高密度電法的典型正演地電模型及其在穿越工程勘查中的應用

付小明，杜 毅，吳有亮，鄧 艷，雷 宛

(1.成都理工大學 信息工程學院，成都 610059;2.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，成都 610051)

高密度電法的典型正演地電模型及其在穿越工程勘查中的應用

付小明1，杜 毅2，吳有亮2，鄧 艷2，雷 宛1

(1.成都理工大學 信息工程學院，成都 610059;2.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，成都 610051)

當油氣管道的穿越工程遇到卵石覆蓋區、圍堰采砂區，以及裂隙發育帶等時，由于地區結構復雜，孔隙大的原因，將造成淺層地震勘探效果不佳。鑒于此，這里根據高密度電法原理，并從正演模擬出發，研究了高密度電法在卵石覆蓋區、圍堰采砂區及裂隙發育帶進行工程勘察的可行性和效果，并將該方法應用于工程實例。結果表明:對于卵石覆蓋區、圍堰采砂區，以及裂隙發育帶的工程地質條件，高密度電法在穿越工程中的勘探效果更好。

高密度電法;穿越工程;正演模擬

0 前言

在油氣管道穿越工程中進行工程地質勘察，常常會遇到以下地質情況:

(1)卵石、孤石和滾石覆蓋區。

(2)圍堰采砂區。

(3)裂隙發育帶。

這些地區結構復雜，孔隙大，地震波能量衰減迅速，淺層地震勘探效果不佳。鑒于此，為了使用物探方法解決這類工程地質問題，作者對穿越工程中幾種典型構造用高密度電阻率法進行正演模擬和研究，并將取得的理論研究成果，應用于生產實際中并取得了更好的效果。

1 方法原理

高密度電阻率法是根據地下介質間的視電阻率差異，來探測地下的視電阻率異常。其原理和常規直流電阻率法一樣，它通過A、B電極向地下供電流，然后用測量電極M、N測量電位差，以計算出視電阻率值ρs。根據測得的視電阻率進行反演計算、分析，可推斷出地下地層中的電阻率異常情況，從而可以探明異常體的存在，結合地質資料判斷其位置及規模等。

在實際工作中，測點的視電阻率值是通過下式求得的:

式中 ΔV為測量電位差;Ι為供電電流;Κ為裝置系數，溫納裝置的裝置系數為Κ=2πa，偶極裝置的裝置系數為Κ=6πa。

高密度電法勘探是這樣實現的:首先在地表布設一系列電極，通過電極轉化器不斷改變供電電極和測量電極的位置，按照電阻率測量儀設定的采集裝置，測得相應位置的電位分布，以探測不同深度、不同位置的地電體;然后將測得的數據傳入計算機，利用相關處理軟件(如res2dinv軟件)進行處理，并將反演結果繪成電阻率剖面圖［1～3］。

2 穿越工程典型地質條件的正演模擬

高密度電法勘探的基礎，是地下巖層存在電阻率差異。在卵石覆蓋區、圍堰采砂區、裂隙發育帶，一般結構復雜、孔隙大，且往往被低阻物質充填(比如水等)，而基巖的電阻率一般都比較大，所以總體上卵石覆蓋區、圍堰采砂區、裂隙發育帶與基巖之間存在明顯的電阻率差異，這就構成了高密度電法勘探的有利條件［4、5］。

為了進一步了解高密度電法在穿越工程中的探測效果，使用res2dmod軟件［1］進行了正演模擬。在模擬中設置點距1m，電極100根，水的電阻率為10Ω·m，卵石體和裂隙發育帶的電阻率為100Ω·m，基巖的電阻率為1000Ω·m。

2.1 卵石覆蓋區正演模擬

與理論模型(見圖1)對比可看出，反演結果與模型對應比較好，且分界面清晰。從溫納裝置反演電阻率斷面圖(見圖2)、偶極～偶極裝置反演電阻率斷面圖(見圖3)可以看到:模型水中的卵石區域在圖2、圖3中呈現出封閉圈異常，而在基巖面上呈現反演電阻率起伏形態。電阻率向上凸起的位置與模型體位置基本吻合，其電阻率為25Ω·m～50Ω·m。在卵石覆蓋區模擬中，偶極裝置較溫納裝置表現明顯。

2.2 圍堰采砂區正演模擬

與理論模型(見下頁圖4)對比可看出，兩種裝置反演結果與模型對應比較好，且分界面清晰。從溫納裝置反演斷面圖(見下頁圖5)、偶極－偶極裝置反演斷面圖(見下頁圖6)可以看到:由于圍堰采砂區與理論模型(見下頁圖7)處被水(低阻物質)充填，所以在圖5及圖6中形成低阻向下凹陷異常，且異常區與模型圍堰采砂區位置基本吻合，電阻率為6Ω·m～15Ω·m。

圖1 卵石覆蓋區的理論模型Fig.1 Theoreticalmodelofthecoverageregionofgrain

圖2 卵石覆蓋區溫納裝置反演電阻率斷面圖Fig.2 TheinvertedresistivitysectionofWennerdeviceincoverageregionofgrain

