高密度電法勘探在長輸管道工程的應(yīng)用和問題

摘 要：電阻率法勘探是電法勘探中的一個(gè)主要分支，以其生產(chǎn)成本低，工作效率高等特點(diǎn)，目前在水文工程地質(zhì)問題中得到了廣泛的應(yīng)用。是發(fā)展比較成熟的一種地球物理勘探方法，具有簡便、快速、經(jīng)濟(jì)、成果直觀、適用場地小等優(yōu)點(diǎn)，已在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果。文章介紹了高密度勘探技術(shù)的應(yīng)用、探測原理、工作方法，對其應(yīng)用范圍及目前存在的問題作了說明，并給出一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

關(guān)鍵詞：高密度勘探； 輸氣管道工程； 溫納裝置； 斷裂構(gòu)造

中圖分類號：P631

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-0422（2009）06-0233-03

1前言

我國的工程勘察是建國初期按照前蘇聯(lián)模式建立起來的，包括工程測量、水文地質(zhì)勘察、工程地質(zhì)勘察3 個(gè)專業(yè)。我國的長輸管道工程勘察是自50 年代開始隨著管道建設(shè)的興起而逐漸發(fā)展起來的，當(dāng)今隨著對外技術(shù)交流的廣泛深入和涉外管道工程的建設(shè)，尤其是全球高新技術(shù)的飛速發(fā)展和中國管道建設(shè)的又一個(gè)高潮的到來，對長輸管道的工程勘察也提出了更高的要求。長輸管道工程勘察相對于建筑、水電、鐵路等工程勘察有其特殊性，中國石油天然氣管道工程有限公司進(jìn)行了一些非常有益的嘗試，取得了很好的社會效益。以下筆者就對高密度電法勘探在長輸管道工程勘察技術(shù)的應(yīng)用和問題談一些看法。

電法勘探是綜合地球物理勘探方法中的基本方法之一。電法勘探是以地下巖( 礦) 石之間的電性差異為基礎(chǔ)，根據(jù)地面測定和研究人工或天然電場或電磁場的分布特點(diǎn)和變化規(guī)律來推斷地下電阻率分布，從而推斷地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源的分布狀況，即電法勘探中的反問題。

近十年來，高密度電阻率法在工程勘察中的應(yīng)用越來越廣泛，尤其在巖溶、水文、構(gòu)造、檢測等領(lǐng)域，高密度電法的應(yīng)用效果，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了理論上的預(yù)期。

2勘探原理

高密度電法是八十年代國際上興起的一種電法勘探方法，其原理與常規(guī)的電阻率法基本相同。不同的是前者在探測剖面上同時(shí)布置多道電極，由人工控制向地下發(fā)送電流，使地下形成穩(wěn)定的電流場，通過自動(dòng)控制轉(zhuǎn)換裝置對所布設(shè)的剖面進(jìn)行自動(dòng)觀測和記錄。高密度電法可進(jìn)行二維地電斷面測量，兼具剖面法和測深法的功能，是進(jìn)行地層劃分、探測隱伏斷層構(gòu)造、巖溶空洞以及地質(zhì)滑坡體等的一種有效手段。相對而言，高密度電法具有測點(diǎn)密度大、信息量大、工作效率高等特點(diǎn)，測量過程中，通過轉(zhuǎn)換裝置控制電極間的不同排列組合，能夠?qū)崿F(xiàn)直流電法勘探中的各種裝置形式的探測，可以提供更多的地電斷面信息，有利于對比分析，因此充分發(fā)揮了物探技術(shù)在勘探中的優(yōu)勢。

3工作方法

高密度電阻率法實(shí)際上是一種陣列勘探方法，關(guān)于陣列電探的思想早在7 0 年代末就有人開始考慮實(shí)施，英國學(xué)者所設(shè)計(jì)的電測深偏置系統(tǒng)實(shí)際上就是高密度電法的最初模式。在現(xiàn)場測量時(shí)，它只需在預(yù)先選定的測線和測點(diǎn)上，將全部電極設(shè)置在一定間隔的測點(diǎn)上，然后通過特制的電極轉(zhuǎn)換裝置根據(jù)需要，將這些電極組合成指定的電極裝置和電極距，快速完成多種電極裝置和多電極距在觀測剖面的多個(gè)測點(diǎn)上的電阻率法( 視電阻率) 觀測。再配上相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理、成圖和解釋軟件，便可及時(shí)完成給定的地質(zhì)勘查任務(wù)。

其中，高密度電法勘探溫納裝置α排列。最小間隔系數(shù)n（MIN）=1，最大間隔系數(shù)為n（MAX）=16。每個(gè)斷面的探測參數(shù)如下：

排列方式：α排列

電極：60

電極間距（米）：5

最小間隔系數(shù)：1

最大間隔系數(shù)：16

供電電壓：180V

1）數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是中南大學(xué)研制的激電法反演軟件IPInv。數(shù)據(jù)處理主要包括兩大部分，即數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)反演處理。

