地震映像法和瞬變電磁法在淘金洞探查中的應(yīng)用

李維耿 杜愛明

地震映像法和瞬變電磁法在淘金洞探查中的應(yīng)用

李維耿 杜愛明

（中國(guó)水電顧問集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 云南昆明 650041）

云南金沙江中游流域常年水位線以上分布有許多淘金洞，隨著時(shí)間的推移，許多淘金洞洞口已被覆蓋，而淘金洞的存在對(duì)于大型工程基礎(chǔ)而言是一個(gè)安全隱患，因而，查明大型工程基礎(chǔ)內(nèi)淘金洞的分布情況有著重要的意義。本文利用地震映像法和瞬變電磁法對(duì)淘金洞進(jìn)行探測(cè)試驗(yàn)對(duì)比研究，總結(jié)兩種方法在此類工程問題上的探測(cè)效果，并利用這兩種方法在某水電工程左岸堆積臺(tái)地進(jìn)行了淘金洞普查的測(cè)試工作。

瞬變電磁法 地震映像法 淘金洞 試驗(yàn)對(duì)比

引言

云南金沙江中游流域常年水位線以上分布有許多淘金洞，洞徑1.5m左右。由于歷史久遠(yuǎn)，大部分洞口均被掩埋，淘金洞的延伸方向及分布范圍都無(wú)法得知。近年，金沙江正在修建許多大型工程，而淘金洞的存在對(duì)于工程基礎(chǔ)而言是一個(gè)安全隱患，因而，查明工程基礎(chǔ)內(nèi)淘金洞的分布情況有著重要的意義。為查明某水電工程基礎(chǔ)左岸堆積體中的淘金洞分布情況，以該工程基礎(chǔ)已出露的一個(gè)淘金洞為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，擬采用地震映像法和瞬變電磁法，對(duì)已知淘金洞進(jìn)行了反復(fù)的試驗(yàn)工作。驗(yàn)證了方法的有效性后，再對(duì)電站區(qū)域內(nèi)淘金洞的分布情況進(jìn)行普查。

1 方法簡(jiǎn)介

1.1地震映像法

地震映像法是基于反射波的最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，這種方法可以利用多種地震波作為有效波來(lái)進(jìn)行勘測(cè)，也可以根據(jù)探測(cè)目的要求僅采用一種特定的地震波作為有效波。

地震映像法的主要特點(diǎn)：數(shù)據(jù)采集速度較快，但抗干擾能力弱，勘探深度有限；地震映像法在資料解釋中可以利用多種地震波的信息，在探測(cè)目的較單一，只需研究橫向地質(zhì)變化的情況下，地震映像法效果較好，而探測(cè)目的層較多時(shí)，不易確定最佳偏移距。由于每個(gè)記錄道都采用了相同的偏移距，地震記錄上的時(shí)間變化主要為地下地質(zhì)的反映，這給資料解釋帶來(lái)極大的方便，可直接對(duì)資料進(jìn)行數(shù)字解釋。如頻譜分析、相關(guān)分析等。

該方法最重要的就是選擇合適的偏移距，在地震映像數(shù)據(jù)采集中，激發(fā)和接收距離一般稱為最佳偏移距，它已不僅僅是反射波意義上的最佳，而是采集有效波的最佳偏移距。有效波可以多于一個(gè)，為了獲得具有高信噪比和分辨率的地震映像記錄，需要使用多道地震儀在一定的接收長(zhǎng)度上獲得剖面，分析實(shí)驗(yàn)剖面上各種地震波的傳播規(guī)律，確定能夠最好地反映探測(cè)目標(biāo)的有效波的偏移距，即為最佳偏移距，要求在選擇的偏移距上折射波、多組反射波、面波或其他有特征的波在實(shí)踐上盡可能互相分離，信號(hào)清晰，受干擾波影響小，因?yàn)橐帽M可能多的信息，不同的條件下最佳偏移距的選擇原則不同。

