工程物探技术在地下库可研阶段勘察中的应用

毛平尧

(中化(舟山)兴海建设有限公司， 浙江 舟山 316021)

石油是一种战略资源，石油和天然气战略储备是为了保障能源安全稳定供应、确保国家正常运转的重要手段之一。受资源限制，未来我国石油对外依存度还会进一步提高，对此我国政府提出按照“安全可靠、经济高效、反应快速、应急面广”的原则建设石油储备基地[1]。对于大型油气储存来讲，地下油库由于深埋于地下，雷击、恐怖袭击、常规武器攻击均难以得手，具有地上油库无法比拟的安全性，地下水封洞库储存油气资源具有造价低、运行成本低、安全可靠、环保和生态友好等明显优势。但地下水封石洞油库建设是一项复杂的系统工程，在我国尚属全新的领域[2]。而地下水封石洞油库的前期选址、工程勘察是建设项目的前期最关键最直接的工作，由于地下库建于地下一定深度，前期工程勘察要求高、工程量大、成本高，而可研阶段勘察是地下库选址和建库地质条件评价最关键工作，如何合理选用工程勘察技术和方法对地下库建设选址和工程地质勘察起到举足轻重的作用。

可研阶段勘察的基本要求是：应初步查明推荐库址的工程地质和水文地质条件，提供可行性研究所需的勘察成果并为确定库址和库区布置进行地质论证[3]。本项目初步选择在某地海边一处岩体较好的山体下，场区内地形地貌复杂，地势陡峭，植被茂密，现场开展地质调绘和工程钻探、物探设备调遣十分困难，且钻孔深、施工难度大、成本高、工期长。为达到工程勘察成果既能满足选址、建库地质条件评价依据、又能缩短勘察工期、节省勘察成本目的，本项目可研阶段勘察采用工程地质测绘+地质钻孔+工程物探相互映证勘察方法。而工程物探种类较多，根据不同的仪器设备和工作原理，应用于不同的工程勘察中，工程物探的种类主要有：工程地震勘探、电法勘探、微重力和高精度磁法勘探、测井物探测方法等[4]。根据本项目大型地下水封洞库可研阶段勘察要求和特点，结合国内其他地下库勘察实际案例，工程物探主要采用了高密度电法和浅震反射法技术，经过实施取得了比较好的勘察效果，为地下库选址和地质条件评价提供了较完整的勘察成果，同时通过对工程物探在本项目应用的介绍，为后续其他地下水封石洞油库工程勘察提供借鉴。

1 高密度电法

1.1 方法原理

高密度电法是采用高密度布点，进行地电断面测量的一种物探勘探方法。基本原理与普通电阻率法相同，集中了电剖面法和电测深法的特点，电法探测是通过向地下供电，根据探测地下电场的分布状况，确定地下地层情况的一种物探方法。由于地下各种地层电阻率存在较大差异，随着地层的变化使地下电阻率在空间范围内产生相应的变化，人工供电形成的电场的分布状态即发生相应的变化，根据地下人工电场的变化特征，可以确定地下不同地层的空间分布状态[5]。

高密度电法兼具剖面法与电测深法的效果，并具有点距小，数据采集密度大的特点，它彻底抛弃了视电阻率的概念，将所得的大量数据利用现代反演技术直接反演成真电阻率剖面图，所得成果图可以直接用于地下岩土分布的分析和解释。

1.2 仪器设备

本项目野外工作使用的仪器设备为重庆地质仪器厂的DZD-8多功能全波形直流电法仪，它的主要技术指标如下：

1)电压通道：±40 V(32位A/D) ；

2)测量精度：电压>1 mV时精度≤0.1%，电压≤1 mV时精度±1 μV；

3)输入阻抗：>50 MΩ ；

4)电流通道：0～6000 mA(32位A/D)；

5)测量精度：当Ip≥10 mA时，±0.1%，Ip<0 mA时，精度±2 μA；

6)对50 Hz工频干扰(共模干扰与差模干扰)压制优于120 dB 。

1.3 野外工作方法

高密度电法勘探极距的设定包括供电电极距AB和测量电极距MN的确定。供电电极距AB的大小一般视目标体的埋藏深度现而定，一般应满足关系式：AB≥3H(H为探测深度)。而测量电极距MN的确定一般视目标体的范围大小而定，电极距MN与横向分辨率的要求有关。

