音频大地电磁在铁路隧道工程勘察中的应用

音频大地电磁在铁路隧道工程勘察中的应用（通用11篇）

篇1：音频大地电磁在铁路隧道工程勘察中的应用

可控音频电磁法在叙永关深埋隧道勘察中的应用

通过可控音频电磁法(简称CSAMT),应用于纳溪至川黔界高速公路的叙永关隧道构造,岩性的勘察,并与钻探及地质调绘的资料对比证明,可控音频电磁法(CSAMT)可以在宏观上查明深埋隧道地层岩性,地质构造(断层、岩溶) 及其赋水性,为钻孔布置及隧道的.设计、施工,提供地球物理依据.在深埋隧道勘查中,能起到理想的效果.

作 者：宋光润 赵虎 李瑞 封崇德 钟邱平作者单位：宋光润,封崇德,钟邱平(四川省交通厅公路规划勘察设计研究院,四川,成都,610041)

赵虎,李瑞(成都理工大学信息工程学院物探系,四川,成都,610059)

刊 名：物探化探计算技术 ISTIC英文刊名：COMPUTING TECHNIQUES FOR GEOPHYSICAL AND GEOCHEMICAL EXPLORATION年，卷(期)：30(3)分类号：P631.3+25关键词：CSAMT 深埋隧道 勘查 应用

篇2：音频大地电磁在铁路隧道工程勘察中的应用

可控源音频大地电磁法在内蒙古集宁地区的应用

电法勘探最常用的方法可控源音频大地电磁法(CSAMT),此种方法有自己的`优缺点,在理论上通过相应的实验进行研究,从而得出针对不同地质条件应选择的合适的勘探方法,也为电法勘探的实际应用提供借鉴和参考.

作 者：郑丽萍 周磊 赵福元  作者单位：郑丽萍(长江大学油气资源与勘察技术教育部重点实验室;长江大学地球物理与石油资源学院)

周磊,赵福元(长江大学地球物理与石油资源学院)

刊 名：内江科技 英文刊名：NEIJIANG KEJI 年，卷(期)：2009 30(11) 分类号：P3 关键词：可控源音频大地电磁法   电磁勘探法   反演  

篇3：音频大地电磁在铁路隧道工程勘察中的应用

关键词：CSAMT,隧道,地质勘察

0 前言

近年来,随着铁路、公路的发展,对其建设施工提出了更多的要求,使设计的隧道逐步趋向深埋和长大,从而增加了勘察的难度。

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是近些年来迅速发展起来的一种勘探方法,现已广泛应用于隧道勘察。利用CSAMT可有效地判定地下构造的形态、岩层界限、地下水的赋存情况,用于指导隧道后期的设计、施工,从而有效地避免水涌、塌方等地质灾害。

具体工作中,根据不同的探测对象,所选定的参数也会有所不同。野外数据的采集过程是一个系统工程,影响采集质量的因素很多,一定要合理地选择场源和采集参数,避免假异常的出现。本文讲述了CSAMT的工作原理、野外工作中发射源的布设原则、各测量参数的选择与确定,并通过工程实例的应用和分析,系统阐述了CSAMT法在隧道勘察中的应用问题。

1 方法原理

可控源音频大地电磁法(简称为CSAMT)是在大地电磁法(MT)的基础上发展起来的,其方法原理都是基于麦克斯韦方程组完整统一的电磁场理论[1,2]。

假设电磁波为平面单色波,大地可视为导电性占支配地位的无限均匀导电介质,在谐变电流条件下的波动方程变为:

不难验证,微分方程(1)的解为:

以上各式中,E为电场强度矢量;ω为谐变电流的圆频率;z为坐标轴;波数k为复数,可写成可k=a+ib,a称为相位常数,b称为衰减常数。带入(2)可推出:

E的模为E0e-bz,由此可见波在导电介质中传播时,其幅值按指数规律衰减,当时,波的振幅衰减到原来的1/e,令:

δ称为“趋肤深度”,它的物理意义是,当电磁波传播到这个深度时其大部分能量已被吸收,所以,δ表示透入介质的深度。在准静态极限条件下即大地的导电性占支配地位时,电导率σ>>εω时,相位常数和衰减常数可表示为:

由(4)式,趋肤深度δ可表示为:

以上各式中,σ为介质的电导率;ω为谐变电流的圆频率;μ为介质的导磁率。如果取大地中μ的常见值为1.256×10-6H/m,并用谐变电流的频率f和大地电阻率ρ分别代替上式中的ω和σ(ω=2πf、),则趋肤深度δ可写成与大地的电阻率ρ有关的形式[3]:

该式说明趋肤深度仅仅取决于两个参数:即大地电阻率ρ和使用的信号频率f。随着电阻率的减小或频率的增高,穿透深度变浅;反之,随着电阻率增大或频率降低,穿透深度加深。当大地电阻率一定时,改变信号频率,便可以得到连续的垂直测深,这便是CSAMT法得以应用的理论基础。

在CSAMT法中,测量的是彼此正交的电场和磁场,并计算他们模的比,这个比值称为波阻抗,用符号|Z|表示。记作:

而Z的相位则定义为电场强度E和磁场强度H间的相位差。

在准静态条件下,由(5)式波数k可写为:

结合(6)式,可推出:

式中,r为观察点到偶极源中心的距离,令p=r/δ,称为电距离,当p>>1时,波动方程所描述的场区称为远区场或平面波场区,此时水平方向的电场与频率有关,并与电阻率的平方根成正比。波阻抗|Z|可表述为:

式中,Ex和Hy为相互正交的电磁场,由上式也可得到电阻率的表达式:

实际工作中多使用MKS制单位。此时E以mv/km为单位,H以γ为单位,(12)可写成下式:

上式就是以卡尼亚命名的计算视电阻率(单位:Ω⋅m)的公式,是电磁法测深的基础。通过改变场源的频率,测量远区场中相互正交的电磁场,得到地下介质的视电阻率,通过对视电阻率存在状态的分析,判断地下异常体。

2 野外工作中发射源的布设原则

野外测量中,有三种测量方式,即标量测量、张量测量、矢量测量。目前常用的是标量测量,采用TM观测方式[4]。开始工作之前,首先要收集工区附近的区域地质资料,明确工点附近有无大的地质构造,了解工作区域地形情况。然后设计观测系统。根据现有仪器的发射功率,一个工区一般要布置多个发射源,发射源的布置要合理,每个发射源要尽量多地覆盖测线区域,不同发射源尽量减小收发距的差异。

发射源的布置有如下原则:

(1)野外工作中,一般采用电偶极发射源(在山区,基岩裸露,电极无法打入地下,也可采用磁偶极发射,但要注意选择合适的接入电阻及电流),发射偶极子的长度一般为1~3km,连接发射偶极的电缆直径要大于2mm,保证足够小的接入电阻;

(2)发射偶极子应与测线平行,两线的最大夹角不得超过15°;

(3)一个发射偶极子所覆盖的范围最好是与偶极子的垂线夹角不超过30°;

(4)发射偶极子应尽量在同一水平面上,避免两个电极高差过大;

(5)所放置的发射偶极子的高程应尽量低于测线处的高程,最好选择在沟谷中;

(6)由于可控源音频大地电磁法的有效数据是远区场的数据,为了获取更多的有效信息,而又不至于随收发距的增大造成电磁场的振幅能量减小,收发距一般选择在3~10km,并不小于勘探深度的10倍;

(7)在放置发射源前,要详细了解当地的区域构造,坚决避免把发射电偶极放在构造的走向上或者发射电偶极和测线同时横跨在构造上。另外,还应该避免在发射源和测线之间有大的地质构造和煤矿采空区,避免投影效应的出现。

3 参数选择

野外工作中参数的选择决定数据质量,现就几个重要参数的选择原则叙述如下。

(1)收发距,即场源到观测点的垂直距离。由前述方法原理的公式推导中可以看出,趋肤深度以及卡尼亚电阻率的适用条件是在远区场,因此,收发距应该足够远以保证所获得的数据是在远区场。但距离太远又会降低有源场的场强,所以,收发距一般选择在3~10km,并且不小于勘探深度的10倍;

(2)采集数据的最小频率。最小频率由目标体的最大探测深度来确定。上文公式(7)表述了趋肤深度和频率以及电阻率之间的关系,虽然趋肤深度在某种意义上来说与电磁波在介质中穿透的深度有关,但它并不代表实际的有效探测深度。探测深度D是一个比较模糊的概念,它大体上指某种测深方法的体积平均探测深度,对探测深度D较好的经验公式是[5]:。式中,f为谐变电流的频率,ρ为大地电阻率,由此可以推导出,通过估算大地的电阻率可以计算最大探深时所需要采集的最小频率;

