大地電磁探測技術(shù)在旭龍水電站隱蔽構(gòu)造勘察中的應(yīng)用

郭聰 徐濤 陳江平

摘要：旭龍水電站前期工程勘察中面臨壩庫區(qū)高陡邊坡、滑坡體及超厚覆蓋層等復(fù)雜地質(zhì)條件，準確查明該區(qū)域的隱蔽構(gòu)造、裂縫、斷層及覆蓋層厚度十分關(guān)鍵。引入新型大地電磁測深探測系統(tǒng)，并基于優(yōu)化改進二維快速松弛反演（RRI）算法，得到了收斂快、曲線平滑的大地電磁測深剖面，提取了豐富的深部地層信息。結(jié)果表明：采用低頻磁棒、改進的RRI反演算法，有效數(shù)據(jù)頻帶延伸到1～0.1 Hz，有效探測深度近1 000 m。該技術(shù)在超厚覆蓋層及深部構(gòu)造探測中獲得了較好的應(yīng)用效果，克服了旭龍水電站前期勘察技術(shù)難點，可為新型大地電磁系統(tǒng)在類似工程的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：地球物理勘察； 大地電磁法； 二維RRI反演； 隱蔽構(gòu)造； 旭龍水電站

中圖法分類號：P631

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.007

文章編號：1006-0081（2024）05-0036-07

0 引言

旭龍水電站是金沙江上游河段“一庫十三級”開發(fā)方案的第12級，也是國家西電東送骨干電源點之一，2022年6月獲得國家發(fā)展和改革委員會核準批復(fù)，成為“十四五”期間核準開工建設(shè)的國家重大工程之一。旭龍水電站建成投產(chǎn)后，預(yù)計年發(fā)電量約105億kW·h，節(jié)約標準煤315萬t，將有效緩解區(qū)域電力供應(yīng)緊張，對地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展意義重大。

早在2004年，旭龍水電站預(yù)可研階段勘察工作已經(jīng)啟動。前期資料表明，水電站所在的金沙江上游河段地質(zhì)條件復(fù)雜，隱蔽構(gòu)造多，區(qū)域裂縫及斷層發(fā)育，覆蓋層較厚，庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性差，地質(zhì)勘察難度較大。多年來，國內(nèi)專家學(xué)者對此開展大量研究工作，楊鵬等［1］對旭龍水電站庫區(qū)格亞頂堆積體變形及穩(wěn)定性進行分析，劉沖平等［2］對旭龍水電站庫壩區(qū)邊坡危巖體進行評價。

為進一步調(diào)查分析旭龍水電站庫壩區(qū)隱蔽構(gòu)造特征及深部不良地質(zhì)體，國內(nèi)學(xué)者充分借鑒類似工程的物探勘察方法開展研究工作，郭一兵等［3］研究高密度電法在特大型滑坡勘察中的應(yīng)用，趙驚濤等［4］采用地震繞射波探測方法對煤礦隱蔽致災(zāi)地質(zhì)體進行分析，張建清等［5］也在同類水電站建設(shè)中開展過綜合物探方法研究工作，都取得了較好的效果，給旭龍水電站隱蔽構(gòu)造及深部地質(zhì)構(gòu)造探測提供了思路。采用高密度電法能較好地查明測區(qū)淺層覆蓋層厚度及斷層分布情況，但無法探測超厚覆蓋層及深部斷裂信息；采用瞬變電磁、地震法等能滿足探測深度要求，但容易受到環(huán)境條件影響，不易達到勘察精度要求。因此，復(fù)雜地質(zhì)條件及不利環(huán)境因素成為了旭龍水電站隱蔽構(gòu)造探測的難點。

