GMS-07e综合电磁法仪在暗河勘察中的应用

李晓威

(三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)



GMS-07e综合电磁法仪在暗河勘察中的应用

李晓威

(三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

GMS-07e综合电磁法仪可实现MT、AMT、CSAMT等多种测量功能。本次试验目的是为了解勘察区内基本地球物理情况，以及区内地下暗河所表现的电阻率特征，查明该区域地下暗河的分布情况，为项目集水廊道的开挖提供物探依据。

大地电磁测深；岩溶；地下暗河；廊道；电阻率

云南省石林地下水库位于昆明市石林县高石哨村东侧，工程区属石林高原区，距著名的石林风景旅游区4 km，与乃古石林风景旅游区相毗邻。距离石林县城24 km，距昆明约88 km，目前已有西(桥)～石(林)路和南昆铁路从水库东南边路过，交通较为方便。地势总体北、东高，西、南低，地表分水岭与地下分水岭基本一致，大气降水几乎全被岩溶所吸收，地表径流少见。

石林县地下水库工程地下暗河勘察的物探工作，主要采用大地电磁测深法查明该区域地下暗河的分布情况，为该项目集水廊道的开挖提供物探依据。勘察区内残坡积物较浅，红黏土电阻率最低，大约为0.1～10 Ω·m，砂岩电阻率约10～1000 Ω·m，泥页岩电阻率约为10～1000 Ω·m，灰岩电阻率约为10～10 000 Ω·m，区内地下岩溶洞穴、地下暗河特别发育，不论这些岩溶洞穴是否存在填充物，暗河通道内是否充水，其都与周围围岩存在着较大的物性差异，为大地电磁测深方法寻找地下暗河的分布提供了物性前提[1]。

1　GMS-07e工作原理

本次电磁测深工作采用GMS-07e综合电磁法仪，由电磁场理论可知，大地介质中将会产生感应电磁场，此感应电磁场与一次场为同频率电磁场，引入波阻抗Z。在均匀大地和水平层状大地环境中，电场E和磁场H的水平分量的比值为波阻抗[2-4]。

(1)

(2)

(3)

式中:f为频率,Hz;ρ为电阻率,Ω·m;E为电场强度,MV/km;H为磁场强度,A/m;φE为电场相位，φH为磁场相位。在电磁理论中，定义穿透深度或趋肤深度(δ)为电磁场(E、H)在大地中传播时，其振幅衰减到初始值1/e时的深度。

(4)

由式(4)可知，趋肤深度(δ)将随电阻率(ρ)和频率(f)的变化而改变，测量是在和地下研究深度相对应的频带上进行的。在一个宽频带上观测电场和磁场信息，并由此计算出视电阻率和相位，可确定出大地的地电特征和地下构造。

2　GMS-07e野外工作方法与技术

2.1测深点的布置

使用森林罗盘仪在具体的观测点上指示方向，坡角改正，用皮尺测量距离，以确定电极和磁棒布置位置，方位差小于0.2°，点位差应小于0.5 m[5-8]。

2.2电极的布置

本次勘探一共使用4个电极，其中每两个电极组成一个电偶极子，为了便于对比、监视电场信号，其长度等于点距，把其中与测线方向一致的电偶极子叫做X-Dipole，与测线方向垂直的电偶极子叫做Y-Dipole。为了保证Y-Dipole的方向与X-Dipole相互垂直，用森林罗盘仪现场确定方向，误差在0.5°以内，用测绳测量电偶极子的长度，误差在0.5 m以内。

2.3磁棒布置

磁棒离GMS-07e应大于5 m，为了消除可能对磁棒的干扰，两个磁棒要埋在距离地面至少5 cm的地下，用地质罗盘定方向使其相互垂直，且水平误差控制在2°以内。工作人员要尽量远离磁棒，尽量选择远离房屋、电缆、大树的地方布置磁棒。试验时两个磁棒相隔2～3 m，平行放在地面上，两个电偶极子也需平行。

2.4测网布置

设计测线应基本垂直于区域构造走向，测区内如有地震测线、垂向电测深点、深钻孔等， 设计测线应与其重合或靠近，设计测线应避开城镇或大的居民点。在重点区域， 设计的测线、测点距应根据需要加密，通常至少要求有两条测线，每条测线至少3个测点穿过异常体。本次勘察拟设计测线共8条，为提高测区物探成果的准确性，其中2条布设在已知暗河上部，作为参考测线，另6条平行集水廊道布设。

