在硝盐矿采空区溶腔探测中的应用[J].资源信息与工程，2021（1）：50-52.
[6] 区小毅，黎海龙，杨富强，等.音频大地电磁法在广西北海市海水入侵调查中的应用[J].物探与化探，2020（1）：66-73.