(3)观测电极距的选择。TM观测方式是沿测线布置电极,通常认为电极距决定了横向分辨率,电极距不应大于探测目标体的1/2。但因电磁法是一种体积勘探,有时小的异常体在大电极距时也可以被分辨出来,尤其是在异常体和围岩物性差异很大时。野外工作中应布置参数测线,通过试验选择合理的电极距。应用于隧道勘查时,通常电极距选择在25m,最小电极距建议不要小于10m。

4 工程实例分析

4.1 朔准铁路鹰鹞山隧道勘察

鹰鹞山隧道位于管涔山脉中南段低中山区,区内山峰林立,绵延起伏,大部分被黄土覆盖,虎头山和鹰鹞山附近基岩出露。峡谷深切,多呈“V”字型,地形起伏较大,最大高差约500余米。山上植被较为稀疏,呈现山地地貌和黄土塬、梁的典型特征。对该区于2006年2月14日选择可控源音频大地电磁法进行了勘察。

根据反演电阻率断面图中电性分布特征(见图1),有效地划分了DK47+300左侧奥陶系灰岩和右侧太古界斜长片麻岩间不整合接触的界线,并划出片麻岩破碎严重的断层带,圈出隧道洞身附近含水较多、可能会出现水涌和坍塌等地质灾害的地段。

4.2 京沪铁路张夏隧道勘察

张夏隧道位于济南市党家庄镇附近,地形复杂,地表为灰岩高阻层,下覆基岩为低阻的砂岩,不利于电法、地震等常规方法的开展,在2003年9月选择可控源音频大地电磁法对其进行了勘察。

根据反演电阻率断面图中电性分布(见图2),结合钻孔资料确定了岩性分布区域,根据电阻率等值线梯度变化推断岩性分界线及断裂构造的位置,取得了较好的效果,并做其相应的物探成果纵断面图(见图3)。

5 结语

通过上面两个工程实例的分析,可以总结以下几点。

(1)可控源音频大地电磁法(CSAMT)具有勘探深度大,地形影响小等特点,可满足隧道勘查的不同需求。

(2)可控源音频大地电磁法(CSAMT)对低阻非常敏感,可有效地划分断层破碎带,圈定地下水聚集区。

(3)可控源音频大地电磁法(CSAMT)可有效避免高阻屏蔽,解决常规电法以及地震折射法不能解决的地质问题。

参考文献

[1]何继善等.可控源音频大地电磁法[M].长沙:中南工业大学出版社,1989.

[2]石昆法.可控源音频大地电磁法理论与应用[M].北京:科学出版社,1999.

[3]王赟,杨德义,石昆法等.CSAMT法基本理论及在工程中的应用[J].煤炭学报,2002,27(4):383～386.

[4]黄力军等.八家子铅锌矿电阻率异常特征及深部和外围找矿[J].物探与化探,2005,29(2):119～121.

篇4：音频大地电磁在铁路隧道工程勘察中的应用

【摘 要】近年来，临清市市区范围内陆续发现多眼中低温地热井，本文通过研究该区地质、构造和重力异常特征，分析了该区地热资源的成矿有利条件。采用音频大地电磁（AMT）对该区进行勘探，编制了大地电磁综合视电阻率剖面图，研究了不同岩性地层的电磁性特征，结合该区重力异常特征和电性特征，从热源、热储和地下水三个方面，综合分析了该区形成地热资源具备的地层、热源和构造条件。最终确定了井位和井深，为钻探施工设计提供了较为可靠的依据。结果表明，AMT在寻找浅层地热资源中有着积极的效果。

【关键词】AMT勘探；地热资源；布格重力异常；电性异常

地热是集热能、水和矿产于一体的多用途、绿色自然资源，并且开发利用方便无污染，在能源需求日益紧张的今天，有着巨大的开发前景和经济开发潜力。尤其是对于中小城市具有重要的经济、社会和环境价值，因而受到广泛重视。近年来，临清市市区范围内陆续发现多眼地热井，水温40℃～70℃，属于中低温地热资源。大地电磁法，是利用天然音频大地电磁场作为场源，属于被动源电磁法，观测电场和磁场分量。近几年，大地电磁法在方法理论和仪器设备都得到了很大的发展，应用领域也扩展到了普查，勘探石油、天然气、地热、金属矿产、水文、环境等各个方面，从而成为受地质学家重视的一种地球物理勘探方法。

1.地球物理特征

一般环境下，第四纪和第三纪陆相碎屑沉积岩，电阻率一般在15～50Ω·m；中生代陆相碎屑沉积岩电阻率值一般在25～500Ω·m，晚古生代的电阻率一般为50～1000Ω·m，电性稳定，奥陶系灰岩电阻率最高，一般在2000～20000Ω·m，系本地段电阻率无穷大标志层。

大地电磁法，是采用天然场源的一种电磁法，它是以电磁场的理论为基础，在地球物理勘探中，利用介质的介电常数、磁导率和电导率的差异而达到解决不同地质问题的目的。通过以上区内地球物理特征分析，不同岩性的地层具有明显的电磁性差异。因此，在区内利用大地电磁方法勘探，具备良好的地球物理前提。

2.工作方法技术

大地电磁法，是利用天然音频大地电磁场作为场源，属于被动源电磁法，观测电场和磁场分量。

自然界存在着天然变化的电磁场，其频谱范围约为104Hz～10-4Hz，甚至更低。高频部分（大于1Hz）起因于大气层的雷电活动，低频部分起因于太阳活动抛出的等离子体流与地球磁层间的相互复杂作用。来自高空的电磁波，可近似的看成是垂直入射地面向地球内部穿透，感应出电场和磁场，感应场与地球内部的岩石电性分布有关。电磁波频率愈低穿透深度愈大。通过研究大地对天然电磁场的频率响应，可以获得不同深度电阻率的分布，根据电性分布特点来解决地质问题。

3.资料推断解释

3.1重力异常特征

由临清地区布格重力异常图可以看出，该区重力场△g值一般在（-6～-40）×10-5m/s2之间变化，局部重力异常总体呈椭圆状北东走向展布，相对重力高与重力低相间排列。在临清地区附近形成两个重力异常带。

（1）夏津西～临清～冠县相对重力低异常带：重力场总体反应沿北东走向展布的重力低异常带，带宽15km左右，△g值一般在（-24～-30）×10-5m/s2之间变化，为地层相对凹陷区，即冠县凹陷。从重力异常分布看，临清城区附近为重力异常值最低处，且异常呈不规则椭圆状沿近东西向分布，与西部清河—临西以西凹陷相通。可以说，临清城区附近与周围相比是凹陷中局部凹陷区，对寻找地热更为有利。

（2）清河东—临西—冠县西重力异常带：该带总体沿NE40°走向展布，△g值一般在（-6～-20）×10-5m/s2之间变化，反映了地层相对凸起特征，即馆陶凸起。在临西北由于受NW向构造的影响，地层相对下降。

3.2电性异常特征

由本次实测的4条大地电磁测深视电阻率断面图可以看出，该区自上而下根据其电阻率异常高低，大致可划分为4大电性层，总体异常特征呈似层状，向西缓倾。下面结合Ⅰ剖面视电阻率断面图的电性特征和区内已知地质特征，予以分析解释[2]。该剖面在垂向上总体电阻率较低，根据其电性总体特征大致可划分4大层[3]：

第一层：电性稳定，电阻率低缓，等值线间距宽大平缓，厚度0～500m。该层又可细分为上下两段，上段为高阻电性层，在断面图上表现为等值密集，表明其局部电阻率差异较大。

第二层：电性高低变化较大，层位不稳，等值线杂乱。上段以巨厚的高低阻互层，等值线呈锯齿状跳跃的不稳定特征，厚度在500～1350m之间，其电阻率整体较上覆地层高、下伏地层低。

第三层：为稳定的高低组互层，层位稳定，呈两高两低的电性分布特征。据其电性特征分析上部高阻为中粗砂岩，下部高阻为砾岩，中部低阻为泥岩。

第四层：为区内相对高阻层，以水平层状高电性层为主要特征，反映了其地层相对稳定的沉积地质特征，埋藏深度在1800m以下。

3.3综合推断解释

由布格重力异常特征分析，临清城区附近包括该区在内，为凹陷区内的局部凹陷区，地热成矿条件更为有利；由本次物探资料分析，区内热储馆陶组顶板埋深1500m左右，上覆第四系及新近系明化镇砂质粘土、泥岩等巨厚的保温层。