2.5观测频段及观测时间的选定

本次工作主要是探测区域内暗河的走向，根据前期勘探与钻探资料，可以确定本次工作主要探测深度为0～100 m，因此选定两种采样率进行采集，其中选用65 536 Hz采样率采集3 min，选用4096 Hz采样率采集6 min，测点数见表1。

表1　测量工作一览表

3　大地电磁数据处理资料解释

测量工作采集的数据采用Mapros软件进行数据预处理，数据反演采用MT-Pioneer二维反演软件[6-8]。

3.1试验结果分析

由L1线、L2线数据二维反演所得到的视电阻率剖面图(见图1、图2)可知，L1线位于测点L104～L106下方60～80 m处可见明显的高阻异常,L2线下方40～80 m处可见明显的高阻异常,根据测点布设的位置可知:此两处的高电阻率特征区域正是地下暗河所在的位置,因此该区域已知暗河通道表现为高电阻率的特征。通过对已知暗河通道的勘查，我们发现该暗河上部空腔较大，因而会表现为高电阻率值的特征，反演所得到的结果与实际相符合，验证了在该区域内进行大地电磁测深以探查暗河通道的可行性。

(1)L3线推断解释(图3)

位于L306～L307下方20～40 m处见明显的高阻异常；L310～L311下方30～60 m处见明显的高阻异常，与周围围岩存在较大的物性差异，推测此两处为地下溶洞空腔。

(2)L4线推断解释(图4)

位于L406～L407下方20～40 m处见明显的高电阻率异常，L412～L413下方40～70 m处明显的高电阻率异常，与周围围岩存在较大的物性差异，推测此两处为地下溶洞空腔。

(3)L5线推断解释(图5)

位于L511～L513下方40～70 m处见明显的高电阻率异常，与周围围岩存在明显的物性差异，推测为地下溶洞空腔。

(4)L6线推断解释(图6)

位于L611～L612下方40～80 m见明显的高阻异常体，推测此处为地下溶洞空腔。

(5)L7线推断解释(图7)

位于L7线未发现明显的高阻异常。

(6)L8线推断解释(图8)

位于L807～L808下方30～60 m处见明显的高阻异常体，与周围围岩存在较大的物性差异，推测此处为地下溶洞空腔。

图1　L1线视电阻率剖面图

图2　L2线视电阻率剖面图

图3　L3线视电阻率剖面图

图4　L4线视电阻率剖面图

图5　L5线视电阻率剖面图

图6　L6线视电阻率剖面图

图7　L7线视电阻率剖面图

图8　L8线视电阻率剖面图

综合解释：首先，通过分析可知L3线、L4线、L5线电阻率横向差异明显，相邻测线L3线、L4线在L306～L307、L406～L407处有相似的电阻率异常特征，推测此处为一可能的地下暗河通道；相邻测线L3线、L4线、L5线在L310～L311、L412～L413、L511～L513处存在相似的电阻率异常特征，推测此处为另一可能的地下暗河通道(详见图9)。其次，通过分析可知L6线在L611～L612处见一电阻率异常特征体，L7线无明显的高电阻率异常特征体，L8线在L807～L808处有一明显的高电阻率异常特征体，但此3条线上异常多不连续，故推测不存在可能的暗河通道。

图9　推测地下暗河通道平面位置图

4　结　论

通过本次大地电磁测深工作，在坝轴线左侧

一共查出了2处可能存在的地下暗河通道，并且通过后期的钻探以及集水廊道的开挖等工作，在异常区域成功找到了地下暗河主河道。暗河主河道的成功发现，探明了来水通道和来水量，增强了石林地下水库工程参建各方的信心，为下一步大坝土石方开挖、帷幕灌浆等主体工程大规模施工奠定了基础。

[1]严良俊,胡文宝,杨邵芳，等.电磁勘探方法及其在南方碳酸盐岩地区的应用[M].北京：石油工业出版社,2001.

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The work methods and treatment principle of Magnetotelluric mothod GMS-07e in the application of underground reservoir

LI Xiaowei

(CollegeofHydraulicandEnvironmentalEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

Given the traditional magnetotelluric method of magnetic sensor poor stability, short band and the limitations of a single function, the electromagnetic sounding work using GMS-07e comprehensive electromagnetic instrument, the GMS-07e integrated electromagnetic instrument can realize MT,AMT,CSAMT measuring a variety of functions.The purpose of this test work to understand the basic geophysical prospecting area and underground river in the area of resistivity characteristics, find out the distribution of underground river, the region provide geophysical basis for project set water corridor of the excavation.

Magnetotelluric mothod; karst; underground river; gallery; electrical resistivity

李晓威(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为水利工程施工及组织管理。

P631.3+25;U212.22

A

2096-0506(2016)09-0006-05