GMS-07e綜合電磁法儀在暗河勘察中的應(yīng)用

李曉威

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

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GMS-07e綜合電磁法儀在暗河勘察中的應(yīng)用

李曉威

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

GMS-07e綜合電磁法儀可實(shí)現(xiàn)MT、AMT、CSAMT等多種測(cè)量功能。本次試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱私饪辈靺^(qū)內(nèi)基本地球物理情況，以及區(qū)內(nèi)地下暗河所表現(xiàn)的電阻率特征，查明該區(qū)域地下暗河的分布情況，為項(xiàng)目集水廊道的開挖提供物探依據(jù)。

大地電磁測(cè)深；巖溶；地下暗河；廊道；電阻率

云南省石林地下水庫位于昆明市石林縣高石哨村東側(cè)，工程區(qū)屬石林高原區(qū)，距著名的石林風(fēng)景旅游區(qū)4 km，與乃古石林風(fēng)景旅游區(qū)相毗鄰。距離石林縣城24 km，距昆明約88 km，目前已有西(橋)～石(林)路和南昆鐵路從水庫東南邊路過，交通較為方便。地勢(shì)總體北、東高，西、南低，地表分水嶺與地下分水嶺基本一致，大氣降水幾乎全被巖溶所吸收，地表徑流少見。

石林縣地下水庫工程地下暗河勘察的物探工作，主要采用大地電磁測(cè)深法查明該區(qū)域地下暗河的分布情況，為該項(xiàng)目集水廊道的開挖提供物探依據(jù)。勘察區(qū)內(nèi)殘坡積物較淺，紅黏土電阻率最低，大約為0.1～10 Ω·m，砂巖電阻率約10～1000 Ω·m，泥頁巖電阻率約為10～1000 Ω·m，灰?guī)r電阻率約為10～10 000 Ω·m，區(qū)內(nèi)地下巖溶洞穴、地下暗河特別發(fā)育，不論這些巖溶洞穴是否存在填充物，暗河通道內(nèi)是否充水，其都與周圍圍巖存在著較大的物性差異，為大地電磁測(cè)深方法尋找地下暗河的分布提供了物性前提[1]。

1　GMS-07e工作原理

本次電磁測(cè)深工作采用GMS-07e綜合電磁法儀，由電磁場(chǎng)理論可知，大地介質(zhì)中將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電磁場(chǎng)，此感應(yīng)電磁場(chǎng)與一次場(chǎng)為同頻率電磁場(chǎng)，引入波阻抗Z。在均勻大地和水平層狀大地環(huán)境中，電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H的水平分量的比值為波阻抗[2-4]。

(1)

(2)

(3)

式中:f為頻率,Hz;ρ為電阻率,Ω·m;E為電場(chǎng)強(qiáng)度,MV/km;H為磁場(chǎng)強(qiáng)度,A/m;φE為電場(chǎng)相位，φH為磁場(chǎng)相位。在電磁理論中，定義穿透深度或趨膚深度(δ)為電磁場(chǎng)(E、H)在大地中傳播時(shí)，其振幅衰減到初始值1/e時(shí)的深度。

(4)

由式(4)可知，趨膚深度(δ)將隨電阻率(ρ)和頻率(f)的變化而改變，測(cè)量是在和地下研究深度相對(duì)應(yīng)的頻帶上進(jìn)行的。在一個(gè)寬頻帶上觀測(cè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)信息，并由此計(jì)算出視電阻率和相位，可確定出大地的地電特征和地下構(gòu)造。

2　GMS-07e野外工作方法與技術(shù)

2.1測(cè)深點(diǎn)的布置

使用森林羅盤儀在具體的觀測(cè)點(diǎn)上指示方向，坡角改正，用皮尺測(cè)量距離，以確定電極和磁棒布置位置，方位差小于0.2°，點(diǎn)位差應(yīng)小于0.5 m[5-8]。

