大地电磁探测技术在旭龙水电站隐蔽构造勘察中的应用

郭聪 徐涛 陈江平

摘要：旭龙水电站前期工程勘察中面临坝库区高陡边坡、滑坡体及超厚覆盖层等复杂地质条件，准确查明该区域的隐蔽构造、裂缝、断层及覆盖层厚度十分关键。引入新型大地电磁测深探测系统，并基于优化改进二维快速松弛反演（RRI）算法，得到了收敛快、曲线平滑的大地电磁测深剖面，提取了丰富的深部地层信息。结果表明：采用低频磁棒、改进的RRI反演算法，有效数据频带延伸到1～0.1 Hz，有效探测深度近1 000 m。该技术在超厚覆盖层及深部构造探测中获得了较好的应用效果，克服了旭龙水电站前期勘察技术难点，可为新型大地电磁系统在类似工程的应用提供参考。

关键词：地球物理勘察； 大地电磁法； 二维RRI反演； 隐蔽构造； 旭龙水电站

中图法分类号：P631

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.007

文章编号：1006-0081（2024）05-0036-07

0 引言

旭龙水电站是金沙江上游河段“一库十三级”开发方案的第12级，也是国家西电东送骨干电源点之一，2022年6月获得国家发展和改革委员会核准批复，成为“十四五”期间核准开工建设的国家重大工程之一。旭龙水电站建成投产后，预计年发电量约105亿kW·h，节约标准煤315万t，将有效缓解区域电力供应紧张，对地区经济社会发展意义重大。

早在2004年，旭龙水电站预可研阶段勘察工作已经启动。前期资料表明，水电站所在的金沙江上游河段地质条件复杂，隐蔽构造多，区域裂缝及断层发育，覆盖层较厚，库区边坡稳定性差，地质勘察难度较大。多年来，国内专家学者对此开展大量研究工作，杨鹏等［1］对旭龙水电站库区格亚顶堆积体变形及稳定性进行分析，刘冲平等［2］对旭龙水电站库坝区边坡危岩体进行评价。

为进一步调查分析旭龙水电站库坝区隐蔽构造特征及深部不良地质体，国内学者充分借鉴类似工程的物探勘察方法开展研究工作，郭一兵等［3］研究高密度电法在特大型滑坡勘察中的应用，赵惊涛等［4］采用地震绕射波探测方法对煤矿隐蔽致灾地质体进行分析，张建清等［5］也在同类水电站建设中开展过综合物探方法研究工作，都取得了较好的效果，给旭龙水电站隐蔽构造及深部地质构造探测提供了思路。采用高密度电法能较好地查明测区浅层覆盖层厚度及断层分布情况，但无法探测超厚覆盖层及深部断裂信息；采用瞬变电磁、地震法等能满足探测深度要求，但容易受到環境条件影响，不易达到勘察精度要求。因此，复杂地质条件及不利环境因素成为了旭龙水电站隐蔽构造探测的难点。

在前人研究基础上，本文针对旭龙水电站隐蔽构造及超厚覆盖层开展大地电磁法研究工作。大地电磁法探测深度大，不易受到环境干扰。音频大地电磁法（AMT）或大地电磁法（MT）起步较早，数据处理及解释较为成熟，反演方法种类繁多。近年来，随着技术发展，高精度大地电磁法反演方法也有所突破。目前运用较成熟的有奥可姆法（OCCAM）反演及简化基奥可姆法（REBOCC）反演 ［6］，这些反演方法能反映出地层电性结构特征。Smith等［7］于1999年提出的SBI反演方法，改变了边界位置的收敛度，同年开发的快速松弛法算法（RRI）成功引入到国内，成为了国内MT工作者经常使用的反演方法，并内嵌到各种软件中。该反演方法通过建立数据扰动和模型参数扰动之间的线性积分方程，使求解过程变得迅速，且更容易收敛。

本文从AMT的方法原理入手，介绍一种新型大地电磁测深系统（GEM-3D）。对仪器装备技术总结、反演方法改进、数据处理与解释、实例分析等开展了研究，并在旭龙水电站前期物探勘察中取得了良好的应用效果。

1 音频大地电磁（AMT）方法原理

音频大地电磁（AMT）探测基本原理：当天然交变电磁场入射大地，在地下以波的形式传播时，由于电磁感应，接收器会接收到地面电磁场信号，这些信号会包含地下介质的电阻率分布信息。由于不同频率的电磁场信号具有不同穿透深度，因此可以通过研究地表采集的大地电磁数据来反演出地下不同深度介质电阻率分布的信息［8］。

