地球物理勘查方法在水文地質(zhì)工程中的應(yīng)用

翟福勤

安徽惠洲地質(zhì)安全研究院股份有限公司 安徽 合肥 230088

1 高密度電法

1.1 高密度電法的原理及特點(diǎn)

高密度電法作為電阻率法的一種，基于地下礦石及巖石等介質(zhì)的導(dǎo)電性不同的特點(diǎn)來滿足實(shí)際工作中水文地質(zhì)、環(huán)境及工程調(diào)查需要。這一方法對地下激發(fā)穩(wěn)定電流場并觀察其分布特點(diǎn)及變化規(guī)律從而尋找地下電性異常體、滑膜體、巖溶、斷層破碎帶等電性不均勻地質(zhì)構(gòu)造，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)地質(zhì)問題及找礦等目的。這一方法的原理成熟，在水文地質(zhì)環(huán)境勘察、軍事、考古及地質(zhì)災(zāi)害等多個(gè)領(lǐng)域均應(yīng)用廣泛，應(yīng)用于探測破碎帶、斷層及巖溶洞穴等的效果理想[1-2]。

1.2 高密度電法的優(yōu)勢與缺陷

高密度電法與直流電阻率法相比，其優(yōu)勢包括：①可一次性完成所有電極的布設(shè)，探測時(shí)無須更換及多次布設(shè)電極，能減少由于反復(fù)操作造成的干擾及誤差，操作更方便；②可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化、自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，可預(yù)處理數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)輸出剖面曲線形態(tài)；③可自由組合電極，使用多種電極排列方式，提供更豐富的地質(zhì)信息；④與傳統(tǒng)電法比較，存在操作簡單、探測信息豐富、高效經(jīng)濟(jì)、方便解釋資料的特點(diǎn)。高密度電法的缺陷在于：①場地條件及地形條件會(huì)對探測結(jié)果造成影響；②當(dāng)出現(xiàn)電極極化、電極供電不平衡、壞點(diǎn)時(shí)不能及時(shí)辨別。

1.3 高密度電法的作業(yè)要點(diǎn)

采集裝置的選擇。高密度電法二維勘探時(shí)，溫納裝置適合應(yīng)用于探測地形起伏較大的情況；偶極裝置可以靈敏反應(yīng)垂向電性變化，因此當(dāng)對垂直、方形或圓形孤立目標(biāo)體進(jìn)行探測時(shí)適合使用偶極裝置。當(dāng)需要對剖面進(jìn)行測量時(shí)，宜使用數(shù)種裝置測量，參照檢測結(jié)果，但是使用過多裝置會(huì)增加時(shí)間消耗，造成成本增加，還可能增加解釋難度。

高密度電法采集數(shù)據(jù)質(zhì)量會(huì)直接影響到結(jié)果解釋的準(zhǔn)確性及勘探工作的質(zhì)量，這就要求將各項(xiàng)準(zhǔn)備工作做到位之后才能開展采集工作，采集數(shù)據(jù)的過程中要注意各種細(xì)節(jié)從而確保能高質(zhì)量、高效率低完成數(shù)據(jù)采集工作。采集數(shù)據(jù)時(shí)，地形起伏變化、地下存在人工埋設(shè)物、地下構(gòu)造分布等都會(huì)對測值造成影響，這就要求作業(yè)時(shí)盡可能避免電磁干擾、工業(yè)游離電流、較強(qiáng)大的電流等的干擾，要盡可能避免在地形崎嶇的地方應(yīng)用這一方法，要確保野外布線時(shí)周圍的構(gòu)造物盡可能少。

1.4 常見問題及解決方法

實(shí)際勘察時(shí)勘探條件復(fù)雜，這會(huì)造成高密度電法的應(yīng)用效果受到一定影響。與實(shí)際情況相結(jié)合，分析高密度電法的應(yīng)用常見問題及解決方法如下。