1.2瞬變電磁法

瞬變電磁法(TEM)是一種時(shí)間域的人工源地球物理電磁感應(yīng)探測(cè)方法。其基本原理是測(cè)量強(qiáng)大的脈沖源(如方波的下降沿或上升沿)所感生的隨時(shí)間變化的二次場(chǎng)。由于這些變化的二次場(chǎng)是脈沖源所感生的渦流場(chǎng)在地下擴(kuò)散過程中的電磁散射場(chǎng)，因此包含了豐富的地電信息，通過對(duì)這些信息的提取和解釋，從而達(dá)到探測(cè)地下電性介質(zhì)的目的，瞬變電磁法(TEM)探測(cè)原理圖見圖1。本次工作所使用的新型瞬變電磁法儀器，以其分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍大、抗干擾能力強(qiáng)、探測(cè)深度范圍大等特點(diǎn)，成為本次TEM探測(cè)的首選儀器。

圖1 瞬變電磁法(TEM)探測(cè)原理示意圖

2 測(cè)線布置及參數(shù)設(shè)置

2.1場(chǎng)地情況及測(cè)線布置

本次實(shí)驗(yàn)階段測(cè)試場(chǎng)地選在金沙江某工程基礎(chǔ)左岸堆積體平臺(tái)上，該堆積體主要為碎塊石夾孤石，部分為碎塊石夾粉土、粉砂，總體結(jié)構(gòu)密實(shí)，部分大塊石、孤石接觸部位具架空現(xiàn)象。該堆積體平臺(tái)下方6m左右深度分布有一淘金洞，洞口基本呈圓形，半徑約1.5m左右，洞向從洞口向內(nèi)是向上游分布，測(cè)線在洞口正上方布置，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地及測(cè)線布置示意圖見圖2。

2.2試驗(yàn)儀器及采用裝置

地震映像法每個(gè)排列布置12個(gè)120Hz檢波器，偏移距2m，道間距0.5m，采樣率0.2ms，樣點(diǎn)數(shù)2048。剖面長(zhǎng)度25m，用18磅大錘進(jìn)行激發(fā)，采用6次覆蓋迭加技術(shù)。最后采取抽道技術(shù)，選取最佳偏移距。

瞬變電磁法主要采用中心回線裝置，中心回線測(cè)深在發(fā)射線框的中心點(diǎn)及其附近測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。發(fā)射回線邊長(zhǎng)20m×20m，面積為400m2，工作頻率62.5Hz，發(fā)射電壓24V，發(fā)射電流4.0～4.5A，疊加次數(shù)120次，關(guān)斷時(shí)間9μ s，中心點(diǎn)距0.5m。

圖2 實(shí)驗(yàn)階段現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地照片

3 試驗(yàn)測(cè)試成果

3.1地震映像成果

此次地震映像采取的是反射波法地震映像，該方法中，常用反射波作為主要的有效波。當(dāng)界面水平時(shí)，反射點(diǎn)位置正好在記錄點(diǎn)上，每次激發(fā)的反射波傳播時(shí)間不變，同相軸為直線，當(dāng)界面深度發(fā)生變化時(shí)，反射波的傳播時(shí)間會(huì)發(fā)生變化。如在斷層兩側(cè)表現(xiàn)為突變；如果是傾斜界面，反射點(diǎn)的位置會(huì)偏離記錄點(diǎn)向界面的上傾方向移動(dòng)，一般根據(jù)反射波同相軸的變化情況定性推斷界面的起伏情況，根據(jù)反射界面的介質(zhì)速度計(jì)算深度。

測(cè)線1和測(cè)線2(見圖2)均進(jìn)行了兩次測(cè)試，從上游往下游分別為1至12道，主要是看2次測(cè)試成果的一致性，以保證測(cè)試方法的可靠性。為了找到合適的偏移距，此次試驗(yàn)的偏移距設(shè)置從2.0～8.5m，經(jīng)過對(duì)比分析，確定最佳偏移距為5.5～6.0m之間，選取測(cè)試效果最好的抽道，其對(duì)應(yīng)檢波器位置及炮檢距如表1所示。

