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高密度电法勘探在长输管道工程的应用和问题
作者:www.cmxx.com 发布于:2015/4/9 19:23:16 点击量:
摘 要:电阻率法勘探是电法勘探中的一个主要分支,以其生产成本低,工作效率高等特点,目前在水文工程地质问题中得到了广泛的应用。是 发展 比较成熟的一种地球物理勘探方法,具有简便、快速、 经济 、成果直观、适用场地小等优点,已在许多领域得到应用,并取得了良好的应用效果。文章介绍了高密度勘探技术的应用、探测原理、工作方法,对其应用范围及目前存在的问题作了说明,并给出一个应用实例。   关键词:高密度勘探; 输气管道工程; 温纳装置; 断裂构造      1前言      我国的工程勘察是建国初期按照前苏联模式建立起来的,包括工程测量、水文地质勘察、工程地质勘察3 个专业。我国的长输管道工程勘察是自50 年代开始随着管道建设的兴起而逐渐发展起来的,当今随着对外技术交流的广泛深入和涉外管道工程的建设,尤其是全球高新技术的飞速发展和 中国 管道建设的又一个高潮的到来,对长输管道的工程勘察也提出了更高的要求。长输管道工程勘察相对于建筑、水电、铁路等工程勘察有其特殊性,中国石油天然气管道工程有限公司进行了一些非常有益的尝试,取得了很好的社会效益。以下笔者就对高密度电法勘探在长输管道工程勘察技术的应用和问题谈一些看法。   电法勘探是综合地球物理勘探方法中的基本方法之一。电法勘探是以地下岩( 矿) 石之间的电性差异为基础,根据地面测定和研究人工或天然电场或电磁场的分布特点和变化 规律 来推断地下电阻率分布,从而推断地质构造和矿产资源的分布状况,即电法勘探中的反问题。   近十年来,高密度电阻率法在工程勘察中的应用越来越广泛,尤其在岩溶、水文、构造、检测等领域,高密度电法的应用效果,已远远超过了理论上的预期。      2勘探原理      高密度电法是八十年代国际上兴起的一种电法勘探方法,其原理与常规的电阻率法基本相同。不同的是前者在探测剖面上同时布置多道电极,由人工控制向地下发送电流,使地下形成稳定的电流场,通过自动控制转换装置对所布设的剖面进行自动观测和记录。高密度电法可进行二维地电断面测量,兼具剖面法和测深法的功能,是进行地层划分、探测隐伏断层构造、岩溶空洞以及地质滑坡体等的一种有效手段。相对而言,高密度电法具有测点密度大、信息量大、工作效率高等特点,测量过程中,通过转换装置控制电极间的不同排列组合,能够实现直流电法勘探中的各种装置形式的探测,可以提供更多的地电断面信息,有利于对比分析,因此充分发挥了物探技术在勘探中的优势。      3工作方法      高密度电阻率法实际上是一种阵列勘探方法,关于阵列电探的思想早在7 0 年代末就有人开始考虑实施,英国学者所设计的电测深偏置系统实际上就是高密度电法的最初模式。在现场测量时,它只需在预先选定的测线和测点上,将全部电极设置在一定间隔的测点上,然后通过特制的电极转换装置根据需要,将这些电极组合成指定的电极装置和电极距,快速完成多种电极装置和多电极距在观测剖面的多个测点上的电阻率法( 视电阻率) 观测。再配上相应的数据处理、成图和解释软件,便可及时完成给定的地质勘查任务。   其中,高密度电法勘探温纳装置α排列。最小间隔系数n(MIN)=1,最大间隔系数为n(MAX)=16。每个断面的探测参数如下:     排列方式:α排列   电极:60   电极间距(米):5   最小间隔系数:1   最大间隔系数:16   供电电压:180V   1)数据处理   数据处理是中南大学研制的激电法反演软件IPInv。数据处理主要包括两大部分,即数据预处理和数据反演处理。   2)数据预处理   数据预处理主要包括:   (1)编辑视电阻率值,对突变点和噪声引起的畸变数据进行剔除;   (2)对由多个测量断面组成的剖面进行拼接;   (3)把各电极所对应的平面坐标添加到数据文件中;   (4)对于地形起伏较大的剖面,把高程坐标添加到数据文件中,以备反演处理时进行地形校正处理。   3)反演处理   野外采集的数据经过反演 计算 ,转换为深度——电阻率的关系,以获得地下地电断面的特征。