綜合物探在大葉溝水庫(kù)勘察中的應(yīng)用

姜 軍，孫寶喜，康學(xué)新

(1.密山市河務(wù)管理處，黑龍江 密山 158300；2.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

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推廣應(yīng)用

綜合物探在大葉溝水庫(kù)勘察中的應(yīng)用

姜 軍1，孫寶喜2，康學(xué)新1

(1.密山市河務(wù)管理處，黑龍江 密山 158300；2.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

在黑龍江省大葉溝水庫(kù)相關(guān)的工程地質(zhì)勘察中，采用了淺層折射地震勘探、超高密度電阻率勘探及地震層析成像勘探這三種物探方法，通過(guò)三種方法的現(xiàn)場(chǎng)使用及后繼相關(guān)資料的解釋處理，表明：在實(shí)際勘察中，物探多種方法的綜合運(yùn)用效果是理想的，通過(guò)與相關(guān)鉆孔資料的對(duì)比，證明精度也是是可靠的，多種物探方法綜合運(yùn)用，不但可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，相互印證，還可以減少盲目布置的勘探工作量，降低勘探成本，甚至還可以解決某些常規(guī)地質(zhì)方法難以快速解決的問(wèn)題。由此看出，綜合物探在水利工程勘察領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，在今后的工程勘察中值得繼續(xù)推廣。

綜合勘探；淺層折射地震勘探；超高密度電阻率勘探；地震層析成像勘探；縱波波速；推測(cè)破碎帶

0 前 言

在地表某一區(qū)域建設(shè)一個(gè)工程項(xiàng)目之前，首先要先查明該區(qū)域地下的地質(zhì)構(gòu)造情況，也就是要進(jìn)行工程地質(zhì)勘察，工程地質(zhì)勘察的方法有很多，除了常規(guī)的鉆探、坑探及井探等純地質(zhì)勘探方法外，還有一大類(lèi)稱(chēng)為物探。物探是一種成效顯著的現(xiàn)代化探測(cè)手段，在地質(zhì)工作中占有重要地位。

物探，即地球物理勘探，是用物理方法來(lái)勘探地殼上層巖石的構(gòu)造與尋找有用礦產(chǎn)的一門(mén)新的學(xué)科。它是根據(jù)地下巖層在物理性質(zhì)上的差異，借助一定的裝置和專(zhuān)門(mén)的物探儀器測(cè)量其物理場(chǎng)的分布狀況，通過(guò)分析和研究物理場(chǎng)的變化規(guī)律，結(jié)合有關(guān)地質(zhì)資料推斷出地下一定深度范圍內(nèi)地質(zhì)體的分布規(guī)律，為鉆探工作提供重要依據(jù)。

以研究不同地球物理場(chǎng)空間分布規(guī)律為基礎(chǔ)的各種物探方法，種類(lèi)繁多，正在得到廣泛的應(yīng)用，大大地提高了人們對(duì)地下地質(zhì)構(gòu)造的認(rèn)識(shí)能力。探測(cè)對(duì)象與圍巖的物性差異是產(chǎn)生物探異常的前提條件。沒(méi)有物性差異，就沒(méi)有物探異常，也就不能進(jìn)行物探工作。由于各種物探方法是基于不同的物理參數(shù)來(lái)達(dá)到探查地下地質(zhì)構(gòu)造的目的，因此又各有其應(yīng)用條件和局限性，只有運(yùn)用綜合物探手段，多種物探方法取長(zhǎng)補(bǔ)短，相互印證，才能最大限度地提高物探方法的探測(cè)精度，為地質(zhì)勘探提供客觀地反映地質(zhì)構(gòu)造的可靠資料。因此物探工作是整個(gè)地質(zhì)勘探過(guò)程的不可或缺的一部分。

在水利工程勘察中，一般要查明庫(kù)區(qū)的覆蓋層厚度、基巖埋深、劃分風(fēng)化帶并探測(cè)構(gòu)造破碎帶位置。此時(shí)依照工作目的采用相適用的物探方法即可很好地解決上述問(wèn)題。淺層折射地震勘探對(duì)于地下垂向的地質(zhì)構(gòu)造具有精度較高的分辨率，結(jié)合相應(yīng)的地質(zhì)鉆探資料，可以很好地解決庫(kù)區(qū)覆蓋層厚度、基巖埋深、劃分風(fēng)化帶等地下分層方面的問(wèn)題；超高密度電阻率勘探及地震層析成像勘探對(duì)于地下水平方向的地質(zhì)構(gòu)造及異常具有精度較高的分辨率，結(jié)合相應(yīng)的地質(zhì)鉆探資料，可以很好地解決庫(kù)區(qū)構(gòu)造破碎帶位置的問(wèn)題，超高密度電阻率勘探是基于電阻率的差異來(lái)分辨水平向的地質(zhì)目標(biāo)體，而地震層析成像是基于縱波波速的差異來(lái)分辨水平向的地質(zhì)目標(biāo)體，兩種方法又可以相互印證，進(jìn)一步提高解釋的精度。