2）數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括：

（1）編輯視電阻率值，對突變點(diǎn)和噪聲引起的畸變數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除；

（2）對由多個(gè)測量斷面組成的剖面進(jìn)行拼接；

（3）把各電極所對應(yīng)的平面坐標(biāo)添加到數(shù)據(jù)文件中；

（4）對于地形起伏較大的剖面，把高程坐標(biāo)添加到數(shù)據(jù)文件中，以備反演處理時(shí)進(jìn)行地形校正處理。

3）反演處理

野外采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過反演計(jì)算，轉(zhuǎn)換為深度——電阻率的關(guān)系，以獲得地下地電斷面的特征。反演處理主要包括：根據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料建立初始的二維地電模型、選擇反演參數(shù)（阻尼系數(shù)、迭代次數(shù)、收斂極限）等，然后采用最小二乘法進(jìn)行反演計(jì)算，查看反演結(jié)果，最后進(jìn)行地形校正，獲得最終的地下地電斷面，用于地質(zhì)解釋。

4工程應(yīng)用

西氣東輸二線管道是確保國家油氣供應(yīng)安全的重大骨干工程。它將中亞天然氣與我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的珠三角和長三角地區(qū)相連，同時(shí)實(shí)現(xiàn)塔里木、準(zhǔn)噶爾、吐哈和鄂爾多斯盆地天然氣資源聯(lián)網(wǎng)，有利于改善我國能源結(jié)構(gòu)，保障天然氣供應(yīng)，促進(jìn)節(jié)能減排，推動(dòng)國際能源合作互利共贏，意義重大。

西氣東輸二線管道西起新疆的霍爾果斯，經(jīng)西安、南昌，南下廣州，東至上海，途經(jīng)新疆、甘肅、寧夏、陜西、河南、安徽、湖北、湖南、江西、廣西、廣東、浙江和上海13個(gè)省、自治區(qū)、直轄市。干線全長4859km，加上若干條支線，管道總長度超過7000km。

項(xiàng)目物探組共承擔(dān)了以下四條隧道的初步工程物探（反射波地震勘探和高密度電法）工作：①密嶺一號隧道，長1224.72m；②密嶺二號隧道，長1605.93m；③楊家村一號隧道，長219.15m；④楊家村二號隧道，長1891.50m。這四個(gè)隧道分散在兩個(gè)測區(qū)，前兩條隧道位于江西省吉安市遂川縣枚江鎮(zhèn)和巾石鄉(xiāng)境內(nèi)，后兩條隧道位于江西省南康市赤土鄉(xiāng)和大余縣新城鎮(zhèn)境內(nèi)，工區(qū)交通便利，附近有105國道，323國道以及其它公路通過，如圖1。

四條隧道屬于丘陵-低山地貌，其中圖2為密嶺二號隧道測線示意圖，地形起伏大，地面黃海高程變化在150m至800m之間，山比較陡；當(dāng)?shù)赜晁渥悖沟脺y區(qū)范圍內(nèi)植被覆蓋良好，樹木茂盛，茅草叢生。

根據(jù)該段高密度電阻率二維反演斷面成果圖，見圖3，該隧道沿縱剖面電阻率異常形態(tài)復(fù)雜，大致可分為三段。樁號m²A+0m～m²A+320m段在整條剖面上電阻率值相對較低，基本在1000歐姆·米以下，局部有高阻體出現(xiàn)。在樁號m²A+320m～m²A+1040m范圍內(nèi)電阻率值表現(xiàn)為高阻低阻相間分布，高阻體電阻率值一般在3000至10000歐姆·米以上，推測對應(yīng)區(qū)間內(nèi)基巖面埋深較淺，而此段內(nèi)有多處低阻異常帶，電阻率值最低處僅為幾十歐姆·米，推測為巖體破碎帶。在樁號m²A+1040m～隧道出口，電阻率值普遍在3000歐姆·米，局部低阻異常值也在700歐姆·米以上，推測巖體較為完整，僅有局部破碎帶存在。對整個(gè)剖面內(nèi)多處低阻異常帶分析如下：

在樁號為m²A+292m～m²A+348m段出現(xiàn)了阻值小于200歐姆·米的低值異常，埋深在15m以下并向下延伸；

樁號為m²A+400m～m²A+480m段內(nèi)出現(xiàn)一組低阻圈閉異常，其電阻率值為100歐姆·米以下，推測為構(gòu)造破碎帶；

樁號為m²A+640m～m²A+750m段，埋深30m以下出現(xiàn)了規(guī)模較大的低阻體，其阻值最低處小于100歐姆·米，推測為低阻充填物；

樁號m²A+764m～m²A+828m之間出現(xiàn)低值異常帶，電阻率值最低處不足100歐姆·米，與高阻圍巖阻值差異明顯，可能有破碎帶存在；

樁號m²A+916m～m²A+945m范圍內(nèi)出現(xiàn)了條帶狀異常，產(chǎn)狀近乎直立，電阻率值在150歐姆·米左右，可能為構(gòu)造破碎帶；