郭聪 等大地电磁探测技术在旭龙水电站隐蔽构造勘察中的应用

通过傅立叶变换将时间域的电磁信号变成频谱信号，进而计算卡尼亚电阻率Z［9］：

2 二维快速松弛反演（RRI）

2.1 RRI反演算法改进

快速松弛反演（Rapid Relax Inversion，RRI）是通过求解与一维相近的反演问题来计算测点的视电阻率矩阵，从原理上可以把二维问题转成一维问题［11］。基本思路如下。

图1频率与电阻率交会量版图

式中：Q（yi）为各测点的拉普拉斯（Laplace）范数方程；f（z）为控制标度尺长度，来度量不同深度的构造；z0表示模型最高频率情况下的趋肤深度；g（z）为控制水平方向构造的惩罚因子［12-13］。

在实际反演中，为了得到较好的反演效果和有效深度，需要对RRI反演方法进行改进。具体做法如下：① 先对数据进行预处理，剔除异常畸点；② 对数据初次反演，并进行平滑处理，得到初始模型；③ 将初次反演结果作为初始模型进行RRI反演，同时控制好f（z）参数。一般情况下，设置合适的首层厚度，选取适当的增长因子和水平构造惩罚因子g（z），使反演边界达到趋肤深度。经过改进后的RRI算法具有收敛速度快、反演剖面平滑、深部信息丰富等特点，适用于隐蔽构造的反演成像［14-15］。

2.2 RRI反演应用

为验证RRI反演算法可靠性，选取旭龙水电站坝址区的一段测线进行反演分析。试验测线长1 200 m，点距50 m，按照2.1节中反演步骤，选取首层厚度为13 m，增长因子1.1，为了达到一定的趋肤深度，层数选取23层。最终得到反演结果如图2显示。

从图2中看出，二维反演后的地层构造电性特征较为明显，表层覆盖层低阻特征明显，盲区也相对小。从深部看，在桩号800～1 000 m之间，深度范围2 000～2 400 m见一处低阻异常，两侧电阻差异明显，结合地质资料和钻孔资料推断为岩体破碎。总体来看，覆盖层与基岩分界面清晰，边界轮廓无毛刺现象，深部地质构造明显，低阻异常区反应突出，表明改进后的反演算法对隐蔽性强的地质构造反演效果好。

3 旭龙水电站实例应用

3.1 工程地质概况

旭龙水电站位于云南省德钦县与四川省得荣县交界的金沙江干流上游河段，地跨川、滇、藏两省一区，属于青藏高原强烈隆起区。水电站选址区地处横断山山地，呈明显台阶状下降趋势，属于峡谷地貌特征，总体地势为西北高东南低。选址区河谷为深切型的下切峡谷地形。

选址区建基岩体以花岗岩和斜长角闪片岩为主，两岸断裂构造较发育，但构造组合相对简单，断层规模小，查明这些断裂构造和断层是地质勘察的关键。

库区沿线山坡陡峻、为高山峡谷。两岸山体呈台阶下降，覆盖层以第四系冲洪积、崩坡积为主，覆盖层厚度大，基岩基本以大理岩、花岗岩为主。覆盖层与基岩电性特征差异较大，为大地电磁法勘探提供了必要的地球物理条件。

3.2 新型大地电磁系统介绍

为采集数据质量好的大地电磁原始资料。本文介绍一种新型大地电磁Geode-EM3D系统（简称GEM-3D系统），该系统采用分布式网格化设计，配置多个接收机（Station），可以实现3D采集，单台接收机有6个通道，可以配置3个磁通道或3个电通道。经测试，单站可以同时采集5个测点（标量），效率大大增加。在进行AMT采集过程时，通过单站与微机进行网络信息链接（Network Information Build）NIB连接，可实现数据采集动态监视，提高数据采集质量。在野外工作布置中，通常采用单站式采集模式。图3是单站式GEM-3D系统的工作布置示意。

为了更好地采集深部地层信息，在实际探测中采用GEM-3D系统的G20K低频磁棒，它的频率范围为0.1～20 kHz，不仅探测深，且噪声干扰小。在实际测试中，对比分析了两种不同频率范围的磁棒，图4为采用不同频率磁棒采集的两组标量数据。从图4维Bostick反演曲线看出，探测深度达到数千米。此外，低频采集对“死频带”有一定的压制作用。