圖3 卵石覆蓋區偶極～偶極裝置反演電阻率斷面圖Fig.3 TheinvertedresistivitysectionofDipole-dipoledeviceincoverageregionofgrain

2.3 裂隙發育帶正演模擬

與理論模型(見圖7)對比可看出，反演結果與模型對應比較好，且分界面清晰。從溫納裝置反演電阻率斷面圖(見下頁圖8)、偶極～偶極裝置反演電阻率斷面圖(見下頁圖9)可以看到:裂隙發育帶由于巖石破裂，其中孔隙度較大，被水充填，從而橫向連續性較差，且異常區與模型裂隙發育帶位置基本吻合，其電阻率為80Ω·m～120Ω·m。在大的裂隙發育帶模擬中，偶極裝置較溫納裝置表現明顯。

圖8 裂隙發育帶溫納裝置反演電阻率斷面圖Fig.8 TheinvertedresistivitysectionofWennerdeviceinfracturezone

圖9 裂隙發育帶偶極～偶極裝置反演電阻率斷面圖Fig.9 TheinvertedresistivitysectionofDipole － dipoledeviceinfracturezone

圖10 嘉陵江穿越地形校正后溫納裝置反演電阻率斷面圖Fig.10 TheinversionresistivitysectionofWennerdeviceaftertopographiccorrectionofthecrossingJialingriverproject

3 應用實例

3.1 嘉陵江穿越工程實例

實際穿越工程位于嘉陵江上，工作期間江面被出露的江心洲(寬約200m)分隔開，一側近于靜水，水面寬度約70m，水深約不大于5m。

經工區地質調查結果顯示:

(1)工區上覆地層主要為第四系松散堆積層，主要成份為砂巖、砂卵石以及粘土，電阻率為10Ω·m～1000Ω·m。

(2)下伏地層主要有侏羅系沙溪廟組砂巖，以及自流井組灰白色泥灰巖、泥巖，砂泥巖互層，基巖電阻率呈高阻反映為5000Ω·m～20000Ω·m，巖層分布較復雜，局部地區裂隙比較發育。

卵石區與基巖電阻率相差較大，這說明在該區開展高密度電法具備了地球物理前提。

圖10、圖11(見下頁)分別為嘉陵江穿越工程的地形校正后的溫納裝置、偶極～偶極裝置高密度電法勘探反演電阻率斷面圖。該段穿越河流，為其靜水段。由于受到河流的側蝕作用，凹岸遭到剝蝕，常有基巖出露，且易裂隙發育而凸岸，造成大量堆積，表現為卵石覆蓋(左邊為凸岸，右邊為凹岸)。

(1)從溫納裝置反演斷面圖(見圖10)看出，層狀結構不明顯，左岸覆蓋區中多處封閉與半封閉的低電阻率異常，電性界限不明顯，由卵石覆蓋區的正演模擬推斷為卵石覆蓋區;右岸表現為高阻，即為基巖出露，且在橫坐標150m～168m處橫向不連續，而偶極裝置反演電阻率斷面圖(見圖11)在橫坐標150m～168m處表現為低阻異常，且范圍較溫納裝置小，由裂隙發育帶的正演模擬推斷為裂隙發育帶。

(2)從偶極裝置反演電阻率斷面圖(見圖11)看出，圖像除橫坐標150m～168m處有一低阻異常外，呈明顯層狀結構，電性界限明顯。

綜上可知，在173m高程以上電阻率橫向連續性較差，左岸推斷為卵石層，右岸表層未含水，表現為高電阻率，推斷為耕植土及細砂且有基巖出露。而在173m高程以下表現為相對高阻，推斷為砂巖泥巖互層，且右岸巖體裂隙較發育。

根據測線80m處鉆孔資料可知，地表0m～5.8m為砂卵石層，5.8m以下為砂巖。

根據測線182m處鉆孔資料可知，地表0m～3.4m為灰褐色砂巖，3.4m以下為砂巖夾少量泥巖，且裂隙較發育。

根據測線325m處鉆孔資料可知，地表0m～3.4m為耕土，以下3.4m～16.8m為自流井組灰白色泥灰巖，16.8m以下為泥巖。

由于高密度二維反演斷面圖與鉆孔資料吻合較好，從而證明了高密度電法在卵石覆蓋區及裂隙發育帶的勘探效果較好。

3.2 涪江穿越工程實例

穿越工程位于涪江上，工作期間測線被涪江引流渠截斷。主河道水深3m～4m，圍堰水深5m左右，橫向上電阻率分布較為復雜，縱向大體可以分為二個電阻率分布帶，電阻率依次增高。

對工區地質調查的結果顯示，工區上覆地層主要為砂巖、泥巖地層，少有礫巖，兩岸上覆8m～10m卵石，電阻率為10Ω·m～1000Ω·m;下伏基巖地層主要為灰巖、泥巖，砂泥巖互層，電阻率呈高阻反映，電阻率為5000Ω·m～40000Ω·m，巖層分布較復雜，局部地區為圍堰采砂區。卵石區、圍堰采砂區與基巖電阻率相差較大，說明在該區開展高密度電法具備了地球物理前提。

