CN116009111A - 一种高密度电法与微动联合近地表富水区勘探方法 - Google Patents

一种高密度电法与微动联合近地表富水区勘探方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高密度电法与微动联合近地表富水区勘探方法，属于工程物探技术领域。其技术方案为：一种高密度电法与微动联合近地表富水区勘探方法，包括对测区进行岩石物理研究，取得饱和水情况下围岩孔隙度与横波速度的关系；对测区进行高密度电法探测，大致确定富水区域位置；实施微动探测；以高密度电法探测结果为初始模型，建立面波反演初始模型；通过高密度电法探测结果进行横波速度反演时的初始模型设定，给定横波速度与层厚的初始估计值；反演计算测区近地表横波速度结构，确定富水区位置。有效解决高密度电法无法准确测深的问题与微动探测初始模型的给定问题，实现高密度电法与微动探测的有效结合，准确探测富水区域位置。

Description

一种高密度电法与微动联合近地表富水区勘探方法
技术领域
本发明涉及工程物探技术领域，尤其涉及一种高密度电法与微动联合近地表富水区勘探方法。
背景技术
地下异常水体、采空区等富水区域可能会产生工程建设中地基失稳等隐患，如仅依靠钻探和地质调查对富水区域发育情况进行大面积勘查，成本巨大，周期长且很难满足需求，这对地下富水区域的地面勘探提出了重大挑战。现有的工程中对于近地表富水区域的地面勘探方法主要是电测深与高密度电法等电法方法，但该方法无法准确测深，只能通过电性差异大体描绘位置，且若富水区域周围围岩存在裂隙，则因裂隙水充填电法无法准确判断富水区范围，分辨率较低，在饱和水的情况下，产生明显的电性差异与面波速度差异。
近些年新兴起的一种地球物理方法-微动勘探，规避了电测法的一些弊端，采用大地天然微动作为信号源，具有施工灵活、受场地局限小、无损化、效率较高等施工特点，在工程物探中开始得到广泛应用，但是微动勘探也有一定的缺陷，需要进行频散曲线提取与反演，反演过程中若初始模型设置不恰当则很容易陷入局部极值产生探测偏差。
发明内容
针对现有高密度电法与微动探测技术在富水区域探测方面所存在的不足，本发明的目的在于提供一种高密度电法与微动联合近地表富水区勘探方法，基于岩石物理模型中孔隙度(含水量)与横波速度的线性关系，可准确实现富水区域的定位。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种高密度电法与微动联合近地表富水区勘探方法，包括如下步骤：
S1：资料收集：收集测区相关地勘资料与岩石物理信息；
S2：岩石物理模拟研究：对测区进行岩石物理研究，取得饱和水情况下围岩孔隙度与横波速度的关系。
S3：高密度电法初探：对测区进行高密度电法探测，通过不同方向的测线布置大致确定富水区域位置；
S4：微动探测：根据S3所示的富水区域位置，确定最优探测测线，实施微动探测；
S5：面波反演初始模型建立：以S3中高密度电法探测结果为初始模型，结合所述S2中获取的围岩孔隙度与横波速度的关系，建立面波反演初始模型；通过已测得的高密度电法探测结果进行横波速度反演时的初始模型设定，划分低速带区域，给定高密度电法探测水体范围内横波速度与层厚的初始估计值；
S6：横波速度剖面反演：提取频散曲线，并根据S5所述反演初始模型，反演计算该区域近地表横波速度结构，确定富水区位置。
进一步，所述S2具体为：
S21,对测区进行岩石物理研究获取相应的岩石物理参数：采用Xu-White模型求取饱和岩石剪切模量，划分泥质砂岩的孔隙为具有较小孔隙纵横比的泥岩孔隙和具有较大孔隙纵横比的砂岩孔隙，通过Kuster-
Figure BDA00033171429600000210
模型和微分等效介质理论(DEM)计算饱含孔隙流体岩石的剪切模量；具体计算公式如下：
Figure BDA0003317142960000022
Figure BDA0003317142960000023
Figure BDA0003317142960000024
式中：
Figure BDA0003317142960000025
为总孔隙度，
Figure BDA0003317142960000026