在该区内，东部为冠县断裂，该断裂走向北北东，向西陡倾。西部紧邻临清断裂，该断裂走向北北东，向东陡倾。两断裂形成了冠县凹陷。

据前期研究，其热源为正常的大地热流增温。盖层为第四系黄河组、平原组和新近系眀化镇组，是非常好的隔水层和保温层，使热能得以保存和储集。主要热储层包括馆陶组和东营组。热储层中地下水在缓慢侧向径流过程中，接受下部大地热流而增温，临清断裂、冠县断裂等成为地热水与深部热源沟通的通道。

该区从地貌特征来看，处于谷地漫滩地形。热储馆陶组岩性为中粗砂岩、砂砾岩等。赋存有丰富的碎屑岩类孔隙裂隙水；区内经历了多期构造活动，裂隙发育。充足的地表水，广阔的补给区为地下水的补给提供了足够的水源。

4.结论

本次工作通过对区域重力资料布格重力异常特征及本次剖面异常特征的综合分析[4]认为：重力资料反映区内区域构造临清断裂和冠县断裂异常反应明显，尤其是对冠县凹陷和馆陶凸起反映清晰。大地电磁测深剖面所反映的地层层位清楚，尤其是对热储层馆陶组的顶底板埋深，反映清晰，为钻探施工设计提供了较为可靠的依据。表明AMT在寻找浅层地热资源方面有着积极的作用。

【参考文献】

[1]杨进，安海忠.音频大地电磁法在秦岭地区的地质效果[J].物探与化探，1995，04：286-290.

[2]刘祜，程纪星等.电、磁综合方法在南方硬岩型铀矿勘查中的应用[J].物探与化探，2011，28（6）：739-742.

[3]柳建新，曹创华等.综合物探方法在青藏高原某钼多金属矿的勘查效果[J].地质与勘探，2012，17（6）：1188-1198.

篇5：音频大地电磁在铁路隧道工程勘察中的应用

可控源音频大地电磁法若干方法技术问题的探讨

通过用可控源音频大地电磁法在已知隐伏矿体上的方法实验结果:探讨了可控源音频大地电磁法在实际应用中若干方法技术问题.

作 者：张国鸿 李仁和 张良敏 ZHANG Guo-hong LI Ren-he ZHANG Ling-min  作者单位：张国鸿,李仁和,ZHANG Guo-hong,LI Ren-he(安徽省地球物理地球化学勘查技术院,安徽合肥,230022)

张良敏,ZHANG Ling-min(安徽省化工地质勘查总院,安徽马鞍山,243031)

刊 名：安徽地质 英文刊名：GEOLOGY OF ANHUI 年，卷(期)： 19(2) 分类号：P631.3+25 关键词：可控源   电磁法   方法技术   二维反演  

篇6：工程制图在隧道设计中的应用

摘要：随着国民经济的飞速发展，国内交通事业日益繁荣，修建公路隧道也逐步成为提高公路技术指标、减短路线长度、节约用地和改善行车安全的重要手段，隧道设计也因此成为一项重要的研究课题。

关键词：隧道；设计理念；工程制图；交通安全

Engineering drawing application in tunnel design

Abstract：With the rapid development of the economic,the domestic transportation business prosperity.Construction of highway tunnel will be improve highway technical index, shorten the length of route, the economical use of land and improve an important means of driving safety.Tunnel design has become an important research topic.Summary:tunnel,design concept，engineering drawing，traffic safety

1.1 设计理念

隧道设计与隧道周围的环境、公路使用者以及资源的可持续利用等因素有着密不可分的联系。交通行业的核心价值是“用户第一、行者为本”，而对环境则要树立“不破坏就是最大的保护”的理念，因此，只有妥善处理隧道设计与使用者、自然以及资源的相互关系，才能搞好隧道设计的多方面要求，如横断面建筑限界选定、洞口设计、洞内路面设计、防排水设计等。

1.1.1 隧道洞口设计

隧道的洞口设计包括其洞口段、洞门、明洞和边仰坡设计。洞口的设计应该尽可能的与洞口的地形、地质相适合，保护自然环境，尽量避免从洞口开挖。从地质、地形以及围岩等客观条件来看，隧道的洞口并不稳定，因此，选择合理的洞口位置是保证设计质量的关键。隧道洞口为了安全，应该避免在：受洪水、泥石流等威胁的位置；岩层松散、破裂、风化严重、滑坡、容易发生坍塌的位置；地形等高线与隧道轴线斜角的位置等等。

隧道的洞口是保证施工安全进行的重要保证，具有改善和美化洞口环静、保持边坡稳定、防止坍塌等自然灾害等作用。隧道的洞口一般采取明洞式和端墙式两种结构，端墙式一般包括台阶式、柱式、拱翼式洞门，而明洞式则包括削竹式、直削式、倒削式、棚洞式、框架式以及喇叭式洞口。其中，端墙式适用于山凸、斜交地形及仰坡陡峭等狭窄地形，它对于地基的承载能力比较高，而明洞式则适用于地形开阔、仰坡坡度较小等宽敞地带。

1.1.2隧道内路面设计

隧道内地下水对于路面的影响比洞外更大，洞内行车环境又比外界大，维修难度大，介于种种因素，保证隧道地面的耐久性变得更加重要。

隧道内的路面包括带仰拱隧道的仰拱填充隧道路面以及不带仰拱的天然石质路面。前者受地下水的危害相较于后者较小，只要严格按照仰拱路面的材料要求和填充要求施工便能保证路面的稳定性、匀质性和密实性。而不带仰拱的天然石路基则受地下水的影响比较大，因此，需要用完整性好的、没有显著软化的中硬或硬岩以上的岩石作为天然路基。

隧道路面一般采取复合式结构，因此，为了保证行车的安全，要再洞口内外一

定长度内，保持洞内路面和洞外路面的一致。

1.1.3隧道的防排水设计

隧道的水害会由洞内、洞外的多种因素引起，隧道的防排水设计也应该采取防、排、堵截三者的结合，要因地制宜，综合治理。要做到对地下水以及地表水进行完善处理，形成一个洞内外完整而又通畅的防排水体系。

根据大部分隧道设计在山地，而有些洞口又与沟谷相交叉，因此应该根据沟谷的汇水面积计算其洪水流量，采取改移水道或者架设渡槽等方法来解除水对洞口的安全威胁。

有地下水威胁的隧道应该定制完备的防排水措施，防患于未然，做到有备无患。

2.1隧道的交通安全以及对策

近年来，我国的交通运输得到长足的发展，山区隧道建设也被带动，然而，在公路隧道为社会发展、人民便利做出重大贡献的同时，交通事故又带来了大量的人员伤亡和巨大的经济损失。

由于隧道是山区高速的主要结构，在山区高速公路中又占有很高的比例，而公路隧道建设又有着复杂的建筑结构以及对地理环境的高要求，因此很多隧道已经成为了交通事故多发区域。介于此况，从隧道交通事故的起因分析、探讨隧道设计的问题、改善隧道的管理有着极其重要的意义。

2.1.1隧道事故多发的原因分析

1）隧道入口处多为弯道、坡道，道路走向受到用地条件的制约，甚至有的隧道入口时多弯道、长下坡的路段。

2）隧道内外光线差异也是引起隧道交通事故的一大原因。较长的隧道内部光线较少，即便隧道内部有着照明装置，但是仍然存在明显的明暗程度差异。

3）隧道入口段与隧道内部路面材料的不同也会导致交通事故。沥青路面具有可燃性，对隧道的消防不利，因此隧道内部一般采用水泥路面，而隧道外部则大多为沥青路面，两者材料不同，路面附着系数也因此存在明显差异。

4）隧道入口处易积水，会对车辆行驶造成较大的影响。

2.1.2隧道事故特征分析

1）冬天、春天交通事故较多，原因是冬季山地结冰现象严重，而春季雨水较多，路面潮湿，都影响了车辆在隧道中的正常行驶，因此要着手增加路面附着系数。

2）大货车、微型车在交通事故中比例较大，原因为大货车重心高，出现超载的情况极易导致事故发生，而微型车速度过快，重心偏高，也易发生交通事故，因此隧道内部要严格控制车速，一变降低事故发生几率。

