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

（中國水電顧問集團昆明勘測設(shè)計研究院 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，隨著時間的推移，許多淘金洞洞口已被覆蓋，而淘金洞的存在對于大型工程基礎(chǔ)而言是一個安全隱患，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淘金洞進行探測試驗對比研究，總結(jié)兩種方法在此類工程問題上的探測效果，并利用這兩種方法在某水電工程左岸堆積臺地進行了淘金洞普查的測試工作。

瞬變電磁法 地震映像法 淘金洞 試驗對比

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，而淘金洞的存在對于工程基礎(chǔ)而言是一個安全隱患，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)已出露的一個淘金洞為實驗對象，擬采用地震映像法和瞬變電磁法，對已知淘金洞進行了反復(fù)的試驗工作。驗證了方法的有效性后，再對電站區(qū)域內(nèi)淘金洞的分布情況進行普查。

1 方法簡介

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)展起來的，這種方法可以利用多種地震波作為有效波來進行勘測，也可以根據(jù)探測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：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，而探測目的層較多時，不易確定最佳偏移距。由于每個記錄道都采用了相同的偏移距，地震記錄上的時間變化主要為地下地質(zhì)的反映，這給資料解釋帶來極大的方便，可直接對資料進行數(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，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度上獲得剖面，分析實驗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踐上盡可能互相分離，信號清晰，受干擾波影響小，因為要利用盡可能多的信息，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)是一種時間域的人工源地球物理電磁感應(yīng)探測方法。其基本原理是測量強大的脈沖源(如方波的下降沿或上升沿)所感生的隨時間變化的二次場。由于這些變化的二次場是脈沖源所感生的渦流場在地下擴散過程中的電磁散射場，因此包含了豐富的地電信息，通過對這些信息的提取和解釋，從而達(dá)到探測地下電性介質(zhì)的目的，瞬變電磁法(TEM)探測原理圖見圖1。本次工作所使用的新型瞬變電磁法儀器，以其分辨率高、動態(tài)范圍大、抗干擾能力強、探測深度范圍大等特點，成為本次TEM探測的首選儀器。

圖1 瞬變電磁法(TEM)探測原理示意圖

2 測線布置及參數(shù)設(shè)置

2.1場地情況及測線布置

本次實驗階段測試場地選在金沙江某工程基礎(chǔ)左岸堆積體平臺上，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，部分大塊石、孤石接觸部位具架空現(xiàn)象。該堆積體平臺下方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，測線在洞口正上方布置，現(xiàn)場試驗場地及測線布置示意圖見圖2。

2.2試驗儀器及采用裝置

地震映像法每個排列布置12個120Hz檢波器，偏移距2m，道間距0.5m，采樣率0.2ms，樣點數(shù)2048。剖面長度25m，用18磅大錘進行激發(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，中心回線測深在發(fā)射線框的中心點及其附近測點進行測量。發(fā)射回線邊長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)斷時間9μ s，中心點距0.5m。

圖2 實驗階段現(xiàn)場試驗場地照片

3 試驗測試成果

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，反射點位置正好在記錄點上，每次激發(fā)的反射波傳播時間不變，同相軸為直線，當(dāng)界面深度發(fā)生變化時，反射波的傳播時間會發(fā)生變化。如在斷層兩側(cè)表現(xiàn)為突變；如果是傾斜界面，反射點的位置會偏離記錄點向界面的上傾方向移動，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)速度計算深度。

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

測線1第一次測試抽取其中的第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，對應(yīng)測線位置是10～12.0m，以時間16ms為頂點，存在一個明顯的雙曲線同相軸，此為地下空洞（淘金洞）的反映。為了驗證第一次測試結(jié)果，第二次用同樣的方法進行了復(fù)測，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，對應(yīng)測線位置是10～12.0m，存在一個明顯的雙曲線同相軸，同樣為地下空洞（淘金洞）的反映。兩次測試結(jié)果所反應(yīng)出來的異常位置基本相同，異常平面位置與實際情況均很好地對應(yīng)。測線2第1次測試抽取的第8道，第二次復(fù)測抽取第7道的成果圖分別見圖5、圖6，兩次測試結(jié)果所反映的異常位置與實際情況均能很好的對應(yīng)。

3.2瞬變電磁法成果

測線1上進行瞬變電磁法測試，下游為小樁號，瞬變電磁法視電阻率測試成果圖見圖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1m處異常深度在4.0～5.5m區(qū)域，此異常為假異常，待驗證。

表1 地震映像測試不同抽道檢波器位置及炮檢距表

圖3 測線1第一次測試抽第8道地震映像波形圖

圖4 測線1第二次復(fù)測抽第5道地震映像波形圖

圖5 測線2第一次測試抽第8道地震映像波形圖

圖6 測線2第二次復(fù)測抽第7道地震映像波形圖

4 實際測試成果

為探明左岸壩基堆積臺地淘金洞的分布情況，左岸壩基EL.1525m平臺和EL.1530m共布置五條測線，測線布置見圖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所在測線瞬變電磁法視電阻率剖面圖

圖11 異常⑥和⑦所在測線地震映像（抽第10道）波形圖

5 成果驗證

異常⑥在測線C2的樁號為67.5～71.5m，此處經(jīng)打孔驗證發(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

從地震映像法和電磁法在淘金洞的探查試驗測試成果及實際測試成果中可以得知：

（1）在淺層高阻地質(zhì)異常體的探測中，兩種方法均有一定的有效性，兩種方法出現(xiàn)的異?；緦?yīng)，且與實際情況比較吻合。

（2）瞬變電磁法在橫向分辨率上有優(yōu)勢，但易出現(xiàn)假異常；地震映像法在深度分辨率上有優(yōu)勢，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)條件下做多個地質(zhì)剖面。兩種方法相互結(jié)合有助于判斷出真實異常并確定異常的中心位置。

1 牛之璉. 時間域電磁法原理[M]. 長沙: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淘金洞對比試驗[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, 2003.

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

烏東德水電站位于云南祿勸縣和四川會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)中最上游的梯級電站。控制流域面積40.61萬平方公里，占金沙江流域面積的86%。烏東德水庫初設(shè)正常蓄水位975米，相應(yīng)庫容58.63億立方米。電站裝機容量1020萬千瓦，多年平均年發(fā)電量約392.6億千瓦時。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)域為峽谷地形，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）工程物探檢測和爆破振動監(jiān)測等。

長江工程地球物理勘測武漢有限公司承擔(dān)了烏東德水電站壩址區(qū)及庫區(qū)預(yù)可研、可研、初設(shè)階段和施工期綜合物探檢測任務(wù)，主要應(yīng)用的物探方法有水上地震勘探、平洞彈性波測試、鉆孔錄像及聲波測試、電磁波CT、洞間及孔間地震波CT、鉆孔平洞測溫等，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階段都投入了充足的生產(chǎn)資源，開展了大量的物探測試工作，為前期勘探的順利推進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、地質(zhì)部門的充分肯定。在長達(dá)數(shù)年的前期勘探過程中，我公司根據(jù)實際工作的需要靈活應(yīng)用各種先進可靠的物探方法，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，長江工程地球物理勘測武漢有限公司在烏東德水電站右岸導(dǎo)流洞進水口EL834平臺，采用電磁波CT探測巖體巖溶發(fā)育及完整性情況。

（長江工程地球物理勘測武漢有限公司 況碧波 王曉群供稿）

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.010

TV221.2

B

1672-2469（2014）02-0034-06

李維耿（1981年— ），男，工程師。