2.2電極的布置

本次勘探一共使用4個(gè)電極，其中每?jī)蓚€(gè)電極組成一個(gè)電偶極子，為了便于對(duì)比、監(jiān)視電場(chǎng)信號(hào)，其長(zhǎng)度等于點(diǎn)距，把其中與測(cè)線方向一致的電偶極子叫做X-Dipole，與測(cè)線方向垂直的電偶極子叫做Y-Dipole。為了保證Y-Dipole的方向與X-Dipole相互垂直，用森林羅盤儀現(xiàn)場(chǎng)確定方向，誤差在0.5°以內(nèi)，用測(cè)繩測(cè)量電偶極子的長(zhǎng)度，誤差在0.5 m以內(nèi)。

2.3磁棒布置

磁棒離GMS-07e應(yīng)大于5 m，為了消除可能對(duì)磁棒的干擾，兩個(gè)磁棒要埋在距離地面至少5 cm的地下，用地質(zhì)羅盤定方向使其相互垂直，且水平誤差控制在2°以內(nèi)。工作人員要盡量遠(yuǎn)離磁棒，盡量選擇遠(yuǎn)離房屋、電纜、大樹的地方布置磁棒。試驗(yàn)時(shí)兩個(gè)磁棒相隔2～3 m，平行放在地面上，兩個(gè)電偶極子也需平行。

2.4測(cè)網(wǎng)布置

設(shè)計(jì)測(cè)線應(yīng)基本垂直于區(qū)域構(gòu)造走向，測(cè)區(qū)內(nèi)如有地震測(cè)線、垂向電測(cè)深點(diǎn)、深鉆孔等， 設(shè)計(jì)測(cè)線應(yīng)與其重合或靠近，設(shè)計(jì)測(cè)線應(yīng)避開城鎮(zhèn)或大的居民點(diǎn)。在重點(diǎn)區(qū)域， 設(shè)計(jì)的測(cè)線、測(cè)點(diǎn)距應(yīng)根據(jù)需要加密，通常至少要求有兩條測(cè)線，每條測(cè)線至少3個(gè)測(cè)點(diǎn)穿過異常體。本次勘察擬設(shè)計(jì)測(cè)線共8條，為提高測(cè)區(qū)物探成果的準(zhǔn)確性，其中2條布設(shè)在已知暗河上部，作為參考測(cè)線，另6條平行集水廊道布設(shè)。

2.5觀測(cè)頻段及觀測(cè)時(shí)間的選定

本次工作主要是探測(cè)區(qū)域內(nèi)暗河的走向，根據(jù)前期勘探與鉆探資料，可以確定本次工作主要探測(cè)深度為0～100 m，因此選定兩種采樣率進(jìn)行采集，其中選用65 536 Hz采樣率采集3 min，選用4096 Hz采樣率采集6 min，測(cè)點(diǎn)數(shù)見表1。

表1　測(cè)量工作一覽表

3　大地電磁數(shù)據(jù)處理資料解釋

測(cè)量工作采集的數(shù)據(jù)采用Mapros軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)據(jù)反演采用MT-Pioneer二維反演軟件[6-8]。

3.1試驗(yàn)結(jié)果分析

由L1線、L2線數(shù)據(jù)二維反演所得到的視電阻率剖面圖(見圖1、圖2)可知，L1線位于測(cè)點(diǎn)L104～L106下方60～80 m處可見明顯的高阻異常,L2線下方40～80 m處可見明顯的高阻異常,根據(jù)測(cè)點(diǎn)布設(shè)的位置可知:此兩處的高電阻率特征區(qū)域正是地下暗河所在的位置,因此該區(qū)域已知暗河通道表現(xiàn)為高電阻率的特征。通過對(duì)已知暗河通道的勘查，我們發(fā)現(xiàn)該暗河上部空腔較大，因而會(huì)表現(xiàn)為高電阻率值的特征，反演所得到的結(jié)果與實(shí)際相符合，驗(yàn)證了在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行大地電磁測(cè)深以探查暗河通道的可行性。