在前人研究基礎(chǔ)上，本文針對旭龍水電站隱蔽構(gòu)造及超厚覆蓋層開展大地電磁法研究工作。大地電磁法探測深度大，不易受到環(huán)境干擾。音頻大地電磁法（AMT）或大地電磁法（MT）起步較早，數(shù)據(jù)處理及解釋較為成熟，反演方法種類繁多。近年來，隨著技術(shù)發(fā)展，高精度大地電磁法反演方法也有所突破。目前運用較成熟的有奧可姆法（OCCAM）反演及簡化基奧可姆法（REBOCC）反演 ［6］，這些反演方法能反映出地層電性結(jié)構(gòu)特征。Smith等［7］于1999年提出的SBI反演方法，改變了邊界位置的收斂度，同年開發(fā)的快速松弛法算法（RRI）成功引入到國內(nèi)，成為了國內(nèi)MT工作者經(jīng)常使用的反演方法，并內(nèi)嵌到各種軟件中。該反演方法通過建立數(shù)據(jù)擾動和模型參數(shù)擾動之間的線性積分方程，使求解過程變得迅速，且更容易收斂。

本文從AMT的方法原理入手，介紹一種新型大地電磁測深系統(tǒng)（GEM-3D）。對儀器裝備技術(shù)總結(jié)、反演方法改進、數(shù)據(jù)處理與解釋、實例分析等開展了研究，并在旭龍水電站前期物探勘察中取得了良好的應(yīng)用效果。

1 音頻大地電磁（AMT）方法原理

音頻大地電磁（AMT）探測基本原理：當天然交變電磁場入射大地，在地下以波的形式傳播時，由于電磁感應(yīng)，接收器會接收到地面電磁場信號，這些信號會包含地下介質(zhì)的電阻率分布信息。由于不同頻率的電磁場信號具有不同穿透深度，因此可以通過研究地表采集的大地電磁數(shù)據(jù)來反演出地下不同深度介質(zhì)電阻率分布的信息［8］。

郭聰 等大地電磁探測技術(shù)在旭龍水電站隱蔽構(gòu)造勘察中的應(yīng)用

通過傅立葉變換將時間域的電磁信號變成頻譜信號，進而計算卡尼亞電阻率Z［9］：

2 二維快速松弛反演（RRI）

2.1 RRI反演算法改進

快速松弛反演（Rapid Relax Inversion，RRI）是通過求解與一維相近的反演問題來計算測點的視電阻率矩陣，從原理上可以把二維問題轉(zhuǎn)成一維問題［11］。基本思路如下。

圖1頻率與電阻率交會量版圖

式中：Q（yi）為各測點的拉普拉斯（Laplace）范數(shù)方程；f（z）為控制標度尺長度，來度量不同深度的構(gòu)造；z0表示模型最高頻率情況下的趨膚深度；g（z）為控制水平方向構(gòu)造的懲罰因子［12-13］。

在實際反演中，為了得到較好的反演效果和有效深度，需要對RRI反演方法進行改進。具體做法如下：① 先對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，剔除異常畸點；② 對數(shù)據(jù)初次反演，并進行平滑處理，得到初始模型；③ 將初次反演結(jié)果作為初始模型進行RRI反演，同時控制好f（z）參數(shù)。一般情況下，設(shè)置合適的首層厚度，選取適當?shù)脑鲩L因子和水平構(gòu)造懲罰因子g（z），使反演邊界達到趨膚深度。經(jīng)過改進后的RRI算法具有收斂速度快、反演剖面平滑、深部信息豐富等特點，適用于隱蔽構(gòu)造的反演成像［14-15］。

2.2 RRI反演應(yīng)用

為驗證RRI反演算法可靠性，選取旭龍水電站壩址區(qū)的一段測線進行反演分析。試驗測線長1 200 m，點距50 m，按照2.1節(jié)中反演步驟，選取首層厚度為13 m，增長因子1.1，為了達到一定的趨膚深度，層數(shù)選取23層。最終得到反演結(jié)果如圖2顯示。

從圖2中看出，二維反演后的地層構(gòu)造電性特征較為明顯，表層覆蓋層低阻特征明顯，盲區(qū)也相對小。從深部看，在樁號800～1 000 m之間，深度范圍2 000～2 400 m見一處低阻異常，兩側(cè)電阻差異明顯，結(jié)合地質(zhì)資料和鉆孔資料推斷為巖體破碎。總體來看，覆蓋層與基巖分界面清晰，邊界輪廓無毛刺現(xiàn)象，深部地質(zhì)構(gòu)造明顯，低阻異常區(qū)反應(yīng)突出，表明改進后的反演算法對隱蔽性強的地質(zhì)構(gòu)造反演效果好。