反演处理主要包括:根据地质调查资料建立初始的二维地电模型、选择反演参数(阻尼系数、迭代次数、收敛极限)等,然后采用最小二乘法进行反演计算,查看反演结果,最后进行地形校正,获得最终的地下地电断面,用于地质解释。      4工程应用      西气东输二线管道是确保国家油气供应安全的重大骨干工程。它将中亚天然气与我国经济最发达的珠三角和长三角地区相连,同时实现塔里木、准噶尔、吐哈和鄂尔多斯盆地天然气资源联网,有利于改善我国能源结构,保障天然气供应,促进节能减排,推动国际能源合作互利共赢,意义重大。   西气东输二线管道西起新疆的霍尔果斯,经西安、南昌,南下广州,东至上海,途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、安徽、湖北、湖南、江西、广西、广东、浙江和上海13个省、自治区、直辖市。干线全长4859km,加上若干条支线,管道总长度超过7000km。   项目物探组共承担了以下四条隧道的初步工程物探(反射波地震勘探和高密度电法)工作:①密岭一号隧道,长1224.72m;②密岭二号隧道,长1605.93m;③杨家村一号隧道,长219.15m;④杨家村二号隧道,长1891.50m。这四个隧道分散在两个测区,前两条隧道位于江西省吉安市遂川县枚江镇和巾石乡境内,后两条隧道位于江西省南康市赤土乡和大余县新城镇境内,工区 交通 便利,附近有105国道,323国道以及其它公路通过,如图1。   四条隧道属于丘陵-低山地貌,其中图2为密岭二号隧道测线示意图,地形起伏大,地面黄海高程变化在150m至800m之间,山比较陡;当地雨水充足,使得测区范围内植被覆盖良好,树木茂盛,茅草丛生。   根据该段高密度电阻率二维反演断面成果图,见图3,该隧道沿纵剖面电阻率异常形态复杂,大致可分为三段。桩号m 2 A+0m~m 2 A+320m段在整条剖面上电阻率值相对较低,基本在1000欧姆·米以下,局部有高阻体出现。在桩号m 2 A+320m~m 2 A+1040m范围内电阻率值表现为高阻低阻相间分布,高阻体电阻率值一般在3000至10000欧姆·米以上,推测对应区间内基岩面埋深较浅,而此段内有多处低阻异常带,电阻率值最低处仅为几十欧姆·米,推测为岩体破碎带。在桩号m 2 A+1040m~隧道出口,电阻率值普遍在3000欧姆·米,局部低阻异常值也在700欧姆·米以上,推测岩体较为完整,仅有局部破碎带存在。对整个剖面内多处低阻异常带分析如下:   在桩号为m 2 A+292m~m 2 A+348m段出现了阻值小于200欧姆·米的低值异常,埋深在15m以下并向下延伸;   桩号为m 2 A+400m~m 2 A+480m段内出现一组低阻圈闭异常,其电阻率值为100欧姆·米以下,推测为构造破碎带;   桩号为m 2 A+640m~m 2 A+750m段,埋深30m以下出现了规模较大的低阻体,其阻值最低处小于100欧姆·米,推测为低阻充填物; 桩号m 2 A+764m~m 2 A+828m之间出现低值异常带,电阻率值最低处不足100欧姆·米,与高阻围岩阻值差异明显,可能有破碎带存在;   桩号m 2 A+916m~m 2 A+945m范围内出现了条带状异常,产状近乎直立,电阻率值在150欧姆·米左右,可能为构造破碎带;   桩号m 2 A+988m~m 2 A+1026m及m 2 A   +1308m~m 2 A+1344m范围内较高阻围岩的阻值差异明显,但这两处电阻率均在500欧姆·米以上,推测为破碎带,但低阻充填物存在的可能性不大。   测区地形条件复杂、高差起伏大,工作条件相对较差,这些因素在一定程度上影响物探探测精度。本次高密度电法工作成果提交后布置两钻孔进行验证,均在预测位置发现破碎带,取得了较好的勘探效果。      5存在的问题      虽然高密度探测技术在工程中的应用已很广泛,但实际工作中还存在以下问题:   5.1有效数据的分辨   这是个最基本的问题。不仅是本方法,其它的物探方法也是如此。在数据采集的现场,我们必需能有效地分辨:采集到的数据是不是有效的数据,用句简单的话就是:原始数据是否真实?   一般而言,有效的高密度电阻率法成果数据有如下特征:等值线较为平缓,没有突变起伏点,高阻、低阻区的变化是渐变的;视电阻率数值上没有孤值畸变异常,反应到等值线上是没有“漩涡异常”(独立的漩涡状异常是可以通过编辑原始数据来解决,密集的,如出现较多的漩涡状异常则需要重测);等值线上没有出现 规律 的“八字异常”及其演变而成的“半八字”或“双八字”异常。   