(1)L3線推斷解釋(圖3)

位于L306～L307下方20～40 m處見明顯的高阻異常；L310～L311下方30～60 m處見明顯的高阻異常，與周圍圍巖存在較大的物性差異，推測(cè)此兩處為地下溶洞空腔。

(2)L4線推斷解釋(圖4)

位于L406～L407下方20～40 m處見明顯的高電阻率異常，L412～L413下方40～70 m處明顯的高電阻率異常，與周圍圍巖存在較大的物性差異，推測(cè)此兩處為地下溶洞空腔。

(3)L5線推斷解釋(圖5)

位于L511～L513下方40～70 m處見明顯的高電阻率異常，與周圍圍巖存在明顯的物性差異，推測(cè)為地下溶洞空腔。

(4)L6線推斷解釋(圖6)

位于L611～L612下方40～80 m見明顯的高阻異常體，推測(cè)此處為地下溶洞空腔。

(5)L7線推斷解釋(圖7)

位于L7線未發(fā)現(xiàn)明顯的高阻異常。

(6)L8線推斷解釋(圖8)

位于L807～L808下方30～60 m處見明顯的高阻異常體，與周圍圍巖存在較大的物性差異，推測(cè)此處為地下溶洞空腔。

圖1　L1線視電阻率剖面圖

圖2　L2線視電阻率剖面圖

圖3　L3線視電阻率剖面圖

圖4　L4線視電阻率剖面圖

圖5　L5線視電阻率剖面圖

圖6　L6線視電阻率剖面圖

圖7　L7線視電阻率剖面圖

圖8　L8線視電阻率剖面圖

綜合解釋：首先，通過分析可知L3線、L4線、L5線電阻率橫向差異明顯，相鄰測(cè)線L3線、L4線在L306～L307、L406～L407處有相似的電阻率異常特征，推測(cè)此處為一可能的地下暗河通道；相鄰測(cè)線L3線、L4線、L5線在L310～L311、L412～L413、L511～L513處存在相似的電阻率異常特征，推測(cè)此處為另一可能的地下暗河通道(詳見圖9)。其次，通過分析可知L6線在L611～L612處見一電阻率異常特征體，L7線無明顯的高電阻率異常特征體，L8線在L807～L808處有一明顯的高電阻率異常特征體，但此3條線上異常多不連續(xù)，故推測(cè)不存在可能的暗河通道。

圖9　推測(cè)地下暗河通道平面位置圖

4　結(jié)　論

通過本次大地電磁測(cè)深工作，在壩軸線左側(cè)

一共查出了2處可能存在的地下暗河通道，并且通過后期的鉆探以及集水廊道的開挖等工作，在異常區(qū)域成功找到了地下暗河主河道。暗河主河道的成功發(fā)現(xiàn)，探明了來水通道和來水量，增強(qiáng)了石林地下水庫工程參建各方的信心，為下一步大壩土石方開挖、帷幕灌漿等主體工程大規(guī)模施工奠定了基礎(chǔ)。

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The work methods and treatment principle of Magnetotelluric mothod GMS-07e in the application of underground reservoir

LI Xiaowei

(CollegeofHydraulicandEnvironmentalEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

Given the traditional magnetotelluric method of magnetic sensor poor stability, short band and the limitations of a single function, the electromagnetic sounding work using GMS-07e comprehensive electromagnetic instrument, the GMS-07e integrated electromagnetic instrument can realize MT,AMT,CSAMT measuring a variety of functions.The purpose of this test work to understand the basic geophysical prospecting area and underground river in the area of resistivity characteristics, find out the distribution of underground river, the region provide geophysical basis for project set water corridor of the excavation.

Magnetotelluric mothod; karst; underground river; gallery; electrical resistivity

李曉威(1991-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樗こ淌┕ぜ敖M織管理。

P631.3+25;U212.22

A

2096-0506(2016)09-0006-05