圖12、圖13(見下頁)分別為涪江穿越地形修改后的溫納裝置、偶極～偶極裝置反演電阻率斷面圖。該段穿越河流，由于受到河流的側蝕作用，凹岸遭到剝蝕，常基巖出露，且易裂隙發育而凸岸造成大量堆積，表現為卵石覆蓋(右邊為凹岸，左邊為凸岸)。

從溫納裝置反演電阻率斷面圖(見圖12)看出，層狀結構不明顯，左岸覆蓋區中由于卵石覆蓋引起多處封閉與半封閉的低電阻率異常，電性界限不太明顯;右岸表現為高阻，推斷為細砂，且基巖較淺，在橫坐標150m～184m處橫向不連續。

圖11 嘉陵江穿越地形校正后偶極～偶極裝置反演電阻率斷面圖Fig.11 TheinversionresistivitysectionofDipole － dipoledeviceaftertopographiccorrectionofthe crossingJialingriverproject

圖12 涪江穿越地形修改后溫納裝置反演電阻率斷面圖Fig.12 TheinvertedresistivitysectionofWennerdeviceaftertopographiccorrectionofthecrossingFujiangriverproject

圖13 涪江穿越地形修改后偶極－偶極裝置反演電阻率斷面圖Fig.13 TheinversionresistivitysectionofDipole － dipoledeviceaftertopographiccorrectionofthecrossing Fujiangriverproject

從偶極裝置反演斷面圖(見圖13)看出，呈明顯層狀結構，電性界限明顯，從圍堰采砂區正演模擬中可推斷為圍堰采砂區。

綜上可知，高程377m～395m電阻率橫向連續性較差，左岸推斷為卵石層，右岸表層未含水，表現為高電阻率，推斷為細砂且為基巖較淺。而在高程377m以下，表現為相對高阻，推斷為砂巖泥巖互層，且右岸有圍堰采砂區。

(1)據測線63.26m處鉆孔資料可知，379.28m～375.28m為砂卵石層，375.28m以下為砂巖泥巖互層。

(2)據測線141.03m處鉆孔資料可知，376.46m～358.16m為砂巖，358.16m以下為砂巖夾少量泥巖，為圍堰采砂區。

(3)據測線203.4m處鉆孔資料可知，383.3m～377.60m為卵石覆蓋區，377.6m～361.8m為砂巖，361.8m以下為砂巖夾泥巖。

高密度二維反演電阻率斷面圖與鉆孔資料吻合較好，從而證明了高密度電法在卵石覆蓋區及圍堰采砂區的勘探效果較好。

4 結論和建議

(1)正演模擬和實際應用證明:卵石區域在反演電阻率斷面圖中呈現出封閉圈異常，在基巖面上呈現出高阻層起伏，在圍堰采砂區形成低阻層起伏，裂隙發育帶橫向連續性較差，正演結果在穿越工程應用實例中得到證明。

(2)高密度電法與其它物探方法相比，在穿越工程的勘察中，能夠取得較好的地質效果。尤其是在卵石覆蓋區、圍堰采砂區及裂隙發育帶，能給出較準確的基巖面埋深、起伏形態、圍堰采砂區及裂隙帶相對位置。

(3)建議在實際工作中，需結合當地的地電條件，具體情況具體分析，選取最適合當地地電條件的裝置及方法，從而取得最佳的物探效果。

［1］ DR． M H LOKE． Electrical imaging surveys for environmentaland engineering studies［M］． Malaysia， 1999．

［2］ 肖宏躍，雷宛.地電學教程［M］.北京:地質出版社，2008.

［3］ 雷宛，肖宏躍，鄧一謙.工程與環境物探［M］.北京:地質出版社，2006.

［4］ 肖宏躍，雷宛.高密度電阻率法中幾種裝置實測效果比較［J］.工程勘察，2007，9(5):65.

［5］ 孫紅亮，肖宏躍，雷宛.高密度電法的延時性勘探研究［J］.成都理工大學學報:自然科學版，2008，4(2):158.

［6］ 雷宛，肖宏躍.高密度電法中集中裝置勘探效果的比較［J］.中國地球物理，2006，10:236.

［7］ 肖宏躍，雷宛，王永慶.實驗室高密度電法微測系統的模擬研究［J］.物探化探計算技術，2008，30(5):419.

［8］ 肖宏躍，雷宛.用高密度電法探測西安地區地裂縫的應用效果［J］.物探與化探，1993，17(2):147.

［9］ 董浩斌，王傳雷.高密度電法的發展與應用［J］.地學前緣，2003，110(3):171.

［10］冷元寶，黃建通，張震夏，等.堤壩隱患探測技術研究進展［J］.地球物理學進展，2003，9(18):370.

P631.3+22

A

1001—1749(2011)05—0501—06

2011－03－08 改回日期:2011－07－04

付小明(1986－)，女，湖北隨州人，碩士，研究方向是地球探測與信息技術。