本项目野外观测采用α排列 (温纳装置AMNB)，电极距5～10 m，电极排列方式如下图野外观测采用α排列方式(温纳装置AMNB)，使用等电极距，电极距为5～10 m，最大供电电极距300～1 200 m，电极排列示意如图1所示。

图1 高密度电法α排列方式示意图

测量断面为倒梯形，测量时AM=MN=NB为一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到第一条剖面线；接着AM、MN、NB增大一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到另一条剖面线；这样不断扫描测量下去，得到整条测线剖面的视电阻率断面。

1.4 资料处理与解释

高密度电法的资料处理采用二维高密度电法反演程序。基于圆滑约束的准牛顿最优化非线性最小二乘法，对数据滤波处理，地形校正等处理手段。将野外数据加上地形数据，修正或剔除坏点，然后做反演计算。结合地质资料，反演出与之相符的结果，并以线性方式绘制等值线，然后运用AutoCAD做出成果图件。

高密度电法依据电阻率的分布特征和变化特点，结合现场情况及地质资料，获取了物探测线范围内的节理密集带及推断断裂等信息。提交的物探成果图，是依据电阻率来划分地层，但不能完全代表实际的地质剖面，所测得电阻率是多种岩土的综合反映，但结合地质测绘资料与钻探资料，各取利弊，做到了勘察成果与实际情况大致相符，做到了推测结论有理有据。

2 浅震反射

2.1 方法原理

浅层反射波法是地震勘探方法中的一种。地震勘探是指人工激发所引起的弹性波利用地下介质弹性和密度的差异，通过观测和分析人工地震产生的地震波在地下的传播规律，推断地下岩层的性质和形态的地球物理勘探方法[4]。根据反射波振幅、频率、速度等资料，分析地层结构、地质构造、岩石性质，与地质调查、工程钻探、其他检测办法互为验证，达到区域地质勘察目的。

2.2 仪器设备

本次浅层反射选用德国SUMMIT X ONE地震仪，该地震仪是 DMT 公司成功研发出的全 新的超小型、超轻便、多用途的地震仪。仪器设备主要技术指标为：

采样率：1/16，1/8，1/4，1/2，1，2，4，8 ms；数字去假频滤波器：0.95×Nyquist 频率；前放增益:0 dB到36 dB；瞬时动态范围：>128 dB@2 ms；系统动态范围：>144 dB；全谐波畸变：≤0.005%；共模抑制：≥100 dB1)。

2.3 检测要点与流程

2.3.1 地震反射观测系统

本次地震反射波法拟采用的观测系统见图2，主要采用等偏移距(具体偏移距距离根据现场试验确定)，单边或中间放炮，不少于48道接收，道间距5 m，炸药激发，覆盖次数6次(特殊地段不少于3次)，拟使用采样间隔0.25 ms，记录长度1 024 ms。实际采集参数根据现场试验确定。

图2 反射波法设计观测系统

2.3.2 地震勘探震源

本次地震勘探反射波法采用炸药震源，勘探时在1～2 m深孔底，装炸药300～600 g，用数码雷管引爆激发地震波，通过设备记录地震勘探信号(如图3)，主要参数如下：①炮眼深度：炮眼深度为1～2 m，直径40 mm。②地震勘探参数：5 m道间距、48道接收、检波器接收排列长度240 m，炮点间距10～20 m，采用单个爆破单次检测的方法。

图3 地震勘探爆破示意图

2.3.3 地震反射方案的实施

地震反射工作开始前，先由测量人员进行测量放点，再进行物探野外数据采集。为保证工期，避免勘察期间预打炮孔和地震反射相互影响，炮孔组与地震数据采集组宜各自开展不同测线的野外作业。地震勘探分段作业保证炮点的连续性，检波器敷设保证结束排列与开始排列首道和尾道段检波器重合。通过现场炮点位置实地勘测，勘测线尽量垂直穿越地质调查中比较明显、断面较大的断层。地震勘探可沿着高密度电法位置敷设勘测线，有效反射段能够覆盖到主要断层。主要检测步骤为：①开工前先进行展开排列的试验，检测检波器的一致性，确定采集参数；②布置好炮点位置，开展预打炮孔；③地震勘探野外数据采集工作，每一条线的作业顺序；④特殊地段的处理：对无法进行放炮作业的区域选择丢炮处理，沿着测线方向移动炮点，在允许布置炮点的位置进行补充炮点；于测线端点位置，采用排列不进行滚动，炮点移动的放炮方式，直到炮点靠近库区高陡护坡无法布置炮点的位置；⑤爆破时，炮点位置覆盖防爆被，加厚爆破作业点的覆盖防护层，杜绝砂石的飞行，震源爆破严格按《地震勘探爆炸安全规程》(GB 12950—1991)的相关规定执行，确保无安全事故发生。

