水上瞬变电磁勘探在西气东输工程中应用研究
摘 要:在河道等水域工程地质勘察工作中,用常规物探方法难以划分地层结构,确定断裂构造的位置和基岩面的起伏形态。以西气东输涪江段水上管线穿越为例,介绍了瞬变电磁勘探在水上勘探中的应用。实践证明:瞬变电磁勘探在勘探基岩及划分岩层方面效果较好。
关键词: 瞬变电磁法;西气东输;工程勘察
中图分类号:P631文献标识码:A
文章编号:16721098(2010)03000904
收稿日期:2010-07-09
基金项目:中国石油天然气集团公司资助项目(XN10D/WX39)
作者简介:祝杰(1986-),男,四川乐山人,在读硕士,主要从事电法勘探研究及电法仪器研制,
Application of Transient Electromagnetic Exploration on Water to the West-to-East Gas Transmission Pipe Line Project
ZHU Jie1,LEI Wan1,WU You-liang2
(1. College of Information Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu Sichuan 610059, China; 2.Southwest China Branch, China Petroleum Engineering, Chengdu Sichuan 610017, China)
Abstract: In geological exploration in rivers and other water projects, by traditional geophysical exploration methods it’s difficult to differentiate strata structure, determine location of faults, identify configuration of bedrock surface. In the paper take the section of West-to-East Gas Transmission Pipe Line crossing Fujiang River as an example, the application of transient electromagnetic exploration on water was presented. The practice proved that transient electromagnetic exploration has good effect in exploring bedrock and differentiating rock strata.
Key words: transient electromagnetic exploration method; West-to-East Gas Transmission Pipe Line Project; engineering exploration
近年来,由于管线穿越工程的增多,各单位均加大了地质勘探的投入。尤其在西气东输工程中存在诸多水上勘探问题,在施工前查明研究区水上工区内的地质情况,是有效防止施工中各种事故发生的有效手段[1]。在河道等水域环境中进行工程地质勘察主要有以下几种方法:地质钻探、折射波勘探、面波勘探。但地质钻探因成孔难,所以勘探深度有限;另外由于地震波在水中的能量衰减很快,因此折射波勘探和面波勘探效果也不佳[2]。瞬变电磁法在各种物探方法中,对电性的变化最为敏感[3-6],因此瞬变电磁勘探得到了广泛的应用。出于安全的考虑,管线铺设的深度越大,相应地,对物探勘探深度的要求也越大。实际工作中最常采用的方法是通过采集不同装置、不同参数的试验数据,利用解释处理软件进行反演,用数据和反演结果来判断所使用的工作装置是否达到勘探深度要求[7]。
1 瞬变电磁勘探技术原理
电磁(EM)法,是以地壳中岩、矿石的导电性、导磁性和介电性为主要物性基础,根据电磁感应原理,通过观测和研究电磁场的空间与时间分布规律,来寻找地下有用矿产资源和解决地质、环境工程等问题的一组电法勘探方法。
根据发射场性质的不同,阶跃瞬变电磁法属于时间域电磁法,它是利用接地导线或不接地回线通以脉冲电流作为场源,向地下发送一次脉冲磁场,以激励探测目的物感生二次电流,在一次脉冲磁场间隙期间,利用线圈或者接地电极观测二次场随时间变化的响应[8]。
图1是均匀半空间条件下的瞬变响应曲线, 整个瞬变过程可分为三个阶段, 早期(响应电压不随时间变化)、 中间过渡期(响应形态随时间变化)和晚期(双对数坐标中是一条直线)。 整个瞬变响应过程是一个随时间和地下电导率变化的复杂函数[9-10]。
在晚期段,垂向上的瞬变电磁感应电压可以表示为
V2(t)=μ5/220π3/2·σ3/2MSrt5/2(1)
式中:t为电流关掉后的延迟时间, ms; σ为电导率, s/m; μ为磁导率,4π×10-7 H/m; M为发射磁距, 对于正方形回线M=l×L2;L为正方形发射线圈边长,m;I为发射电流,A;Vz(t)为观测到的垂向上的瞬变电磁感应电压,mV; Sr为接收线圈有效面积,m2。
从(1)式可以看出,瞬变电磁观测的感应电压与σ3/2成正比,而直流电法观测的电位差是与电阻率成正比。所以,本质上瞬变电磁法比直流电法对电阻率(电导率)的变化更敏感,对有电性差异的目标体有更高的分辨能力。
2 研究区典型地层及其电性特征