3 旭龍水電站實例應(yīng)用

3.1 工程地質(zhì)概況

旭龍水電站位于云南省德欽縣與四川省得榮縣交界的金沙江干流上游河段，地跨川、滇、藏兩省一區(qū)，屬于青藏高原強烈隆起區(qū)。水電站選址區(qū)地處橫斷山山地，呈明顯臺階狀下降趨勢，屬于峽谷地貌特征，總體地勢為西北高東南低。選址區(qū)河谷為深切型的下切峽谷地形。

選址區(qū)建基巖體以花崗巖和斜長角閃片巖為主，兩岸斷裂構(gòu)造較發(fā)育，但構(gòu)造組合相對簡單，斷層規(guī)模小，查明這些斷裂構(gòu)造和斷層是地質(zhì)勘察的關(guān)鍵。

庫區(qū)沿線山坡陡峻、為高山峽谷。兩岸山體呈臺階下降，覆蓋層以第四系沖洪積、崩坡積為主，覆蓋層厚度大，基巖基本以大理巖、花崗巖為主。覆蓋層與基巖電性特征差異較大，為大地電磁法勘探提供了必要的地球物理條件。

3.2 新型大地電磁系統(tǒng)介紹

為采集數(shù)據(jù)質(zhì)量好的大地電磁原始資料。本文介紹一種新型大地電磁Geode-EM3D系統(tǒng)（簡稱GEM-3D系統(tǒng)），該系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)格化設(shè)計，配置多個接收機（Station），可以實現(xiàn)3D采集，單臺接收機有6個通道，可以配置3個磁通道或3個電通道。經(jīng)測試，單站可以同時采集5個測點（標量），效率大大增加。在進行AMT采集過程時，通過單站與微機進行網(wǎng)絡(luò)信息鏈接（Network Information Build）NIB連接，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集動態(tài)監(jiān)視，提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。在野外工作布置中，通常采用單站式采集模式。圖3是單站式GEM-3D系統(tǒng)的工作布置示意。

為了更好地采集深部地層信息，在實際探測中采用GEM-3D系統(tǒng)的G20K低頻磁棒，它的頻率范圍為0.1～20 kHz，不僅探測深，且噪聲干擾小。在實際測試中，對比分析了兩種不同頻率范圍的磁棒，圖4為采用不同頻率磁棒采集的兩組標量數(shù)據(jù)。從圖4維Bostick反演曲線看出，探測深度達到數(shù)千米。此外，低頻采集對“死頻帶”有一定的壓制作用。

3.3 覆蓋層勘察應(yīng)用

在旭龍水電站庫區(qū)移民安置點和金沙江兩岸堆積體中選擇2處測點開展覆蓋層厚度和滑坡體地質(zhì)狀況物探勘察工作。旭龍水電站移民安置點A點位于樞紐區(qū)下游4～5 km，海拔高程2 300～3 000 m。覆蓋層為冰水堆積碎石土層，主要由碎塊石、礫石及大量粉土組成。在該安置點上布置AMT測線，點距為50 m。經(jīng)過RRI反演后，最終得到視電阻率剖面如圖5所示。

從圖5看出，剖面整體成層性較好，淺層視電阻率低，中深部視電阻率有升高趨勢，橫向上看電性特征變化均勻，近地表電性差異明顯。覆蓋層與基巖界面清晰，覆蓋層厚度從小樁號到大樁號逐漸增大，符合該地區(qū)深切峽谷地質(zhì)特征。厚度變化范圍130～300 m；在樁號1 260 m左右有一鉆孔ZK2孔，鉆孔揭露在239 m尚未鉆穿覆蓋層，推斷該處的覆蓋層深度在250～300 m之間，反演結(jié)果與鉆孔結(jié)果相吻合。

