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(yīng)用

付小明，杜 毅，吳有亮，鄧 艷，雷 宛

(1.成都理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，成都 610059;2.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)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(yīng)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(xué) 信息工程學(xué)院，成都 610059;2.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司，成都 610051)

當(dāng)油氣管道的穿越工程遇到卵石覆蓋區(qū)、圍堰采砂區(qū)，以及裂隙發(fā)育帶等時，由于地區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)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(jù)高密度電法原理，并從正演模擬出發(fā)，研究了高密度電法在卵石覆蓋區(qū)、圍堰采砂區(qū)及裂隙發(fā)育帶進(jìn)行工程勘察的可行性和效果，并將該方法應(yīng)用于工程實例。結(jié)果表明:對于卵石覆蓋區(qū)、圍堰采砂區(qū)，以及裂隙發(fā)育帶的工程地質(zhì)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(jìn)行工程地質(zhì)勘察，常常會遇到以下地質(zhì)情況:

(1)卵石、孤石和滾石覆蓋區(qū)。

(2)圍堰采砂區(qū)。

(3)裂隙發(fā)育帶。

這些地區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)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(zhì)問題，作者對穿越工程中幾種典型構(gòu)造用高密度電阻率法進(jìn)行正演模擬和研究，并將取得的理論研究成果，應(yīng)用于生產(chǎn)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(jù)地下介質(zhì)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(guī)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(jù)測得的視電阻率進(jìn)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(jié)合地質(zhì)資料判斷其位置及規(guī)模等。

在實際工作中，測點(diǎn)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(shù)，溫納裝置的裝置系數(shù)為Κ=2πa，偶極裝置的裝置系數(shù)為Κ=6πa。

高密度電法勘探是這樣實現(xiàn)的:首先在地表布設(shè)一系列電極，通過電極轉(zhuǎn)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(shè)定的采集裝置，測得相應(yīng)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(shù)據(jù)傳入計算機(jī)，利用相關(guān)處理軟件(如res2dinv軟件)進(jìn)行處理，并將反演結(jié)果繪成電阻率剖面圖［1～3］。

2 穿越工程典型地質(zhì)條件的正演模擬

高密度電法勘探的基礎(chǔ)，是地下巖層存在電阻率差異。在卵石覆蓋區(qū)、圍堰采砂區(qū)、裂隙發(fā)育帶，一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜、孔隙大，且往往被低阻物質(zhì)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(qū)、圍堰采砂區(qū)、裂隙發(fā)育帶與基巖之間存在明顯的電阻率差異，這就構(gòu)成了高密度電法勘探的有利條件［4、5］。

為了進(jìn)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(jìn)行了正演模擬。在模擬中設(shè)置點(diǎn)距1m，電極100根，水的電阻率為10Ω·m，卵石體和裂隙發(fā)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(qū)正演模擬

與理論模型(見圖1)對比可看出，反演結(jié)果與模型對應(yīng)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(qū)域在圖2、圖3中呈現(xiàn)出封閉圈異常，而在基巖面上呈現(xiàn)反演電阻率起伏形態(tài)。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(qū)模擬中，偶極裝置較溫納裝置表現(xiàn)明顯。

2.2 圍堰采砂區(qū)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(jié)果與模型對應(yīng)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(qū)與理論模型(見下頁圖7)處被水(低阻物質(zhì))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(qū)與模型圍堰采砂區(qū)位置基本吻合，電阻率為6Ω·m～15Ω·m。

圖1 卵石覆蓋區(qū)的理論模型Fig.1 Theoreticalmodelofthecoverageregionofgrain

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

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

2.3 裂隙發(fā)育帶正演模擬

與理論模型(見圖7)對比可看出，反演結(jié)果與模型對應(yīng)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(fā)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(xù)性較差，且異常區(qū)與模型裂隙發(fā)育帶位置基本吻合，其電阻率為80Ω·m～120Ω·m。在大的裂隙發(fā)育帶模擬中，偶極裝置較溫納裝置表現(xiàn)明顯。

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

圖9 裂隙發(fā)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(yīng)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(cè)近于靜水，水面寬度約70m，水深約不大于5m。

經(jīng)工區(qū)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示:

(1)工區(qū)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?guī)r、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(fù)雜，局部地區(qū)裂隙比較發(fā)育。

卵石區(qū)與基巖電阻率相差較大，這說明在該區(qū)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(cè)蝕作用，凹岸遭到剝蝕，常有基巖出露，且易裂隙發(fā)育而凸岸，造成大量堆積，表現(xiàn)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(jié)構(gòu)不明顯，左岸覆蓋區(qū)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(qū)的正演模擬推斷為卵石覆蓋區(qū);右岸表現(xiàn)為高阻，即為基巖出露，且在橫坐標(biāo)150m～168m處橫向不連續(xù)，而偶極裝置反演電阻率斷面圖(見圖11)在橫坐標(biāo)150m～168m處表現(xiàn)為低阻異常，且范圍較溫納裝置小，由裂隙發(fā)育帶的正演模擬推斷為裂隙發(fā)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(biāo)150m～168m處有一低阻異常外，呈明顯層狀結(jié)構(gòu)，電性界限明顯。

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

根據(jù)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(jù)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(fā)育。

根據(jù)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?guī)r，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(qū)及裂隙發(fā)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(fù)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(qū)地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果顯示，工區(qū)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?guī)r、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(fù)雜，局部地區(qū)為圍堰采砂區(qū)。卵石區(qū)、圍堰采砂區(qū)與基巖電阻率相差較大，說明在該區(qū)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(cè)蝕作用，凹岸遭到剝蝕，?；鶐r出露，且易裂隙發(fā)育而凸岸造成大量堆積，表現(xiàn)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(jié)構(gòu)不明顯，左岸覆蓋區(qū)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(xiàn)為高阻，推斷為細(xì)砂，且基巖較淺，在橫坐標(biāo)150m～184m處橫向不連續(xù)。

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(jié)構(gòu)，電性界限明顯，從圍堰采砂區(qū)正演模擬中可推斷為圍堰采砂區(qū)。

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

(1)據(jù)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(jù)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(qū)。

(3)據(jù)測線203.4m處鉆孔資料可知，383.3m～377.60m為卵石覆蓋區(qū)，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(qū)及圍堰采砂區(qū)的勘探效果較好。

4 結(jié)論和建議

(1)正演模擬和實際應(yīng)用證明:卵石區(qū)域在反演電阻率斷面圖中呈現(xiàn)出封閉圈異常，在基巖面上呈現(xiàn)出高阻層起伏，在圍堰采砂區(qū)形成低阻層起伏，裂隙發(fā)育帶橫向連續(xù)性較差，正演結(jié)果在穿越工程應(yīng)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(zhì)效果。尤其是在卵石覆蓋區(qū)、圍堰采砂區(qū)及裂隙發(fā)育帶，能給出較準(zhǔn)確的基巖面埋深、起伏形態(tài)、圍堰采砂區(qū)及裂隙帶相對位置。

(3)建議在實際工作中，需結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡仉姉l件，具體情況具體分析，選取最適合當(dāng)?shù)氐仉姉l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．

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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(shù)。