3）隧道的交通事故中，追尾事故居多，连环追尾又占有一定的比例，因此隧道内要改变内行车视距以减少此类事故的发生。

2.1.3隧道交通事故的影响因素

1）地理环境

隧道所在地大多为山地地形，隧道入口处多为坡道和弯道，这些地理环境都极易发生交通事故，尤其在雨天、雪天等天气恶劣时，更易发生车辆甩尾、侧翻等交通事故。

2）天气原因

雨天，路面附着系数大大下降，车辆附着力也因此明显降低，车辆容易打滑导致方向失去控制，从而产生各种如撞击隧道壁、原地掉头、甩尾、横卧路中的交通事故。

3）视觉影响

车辆高速驶入隧道，容易产生“黑洞效应”，就是在驶进隧道时，从洞外看隧道内感觉像一个黑洞，以致难以辨认导致发生交通事故。刚进入隧道时候，驾驶员一般难以适应光线的变化，因此视觉明暗的突变会引起视觉障碍从而威胁行车安全。

4）路面附着系数变化的影响

隧道相对于外面的路面是封闭环境，尘埃、杂物等长期得不到清除，又得不到雨水冲刷以及阳光的曝晒，路面的附着系数会逐渐降低，因此当车辆高速驶入隧道时，车辆容易打滑而发生甩尾、横卧等失控状况，从而导致车祸的发生。

5）隧道线性与线性组合因为隧道内特殊的视觉环境，线性设计不良的隧道更容易发生交通事故。隧道出口处的不良线性组合也经常会导致视距不良和错觉现象，再加上出洞口时会出现眩目现象，更容易引发交通事故。

2.1.4隧道交通安全对策

1）隧道设计时应该尽量选择和道路走向适应的地段，而且应该尽量避开弯道、坡道的影响，特别是连续弯道以及长坡道，并且在隧道入口前路段设置必要的减速带，强制车辆慢行，降低车速，避免发生意外。

2）提高隧道内部路面的附着系数，减小与外界路面附着系数的差距，加建防滑槽，定期对隧道内路面进行清洗，使提高隧道内部路面的附着系数，防止车辆因打滑而造成的种种安全事故。

3）增加隧道内的照明设施，增加亮度，减少洞内外明暗差，从而减少驾驶员明暗适应时间，解决隧道入口处人眼不适的问题，尽量消除隧道进口处的安全隐患。采取合适的明暗交替过渡长度，并且可以采取适当设置，比如在洞口设置遮阳棚等。

4）隧道内外水泥路面和沥青路面应该提早进行过渡，以便使驾驶员尽早适应，避免在洞内突然改变附着系数，从而受到附着系数差异以及明暗差异的双重影响，更易引发交通事故。

5）要注意隧道内的防护设施的维修与建设。隧道内一旦发生事故，车辆便会撞击隧道壁、路缘石，如果车速过快，很容易造成巨大的伤害，因此有必要在隧道内增设护栏，缓解车辆与隧道的冲撞力，在某些时候还能减轻车内人员的伤害程度，同时，护栏还能增加驾驶员的视觉诱导功能，更能避免事故的发生。

6）加强危险信号标志以及路牌，在危险状况下设置信号预警灯，让驾驶员能够得到警示，做好心理准备，尽早提醒驾驶员前方有隧道，应该控制车速。总结：我国的公路隧道事业正在持续而又高速的发展，隧道工程是一个复杂的交通系统，需要保证其安全性，次而才能保证其对人民产生各方面的便利，改善人民的生活质量，提高生活水平，使人民过上舒适、高效、经济的生活。我国对于隧道工程的设计仍然需要进行进一步的研究，造出更好的公路隧道，为国家、人民、社会和世界谋利。

参考文献：

（1）张永辉 隧道设计的技术要点[J] 2008 交通世界 141

（2）叶飞，苏臣宏。公路隧道营运安全分析及对策[J]。现代隧道技术，2003.（3）周干峙等.发展我国大城市交通的研究.北京:中国建筑工业出版社.1997.43-56.（4）姜华平等，高速公路车辆超速行驶交通事故分析[J]。交通运输系统工程与信息，2003

（5）何家祥，等高速公路隧道交通安全问题及对策分析[J] 公路交通技术 2006.6

（6）王振光 浅谈公路隧道施工[M] 工程科技

篇7：音频大地电磁在铁路隧道工程勘察中的应用

关键词：可控源音频大地电磁法,隧洞,断裂

0 引言

目前在复杂地质条件的秦岭山区已经修建了多条铁路、公路及水工等隧洞工程, 隧洞施工前必须进行地质勘察工作, 地球物理勘探是地质勘察的重要手段之一, 随着隧洞施工技术的发展以及隧洞施工工艺的不断提高, 超长深埋隧洞工程日益增加, 地质勘察的难度不断增大, 对地球物理勘探方法的探测深度要求越来越高。

当今普遍应用的常规物探方法主要分直流电法 (电测深法、高密度电法) 、电磁波法 (地质雷达法、瞬变电磁法) 、弹性波法 (折射波法、反射波法) 等。但由于常规物探方法探测深度浅、工作效率低、受地形影响大等缺点, 现已难以满足山区复杂地形条件下实际勘察工作的深度和精度需要。可控源音频大地电磁法探测是自20世纪70年代引入, 20世纪80年代末开始兴起的一种地球物理探测新技术, 与常规电法相比, 可控源音频大地电磁法具有探测深度大、工作效率高、抗干扰性强、受地形影响相对较小、设备相对轻便和横向分辨率高等特点。

在秦岭输水隧洞区采用可控源音频大地电磁法开展了深部断裂构造研究, 确定了该区地质构造的分布情况, 取得了令人满意的实际应用效果。

1 可控源音频大地电磁法工作原理

可控源音频大地电磁法简称CSAMT法, 是地球物理勘探方法中的电磁波法。它是在大地电磁法 (MT) 和音频大地电磁法 (AMT) 的基础上发展起来的人工源频率域测深方法。由于不同频率的电磁波在地下传播有不同的趋肤深度, 通过对不同频率电磁场强度的测量就可以得到该频率所对应深度的地电参数, 从而达到测深的目的。其工作频率一般从几万赫兹到零点几赫兹。它通过沿一定方向 (设为X方向) 布置的供电电极AB向地下供入某一音频f的谐变电流Ι=Ι0e-iωt (ω=2πf) , 在一侧60°张角的扇形区域内, 沿X方向布置测线 (见图1) , 沿测线逐点观测相应频率的电场分量Ex和与之正交的磁场分量Hy, 进而计算卡尼亚视电阻率:

和阻抗相位:

式中:φEx、φHy为Ex和Hy的相位;μ是大地的磁导率, 通常取μ0=4π×10-7 H/m。在音频段 (n×10-1~n×103 Hz) 逐次改变供电电流和测量频率, 便可测出卡尼亚视电阻率和阻抗相位随频率的变化, 从而得到卡尼亚视电阻率、阻抗相位随频率的变化曲线, 完成频率测深。

2 工程概况

2.1 自然地理条件

秦岭输水隧洞长约81.8km, 位于秦岭西部山区, 主要包括秦岭岭南中低山区 (Ⅰ) 、秦岭岭脊高中山区 (Ⅱ) 、秦岭岭北中低山区 (Ⅲ) 三个大的地貌单元组成 (见图2) 。隧洞埋深普遍较大, 大多在500m以上, 最大埋深超过2 000m。

2.2 地层岩性

秦岭输水隧洞区岩性主要以变砂岩、千枚岩、片岩、石英岩、变粒岩、大理岩、片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩和闪长岩等为主。

2.3 地质构造

隧洞区通过3条区域性大断裂及4条次一级断裂, 33条地区性一般性断裂。多数表现为压性, 少数表现为张性及平移性质, 断带物质主要由碎裂岩、糜棱岩、断层角砾岩及断层泥等组成。

MG-发电机;Tx-发射机;A、B-供电电极;Rx-接收机

2.4 地球物理特征

CSAMT方法主要是以电阻率的差异来区分岩性及构造。能够识别地下地质体的电性参数, 有电阻率量值的大小和在地下的展布形式, 影响电阻率的主要因素有矿物成分、岩石结构、地质构造、含水情况等多种因素。由于受山区地形条件的限制, 部分断层带通过地段地势陡峻, 地形变化大, 地面无法布置测线, 未能进行探测, 现以经验统计和本区地球物理的反演结构分析, 给出探测到的断层带电阻率值 (见表1) 。