本次工区位于四川盆地中部偏北,地势北高南低,属川中丘陵地区,海拔高度307~672 m。工区大地构造位置属于扬子准地台之四川中台拗、川中台拱新华夏系第三沉降带四川盆地川中褶皱带旋扭构造。境内地质构造简单,全部由褶皱构造组成,无地质断层。区域出露地层依次为第四系上更新统冰水堆积层(Q3fgl-al),成分为冰水堆积的泥质砂砾卵石,总厚度约为30 m;第四系中更新统冰水—流水堆积层(Q2fgl-al),分布于上更新统冰水堆积层之下,埋深30.0～60.0 m,总厚度约为30.0 m。
在进行瞬变电磁法勘探之前,本区已进行了工程地质钻探,已知工区内各类岩石组成及其电阻率分别为:泥岩10~100 Ω·m、泥灰岩1~100 Ω·m、砂岩10~1 000 Ω·m、灰岩600~6 000 Ω·m。由此可知,地层电性差异较大,为利用瞬变电磁测深法进行工程勘察提供了必要条件[11-12]。
3 具体施工方法及数据处理解释
3.1 现场探测试验
本次施工采用重庆地质仪器厂生产的ATEM-3型瞬变电磁勘探仪[13]。为了选择最佳的工作装置以达到瞬变电磁法在水上工程地质勘探中的应用效果,在作业区内进行了长时间的野外装置对比试验。由以往的经验知道,电偶极装置、 分离回线装置、 中心回线装置在此均不宜采用;重叠回线装置异常响应曲线好,且有20 m×20 m~2 m×2 m多种面积大小的线框组成,可以用于此次工作。
选定重叠回线装置后, 仪器用长电缆线与线框连接, 线框四边用浮球固定悬浮在水面上, 并用长绳拉住四角做水平移动, 点距5 m。 分别进行了对叠加次数、 单匝线框面积等工作参数的选择对比试验。
图2~图3为分别采用20 m ×20 m、10 m ×10 m单匝重叠线框,256、512、1024叠加次数的等视电阻率剖面。从整体来看,两图中三剖面反映的地质效果均较好,在已知点有较明显的反映。256和512的叠加次数线框其横向分辨力比1 024次叠加效果好,但其纵向分别力明显有误;1 024次叠加后所得电阻率剖面分层效果最好,与实际地质剖面层位对应较好,能较清楚地反映出泥岩、泥灰岩、灰岩、砂岩所在层位,电性参数也与以往测试资料基本一致。此外,线框面积越大,分层效果更明显。所以在进行实际数据采集时选用20 m ×20 m 单匝重叠线框时应该采用1 024的叠加次数。
3.2 探测应用分析
通过上述试验工作,基本确定了一套与本地区地质情况相匹配的施工技术参数,并证明参数较为合理,且通过已知钻孔资料的验证解释,可以达到本次勘探的目的。参数选择为: 收发线框:20 m×20 m 单匝 ;供电电流:13~26 A ;发射频率:64 Hz; 叠加次数:1 024。此次工作区域的测线长170 m,点距5 m(见图4)。涪江穿越剖面的瞬变电磁反演如图5所示。
从图5可以看出, 探测结果与地质钻探结果对应较好。表层分布了低阻异常层, 电阻率值为0～100 Ω·m,这正是由于表面水体的影响而引起的;剖面中部有明显的向下凹陷的较低阻异常,其电阻率为200～500 Ω·m,这是由河床表层卵石覆盖层富水引起的;剖面底部的电阻率值在800 Ω·m以上,由于一般情况下,灰岩电阻率值大于600 Ω·m,所以底部高阻异常是由于基岩引起, 且基岩面清晰可见。
4 结论
实践证明,瞬变电磁法与其他物探方法相比,该方法在水域进行工程地质勘探,其勘探深度大、分辨能力强、受地形影响小、工作效率高,在水域工程勘察中能够取得较好的效果。尤其在探测基岩面方面,瞬变电磁法能清晰的划分岩层,确定基岩面埋深及起伏形态。为西气东输工程中的工程物探施工提供了有效办法。
当然,由于瞬变电磁法本身的特殊性,在使用小线圈的重叠回线装置情况下,对地下低阻区域有扩大的现象。建议在进行水域工程地质勘探时将瞬变电磁法与其他物探方法、钻探资料和已知地质资料配合使用,从不同角度对低阻异常区域进行多种参数的综合解释分析,提高勘探的准确性。
参考文献:
[1] 刘树才,岳建华,刘江.西部保水开采中的水文电法勘探技术[J].中国矿业大学学报,2004,33(2):187-189.
[2] 雷宛,肖宏跃.工程与环境物探[M].北京:地质出版社,2006:250-251.
[3] 傅良魁.地球物理学教程-电法 放射性 地热[M].北京:地质出版社,1991:165-167.
[4] 李金铭.地电场与电法勘探[M].北京:地质出版社,2005:307-308.
[5] 牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙:中南工业大学出版社,1992:6-7.
[6]张永泰,朗宝华.可控源大地电磁法在地质灾害勘探中的应用研究[J].安徽理工大学学报:自然科学版,2010,30(1):13-16.
[7] 薛国强, 李 貅, 底青云. 瞬变电磁法理论与应用研究进展[J].地球物理学进展,2007,22(4):
1 195-1200.
[8] 方文藻,李予国,李貅.瞬变电磁测深法原理[M].西安:西北工业大学出版社,1993.
[9] 李文尧.瞬变电磁法观测电位影响因素研究[D].昆明:昆明理工大学,2005.
[10] 韩自豪,魏文博,张文波.华北煤田瞬变电磁法勘探深度研究[J].地球物理学进展,2008(1):237-241.
[11]王志豪, 张小路,王钟. 大功率瞬变电磁在广西大厂外围深部找矿中的应用[J]. 物探与化探,2006,30(3):194-198.
[12] 孙吉益.煤矿井下瞬变电磁探测影响因素探讨[J].河北煤炭,2007(6):4-5.
[13] 陈忠仁,陈芳靖,王惠.一种高性能瞬变电磁接收机的研制[J].工矿自动化,2008(3):5-8.
(责任编辑:宋晓梅,范 君)