3 成果分析

根据工程地质测绘和调查、工程钻探、工程物探(高密度电法、浅震反射)成果，综合研判区域内地质构造及岩性分布以Ⅱ类围岩为主，初步认为预选场区适宜建设地下水封石油洞库。

高密度电法检测由于地质体的结构和组成成分不同，不同的地质体间存在电阻率差异，依据电法勘探资料对地下不同的地质体的形态和赋存状态做出判断；解释电法资料时，根据电阻率的相对变化判断地下地质体的变化。影响电阻率变化因素较多，如温度、压力和含水程度不同等，致使不同地质体间的电阻率差异较小。浅震反射数据资料处理，用计算机对采集的原始资料进行以压制干扰和提取地震参数、分辨率、提高信噪比的处理技术和方法。通过爆破震源处理是反映岩性和地下结构等的参数据处理和地震剖面为目的的，提高分辨率、有效反射信息和增强信噪比。汇总高密度电法和浅震反射资料时，结合地质调查、地质钻探等资料进行综合分析，才能对地下地质结构做出相对确切的结论。以下是对其中B1、B3二条测线成果分析如下：

B1测线高密度电法剖面在图4中，整体上电阻率由浅至深呈低阻-高阻的纵向分布形态：浅层电阻率值在50～700 Ω.m范围变化，层厚0～20 m,推断为全-强风化片麻状花岗岩；深层电阻率值整体较高，在120～6 000 Ω.m范围变化，推断为中等风化-微风化片麻状花岗岩。

B1地震反射测线在图4中，剖面第一层纵波波速为600～1 200 m/s左右，结合现场资料，综合解释该层为表层残积土，该层一般厚度0～20 m，其中局部基岩出露；第二层纵波波速为1 200～2 500 m/s左右，结合钻探资料，综合解释为全～强风化片麻状花岗岩该层一般厚度4～37 m；第三层纵波波速为2 500～4 300 m/s左右，解释为中风化片麻状花岗岩，该层一般厚度8～57 m；第四层纵波波速为4 300～5 800 m/s，解释为微风化片麻状花岗岩。

图4 B1地震反射时间剖面与高密度电法成果图

通过高密度电法，在图5中，F1(断裂)在B1测线的1 368～1 407 m呈低阻异常显示。通过地震反射法，F1(断裂)在B1里程K0+1360 m～K0+1 400 m段，纵波反射时间剖面反射波组出现突变，反射波同相轴错开，异常反射波出现、反射凌乱等现象出现。

图5 F1断裂在B1高密度成果与反射时间成果

B3高密度电法剖面在图6中，整体上电阻率由浅至深呈低阻-高阻的纵向分布形态：浅层电阻率值在50～400 Ω.m范围变化，层厚1～48 m，1 000～1 670 m推断为全-强风化辉长岩，1 670～1 995 m推断为全-强风化二长花岗岩；深层电阻率值整体较高，在120～2 500 Ω.m范围变化，1 000～1 670 m推断为中等风化-微风化辉长岩，1 670～1 995 m推断为中等风化-微风化二长花岗岩。推断里程1 670 m处为辉长岩与二长花岗岩岩性分界。

图6 B3地震反射时间剖面与高密度电法成果图

B3地震反射剖面在图6中，第一层纵波波速为600～1 200 m/s左右，结合现场资料，综合解释该层为表层残积土，该层一般厚度2～13 m；第二层纵波波速为1 200～2 500 m/s左右，结合钻探资料，综合解释为全～强风化二长花岗岩、辉长岩该层一般厚度23～76 m；第三层纵波波速为2 500～4 300 m/s左右，解释为中风化二长花岗岩、辉长岩，该层一般厚度13～51 m；第四层纵波波速为4 300～5 800 m/s，解释为微风化二长花岗岩、辉长岩。

4 结束语

在地下库工程勘察中，工程物探技术具有方便、直观、快速的特点，工程物探成果与工程地质钻探、工程地质调查的成果，达到互为验证的作用，为地下库选址勘探、可行性研究、工程设计，提供了较为完整可靠的勘察成果和项目选址评价依据，是一种经济、效率高的工程勘察方法。