和
Figure BDA0003317142960000027
为泥岩和砂岩的孔隙度，Vc和Vs为其对应的体积百分含量，K0为岩石矿物的体积模量，μdry、μ0与μfl分别为干岩石、岩石矿物与孔隙流体的剪切模量，F(α)为与孔隙纵横比α相关的函数。
S22、为提高计算效率，对K-T方程求解转化为对线性常微分方程组求解，用以求取岩石骨架弹性模量：
Figure BDA0003317142960000028
Figure BDA0003317142960000029
S23、为准确测定本测区饱和水情况下围岩孔隙度与横波速度的关系，确定相应的岩石物理参数，需对测区进行岩石物理研究，根据S21和S23得到的岩石物理参数，设计饱和水岩体模型，试验中孔隙度的变化范围为5％～30％，取样间隔为1％，为准确拟合实测数据，孔隙纵横比变化范围为0.05-0.20，结合Xu-White模型计算横波速度随孔隙度的变化关系。
进一步，所述S3具体为：根据测区具体情况布设不同方向的多条高密度电法测线，每条所述高密度电法测线包括：若干间隔布置的测量电极和若干观测装置；对测区进行高密度电法线检测，获取高密度电法剖面；根据获取的高密度电法剖面确定富水区域大概位置。
进一步，所述测量电极采用不极化电极，电极采用浇水处理或采用辅助接地装置，相邻所述测量电极的间距为3～5m，一次排列长度60个电极。
进一步，所述观察装置采用温纳α装置、温纳β装置、温施装置中的1种或2种。
所述单点测量时间0.5s～2.0s，测量周期1～3个，合理设置隔离系数使探测深度应保证深入地下至少20m；设n为最大隔离系数，a为电极距，测线重叠长度按(3*n-1)*a确定；一般情况下，电极距3m；60电极，最大隔离系数n≥20，即可满足要求。根据获取的高密度电法剖面确定富水区域大概位置。
进一步，实施所述微动探测时，通过将台站组成圆形探测阵列进行采集，一个台站位于探测点，其余台站位于以中心台阵为圆心固定探测半径的同心圆上。一般以正三角形形式进行排列并采用测点间检波器交叉重叠的方式。所测得的探测最深处深度可达到探测半径的三到四倍，即探测深度主要取决于探测半径的大小。若探测深度约为25米，则测点间距可设置为10米，采取多重探测半径的方式，外圆探测半径为11.43米，内圆探测半径为5.76米。
进一步，所述S6具体为在S5面波反演初始模型基础上上下各扩展50％作为遗传算法搜索范围，通过迭代选择拟合效果最好的模型数据作为最优解，最终得到各测点的横波速度剖面反演结果，反演过程中设定P波速度与密度为横波速度的相关函数；对所得各个测点的反演结果进行横向数据插值即可得测区二维横波速度剖面。富水区位置一般表现为明显低速，与围岩高速对比明显，可以达到2-3倍左右的差异，若天气寒冷，则地表处富水区域因冰冻表现明显高速，与周围填土表现出横波速度的明显差异。
本发明的有益效果为：本方法有效解决高密度电法无法准确测深的问题与微动探测初始模型的给定问题，基于岩石饱和水孔隙度与横波速度的关系，实现高密度电法与微动探测的有效结合，准确探测富水区域位置，成果图件直观，实施便捷、成本低，具有良好的技术优势与应用前景。
附图说明
图1为本方法的流程图；
图2为岩石类型1孔隙度对横波速度的影响；
图3为岩石类型2孔隙度对横波速度的影响；
图4为岩石类型3孔隙度对横波速度的影响；
图5为岩石类型4孔隙度对横波速度的影响；
图6为高密度电法测线布置与探测结果；
图7为探测结果二维剖面-探测区域高密度电阻率探测结果；
图8为探测结果二维剖面-微动探测结果等值线图；
图9为微动探测结果与钻孔资料对比。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
实施例一，如图1所示，本发明是通过如下技术方案实现的：一种高密度电法与微动联合近地表富水区勘探方法，包括如下步骤：
S1：资料收集：收集测区相关地勘资料与岩石物理信息；
S2：岩石物理模拟研究：对测区进行岩石物理研究，取得饱和水情况下围岩孔隙度与横波速度的关系。
S3：高密度电法初探：对测区进行高密度电法探测，通过不同方向的测线布置大致确定富水区域位置；
S4：微动探测：根据S3所示的富水区域位置，确定最优探测测线，实施微动探测；