樁號m²A+988m～m²A+1026m及m²A

+1308m～m²A+1344m范圍內(nèi)較高阻圍巖的阻值差異明顯，但這兩處電阻率均在500歐姆·米以上，推測為破碎帶，但低阻充填物存在的可能性不大。

測區(qū)地形條件復(fù)雜、高差起伏大，工作條件相對較差，這些因素在一定程度上影響物探探測精度。本次高密度電法工作成果提交后布置兩鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，均在預(yù)測位置發(fā)現(xiàn)破碎帶，取得了較好的勘探效果。

5存在的問題

雖然高密度探測技術(shù)在工程中的應(yīng)用已很廣泛，但實(shí)際工作中還存在以下問題：

5.1有效數(shù)據(jù)的分辨

這是個(gè)最基本的問題。不僅是本方法，其它的物探方法也是如此。在數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)場，我們必需能有效地分辨：采集到的數(shù)據(jù)是不是有效的數(shù)據(jù)，用句簡單的話就是：原始數(shù)據(jù)是否真實(shí)？

一般而言，有效的高密度電阻率法成果數(shù)據(jù)有如下特征：等值線較為平緩，沒有突變起伏點(diǎn)，高阻、低阻區(qū)的變化是漸變的；視電阻率數(shù)值上沒有孤值畸變異常，反應(yīng)到等值線上是沒有“漩渦異?！保í?dú)立的漩渦狀異常是可以通過編輯原始數(shù)據(jù)來解決，密集的，如出現(xiàn)較多的漩渦狀異常則需要重測）；等值線上沒有出現(xiàn)規(guī)律的“八字異?！奔捌溲葑兌傻摹鞍氚俗帧被颉半p八字”異常。

5.2觀測方式對數(shù)據(jù)成果的影響

目前，高密度電阻率法儀器發(fā)展得相當(dāng)快，幾乎所有的電阻率法觀測裝置都可以在高密度儀器中實(shí)現(xiàn)。總體而言，筆者傾向于將高密度電阻率法的觀測方式分為兩大類：剖面類觀測方式和測深類觀測方式。

在不少技術(shù)人員的眼里，這兩種方法是等效的，其實(shí)不然。設(shè)計(jì)現(xiàn)場作業(yè)及處理時(shí)，應(yīng)按如下原則選擇觀測裝置：只要場地條件許可，盡量采用剖面類觀測方式，尤其是首選四極剖面裝置，因?yàn)檫@種觀測方式是真正集中了電剖面和電測深法的優(yōu)點(diǎn)，其采集點(diǎn)分布更均勻合理，在不少場合、不同要求的勘探項(xiàng)目中都可以取得好的效果。在剖面烴觀測時(shí)，其資料的反演解釋時(shí)應(yīng)以二維剖面為主，單點(diǎn)測深、水平曲線分析為輔。而在場地限制只能采用測深類裝置時(shí)，要盡可能改善各點(diǎn)的接地條件，資料反演解釋時(shí)應(yīng)以單點(diǎn)測深反演為主，二維剖面為輔，尤其是解釋出直立狀接觸帶時(shí)，一定要謹(jǐn)慎，以免貽笑大方。

5.3錯(cuò)誤對待反演成果

在和不少生產(chǎn)單位接觸的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)有一種傾向危害很大：有一些單位和技術(shù)人員非常迷信反演軟件的力量，每一條剖面都經(jīng)過反演，甚至于在資料解釋時(shí)只看反演剖面不看原始剖面，最終的報(bào)告也只附反演成果，這是非常幼稚的，常常會遭至較大的失敗。

5.4視電阻率的負(fù)值異常問題

在電法勘探中經(jīng)常會遇到視電阻率的負(fù)值異常問題，高密度電阻率法也不例外。一般而言，視電阻率是不應(yīng)該出現(xiàn)負(fù)值的，有負(fù)值就說明有問題。

引起負(fù)值的原因很多，大致有：首先是儀器，如果儀器的阻抗低，抗干擾能力弱，極化補(bǔ)償能力差，其測試中負(fù)值出現(xiàn)的機(jī)會就比較大。另外，較大的自然干擾電場也會產(chǎn)生負(fù)值異常。

6結(jié)束語

高密度電法勘探作為一種比較成熟的地球物理勘探方法，具有簡便、快速、經(jīng)濟(jì)、適用場地小、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但對高密度電法勘探理論的研究以及實(shí)際應(yīng)用等有待進(jìn)一步的深入和開拓，使之在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷總結(jié)、完善和提高。

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