文章即以淺層折射地震勘探、超高密度電阻率勘探及地震層析成像勘探這三種物探方法在黑龍江省雙鴨山市大葉溝水庫(kù)工程勘察中的應(yīng)用實(shí)例，來(lái)印證一下綜合物探在水利工程勘察中的勘探效果。

1 方 法

1.1 淺層折射波法地震勘探

儀器使用美國(guó)SI儀器公司生產(chǎn)的S-FLEX 36道微型主機(jī)全數(shù)字化地震勘探儀，采樣間隔為0.2-0.5ms，記錄長(zhǎng)度為204.8-512ms，檢波器為寬頻數(shù)字檢波器，共計(jì)36道。地震勘探采用的觀測(cè)系統(tǒng)為多重相遇追逐觀測(cè)系統(tǒng)。檢波點(diǎn)距5m及7.5m，排列長(zhǎng)度175m及262.5m。排列間首尾相接，便于有效波的連續(xù)與追蹤。

1.2 超高密度電阻率法勘探

本次使用儀器是由澳大利亞ZZ Resistivity Imaging研發(fā)中心研制的FlashRES 64多通道超高密度直流電法儀。

進(jìn)行超高密度工作時(shí)，我們分別將兩根帶有32個(gè)電極(電極距為5m或10m)的電纜沿勘探線(xiàn)布置，來(lái)檢測(cè)地下地層電阻率變化情況。兩個(gè)電纜布置后，做一次數(shù)據(jù)測(cè)量。一次數(shù)據(jù)的測(cè)量一共可得到約為6萬(wàn)對(duì)的數(shù)據(jù)量(每對(duì)數(shù)據(jù)包括一個(gè)電壓值和一個(gè)電流值)。一次測(cè)量可覆蓋5m點(diǎn)距為315m。

1.3 地震層析成像勘探

1.3.1 方法原理

地震折射波法屬于彈性波層析成像范疇，該方法主要是借鑒醫(yī)學(xué)CT，根據(jù)射線(xiàn)掃描，對(duì)所得到的信息進(jìn)行反演計(jì)算，重建被測(cè)范圍內(nèi)巖體彈性波參數(shù)分布規(guī)律的圖像，從而達(dá)到圈定地質(zhì)異常體的一種物探反演解釋方法。

1.3.2 野外施工方法及技術(shù)措施

65kg夯錘錘擊厚鐵墊板是本次地震層析成像野外作業(yè)的震源，每個(gè)排列的錘擊點(diǎn)等間距分布。施工排列如圖1所示，每個(gè)排列有錘擊7次，檢波器要盡量深得插入土中，這樣檢波器與大地耦合較好，便于較好的接收每次錘擊時(shí)傳播來(lái)的能量信號(hào)。

圖1 激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)排列方式

2 資料解釋

2.1 淺層折射波法地震勘探

由于目前還沒(méi)有淺層折射波法地震勘探方面較成熟理想的選件，故本次淺層折射波法地震勘探后續(xù)的解釋還主要采用常規(guī)t0差數(shù)時(shí)距曲線(xiàn)法和截距時(shí)間法。該方法首先在地震讀數(shù)據(jù)軟件中點(diǎn)初至，即每個(gè)地震記錄各道的初至波到達(dá)時(shí)間，然后根據(jù)讀取的時(shí)間值，繪制在計(jì)算紙(即方格厘m紙)上，也就是繪制地震時(shí)距曲線(xiàn)，然后把追逐炮與相對(duì)應(yīng)的邊炮接在一起，最后再采用常規(guī)t0差數(shù)時(shí)距曲線(xiàn)法和截距時(shí)間法計(jì)算地下不用層位的地震縱波速度及相應(yīng)層厚度，由此波速值和厚度值來(lái)繪制相應(yīng)測(cè)線(xiàn)的地震剖面圖。當(dāng)基巖相對(duì)同一層中出現(xiàn)縱波波速相對(duì)較低的部位，解釋為低速帶。出現(xiàn)低速帶可能是由于巖體不完整(局部風(fēng)化強(qiáng)烈、節(jié)理裂隙發(fā)育、巖石破碎等)或含水等原因造成的，低速帶最終也要繪制在地震剖面圖中，作為地震剖面圖中的一個(gè)重要元素來(lái)體現(xiàn)。