3 资料处理、分析与解释

3.1 资料处理

原始数据经预处理后导入Winglink软件处理解释, 通过D+处理编辑曲线, 提高了数据的信噪比和可解释性, 在频域电阻率和相位断面图下, 甄别异常的可靠性, 对曲线进行静态校正, 然后对剖面数据进行带地形的二维非线性共轭梯度反演, 检查曲线反演拟合效果。多次反复编辑曲线, 调整反演参数, 使反演曲线拟合良好, 结果合理, 具有地质可解释性。

3.2 资料分析与解释

断裂构造由于受应力作用, 使原岩的连续性遭受破坏, 岩石破碎裂隙发育, 多被水或泥质充填, 从而引起了电阻率的降低, 破坏了电磁场的连续稳定性, 使电位场发生畸变, 通常反应为明显的低阻异常, 但随着断层中含水量的不同, 电阻率的反应将有明显的差异。反映在视电阻率等值线剖面图上, 表现为视电阻率等值线的扭曲、错动、变形、宽度突变、出现“V”字形低谷等, 在区内当断裂带富水性越好水温越高时, 此时电阻率越低。资料分析与解释依据以上原则进行。

4 可控源音频大地电磁法解释成果

地球物理解释的基础是依据CSAMT电阻率反演断面图, 结合地质资料, 并详尽分析野外实测原始曲线, 物探成果如下:

(1) K1+720~+975段, 为低阻带, 电阻率300~1 000Ω.m, 发育在大理岩、石英片岩中, 解释为fs1断层破碎带, 向南陡倾。

(2) K2+570~K3+040段, 在电阻率断面图上形成同一条低阻带, 电阻率300~700Ω.m, 发育在大理岩、石英片岩中, 解释为fs2、fs3断层破碎带, 工程中应注意破碎带和突涌水危险。

图3是位于K1+400~K3+200段一条剖面, 从反演电阻率剖面可见在G185~G183号点之间, 断层向南倾, 前期勘察中没有发现, 暂且定名为fs1-1, 有待于隧洞施工地质工作的验证;G181~G177号点之间, 断层向南倾, 推断为fs1断层;Gg1~G170号点之间附近断层向南倾, 推断为fs2、fs3断层破碎带及影响带。

(3) K27+850~+950段, 电阻率明显低于两侧岩体, 电阻率1000~3000Ω.m, 发育在花岗岩、石英岩中, 推测为断层破碎带。

图4是位于萝卜峪沟一条剖面, 从反演电阻率剖面可见在B3~B5号点之间, 断层向南倾, 延伸大, 暂且定名为fjw7, 前期勘察中为不整合接触带, 有待于隧洞施工地质工作的证实。

(4) K65+000~+120段, 为低阻带, 电阻率500~1 000Ω.m, 发育在角闪石英片岩中, 解释为f18断层破碎带, 有明显含水异常。

(5) K65+480~+650段, 为低阻带, 电阻率20~300Ω.m, 发育在角闪石英片岩、花岗岩中, 解释为f19断层破碎带, 有明显含水显示, 陡倾。

图5是位于秦岭输水隧洞北段黄草坡沟右侧山梁上的一条剖面, 从反演电阻率剖面可见在40325~40625号点之间, 断层向南倾, 延伸大, 推断为f18断层;41225~41425号点之间, 断层向北倾, 向下延伸与f18断层交汇, 前期勘察中没有发现, 暂且定名为f19-1, 有待于隧洞施工地质工作的证实;41525~41625号点之间附近, 断层向南倾, 延伸大, 推断为f19断层。

5 物探结果与实际施工对比分析

K1+720~+975段, 推测为fs1断层破碎带, 发育在大理岩、石英片岩中。与实际开挖相吻合, 断层带物质为碎裂岩, 两侧岩性为大理岩, 有地下水发育, 水量不大, 以渗滴水为主。

K2+570~K3+040段, 推测为fs2、fs3断层破碎带, 岩性为大理岩、石英片岩。与实际开挖基本吻合, 岩性为大理岩, 发育有岩溶裂隙, 地下水沿岩溶裂隙涌入洞内, 水量大, 呈股状涌水。

K27+850~+950段推测为一陡倾断层破碎带, 岩性为花岗岩、石英片岩。隧洞实际开挖为不整合接触带, 与前期勘察结果相吻合, 岩性为花岗岩向石英片岩过渡, 物探推测与实际有一定出入。

K65+000~+120段推测为f18断层破碎带, 两侧岩性为角闪石英片岩。与隧洞实际开挖基本相符, 岩体较破碎, 断层带物质为碎裂岩, 断层破碎带宽约1~3 m, 比推测断层破碎带窄, 两侧岩性为角闪石英片岩。洞室拱顶及边墙滴水。

K65+480~+650段f19断层破碎带, 两侧岩性为角闪石英片岩、花岗岩, 解释为, 含水, 陡倾。与隧洞实际开挖基本相符, 岩体破碎, 断层带物质为碎裂岩、糜棱岩、含少量断层角砾及断层泥, 断层破碎带宽50~58m, 比推测断层破碎带窄, 两侧岩性为角闪石英片岩、花岗岩。洞室拱顶及边墙滴水及线状流水。

6 结语

(1) 可控源音频大地电磁法在超长深埋秦岭输水隧洞勘察中取得了良好的效果, 但它采用的反演法具有多解性, 因此工作中还采用了多种勘察手段相互补充, 并用少量钻孔加以验证, 提高了解译的精度。

(2) 通过本次工作准确定位了区内主要断裂构造的位置、产状及其覆盖层厚度。在后期深钻孔施工中, 进一步验证了CSAMT法在深部构造探测中是非常有效的地球物理勘探方法。

(3) 由于秦岭输水隧洞目前正在施工中, 对上述物探成果的对比分析仅仅针对现在的施工进度而言, 随着工程的进展, 还将不断完善和提高地球物理反演法的准确性及可靠性, 使物探成果更接近实际情况。

参考文献

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[2]安志国, 底青云.CSAMT对低阻薄层结构分辨能力的探讨[J].地震地磁观测与研究, 2006, 27 (2) :32-38.

[3]黄力军, 陆桂福, 刘瑞德.可控源音频大地电磁测深法应用实例[J].物探化探计算技术, 2006, 28 (4) :337-341.

[4]周孝宇.可控源音频大地电磁测深 (CSAMT) 新技术原理与应用[J].广东公路交通, 2006, 97 (S) :17-19.

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[6]景云萍, 陈松, 刘伟.可控源音频大地电磁测深法在玉蒙铁路隧道工程勘查中的应用与对比分析[J].云南大学学报, 2007, 29 (S1) :726-730.

[7]成江明.可控源音频大地电磁测深在隐伏断裂勘察中的应用研究[J].地球物理学进展, 2008, 23 (4) :1 269-1 272.

篇8：音频大地电磁在铁路隧道工程勘察中的应用

关键词：音频大地电磁法；找矿；应用

引言：

伴随着国民经济的急速发展，国家经济建设对矿产资源的需求日益提升，显著经济层次情况便是现如今矿产资源价格不断高涨，在投资行业的表层情况则为对矿产资源勘探和开发几近疯狂的资金投入[1]。现阶段，矿产资源开采力度不断加强，各式各样矿产资源变得越来越稀缺，为了有效应对这一情况，要求不断对矿产资源开采方法予以改进，矿产资源的合理开发利用变得愈来愈重要，由此可见，研究音频大地电磁法在地区找矿中的应用有着十分重要的现实意义。

1.音频大地电磁法概述

音频大地电磁法，起源于上世纪八十年代，属于一类新型地球物理勘探技术[1]。结合相关磁场公式可得知，通过地面上检测的两个正交水平电磁场获取地下视电阻率，即是音频大地电磁法测深的基础。结合电磁波趋肤效应理论，可得知，在地表电阻率固定情况下，探测深度会伴随着频率升高而变浅，相反的，频率越低探测深度便会越深，可见通过对发射频率的调节，能够对探测深度进行改变，从而实现频率测深的目的。

2.地区地质概况与地球物理特征

2.1地质概况

本次研究选取位于安徽省某部工区，工区出露地层多属于第四系覆盖层。覆盖层上部包括灰褐色、灰黄、青灰砂土及中粒砂、细粉砂等；中部包括中粗砂、黄色亚黏土及钙质结核等；下部包括灰白、棕红及青灰色黏土、亚黏土、钙质黏土，底部含砾石。结合该区域地质资料可见，这一工区沿测线方向岩层构造十分复杂，岩层倾角十分大，一些岩层几近自立状态。