測(cè)線1第一次測(cè)試抽取其中的第8道，地震映像波形圖見圖3。從圖中很明顯可以看出，剖面中第13道到17道，對(duì)應(yīng)測(cè)線位置是10～12.0m，以時(shí)間16ms為頂點(diǎn)，存在一個(gè)明顯的雙曲線同相軸，此為地下空洞（淘金洞）的反映。為了驗(yàn)證第一次測(cè)試結(jié)果，第二次用同樣的方法進(jìn)行了復(fù)測(cè)，抽取其中的第5道，地震映像波形圖為圖4。從圖中很明顯可以看出，剖面中第17道到21道，對(duì)應(yīng)測(cè)線位置是10～12.0m，存在一個(gè)明顯的雙曲線同相軸，同樣為地下空洞（淘金洞）的反映。兩次測(cè)試結(jié)果所反應(yīng)出來(lái)的異常位置基本相同，異常平面位置與實(shí)際情況均很好地對(duì)應(yīng)。測(cè)線2第1次測(cè)試抽取的第8道，第二次復(fù)測(cè)抽取第7道的成果圖分別見圖5、圖6，兩次測(cè)試結(jié)果所反映的異常位置與實(shí)際情況均能很好的對(duì)應(yīng)。

3.2瞬變電磁法成果

測(cè)線1上進(jìn)行瞬變電磁法測(cè)試，下游為小樁號(hào)，瞬變電磁法視電阻率測(cè)試成果圖見圖7。從圖中可看出，成果圖中所反映出的地質(zhì)分層與實(shí)際情況基本吻合，在靠下游的細(xì)砂礫石層中視電阻率高阻異常區(qū)域主要有,2處，樁號(hào)2m處異常深度4.5～6.0m區(qū)域，此異常與淘金洞空間位置完全吻合。樁號(hào)1m處異常深度在4.0～5.5m區(qū)域，此異常為假異常，待驗(yàn)證。

表1 地震映像測(cè)試不同抽道檢波器位置及炮檢距表

圖3 測(cè)線1第一次測(cè)試抽第8道地震映像波形圖

圖4 測(cè)線1第二次復(fù)測(cè)抽第5道地震映像波形圖

圖5 測(cè)線2第一次測(cè)試抽第8道地震映像波形圖

圖6 測(cè)線2第二次復(fù)測(cè)抽第7道地震映像波形圖

4 實(shí)際測(cè)試成果

為探明左岸壩基堆積臺(tái)地淘金洞的分布情況，左岸壩基EL.1525m平臺(tái)和EL.1530m共布置五條測(cè)線，測(cè)線布置見圖8。

左岸壩基堆積體內(nèi)淘金洞探查成果見表2，淘金洞探查綜合成果見圖9。

圖7 瞬變電磁法視電阻率測(cè)試成果圖

通過此次左岸壩基堆積內(nèi)淘金洞瞬變電磁法和地震映像法綜合測(cè)試，共推斷左岸壩基存在七處高阻異常，這些高阻異常推斷地下空洞(淘金洞)，這些異常分布深度多在10～12m之間。異常⑥和⑦所在測(cè)線瞬變電磁法視電阻率剖面圖見圖10，地震映像（抽第10道）波形圖見圖11。

圖8 左岸壩基淘金洞探查測(cè)線布置圖

表2 左岸壩基堆積體內(nèi)淘金洞探查成果表

圖9 左岸壩基堆積體內(nèi)淘金洞探查綜合成果圖

圖10 異常⑥和⑦所在測(cè)線瞬變電磁法視電阻率剖面圖

圖11 異常⑥和⑦所在測(cè)線地震映像（抽第10道）波形圖

5 成果驗(yàn)證

異常⑥在測(cè)線C2的樁號(hào)為67.5～71.5m，此處經(jīng)打孔驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)一處明顯空腔，由孔內(nèi)空腔照片可知，其豎向尺寸與淘金洞尺寸相近，故異常⑥的推斷正常。淘金洞頂部深度在8.3m左右，而瞬變電磁法與地震映像法綜合推斷的異常頂部深度為12m左右，說(shuō)明瞬變電磁法在異常的豎向分辨率上易產(chǎn)生假異常，深度的判定需要結(jié)合其它勘探方法，比如打孔等綜合分析。

6 結(jié)語(yǔ)

從地震映像法和電磁法在淘金洞的探查試驗(yàn)測(cè)試成果及實(shí)際測(cè)試成果中可以得知：

（1）在淺層高阻地質(zhì)異常體的探測(cè)中，兩種方法均有一定的有效性，兩種方法出現(xiàn)的異常基本對(duì)應(yīng)，且與實(shí)際情況比較吻合。

（2）瞬變電磁法在橫向分辨率上有優(yōu)勢(shì)，但易出現(xiàn)假異常；地震映像法在深度分辨率上有優(yōu)勢(shì)，但其效果的準(zhǔn)備須緊密結(jié)合地質(zhì)資料，需要在不同地質(zhì)條件下做多個(gè)地質(zhì)剖面。兩種方法相互結(jié)合有助于判斷出真實(shí)異常并確定異常的中心位置。

1 牛之璉. 時(shí)間域電磁法原理[M]. 長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社, 2007.