2.2 超高密度電阻率法勘探

Flash RES 64多通道超高密度直流電法勘探系統(tǒng)最終要提交的成果是視電阻率色譜圖，該圖是用不同的色彩來(lái)反映地下不同深度、不同部位巖性介質(zhì)的電阻率值大小，此圖是利用該套儀器專(zhuān)門(mén)配置的處理軟件FlashRES64S.EXE來(lái)反演生成的。

視電阻率色譜圖中相對(duì)低阻或高阻的部位，就是我們要查找的異常體，相對(duì)低阻或高阻的部位，由于顏色與周?chē)橘|(zhì)不同，因此在視電阻率色譜圖中還是非常直觀醒目的。一般在水利工程勘察中，我們比較關(guān)心的是構(gòu)造破碎帶，而構(gòu)造破碎帶由于巖體比較破碎，裂隙中可能還含泥含水等雜志，一般這種情況下會(huì)導(dǎo)致視電阻率值較低，因此我們可以認(rèn)為低阻的條帶異常即推測(cè)破碎帶。根據(jù)異常體的直立或傾斜的形態(tài)與其它位置有規(guī)律背景的對(duì)比，即可確定異常體的規(guī)模與產(chǎn)狀。

2.3 地震層析成像勘探

地震折射層析法是目前較先進(jìn)的折射解釋方法。Radon變換和反變換是地震層析成像方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

首先對(duì)模型進(jìn)行射線(xiàn)追蹤，計(jì)算炮點(diǎn)至檢波點(diǎn)間的最小走時(shí)，然后與實(shí)測(cè)初至波走時(shí)進(jìn)行比較，通過(guò)最小二乘法修改模型，這樣反復(fù)疊代，使計(jì)算與實(shí)測(cè)初至波走時(shí)之差達(dá)到最小，則此時(shí)的速度模型即為反演結(jié)果。

3 工程實(shí)例分析

大葉溝水庫(kù)位于黑龍江省雙鴨山市東南部，是以城市供水為主，同時(shí)兼顧防洪、灌溉及森林防火備用水源等綜合利用水庫(kù)。

項(xiàng)目建議書(shū)中通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后推薦下壩址為初選方案。下壩址水庫(kù)正常蓄水位 165.50m，相應(yīng)庫(kù)容5460×104m3。

本次勘察工作采用淺層折射地震勘探、超高密度電阻率勘探及地震層析成像勘探來(lái)解決查明庫(kù)區(qū)的覆蓋層厚度、基巖埋深、劃分風(fēng)化帶并探測(cè)構(gòu)造破碎帶位置等問(wèn)題。

以下壩址壩軸線(xiàn)上3種物探方法的應(yīng)用效果來(lái)說(shuō)明綜合物探在本次工程地質(zhì)勘察中所發(fā)揮的作用,該線(xiàn)采用三種物探方法，分別進(jìn)行了淺層折射地震勘探、地震層析成像勘探及超高密度電阻率法勘探。

3.1 淺層折射地震勘探

1)第1層：縱波波速在560-960m/s之間，解釋主要巖性測(cè)線(xiàn)起點(diǎn)附近該層為玄武巖及全、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖；河左岸山腳部位該層為黏土夾碎石及全、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖；河床靠近河左岸的部位該層為亞黏土、粉土夾砂、礫石、含礫石亞黏土及全、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖；河床靠近河右岸的部位該層為亞黏土、礫石、含礫石亞黏土及全、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖；河右岸河邊部位該層為亞黏土、礫石、黏土夾碎石及全、強(qiáng)風(fēng)化砂巖；右岸山腳向山上的部位該層為黏土夾碎石及全、強(qiáng)風(fēng)化砂巖；右岸向山上更高的部位該層為玄武巖及全、強(qiáng)風(fēng)化砂巖；其它部位該層為黏土夾碎石、玄武巖及全、風(fēng)化粉砂巖。該層厚度在20.4-39.6m之間。

2)第2層：縱波波速在1500-2700m/s之間，解釋巖性為XX6號(hào)鉆孔和XX7號(hào)鉆孔中間至測(cè)線(xiàn)末端該層為弱風(fēng)化砂巖及弱風(fēng)化粉砂巖，其它部位該層為弱風(fēng)化粉砂巖，厚度在8.5-24.6m之間。

3)第3層：縱波波速在3600-4500m/s之間，解釋巖性河為微風(fēng)化粉砂巖。

由本次在下壩址壩軸線(xiàn)上布置的淺層折射地震勘探資料最終繪制的剖面圖見(jiàn)圖2。

3.2 地震層析成像勘探

G—G’線(xiàn)0-1050m段(對(duì)應(yīng)地震剖面水平距離0-1031.0m段)的地震層析成像斷面，從色譜圖上可以看出，整條測(cè)線(xiàn)介質(zhì)不均勻，測(cè)線(xiàn)中間部分的深層縱波波速整體上相對(duì)較高，見(jiàn)圖3。