2.2地球物理特征

结合对该工区矿岩石电阻率的测定，可发现，其中上侏罗统电阻率比较低，常规达到数百Ωm，前震旦系及震旦系常规电阻率都超过数千Ωm，同时有着厚度大、分布广泛等特征。工区内老地层中的赋矿层和震旦系的泥灰岩、页岩，电阻率约数百至数千Ωm，相较于老地层中的其他岩石明显更低，相较于上侏罗统则更高，能够生成显著的电性反映[2]。

3.野外工作方法

20世纪80年代后期，美国的宗吉公司、加拿大凤凰公司基于对频率测深理论的应用，首次开发研究了音频大地电磁法测量仪器系统，编写了软件，并创建了野外工作方法。为了应对工区之中存在的高速公路、村庄、高压线等干扰因素， 同时工区勘探深度比较大，需要选取勘探深度比较大、抗干扰能力比较强的音频大地电磁法。此次勘探所选取的仪器为美国Zonge公司研制开发的GDP-32II型多功能电法仪。在本次音频大地电磁法野外工作过程中，结合本次勘探的目的任务及工区地面状况，在观测位置施工中布置梯形面积，测线方向为南北向，自西向东共布置32条测线，包含 412个测点，7个试验点，24个质量检查点，共计443个物理点。供电偶极布设长度为1km，所有测点的收发距均大于5.5km，供电电流均保持在12A 以上，低频达到17A 以上，有效的解除由于距离过大而造成的接收信号较差的不足，为充足信号强度获取有利保障[3]。

4.成果总结

4.1资料解释

1500～13900 m测线段：I.地表电阻率偏低，在10 ～70Ωm范围，推测是第四系覆盖层，厚度范围50～200 m；II.下方基岩电阻率在1 00～2 500Ωm范围，与地质资料为下元古界凤阳群地层吻合，岩体以角闪黑云质似眼球状混合岩为主[4]。

4.2异常推断

如图1所示，14400～14900m测段存在一低电阻率异常区，电阻率值范围在40～65Ωm之间，结合相关数据推测，造成这一低电阻率异常区的原因是含磁铁矿层角闪黑云斜长变粒岩、黑云斜长片麻岩；推断其顶部埋深为400m，底部埋深为1000m，异常宽约500m。15400～14900m测段存在一低电阻率异常区，相比于局部围岩电阻率更低，电阻率值范围在10～40Ωm之间，结合相关数据推测，造成这一低电阻率异常区的原因是含磁铁-镜铁矿层白云石大理岩、片岩[5]。

图1 反演地电断面示意图

5.结束语

总而言之，伴随着我国国民经济的飞速发展，社会经济建设对矿产资源的需求不断提升，从而使得矿产资源开采力度日益扩大，矿产资源变得越来越稀缺，为了有效应对这一情况，要求不断对矿产资源开采方法予以改进，矿产资源的合理开发利用变得愈来愈重要。音频大地电磁法属于一种得到长时间使用的物探方法，在地质领域已日趋完善，在矿产资源勘查中扮演着十分重要的角色，在对我国重要矿产资源进行勘查的过程中，技术人员务必要结合我国实际地质情况，全面分析音频大地电磁法存在的不足，不断专研、研究，以使音频大地电磁法更好地为地区找矿所用。

参考文献：

[1]陈 凯，孔德旭，韩飘平，郝乐辉. 音频大地电磁法在相山地区的找矿应用[J].东华理工大学学报（自然科学版），2013，36（S2）：87-90.

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[3]蒲 举，陈 宁，武娇阳.可控源音频大地电磁法在矿产勘查中的应用[J].中州煤炭，2011，11（01）：25-28.

[4]冀鲁雪，翟培合.可控源音频大地电磁法在煤矿富水区勘探中的应用[J].山东煤矿科技，2014，11（02）：152-154.

[5]宋希利，彭玉明，王仕昌. 可控源音频大地电磁法在平阴县地质灾害调查中的应 用效果[J].山东国土资源，2010，26（07）：13-16.

李金龙（1988-），男，汉族，四川广安人，物探组长，本科，单位：辽宁省核工业地质勘查院，研究方向：物探

邮寄地址：辽宁省沈阳市皇姑区，黑龙江街23号，110032

李金龙，18624010478

篇9：大地电磁在隧道探测中的应用

1.1 麦克斯维方程组

电磁法勘探的基本方程是麦克斯维方程组:

式中E为电场强度;B为磁感应强度;D为电通量密度;H为磁场矢量, 为哈密顿算符。

1.2 EH4电磁测深系统介绍

1.2.1 EH4电磁测深系统特征

EH4工作频率范围在0.1Hz-100KHz之间, 属于高频电磁测深频带范围。EH4系统在勘探中有许多优点, 具体表现为: (1) EH4电磁测深系统提供二维张量测量与处理、解释; (2) 提供探测区外的场源, 为某些频段信号差提供重要参考数据; (3) EH4电磁测深系统适用各种地形, 采集数据效率高。

1.2.2 EH4电磁测深系统工作方法

EH4电磁测深系统工作首先是从野外采集电磁场数据 (Ex、Ey、Hx、Hy) , 进而进行去噪、信号加强等处理, 然后通过二次处理输出相应数据。根据EH4工作方法可以看出, 其剖面测线的选择很灵活, 测线布设不一定走直线, 这大大提高了勘探效率。

2 大地电磁在隧道探测中的应用

2.1 工区概况

西南某公路隧道大部分地势比较平缓, 但局部地区较陡, 海拔高差在400米左右。自上而下的地层包括第四系的卵砾石、黏土等松散岩土层, 侏罗系自流井组砂、泥岩, 三叠系须家河组含煤砂、泥岩;雷口坡组石灰岩等。从电性特征来看工区完整的岩体与软弱岩体、破碎岩体存在着明显的电性差异, 这为大地电磁测深勘探提供了前提保障。

2.2测线布设

从勘探目的来看, 隧道中开展大地电磁法主要是为了查明地下一一一定定定深深深度度度范范围围内的岩性, 并划分地层界线, 判断地下断层、破碎带发育情况和分布位置。因此测线沿隧道中线布设, 电极距为20米, 测点点距距为为20米。

2.3资料处理解释

2.3.1 EH4资料处理与解释流程

(1) 资料处理。为保证解释数据定性、定量解释的真实可靠, 需要对外业采集的原始资料进行预处理, 包括极化判别、静态效应校正、视电阻率曲线编辑等。 (2) 定性分析。定性分析的内容包括曲线类型分析、参数分析、相位分析等。 (3) 资料反演。主要的反演方法包括Bostick反演、一维连续介质反演、二维连续介质反演。 (4) 结合地质、钻探、测井等资料, 综合解释地下地质构造情况, 并绘制电学地质断面图, 提供综合解释成果。

2.4 应用分析

2.4.1 低阻层断面分析

图1为隧道低阻层段的大地电磁测深综合解释成果图。

从图1可以看出, 红色直线代表隧道洞身的位置, 该解释剖面位于隧道进口段, 地形起伏较大, 埋深较浅。从电阻率断面图可以看出, 整体电阻率值都偏低, 说明岩体总体比较软, 并且破碎。在岩体极破碎位置或岩溶发育的位置, 出现明显的低阻团块和等值线下凹畸变。地表和近地表覆盖层电阻率非常低, 说明岩土层非常疏松, 含水性高, 在施工过程中应注意涌水、塌方等地质灾害。

2.4.2 高阻层断面分析

图2为隧道高阻层段的大地电磁测深综合解释成果图。

从图2可以看出该测线段位于隧道中深部地段, 电阻率没有明显的低值, 电阻率相对比较高, 说明此段岩体比较完整, 以下部老地层基岩为主。低电阻率层以地表和近地表的覆盖层为主。

3 结束语

文章从电磁场原理出发, 讨论了高频大地电磁场的特征和EH4系统的工作方法, 并结合实际大地电磁资料, 分析了隧道低阻层段和高阻层段的电性断面。应用结果表明, 大地电磁法在隧道探测中具有良好的可行性和有效性。

参考文献

[1]刘国栋, 赵国泽.大地电磁法新进展[J].地球科学进展, 1994, 9 (4) :97-100.

[2]刘国栋.我国大地电磁测深的发展[J].地球物理学报, 1994, 37 (增刊1) :301-310.