5.2观测方式对数据成果的影响   目前,高密度电阻率法仪器 发展 得相当快,几乎所有的电阻率法观测装置都可以在高密度仪器中实现。总体而言,笔者倾向于将高密度电阻率法的观测方式分为两大类:剖面类观测方式和测深类观测方式。   在不少技术人员的眼里,这两种方法是等效的,其实不然。设计现场作业及处理时,应按如下原则选择观测装置:只要场地条件许可,尽量采用剖面类观测方式,尤其是首选四极剖面装置,因为这种观测方式是真正集中了电剖面和电测深法的优点,其采集点分布更均匀合理,在不少场合、不同要求的勘探项目中都可以取得好的效果。在剖面烃观测时,其资料的反演解释时应以二维剖面为主,单点测深、水平曲线分析为辅。而在场地限制只能采用测深类装置时,要尽可能改善各点的接地条件,资料反演解释时应以单点测深反演为主,二维剖面为辅,尤其是解释出直立状接触带时,一定要谨慎,以免贻笑大方。   5.3错误对待反演成果   在和不少生产单位接触的过程中,笔者发现有一种倾向危害很大:有一些单位和技术人员非常迷信反演软件的力量,每一条剖面都经过反演,甚至于在资料解释时只看反演剖面不看原始剖面,最终的报告也只附反演成果,这是非常幼稚的,常常会遭至较大的失败。   5.4视电阻率的负值异常问题   在电法勘探中经常会遇到视电阻率的负值异常问题,高密度电阻率法也不例外。一般而言,视电阻率是不应该出现负值的,有负值就说明有问题。   引起负值的原因很多,大致有:首先是仪器,如果仪器的阻抗低,抗干扰能力弱,极化补偿能力差,其测试中负值出现的机会就比较大。另外,较大的 自然 干扰电场也会产生负值异常。      6结束语      高密度电法勘探作为一种比较成熟的地球物理勘探方法,具有简便、快速、 经济 、适用场地小、应用范围广等优点,但对高密度电法勘探理论的研究以及实际应用等有待进一步的深入和开拓,使之在生产实践中不断 总结 、完善和提高。       参考 文献 :   [1] 王兴泰.高密度电阻率法及其应用技术研究[J].长春地质学院学报.Vol.21,No.3,1991.   [2] 王绪本,罗建群.环境地球物理勘探[M].成都理工学院,1996.   [3] 罗延钟,张桂青主编. 电子 计算 机在电法勘探中的应用[M].武汉地质学院出版社.   [4] 罗延钟,孟永良.关于用有限单元法计算二维构造点电源场的儿个问题[J],地球物 理学 报Vo1.29,No.6,1986.   [5] 段本春,朱永盛电法二维有限元正演计算的若千新结果[J].物探化探计算技术Vol.16,No.I,1994.   [6] 王文龙,陈天建.浅论高密度电阻率法在工程勘测中的应用效果[J].物探化探Vo1.19,No.3,1995.   [7] 王兴泰,王劲松.二维电阻率图像重建的一种新方法[7].物探化探Vo1.19,No.l,1995.   [8] 底青云,王妙月.稳定电流场有限元法模拟研究131.地球物理学报Vol.41, No.2 , 1998.   [9] 底青云,王妙月. 二维电阻率成像的有限元解法[J].岩石力学与工程学报Vol. 18, No. 3,1999.   [10 ]周熙襄等.有限单元法在直流电法勘探正问题中的应用[J] ,物化探电子计算技术,No. 3, 1980.   [11] Chunduru, R.K, Sen M.K., and stoffa, EL,2-D resistivity inversion using spline parameterization and simulatedannealing[J],Geophysics,1996,61,151-161.   [12] Lines,L.R.,and TrEitel,S.,Tutorial: A review ofleast-squares inversion and itsapplication to geophysical problems [J],Geophys. Prosp., 1984,32,159-186.

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