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(lái)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(duì)地下激發(fā)穩(wěn)定電流場(chǎng)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(wèn)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(cè)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(shì)與缺陷

高密度電法與直流電阻率法相比，其優(yōu)勢(shì)包括：①可一次性完成所有電極的布設(shè)，探測(cè)時(shí)無(wú)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(jiǎn)單、探測(cè)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(chǎng)地條件及地形條件會(huì)對(duì)探測(cè)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(cè)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(duì)垂直、方形或圓形孤立目標(biāo)體進(jìn)行探測(cè)時(shí)適合使用偶極裝置。當(dāng)需要對(duì)剖面進(jìn)行測(cè)量時(shí)，宜使用數(shù)種裝置測(cè)量，參照檢測(cè)結(jié)果，但是使用過(guò)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(kāi)展采集工作，采集數(shù)據(jù)的過(guò)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(duì)測(cè)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(jiàn)問(wèn)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(jiàn)問(wèn)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(cè)值，當(dāng)測(cè)線橫穿坡度超過(guò)45°的斜坡或陡崖時(shí)就常見(jiàn)電場(chǎng)偽像。實(shí)際工作中常見(jiàn)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(lái)進(jìn)行輔助探測(cè)，例如可以使用地震反射波側(cè)線、瑞雷面波法側(cè)線等來(lái)保證完全覆蓋被測(cè)區(qū)域[3-4]。

1.4.2 合理選擇探測(cè)深度。高密度電法的探測(cè)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(cè)深度通常不深。對(duì)直流電法勘探而言，最大供電極距與探測(cè)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(cè)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(jiàn)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(duì)比或者其他方法來(lái)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(duì)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(chǎng)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(shì)與缺陷

探地雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)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(cè)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(cè)，可一站式完成數(shù)據(jù)采集至圖像處理，可在現(xiàn)場(chǎng)輸出剖面圖；③可實(shí)現(xiàn)無(wú)損探測(cè)：探地雷達(dá)檢測(cè)時(shí)無(wú)須鉆孔，通過(guò)天線系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)及接收信號(hào)，不會(huì)對(duì)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(duì)電磁波的傳播造成影響，這增加了探測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)深度合理確定時(shí)窗，實(shí)際工作時(shí)對(duì)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(cè)深度可滿足要求。實(shí)際工作時(shí)，當(dāng)探測(cè)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(cè)時(shí)需要結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的探測(cè)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(lái)確定，可采用反射、投射及折射三種測(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)合

淺層地震波反射波法的探測(cè)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(cè)。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(cè)地下不良地質(zhì)體、查找潛伏構(gòu)造、探測(cè)松軟層、測(cè)定基巖波速、測(cè)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)?；蚝穸纫笥谟行РㄩL(zhǎng)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(duì)較小深度進(jìn)行探測(cè)時(shí)使用橫波反射法比較適合；當(dāng)探測(cè)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(shì)與缺陷

淺層地震波反射波法的優(yōu)勢(shì)在于包括：①勘探內(nèi)容豐富；②側(cè)線鋪面連續(xù)；③檢測(cè)快速、便捷；④成本低；⑤可準(zhǔn)確探測(cè)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(cè)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(cè)對(duì)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(duì)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(cè)區(qū)均勻分布，從而為對(duì)比資料及綜合分析帶來(lái)便利。側(cè)線要盡量與鉆探勘探線或其他物測(cè)探測(cè)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(guò)接地電極或不接地回線對(duì)地下發(fā)射脈沖電磁場(chǎng)，地下導(dǎo)體內(nèi)部在電磁場(chǎng)的激勵(lì)下產(chǎn)生感應(yīng)電流，在脈沖磁場(chǎng)的間歇期感應(yīng)電流的二次磁場(chǎng)不隨一磁場(chǎng)的消失而立即消失，采用接地電極或線圈對(duì)二次磁場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)，研究二次磁場(chǎng)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(guò)二次磁場(chǎng)的變化情況可以對(duì)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(méi)有高阻屏蔽、分辨率高、勘探深度大、可同時(shí)完成剖面測(cè)量和測(cè)深工作等眾多優(yōu)勢(shì)，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(cè)可確保分辨能力。數(shù)據(jù)采集時(shí)根據(jù)不同的延遲對(duì)二次感應(yīng)電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量可得到二次場(chǎng)強(qiáng)度與時(shí)間的特性曲線，之后將實(shí)測(cè)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(cè)量，排列長(zhǎng)度280-475m，點(diǎn)距5-10m。野外測(cè)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(cè)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(zhǎng)度512ms。對(duì)地形校正后進(jìn)行資料處理。對(duì)地震記錄進(jìn)行檢查及對(duì)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(chǎng)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(jiàn)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(guò)兩種方法的應(yīng)用可見(jiàn)實(shí)際工作時(shí)要結(jié)合需要解決的地質(zhì)問(wèn)題及實(shí)際地質(zhì)特征合理選擇觀測(cè)參數(shù)，解釋時(shí)需要與地質(zhì)資料結(jié)合對(duì)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(yǔ)

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(guó)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(méi)有一種方法是萬(wàn)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(duì)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。