1.4.1 地形條件的限制。野外數(shù)據(jù)采集時(shí)，地形變化及地下構(gòu)造都會(huì)影響到電位值測值，當(dāng)測線橫穿坡度超過45°的斜坡或陡崖時(shí)就常見電場偽像。實(shí)際工作中常見地形起伏，地表陡峭的區(qū)段不能排除病害，因此當(dāng)由于地形條件造成高密度電法的應(yīng)用受到一定限制時(shí)，需要與工區(qū)地球物理?xiàng)l件相結(jié)合，采用其他物探手段或者物探方法來進(jìn)行輔助探測，例如可以使用地震反射波側(cè)線、瑞雷面波法側(cè)線等來保證完全覆蓋被測區(qū)域[3-4]。

1.4.2 合理選擇探測深度。高密度電法的探測深度最深可達(dá)到百米以上，但實(shí)際工作時(shí)受到采集系統(tǒng)元件性能及地形的限制，探測深度通常不深。對直流電法勘探而言，最大供電極距與探測深度正相關(guān)，一般而言高密度電法的偶極裝置及溫納裝置的有效探測距離是最大極距的1/8~1/6。

1.4.3 識(shí)別異常干擾。實(shí)際勘察時(shí)常見地表電性不均勻造成靠近地表的視電阻率等值線嚴(yán)重畸變。但低阻異常、高阻異常干擾都有其表現(xiàn)形式，根據(jù)形態(tài)上的規(guī)律可進(jìn)行識(shí)別。除此以外同地質(zhì)體不均勻也會(huì)造成深部假異常，這就需要與其他物探方法相結(jié)合使用斷面對比或者其他方法來解決。

2 探地雷達(dá)

2.1 探地雷達(dá)的原理

探地雷達(dá)基于高頻電磁波理論，對地下介質(zhì)發(fā)射高頻電磁波，電磁波在地下傳播時(shí)由于介質(zhì)的幾何形態(tài)差異及電性參數(shù)不同會(huì)出現(xiàn)散射、反射，電磁波的電磁場強(qiáng)度、波形及傳播路徑也會(huì)出現(xiàn)變化，根據(jù)收集到的波形資料判斷地質(zhì)體或地下界面的位置及地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

2.2 探地雷達(dá)的優(yōu)勢與缺陷

探地雷達(dá)的優(yōu)勢在于：①抗干擾性能強(qiáng)，可應(yīng)用于城市噪音環(huán)境下，探測結(jié)果較少受到環(huán)境的干擾；②工作效率高：探地雷達(dá)的儀器輕便，可迅速完成采樣及探測，可一站式完成數(shù)據(jù)采集至圖像處理，可在現(xiàn)場輸出剖面圖；③可實(shí)現(xiàn)無損探測：探地雷達(dá)檢測時(shí)無須鉆孔，通過天線系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)及接收信號(hào)，不會(huì)對介質(zhì)造成損害；④探地雷達(dá)的分辨率高。

探地雷達(dá)的缺陷在于：①磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、介電常數(shù)等多種因素都會(huì)對電磁波的傳播造成影響，這增加了探測結(jié)果的解釋難度；②與低頻成分相比，高頻成分更容易出現(xiàn)衰減，這造成探測分辨率嚴(yán)重降低。

2.3 探地雷達(dá)使用要點(diǎn)

介電常數(shù)是圍巖的相對介電常數(shù)，為理論計(jì)算得出，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)與實(shí)際存在較大偏差的情況，需要結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定介電常數(shù)的合理范圍。

選取時(shí)窗時(shí)根據(jù)地層電磁波速度及最大探測深度合理確定時(shí)窗，實(shí)際工作時(shí)對估算的時(shí)窗需要增加30%以滿足目標(biāo)深度及地層電磁波速度的變化需求。