在旭龍水電站庫區(qū)金沙江兩岸分布很多滑坡體和堆積體，如格亞頂1號堆積體、格亞頂2號滑坡體、木擁橋堆積體、莫丁1號堆積體、拿榮1號堆積體、吉布卡堆積體等。這些滑坡體、堆積體地形陡峭，巖體疏松，經(jīng)常發(fā)生小規(guī)模的崩塌、掉塊現(xiàn)象。查明其覆蓋層厚度和基巖面情況，對庫區(qū)高邊坡防護有重要意義。

在一堆積體上布置沿江方向測線M1，點距為25 m。通過數(shù)據(jù)采集、處理、反演得到M1測線AMT視電阻率反演剖面如圖6所示。

從圖6看出，剖面視電阻率縱向呈由低到高的漸變趨勢，淺部局部電性分布不均勻，地層電性差異較明顯，覆蓋層與基巖界面清晰，厚度變化范圍30～80 m。覆蓋層以砂卵石、碎塊石為主。從橫向上看，基巖埋深總體呈現(xiàn)均勻變化，推測該堆積體由于山體巖體風化、巖屑滑坡逐漸形成厚度不均的覆蓋層，具有不穩(wěn)定性，會隨邊坡發(fā)生走滑和落石。

3.4 隱蔽構(gòu)造勘察應(yīng)用

壩址區(qū)兩岸雖然巖性相對單一，但區(qū)域斷裂、斷層發(fā)育，全區(qū)分布著70余條大小斷層，絕大多數(shù)斷層走向與金沙江岸坡交角較大。區(qū)域處于地質(zhì)活躍帶，受構(gòu)造運動影響造成褶皺、巖體局部破裂，如不及時查明并處置這些隱蔽構(gòu)造及不良地質(zhì)體，將對大壩施工造成安全隱患。以過壩址的交通隧洞線路G2探測成果作為實例，分析隧洞高程上下巖體的完整性，查明隧洞線路上地層地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育特征，為進一步勘察設(shè)計提供依據(jù)。G2測線點距50 m，經(jīng)數(shù)據(jù)采集、處理、反演得到G2測線AMT視電阻率反演剖面如圖7所示。

從圖7看出，剖面總體視電阻率較高，橫向電阻率變化較大。在樁號1 500 m左右，視電阻率等值線不連續(xù)，存在電阻率差異，推測為一斷層F，傾向小樁號方向，傾角約85°，為一逆斷層。在樁號400～1 200 m、高程2 100 m以下，有一處低阻異常帶，引起上部地層電阻率在橫向上變化較大，推斷為巖體破裂帶。經(jīng)鉆孔驗證，該區(qū)域基巖為中、弱風化帶，破碎充填物多為鐵錳質(zhì)礦物，導(dǎo)致電阻率偏低。此外，在樁號1 600～2 600 m地表面視電阻率較高，電阻率值與基巖相似，推斷該區(qū)段除有局部較薄的崩坡積層揭露外，其余為基巖出露。

從G2測線整體來看，反演剖面不僅反映出該測線宏觀地質(zhì)構(gòu)造，而且對小尺度的巖性變化、裂隙等有很好的探測效果。

4 結(jié)論

（1） 大地電磁探測技術(shù)對旭龍水電站測區(qū)超厚覆蓋層和斷裂帶、堆積體、滑坡體等不良地質(zhì)體勘察有良好的應(yīng)用效果，對進一步研究三維觀測系統(tǒng)布置、提升深部勘探成果的準確性具有重要意義。

（2） 隱蔽構(gòu)造大地電磁探測方法在旭龍水電站勘察的運用，彌補了常規(guī)物探方法的不足，解決了旭龍水電站隱蔽構(gòu)造、超厚覆蓋層、邊坡堆石體等勘察難點，為水電站后續(xù)建設(shè)提供了技術(shù)支撐。

（3） 本文對新型大地電磁技術(shù)裝備應(yīng)用進行總結(jié)，優(yōu)化改進大地電磁探測技術(shù)，拓寬了物探思路，對類似工程物探技術(shù)應(yīng)用具有參考價值。

參考文獻：

［1］楊鵬，鄭光，黃金成，等.旭龍水電站庫區(qū)格亞頂堆積體變形及穩(wěn)定性分析［J］.人民長江，2023，54（9）：128-135.