3.3 覆盖层勘察应用

在旭龙水电站库区移民安置点和金沙江两岸堆积体中选择2处测点开展覆盖层厚度和滑坡体地质状况物探勘察工作。旭龙水电站移民安置点A点位于枢纽区下游4～5 km，海拔高程2 300～3 000 m。覆盖层为冰水堆积碎石土层，主要由碎块石、砾石及大量粉土组成。在该安置点上布置AMT测线，点距为50 m。经过RRI反演后，最终得到视电阻率剖面如图5所示。

从图5看出，剖面整体成层性较好，浅层视电阻率低，中深部视电阻率有升高趋势，横向上看电性特征变化均匀，近地表电性差异明显。覆盖层与基岩界面清晰，覆盖层厚度从小桩号到大桩号逐渐增大，符合该地区深切峡谷地质特征。厚度变化范围130～300 m；在桩号1 260 m左右有一钻孔ZK2孔，钻孔揭露在239 m尚未钻穿覆盖层，推断该处的覆盖层深度在250～300 m之间，反演结果与钻孔结果相吻合。

在旭龙水电站库区金沙江两岸分布很多滑坡体和堆积体，如格亚顶1号堆积体、格亚顶2号滑坡体、木拥桥堆积体、莫丁1号堆积体、拿荣1号堆积体、吉布卡堆积体等。这些滑坡体、堆积体地形陡峭，岩体疏松，经常发生小规模的崩塌、掉块现象。查明其覆盖层厚度和基岩面情况，对库区高边坡防护有重要意义。

在一堆积体上布置沿江方向测线M1，点距为25 m。通过数据采集、处理、反演得到M1测线AMT视电阻率反演剖面如图6所示。

从图6看出，剖面视电阻率纵向呈由低到高的渐变趋势，浅部局部电性分布不均匀，地层电性差异较明显，覆盖层与基岩界面清晰，厚度变化范围30～80 m。覆盖层以砂卵石、碎块石为主。从横向上看，基岩埋深总体呈现均匀变化，推测该堆积体由于山体岩体风化、岩屑滑坡逐渐形成厚度不均的覆盖层，具有不稳定性，会随边坡发生走滑和落石。

3.4 隐蔽构造勘察应用

坝址区两岸虽然岩性相对单一，但区域断裂、断层发育，全区分布着70余条大小断层，绝大多数断层走向与金沙江岸坡交角较大。区域处于地质活跃带，受构造运动影响造成褶皱、岩体局部破裂，如不及时查明并处置这些隐蔽构造及不良地质体，将对大坝施工造成安全隐患。以过坝址的交通隧洞線路G2探测成果作为实例，分析隧洞高程上下岩体的完整性，查明隧洞线路上地层地质构造发育特征，为进一步勘察设计提供依据。G2测线点距50 m，经数据采集、处理、反演得到G2测线AMT视电阻率反演剖面如图7所示。

从图7看出，剖面总体视电阻率较高，横向电阻率变化较大。在桩号1 500 m左右，视电阻率等值线不连续，存在电阻率差异，推测为一断层F，倾向小桩号方向，倾角约85°，为一逆断层。在桩号400～1 200 m、高程2 100 m以下，有一处低阻异常带，引起上部地层电阻率在横向上变化较大，推断为岩体破裂带。经钻孔验证，该区域基岩为中、弱风化带，破碎充填物多为铁锰质矿物，导致电阻率偏低。此外，在桩号1 600～2 600 m地表面视电阻率较高，电阻率值与基岩相似，推断该区段除有局部较薄的崩坡积层揭露外，其余为基岩出露。

从G2测线整体来看，反演剖面不仅反映出该测线宏观地质构造，而且对小尺度的岩性变化、裂隙等有很好的探测效果。

4 结论

（1） 大地电磁探测技术对旭龙水电站测区超厚覆盖层和断裂带、堆积体、滑坡体等不良地质体勘察有良好的应用效果，对进一步研究三维观测系统布置、提升深部勘探成果的准确性具有重要意义。

（2） 隐蔽构造大地电磁探测方法在旭龙水电站勘察的运用，弥补了常规物探方法的不足，解决了旭龙水电站隐蔽构造、超厚覆盖层、边坡堆石体等勘察难点，为水电站后续建设提供了技术支撑。

（3） 本文对新型大地电磁技术装备应用进行总结，优化改进大地电磁探测技术，拓宽了物探思路，对类似工程物探技术应用具有参考价值。

参考文献：

［1］杨鹏，郑光，黄金成，等.旭龙水电站库区格亚顶堆积体变形及稳定性分析［J］.人民长江，2023，54（9）：128-135.

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编辑：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：郭聪，男，工程师，硕士，主要从事水利工程物探技术研究与应用工作。E-mail：xjqxgc@qq.com