天線的中心頻率需要考慮到雜波的干擾，以確保最小分辨率的同時(shí)保證探測深度可滿足要求。實(shí)際工作時(shí)，當(dāng)探測深度為0.5m時(shí)天線中心頻率可取1000MHz；當(dāng)天線的深度為1.0m時(shí)天線中心頻率可取1000MHz；當(dāng)天線的深度為1.0m時(shí)天線中心頻率可取1000MHz；當(dāng)天線的深度為2.0m時(shí)天線中心頻率可取200MHz；當(dāng)天線的深度為10m時(shí)天線中心頻率可取50MHz；當(dāng)天線的深度為50m時(shí)天線中心頻率可取10MHz[5]。

探地雷達(dá)實(shí)際探測時(shí)需要結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的探測方法，充分考慮到實(shí)際地質(zhì)情況及未知目標(biāo)體的差異來確定，可采用反射、投射及折射三種測量方式。

3 淺層地震波反射波法

3.1 淺層地震波反射波法的原理

淺層地震波反射波法人工激發(fā)地震波，地下介質(zhì)由于彈性作用會(huì)出現(xiàn)膨脹、收縮交替變換的彈性振動(dòng)，地震波遇到波阻抗存在差異的分界面時(shí)反射，反射的地震波回到地表引起振動(dòng)，在地面接收檢測波后研究地震波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，根據(jù)其頻率、波形及振幅、不同接受點(diǎn)的距離、波的旅行時(shí)間等等推測淺層巖土或地下構(gòu)造物理力學(xué)參數(shù)。

3.2 淺層地震波反射波法的適用場合

淺層地震波反射波法的探測深度淺，工作面積小，淺部存在較多干擾因素，適用于小規(guī)模探測。這一方法可精確描述彈性波速漸變的地層，即便是橫向不均勻、地形條件復(fù)雜的情況下也可以給出合適的解釋。這一方法適合應(yīng)用于探測地下不良地質(zhì)體、查找潛伏構(gòu)造、探測松軟層、測定基巖波速、測定覆蓋層厚度等。淺層地震波反射波法要求隱患的性質(zhì)穩(wěn)定，隱患的規(guī)模或厚度要大于有效波長的1/4，且隱患與周圍介質(zhì)的波阻抗要存在較大差異。當(dāng)對較小深度進(jìn)行探測時(shí)使用橫波反射法比較適合；當(dāng)探測深度較大時(shí)縱波反射法更加適合。

3.3 淺層地震波反射波法的優(yōu)勢與缺陷

淺層地震波反射波法的優(yōu)勢在于包括：①勘探內(nèi)容豐富；②側(cè)線鋪面連續(xù)；③檢測快速、便捷；④成本低；⑤可準(zhǔn)確探測地下構(gòu)造的微小細(xì)節(jié)變化。

淺層地震波反射波法的缺陷包括：①震源脈沖持續(xù)振動(dòng)信號(hào)造成兩種波疊加；②近地表物質(zhì)不均勻會(huì)影響檢測結(jié)果；③面波干擾比較嚴(yán)重；④折射波初至區(qū)可能引起麻煩等。這就需要采取措施消除各種干擾、提高儀器分辨率、改進(jìn)解釋技術(shù)、特別注意數(shù)據(jù)處理及地震脈沖的激發(fā)和接收等。

3.4 淺層地震波反射波法的作業(yè)要點(diǎn)

淺層地震波反射波法布置側(cè)線時(shí)需要充分考慮到地形、地質(zhì)構(gòu)造、探測對象及工作任務(wù)，盡可能確保側(cè)線與構(gòu)造或巖層走向垂直，側(cè)線盡可能為直線，從而方便對構(gòu)造形態(tài)進(jìn)行控制，為整理、分析資料提供便利。側(cè)線要在全測區(qū)均勻分布，從而為對比資料及綜合分析帶來便利。側(cè)線要盡量與鉆探勘探線或其他物測探測線保持一致，從而方便結(jié)合資料解釋[6]。