［2］劉沖平，王吉亮，黃孝泉，等.環(huán)境邊坡危巖體穩(wěn)定性定性評價研究［J］.水利水電快報，2023，44（1）：43-47.

［3］郭一兵，姜鑫，郭富赟，等.高密度電法在特大型滑坡應(yīng)急勘查中的應(yīng)用［J］.甘肅地質(zhì)，2023，32（3）：82-87，93.

［4］趙驚濤，彭蘇萍，陳宗南，等.煤礦隱蔽致災(zāi)地質(zhì)體地震繞射波探測方法［J］.礦業(yè)科學(xué)學(xué)報，2022，7（1）：1-8.

［5］張建清，陳敏，蔡加興，等.綜合物探檢測技術(shù)在烏東德水電站建設(shè)中的應(yīng)用［J］.人民長江，2014，45（20）：59-63.

［6］CONSTABLE S C，PARKER R L，CONSTABLE C G .Occam′s inversion，a practical algorithm for generating smooth models from electromagnetic sounding data［J］.Geophysics，1987，52（3）：289-300.

［7］SMITH J T，BOOKER J R.Rapid inversion of two- and three-dimensional magnetotelluric data［J］.Journal of Geophysical Research Solid Earth，1991，96（B3）：3905-3922.

［8］尹劍，張建清.基于音頻大地電磁測深法數(shù)據(jù)的不良地質(zhì)體探測研究——以西藏某水利工程為例［J］.水資源與水工程學(xué)報 2020，31（3）：180-185.

［9］湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁法及其應(yīng)用［M］.長沙：中南大學(xué)出版社，2005.

［10］陳樂壽，王光鍔.大地電磁測深法［M］.北京：地震出版社，1990.

［11］譚捍東，余欽范，BOOKER J，等.大地電磁法三維快速松弛反演［J］.地球物理學(xué)報，2003，46（6）：850-854.

［12］葉益信，鄧居智，楊海燕，等.SBI與RRI結(jié)合的MT二維反演方法研究及應(yīng)用［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，36（2）：204-209.

［13］高才坤，湯井田，王燁，等.基于RRI反演的高頻大地電磁測深在深邊部礦產(chǎn)勘探中的試驗研究［J］.地球物理學(xué)進展，2009，24（1）：309-314.

［14］劉戰(zhàn).音頻大地電磁法在探測斷層發(fā)育區(qū)中的應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)報，2019，16（5）：730-736.

［15］陳玉玲，韓凱，陳貽祥，等.可控源音頻大地電磁法在巖溶塌陷勘察中的應(yīng)用［J］.地球物理學(xué)進展，2015，30（6）：2616-2622.

編輯：李慧

Study on application of AMT in geophysical exploration of hidden geological structure in Xulong Hydropower Station

GUO Cong1，2，XU Tao1，2，CHEN Jiangping1，2

（1.Changjiang Geophysical Exploration & Testing Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；2.National Dam Safety Engineering Technology Research Center，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Xulong Hydropower Station is faced with complex geological conditions such as high and steep slopes，landslides and ultra-thick overburden in the dam and reservoir area，and it is very critical to accurately identify the hidden structures，cracks，faults and thickness of the overburden in the area.A new Audio-frequency Magnetotelluric method was introduced.By improving the algorithm of two-dimensional Rapid Relax Inversion（RRI），the AMT apparent resistivity profile with fast convergence and smooth curve was obtained，which contained information of deep formation.The results showed that the effective data band extended from 1.0 to 0.1 Hz and the effective detection depth was nearly 1 000 m with low frequency coil data acquisition and improved RRI inversion.The method used in the super-thick cover layer and deep hidden structure geophysical exploration was effective，which solved the difficulties in the preliminary exploration and provided a reference for geophysical exploration of similar hydropower stations.

Key words：

geophysical exploration； AMT method； 2D RRI Inversion； hidden geological structure； Xulong Hydropower Station

收稿日期：2023-11-08

作者簡介：郭聰，男，工程師，碩士，主要從事水利工程物探技術(shù)研究與應(yīng)用工作。E-mail：xjqxgc@qq.com