圖2 大葉溝水庫(kù)下壩址區(qū)壩軸線(xiàn)淺層折射地震勘探剖面圖

圖3 壩軸線(xiàn)(G- G’)0-1050m段地震層析成像斷面色譜圖

3.3 超高密度電法勘探

G’—G線(xiàn)的0-915m段(對(duì)應(yīng)地震剖面水平距離0-906.76m段)的超高密度電法斷面，從超高密度電法反演結(jié)果可知，整條測(cè)線(xiàn)介質(zhì)不均勻，測(cè)線(xiàn)中間部分的深層電阻率整體上相對(duì)較高，這一點(diǎn)與地震層析成像的高波速比較吻合。位于測(cè)線(xiàn)0+85m、測(cè)線(xiàn)0+309m、測(cè)線(xiàn)0+440m、測(cè)線(xiàn)0+510m、測(cè)線(xiàn)0+746m處及測(cè)線(xiàn)0+835m處發(fā)現(xiàn)6處明顯低阻異常，寬度分別約15m、20m、20m、15m、20m及15m，分別傾向大號(hào)方向、傾向大號(hào)方向、大號(hào)方向、小號(hào)方向、小號(hào)方向及小號(hào)方向，如圖4所示。

圖4 壩軸線(xiàn)(G-G’)左岸0-915m段超高密度電法斷面色譜圖

結(jié)合地震資料綜合分析，確定6條推測(cè)破碎帶Gf1、Gf2、Gf3、Gf4、Gf5、Gf6，分別位于測(cè)線(xiàn)0+85m、0+309m、0+440m、0+510m、0+746m、0+835m處，縱波波速分別為2300m/s、2000m/s、2000m/s、2400m/s、1900m/s、2500m/s，電阻率<100Ωm，寬度分別為15m、20m、20m、15m、20m及15m，分別傾向大號(hào)方向、大號(hào)方向、大號(hào)方向、小號(hào)方向、小號(hào)方向及小號(hào)方向。

4 結(jié) 語(yǔ)

多種物探方法綜合應(yīng)用的效果是理想的，在水利工程勘察中采用綜合物探并參照相關(guān)的地質(zhì)孔資料，對(duì)于解決庫(kù)區(qū)勘察的覆蓋層厚度、基巖埋深、風(fēng)化帶劃分及構(gòu)造破碎帶位置探測(cè)等問(wèn)題還是很可靠的。相信隨著物探方法技術(shù)的不斷成熟，新的儀器設(shè)備不斷涌現(xiàn)，綜合物探在水利工程勘察領(lǐng)域必將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

[1]黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.黑龍江省雙鴨山市大葉溝水庫(kù)工程物探報(bào)告[R].哈爾濱：黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2016.

[2]長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院水文物探編寫(xiě)組.水文地質(zhì)工程地質(zhì)物探教程[M].北京：地質(zhì)出版社，1981：1，378，379.

[3]鄧一謙，雷宛.工程與環(huán)境物探[M].成都：成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院，2003：2.

[4]中國(guó)水利電力物探科技信息網(wǎng).工程物探手冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2011：373.

Application of Comprehensive Prospecting in Dayegou Reservoir Investigation

JIANG Jun1;SUN Bao-xi2and KANG Xue-xin1

(1.Mishan Urban River Affairs Management, Mishan 158300,China;2.Heilongjiang Provincial Water Conservancy & Hydropower Investigation,Design and Research Institute, Harbin 150080, China)

Three kinds of prospecting methods, including shallow refracting seismic exploration,high-density resistivity prospecting and seismic tomography exploration, were adopted in the project exploration relative with Heilongjiang Provincial Dayegou reservoir. The three methods were used on project site, and the interpretation of the follow-on information showed that the comprehensive application for various prospecting methods is perfect and proves dependable of accuracy by comparing with relative drilling information. Application of various prospecting methods might not only learn from each other and verify each other but also decrease the quantities of prospecting works appointed aimlessly and reduce the production cost, even though, some common geological methods difficult to be solved rapidly might be solved. Therefore, the comprehensive prospecting has vast potential in the field of water conservancy engineering investigation for future development and is valuable to be popularized widely in future project investigation.

comprehensive exploration; shallow refracting seismic exploration；high-density resistivity prospecting; velocity of longitudinal wave; speculation for broken zone

1007-7596(2017)05-0123-04

2017-04-16

姜軍(1965-)，男，工程師，黑龍江密山人，從事小型農(nóng)田水利工程建設(shè)管理工作；孫寶喜(1977-)，男，山東萊陽(yáng)人，高級(jí)工程師，從事工程物探工作；康學(xué)新(1966-)，女，黑龍江密山人，助理工程師，從事小型農(nóng)田水利工程建設(shè)管理工作。

TV698；P631.3

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