2 祁增云, 陳新民. 瞬變電磁法與高密度電法探測(cè)淘金洞對(duì)比試驗(yàn)[C]. 水利水電工程物探技術(shù)應(yīng)用與研究, 鄭州:黃河水利出版社, 2010.

3 單娜琳, 程志平. 地震映像方法及其應(yīng)用[J]. 桂林工學(xué)院學(xué)報(bào), 2003.

長(zhǎng)江工程地球物理勘測(cè)武漢有限公司承擔(dān)金沙江烏東德水電站物探監(jiān)測(cè)任務(wù)

烏東德水電站位于云南祿勸縣和四川會(huì)東縣交界的金沙江干流上，是金沙江水電基地下游河段四座水電站(烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩)中最上游的梯級(jí)電站。控制流域面積40.61萬(wàn)平方公里，占金沙江流域面積的86%。烏東德水庫(kù)初設(shè)正常蓄水位975米，相應(yīng)庫(kù)容58.63億立方米。電站裝機(jī)容量1020萬(wàn)千瓦，多年平均年發(fā)電量約392.6億千瓦時(shí)。烏東德水電站樞紐工程為一等大（Ⅰ）型工程，樞紐工程擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，最大壩高265m。

工程區(qū)域?yàn)閸{谷地形，除混凝土雙曲拱壩外，工程主體建筑物多布置于地下。地下洞室多，高邊坡多，交通環(huán)境復(fù)雜。烏東德水電站物探檢測(cè)范圍主要包括：混凝土雙曲拱壩及二道壩、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電建筑物、滲控工程、施工導(dǎo)流建筑物（導(dǎo)流隧洞）工程物探檢測(cè)和爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)等。

長(zhǎng)江工程地球物理勘測(cè)武漢有限公司承擔(dān)了烏東德水電站壩址區(qū)及庫(kù)區(qū)預(yù)可研、可研、初設(shè)階段和施工期綜合物探檢測(cè)任務(wù)，主要應(yīng)用的物探方法有水上地震勘探、平洞彈性波測(cè)試、鉆孔錄像及聲波測(cè)試、電磁波CT、洞間及孔間地震波CT、鉆孔平洞測(cè)溫等，主要目的是研究壩址區(qū)的地層、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、區(qū)域巖溶發(fā)育等，配合地質(zhì)資料及成果為壩址選取及工程施工提供依據(jù)。

從金沙江烏東德水電站前期勘探至今，我公司在前期勘探的各個(gè)階段都投入了充足的生產(chǎn)資源，開展了大量的物探測(cè)試工作，為前期勘探的順利推進(jìn)提供了客觀可靠的技術(shù)支持，取得了豐碩的成果，滿足了金沙江烏東德水電站工程建設(shè)各階段研究深度的需要，得到了業(yè)主、設(shè)計(jì)、地質(zhì)部門的充分肯定。在長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的前期勘探過程中，我公司根據(jù)實(shí)際工作的需要靈活應(yīng)用各種先進(jìn)可靠的物探方法，解決了眾多的工程地質(zhì)問題，全面獲取了壩區(qū)巖體地球物理參數(shù)。

封面圖為2013年9月，長(zhǎng)江工程地球物理勘測(cè)武漢有限公司在烏東德水電站右岸導(dǎo)流洞進(jìn)水口EL834平臺(tái)，采用電磁波CT探測(cè)巖體巖溶發(fā)育及完整性情況。

（長(zhǎng)江工程地球物理勘測(cè)武漢有限公司 況碧波 王曉群供稿）

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.010

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1672-2469（2014）02-0034-06

李維耿（1981年— ），男，工程師。