4 瞬變電磁法

瞬變電磁法通過接地電極或不接地回線對地下發(fā)射脈沖電磁場，地下導(dǎo)體內(nèi)部在電磁場的激勵(lì)下產(chǎn)生感應(yīng)電流，在脈沖磁場的間歇期感應(yīng)電流的二次磁場不隨一磁場的消失而立即消失，采用接地電極或線圈對二次磁場進(jìn)行觀測，研究二次磁場與時(shí)間的關(guān)系從平兒判斷地下地質(zhì)體的空間形態(tài)及電性分布。

通過二次磁場的變化情況可以對地下電質(zhì)體的電性分布進(jìn)行直接判斷。這一方法的特點(diǎn)在于沒有高阻屏蔽、分辨率高、勘探深度大、可同時(shí)完成剖面測量和測深工作等眾多優(yōu)勢，在工程、水溫、環(huán)境地質(zhì)勘察、地?zé)帷⒚禾锛暗V產(chǎn)勘探等多個(gè)領(lǐng)域均應(yīng)用廣泛。

瞬變電磁法適用于各種施工區(qū)地形，選擇合適的裝置進(jìn)行探測可確保分辨能力。數(shù)據(jù)采集時(shí)根據(jù)不同的延遲對二次感應(yīng)電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量可得到二次場強(qiáng)度與時(shí)間的特性曲線，之后將實(shí)測瞬變曲線轉(zhuǎn)換為視電阻率－深度曲線，根據(jù)介質(zhì)的視電阻率與瞬變電磁相應(yīng)特征判斷是否存在病害。

5 工程案例分析

某新建鐵路勘察項(xiàng)目采用高密度電法及淺層地震波反射波法作業(yè)。高密度電法采集數(shù)據(jù)時(shí)使用60個(gè)電極組合的溫納裝置進(jìn)行測量，排列長度280-475m，點(diǎn)距5-10m。野外測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行初步處理及推斷解釋，檢查測量突變點(diǎn)、異常點(diǎn)從而為數(shù)據(jù)可靠性及真實(shí)性提供保障。

淺層地震波反射波法作業(yè)時(shí)使用工程地震儀施工，道距5-10m，sg2格式，記錄長度512ms。對地形校正后進(jìn)行資料處理。對地震記錄進(jìn)行檢查及對比分析，使用軟件讀取同一排列所有記錄的初至?xí)r間，繪制時(shí)距曲線，經(jīng)時(shí)間場數(shù)據(jù)反演擬合及反演層析成像直觀反映勘察區(qū)地層起伏形態(tài)、速度分布特征及地層厚度。

結(jié)果顯示兩種方法的剖面基本一致，高密度電法的斷面圖可見150~250m存在低阻條帶，地震層析斷面圖顯示50~150m存在低速帶，與地質(zhì)資料結(jié)合認(rèn)為此處存在約100m寬的破碎帶，其縱波波速2000~2600m/s，視電阻率250~1200Ω·m。

通過兩種方法的應(yīng)用可見實(shí)際工作時(shí)要結(jié)合需要解決的地質(zhì)問題及實(shí)際地質(zhì)特征合理選擇觀測參數(shù)，解釋時(shí)需要與地質(zhì)資料結(jié)合對不同方法的勘探成果進(jìn)行綜合解釋從而相互驗(yàn)證勘探結(jié)果，這能有效提高不良地質(zhì)現(xiàn)象、小斷裂構(gòu)造、水文地質(zhì)及地質(zhì)構(gòu)造的規(guī)模、分布、勘察精度的可靠性、準(zhǔn)確性。

6 結(jié)束語

水文地質(zhì)工程是當(dāng)前地質(zhì)工作的主要任務(wù)。從我國地球物理勘查的方法看，總體上地球物理勘探方法一直在進(jìn)步，雖然有很多中地球物理勘查方法，但是沒有一種方法是萬能的，因此，在進(jìn)行地質(zhì)勘查時(shí)要根據(jù)不同的地質(zhì)條件和工作要求，有針對性地采用幾種方法，從而提高成果的解譯程度，更加精確地完成地球物理勘探工作。