篇10：音频大地电磁在铁路隧道工程勘察中的应用

关键词：可控源音频大地电磁法；隐伏活动；断裂层；探测

前言：可控源音频大地电磁法是电磁法的一种，其具备很多自身的特点和优势。由于地壳运动及地震的频频发生，导致矿区隐伏活动大量出现，导致地层发生断裂，对周边环境等造成较大的安全威胁。利用相应的电磁法对所在区域加以测量和探测，搜集相关数据，并制定解决方法，提高隐伏活动断裂的探测水平及效率，丰富数据资料。

1 CSAMT工作原理

CSAMT（可控源音频大地电磁法）主要利用人工控制场源加以频率探测。由于人工场源能够有效解决信号微弱的问题，通过此方式将地面的波全部当做平面波，在频率较低的情况下会发生电阻减少的状况，并且坐标中出现45度角的现象，从而产生进场效应。在将数值校正后，加以CSAMT的反演[1]。CSAMT主要观察地面，而由于电极产生的波来自不同的方向，且其运输方法通常为地面波、地层波、天波等。而不同的波種类其长度存在一定的差异。

2区域地质状况

山东省某地区为平原，其地质构成主要为断裂层，断裂方向为北东及西东两个方向，断裂区域繁多，褶皱发育较为完整。依照相关地质数据，此地区的北东断裂区和西东断裂区有交点。此区域共有4系构成，主要为奥陶系、青白口系、侏罗系、石炭系等等。利用对不同岩层的计算和搜集，并且结合原有的岩石电阻数值，可以将此地区的电阻率划分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的等级。此区域的不同岩层存在很显著地电阻差异，而因此电磁法师应用岩石的电性差异加以测深的，所以此地区能够满足此电磁法的要求和使用条件。如图1为山东省某地区地形地势图。

图1：山东省某地区地形地势图

3野外数据搜集

本次测量中，采用V-8（加拿大凤凰公司生产）设备展开勘探，通过利用此电磁法对资料加以搜集。通过运用其中的一个场源计算电场和磁场的分量。而分别设置水平和竖直两条测量线，并且保证竖直方向呈90°角[2]。整个CSAMT系统还包括磁探头、不同电极、辅助接收机、发射机等等。发射机应保证最高功率为20000瓦，且最高输电U为1千伏。

如要达到搜集到准确有效的数值，应选用恰当的参数（电流值、信号频率、收发之间的距离等）加以探测和工作。发射偶极之间的距离为1200米，收发距离为600米。由于有用的信号并无法全面地防止信号变弱。然而由于其所在地区的地势、周边环境、物质等都存在不同，会对发射信号、场源、电阻值等形成一定的影响。因此如果要保证信号的有效，则应选择正确的收发距离，并且确定电极长度，由此能够很大限度上保证得到的资料和数值的准确有效。勘探过程中，选取合适的频率，最大频率值为7.7×103赫兹，最小频率值为1赫兹。并且对水平分辨能力，设置其接收信号的距离是30米。并且将相关信号发射等设备纳入考察标准中，增加控制信号的性能，实现数值准确率提高的目标。如想最大程度保证数据的重叠数量科学合理，避免被周边环境影响，需要将整体频率值的搜集时间定到40分钟到90分钟之间。

4数据处理

通常情况下，数据处理的成果和野外数据采集的成果有着极大的相关性，在将相关野外数据进行搜集整理过程中，应将不合理和不需要的数据排除，避免其影响整个测量结果。利用V-8仪器设备，并采用可视软件等进行数据的统计和计算管理，其能够在很大程度上达到勘探目标[3]。在讲数据存入和统计后，保存在计算机中，并且将其打印出来，使得数据表达更加直观和直接。数据反演也是对隐伏活动断裂探测的重要流程之一，利用合适的反演方式加以准确评价，并且利用NLGG技术实现所有数据的反演。对此地区的反演方法可以选择二维模式，选择光滑度适当的参数（20左右），将视电阻率与相关数据的差错空载在2%～4%之间。由此观察到，其断裂区域的断距是200米，另一断距为100米，两个断面呈65°角，且断裂的S方向与N方向的岩层存在非常显著的不同和差异，可见其S方向的岩石构造主要为泥岩，且视电阻率较低，而N方向的岩石主要为火山岩，视在电阻率较高。在此基础上确定钻孔位置，则可实现深度勘探。

结论：隐伏活动断裂的出现很大程度上受到地震、地壳运动的影响，为煤矿开采等工作造成一定的困扰和安全隐患。利用人工场源能够提高抗干扰能力，保证信号的强度。而可控源音频大地电磁法正确利用这种方式实现探测的，应广泛并深入应用到隐伏活动断裂探测中。

参考文献：

[1]陈长敬，丁培超，罗士新.可控源音频大地电磁测深在隐伏断裂勘察中的应用研究[J].价值工程，2011，09（29）：295-297.

[2]成江明.可控源音频大地电磁法在隐伏煤矿区的应用[J].地球物理学进展，2010，04（12）：1269-1272.

[3]李立民.可控源音频大地电磁法在秦岭输水隧洞断裂勘察中的应用[J].中国农村水利水电，2014，08（03）：131-133.

篇11：音频大地电磁在铁路隧道工程勘察中的应用

在天柱山风景区开展地热资源勘查不仅能促进当地旅游经济的良性发展, 还有利于节约能源以及构建良好的生存环境。天柱山地热异常区主要位于潜山县城西侧9km的潜水北岸。区内地形起伏较大, 西北部为低山丘陵区, 由晚太古代深变质岩系及侵入岩组成;中部为丘陵岗地, 与皖西山地分界明显, 顶圆坡缓, 由第三纪的红色砂岩及砂砾岩组成;东南部潜河沿岸为堆积剥蚀波状平原, 由更新世和全新世冲洪积物组成, 地形较平坦。

以下应用可控源音频大地电磁法 (CSAMT) 结合激电剖面测量, 对潜山县天柱山风景区深部高温地热分布范围、埋藏深度、厚度、及热储特征等进行分析。

1 CSAMT方法、仪器设备、工作量

1.1 CSAMT法原理

可控源音频大地电磁法简称CSAMT法。该方法是20世纪80年代末兴起的一种地球物理新技术, 它基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组导出的水平电偶极源在地面上的电场及磁场公式:

式中:I为供电电流强度;AB为供电偶极长度;r为场源到接收点之间的距离。

将 (6) 式沿x方向的电场 (Ex) 与 (5) 式沿y方向的磁场 (Hy) 相比, 并经过一些简单运算, 就可获得地下的视电阻率 (ρs) 公式:

式中:f代表频率。由 (7) 式可见, 只要在地面上能观测到两个正交的水平电磁场 (Ex, Hy) 就可获得地下的视电阻率ρs, 有人也称卡尼亚电阻率。

又根据电磁波的趋肤效应理论, 导出了趋肤深度公式:

式中:H代表探测深度;ρ代表地表电阻率;f代表频率。从 (8) 式可见, 当地表电阻率固定时, 电磁波的传播深度 (或探测深度) 与频率成反比。高频时, 探测深度浅, 低频时, 探测深度深。人们可以通过改变发射频率来改变探测深度, 从而达到变频测深的目的。

可见, 穿透深度与频率的平方根成反比, 与大地介质的电阻率的平方根成正比。不难看出, 当工作频率高时, 探测深度小, 随着工作频率的降低, 探测深度也随着增大。当我们在一个宽频带上由高频向低频测量每个频点上的E和H, 由此计算出时电阻率和相位变化规律, 据此确定该点上一定体积范围内地下介质的结构情况, 这就是电磁测深的基本原理。

1.2 野外施工方法

本次工作使用加拿大凤凰公司生产的V8电法工作站, 在世界属技术领先的电磁法勘探设备之一, 系统由V8主机、辅助接收机、发射控制器、大功率发电机、30k W发射机和T4发射机 (TEM用) 、磁棒、接收线圈等组成该系统的硬件部分, 并配有GPS和网络通讯系统, 可以进行CSAMT、TEM、SIP、MT、AMT、TDIP多种方法测量, 野外工作方法见图1。

该系统的最大特点就是采用了网络系统, 在主机 (V8-Reciever) 就可以对辅助接收机 (Auxiliary-Box) 和发射控制器 (Transmmiter) 进行操作;利用GPS卫星时间达到时钟同步, 减少了由于时间不准对数据的影响, 增加了多种滤波功能, 选择不同的滤波参数以达到抗干扰的能力。

为了达到深度要求以及满足解释需要, 频率选择为9600~0.125Hz, 采用自动采集4F30系列, 发射和接收采用GPS时钟对时达到时间上的严格一致。AB偶极根据不同测区剖面的长度, 分别选择为2000m, 收发距为7~8km。最高频率2844Hz, 最低频率0.20833Hz。共37个频点。

