大地電磁探測技術在旭龍水電站隱蔽構造勘察中的應用

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高陡邊坡、滑坡體及超厚覆蓋層等復雜地質條件，準確查明該區域的隱蔽構造、裂縫、斷層及覆蓋層厚度十分關鍵。引入新型大地電磁測深探測系統，并基于優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。結果表明：采用低頻磁棒、改進的RRI反演算法，有效數據頻帶延伸到1～0.1 Hz，有效探測深度近1 000 m。該技術在超厚覆蓋層及深部構造探測中獲得了較好的應用效果，克服了旭龍水電站前期勘察技術難點，可為新型大地電磁系統在類似工程的應用提供參考。

關鍵詞：地球物理勘察； 大地電磁法； 二維RRI反演； 隱蔽構造； 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月獲得國家發展和改革委員會核準批復，成為“十四五”期間核準開工建設的國家重大工程之一。旭龍水電站建成投產后，預計年發電量約105億kW·h，節約標準煤315萬t，將有效緩解區域電力供應緊張，對地區經濟社會發展意義重大。

早在2004年，旭龍水電站預可研階段勘察工作已經啟動。前期資料表明，水電站所在的金沙江上游河段地質條件復雜，隱蔽構造多，區域裂縫及斷層發育，覆蓋層較厚，庫區邊坡穩定性差，地質勘察難度較大。多年來，國內專家學者對此開展大量研究工作，楊鵬等［1］對旭龍水電站庫區格亞頂堆積體變形及穩定性進行分析，劉沖平等［2］對旭龍水電站庫壩區邊坡危巖體進行評價。

為進一步調查分析旭龍水電站庫壩區隱蔽構造特征及深部不良地質體，國內學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用，趙驚濤等［4］采用地震繞射波探測方法對煤礦隱蔽致災地質體進行分析，張建清等［5］也在同類水電站建設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造及深部地質構造探測提供了思路。采用高密度電法能較好地查明測區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，但容易受到環境條件影響，不易達到勘察精度要求。因此，復雜地質條件及不利環境因素成為了旭龍水電站隱蔽構造探測的難點。

在前人研究基礎上，本文針對旭龍水電站隱蔽構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，不易受到環境干擾。音頻大地電磁法（AMT）或大地電磁法（MT）起步較早，數據處理及解釋較為成熟，反演方法種類繁多。近年來，隨著技術發展，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構特征。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，同年開發的快速松弛法算法（RRI）成功引入到國內，成為了國內MT工作者經常使用的反演方法，并內嵌到各種軟件中。該反演方法通過建立數據擾動和模型參數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（GEM-3D）。對儀器裝備技術總結、反演方法改進、數據處理與解釋、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，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據來反演出地下不同深度介質電阻率分布的信息［8］。

郭聰 等大地電磁探測技術在旭龍水電站隱蔽構造勘察中的應用

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）范數方程；f（z）為控制標度尺長度，來度量不同深度的構造；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 先對數據進行預處理，剔除異常畸點；② 對數據初次反演，并進行平滑處理，得到初始模型；③ 將初次反演結果作為初始模型進行RRI反演，同時控制好f（z）參數。一般情況下，設置合適的首層厚度，選取適當的增長因子和水平構造懲罰因子g（z），使反演邊界達到趨膚深度。經過改進后的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，適用于隱蔽構造的反演成像［14-15］。

2.2 RRI反演應用

為驗證RRI反演算法可靠性，選取旭龍水電站壩址區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，層數選取23層。最終得到反演結果如圖2顯示。

從圖2中看出，二維反演后的地層構造電性特征較為明顯，表層覆蓋層低阻特征明顯，盲區也相對小。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，兩側電阻差異明顯，結合地質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，邊界輪廓無毛刺現象，深部地質構造明顯，低阻異常區反應突出，表明改進后的反演算法對隱蔽性強的地質構造反演效果好。

3 旭龍水電站實例應用

3.1 工程地質概況

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，屬于青藏高原強烈隆起區。水電站選址區地處橫斷山山地，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。選址區河谷為深切型的下切峽谷地形。

選址區建基巖體以花崗巖和斜長角閃片巖為主，兩岸斷裂構造較發育，但構造組合相對簡單，斷層規模小，查明這些斷裂構造和斷層是地質勘察的關鍵。

庫區沿線山坡陡峻、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 新型大地電磁系統介紹

為采集數據質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（簡稱GEM-3D系統），該系統采用分布式網格化設計，配置多個接收機（Station），可以實現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絡信息鏈接（Network Information Build）NIB連接，可實現數據采集動態監視，提高數據采集質量。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據。從圖4維Bostick反演曲線看出，探測深度達到數千米。此外，低頻采集對“死頻帶”有一定的壓制作用。

3.3 覆蓋層勘察應用

在旭龍水電站庫區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，符合該地區深切峽谷地質特征。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，反演結果與鉆孔結果相吻合。

在旭龍水電站庫區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，經常發生小規模的崩塌、掉塊現象。查明其覆蓋層厚度和基巖面情況，對庫區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。通過數據采集、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，具有不穩定性，會隨邊坡發生走滑和落石。

3.4 隱蔽構造勘察應用

壩址區兩岸雖然巖性相對單一，但區域斷裂、斷層發育，全區分布著70余條大小斷層，絕大多數斷層走向與金沙江岸坡交角較大。區域處于地質活躍帶，受構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造及不良地質體，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構造發育特征，為進一步勘察設計提供依據。G2測線點距50 m，經數據采集、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，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。經鉆孔驗證，該區域基巖為中、弱風化帶，破碎充填物多為鐵錳質礦物，導致電阻率偏低。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構造，而且對小尺度的巖性變化、裂隙等有很好的探測效果。

4 結論

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

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

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

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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研究與應用工作。E-mail：xjqxgc@qq.com