正式开展工作前, 首先对仪器进行标定以确定仪器处于良好的工作状态。为了使仪器适应较宽的噪音背景工作状态, 我们分别对仪器各道各频率的12个增益进行了标定, 测量时仪器根据信噪比的情况选择最佳信噪比的增益, 并且在每个工区进行磁棒的标定。标定结果说明仪器的工作性能良好, V8的主要部件不能通过自身标定的就无法使用。

本次工作共完成可控源音频大地电磁测深点214个, 剖面长度9.75km, 探测有效深度2000m。大功率激电剖面点499个, 剖面长度9320m。

CSAMT检查点全区总均方差3.78%。原始观测曲线与检查观测曲线一致性较好 (图2, 图3) , TDIP检查点全区总均方差3.479%。原始观测曲线与检查观测曲线一致性较好 (图4, 图5) , 全区资料可靠。

2 CSAMT法数据处理

对实测资料处理和解释, 按照如图6的流程进行。

2.1 地形改正

地形改正进行了两方面的工作: (1) 测点间距校正; (2) 二维地形正演模拟。

二维地形对视电阻率影响正演模拟在进行反演计算前, 先对地形影响进行二维正演计算, 然后将实测值减去地形影响值, 进入反演计算。由于工区地形复杂, 很难做到发射的电磁波信号和各测点在同一高程平面上, 这势必引起各测点上数据的不一致性。为此需要详细测量各测点的高程, 在二维地形影响正演计算结果的基础上根据经验对山体或沟的形态可能的影响做了定性分析, 在反演结果解释时给予了一定的考虑。

2.2 近场校正

由于CSAMT方法本身的原因, 发射源总是放在有限的距离以内, 造成了接收机在接收不同频率电磁波时, 其高频段在远区, 电阻率值一般不发生畸变, 但其低频段处于近场区, 电阻率值将发生明显的畸变, 主要表现为当低于某一频率段, 在ρs原始曲线图上电阻率曲线呈45°直线上升。为了克服这一现象, 我们通过计算机, 运用近场校正软件对原始数据进行了近场校正。

2.3 静态校正

静态校正是针对由于地表存在电性不均匀体而产生强烈的静态效应而做的校正。这种静态效应在电阻率断面图上常表现为一条垂直的电阻率密集带。通过空间滤波的手段, 可以平滑地表局部异常源的影响, 从而减小静态效应。另外还利用了平移法, 将有明显静态的整条曲线平移到正常值位置。在做了上述处理后再利用圆滑反演软件进行正式反演。

2.4 反演

CSAMT法接收机所采集到的原始数据, 只是对应一系列频率的没有考虑装置特性的平均视电阻率值, 不能准确地反映地下地层的真实电性特征, 必须结合收发距R的大小, AB偶极的长度, 发射电流的大小, 采样间距等装置的详细数据进行合理的反演计算, 才能得到对应地下不同深度处的电性分布剖面。在反演时采用了整条剖面的圆滑反演技术。

处理得到了各测线的反演后的电阻率断面图, 电阻率用分等级的彩色显示。图中横坐标分别为距离 (m) (Distance/m) 和桩号 (Stake No.) 。纵坐标代表的是深度, 单位是m。按电阻率从低到高的变化规律, 分别采用不同的颜色。

根据CSAMT反演断面图的电阻率异常, 结合本区的地质情况进行分析解释, 将地质解释的结果绘制成地质解释断面图。

3 成果解释

3.1 图件编制

编制各测线的综合剖面图 (图7) , 剖面图中包括激电剖面曲线图、视电阻率等值线断面图及推断解释剖面图。

根据各测线剖面的解释结果, 绘制了解释成果平面图 (图8) 。

3.2 测深曲线的定性分析

虽然低频段尾枝有一定干扰, 但CSAMT法单点曲线反映客观、真实, 曲线总的变化趋势反映较好。

通过测深曲线正反演计算, 对电性层结构基本上了解, 认为电阻率值相对较低部位, 富水性较大。因为整个盆地的地层结构相对比较稳定, 曲线类型基本上一致, 曲线类型为KHA型。大都表现为中低阻→中高阻→低阻→高阻→高高阻→特性, 所以, 对曲线类型不做更多的分析。

结合正反演测深曲线, 对典型曲线定性、定量认识如图 (图9、图10)

(1) 在典型测深出线上 (2-2线400号点) 给出中低阻→中高阻→低阻→高阻→高高阻示意。横坐标表示频点号, 纵坐标表示视电阻率值。从横坐标方向上可以看出各电性层的电阻率变化情况。

(2) 根据单枝曲线的的反演结果, 在典型测深出线上 (2-2线1000号点) , 给出各电性层的厚度、深度、电阻率值等信息。

(3) 在曲线的中间部位, 存在低电阻层, 推测为中部储热层。在高阻层和高高阻层之间, 存在次高高阻层, 根据“高中找低”的思路, 推测为深部储热层。并根据前述的地下岩性分布信息, 在一定的深度范围内, 划分出储热层, 给出储热层的深度。

(4) 根据电磁测深曲线的“假极值”特性, 即曲线上升之前先下降, 下降之前先上升, 所以, 在曲线的中间部位, 虽然出现了视电阻率最小值, 但是并没有把最小值位置划为热水层。只是象通常电磁法解释方法一样, 在曲线等效十字点位置划分出了中部储热层位置。

曲线类型为KHA型, 对反演结果描述如下:测深曲线反映的地下深度大约有2000m, 共分出七个电性层:

第一层: (中低阻层) 视电阻率为16Ω·m, 厚度为120m, 电阻率相对较低, 主要对应于第四系地层和下第三系痘姆组上部地层, 岩性主要为粘土、细质砂岩。

第二层: (中高阻层) 视电阻率为30Ω·m、累计厚度为160m;电阻率值较低, 主要对应于下第三系痘姆组下部地层, 厚度约为40m。主要岩性为砂岩。推测主要对应于浅含水层。

第三层: (高阻层) 视电阻率为60Ω·m, 累计深度520m;厚度约360m, 主要对应下第三系望虎墩组上段上部地层, 主要岩性为泥质、粉质砂岩。推测为隔热层。

第四层: (低阻层) 视电阻率为12Ω·m, 累计深度为840m。厚度约360m, 视电阻率值较小, 主要对应望虎墩组望虎墩组上段下部地层, 推测为储热层。

第五层: (高阻层) 视电阻率为100Ω·m, 累计深度为1050m, 厚度约为210m, 视电阻率值相对较大。主要岩性为砂岩, 推测为第三系望虎墩组下段上部地层。

第六层: (次高高阻层) 视电阻率为150Ω·m, 累计深度为1500m, 厚度约为450m, 视电阻率值相对较大。主要岩性为砂砾岩, 推测为第三系望虎墩组下段下部地层。

第七层: (高高阻层) 视电率为500Ω·m., 电阻率值较大。推测为太古界变质岩。

3.3 异常区说明

用CSAMT反演后的视电阻率断面图切片, 截取每条测线各个标高的数据, 对应每个测点坐标分别制成-600m、-1000m、-1200m、-1500m标高处的视电阻率等值线平面图。

异常区域用CSAMT视电阻率结合激电极化率圈定, 其中CSAMT采用与激电探测深度一致的-600m标高处平面数据, 以65Ω·m的视电阻率为界限, 激电极化率以0.4η%为界限。结合CSAMT与激电圈定的异常确定出了五个异常区域 (图8) 。

4 结论

(1) 采用CSAMT、TDIP两种方法进行探测, 对不同深度的地质体进行控制, 并根据视电阻率等值线变化情况和激电参数值的大小, 给出异常位置及埋藏深度、延伸情况等信息。

(2) 在取得了野外CSAMT资料的基础上, 对资料做了静态处理, 一维圆滑反演等多种方法处理后, 得到了带地形的CSAMT反演断面图。

(3) 通过本次工作, 划分了地下电性层结构;推测出地下储热层, 并给出了深度、厚度等信息;圈定了断裂构造地热异常区。

(4) 本次共查出两层储热层, 中部储热层的埋藏深度范围大约为520~840m。深部储热层的埋藏深度大约为1050~1400m。

摘要：随着现代资源的需求量不断增加, 对经济环保的地热资源的需求量越来越多, 并且已经由浅部开始转向深部。但是深部地热勘查的困难主要是抗干扰能力和对异常的正确判断。本文利用可控源音频大地电磁法 (CSAMT) 结合激电剖面测量, 对潜山县天柱山风景区深部高温地热分布范围、埋藏深度、厚度、及热储特征等进行分析, 供同行参考。