S5：面波反演初始模型建立：以S3中高密度电法探测结果为初始模型，结合所述S2中获取的围岩孔隙度与横波速度的关系，建立面波反演初始模型；通过已测得的高密度电法探测结果进行横波速度反演时的初始模型设定，划分低速带区域，给定高密度电法探测水体范围内横波速度与层厚的初始估计值；
S6：横波速度剖面反演：提取频散曲线，并根据S5所述反演初始模型初始模型，反演计算该区域近地表横波速度结构，确定富水区位置。
实施例二，如图2-9所示，一种高密度电法与微动联合近地表富水区勘探方法，包括如下步骤：
S1：资料收集：收集测区相关地勘资料与岩石物理信息；
S2：岩石物理模拟研究：对测区进行岩石物理研究，取得饱和水情况下围岩孔隙度与横波速度的关系；
S21,对测区进行岩石物理研究获取相应的岩石物理参数：采用Xu-White模型求取饱和岩石剪切模量，划分泥质砂岩的孔隙为具有较小孔隙纵横比的泥岩孔隙和具有较大孔隙纵横比的砂岩孔隙，通过Kuster-
Figure BDA0003317142960000051
模型和微分等效介质理论(DEM)计算饱含孔隙流体岩石的剪切模量；具体计算公式如下：
Figure BDA0003317142960000052
Figure BDA0003317142960000053
Figure BDA0003317142960000054
式中：
Figure BDA0003317142960000055
为总孔隙度，
Figure BDA0003317142960000056
和
Figure BDA0003317142960000057
为泥岩和砂岩的孔隙度，Vc和Vs为其对应的体积百分含量，K0为岩石矿物的体积模量，μdry、μ0与μfl分别为干岩石、岩石矿物与孔隙流体的剪切模量，F(α)为与孔隙纵横比α相关的函数。
S22、为提高计算效率，对K-T方程求解转化为对线性常微分方程组求解，用以求取岩石骨架弹性模量：
Figure BDA0003317142960000058
Figure BDA0003317142960000059
S23、为准确测定本测区饱和水情况下围岩孔隙度与横波速度的关系，确定相应的岩石物理参数，需对测区进行岩石物理研究，本测区第四系主要为全新统人工填土层，厚度较小，基岩为中生界白垩系下石前庄组(KqS)流纹质凝灰岩及八亩地组(KqB)砂岩、粉砂岩、玄武岩，其中凝灰岩、砂岩、粉砂岩分布较为广泛，玄武岩分布较少；根据S21和S23得到的岩石物理参数，针对孔隙度对横波速度的影响对饱和水岩体模型进行设计，试验中孔隙度的变化范围为5％～30％，取样间隔为1％，为准确拟合实测数据，孔隙纵横比变化范围为0.05-0.20，根据Xu-White模型计算横波速度随孔隙度的变化关系如图2-图5所示，在饱和岩体的情况下，岩石横波速度与孔隙度呈现较好的线性关系，不同岩体与不同孔隙纵横比存在较好的拟合关系。
在富水区域中，目标区域与围岩之间存在明显的孔隙度差异，在饱和水的情况下，产生明显的电性差异与面波速度差异。在实际工程实践中，经常通过高密度电阻率法探测富水采空区，但该方法无法准确测深，根据岩石横波速度与饱和岩体孔隙度的关系，本方案将采用高密度电法与微动勘探相结合的方法。
S3：高密度电法初探：对测区进行高密度电法探测，通过不同方向的测线布置大致确定富水区域位置；如图6所示，采用高密度电法对探测区域进行“米”字型探测，在探测区域布设四条测线，根据探测结果确定测线2为最佳微动探测测线。
S4：微动探测：根据S3所示的富水区域位置，确定最优探测测线，实施微动探测；实施所述微动探测时，通过将台站组成圆形探测阵列进行采集，一个台站位于探测点，其余台站位于以中心台阵为圆心固定探测半径的同心圆上。一般以正三角形形式进行排列并采用测点间检波器交叉重叠的方式，即布置在中心点的S1以及半径为r1的圆周上等间隔放置的三台仪器S2-S4，实际观测时选用不同半径的台阵进行多重观测半径微动观测。所测得的探测最深处深度可达到探测半径的三到四倍，即探测深度主要取决于探测半径的大小。本次探测深度约为25米，则测点间距可设置为10米，采取多重探测半径的方式，外圆探测半径为11.43米，内圆探测半径为5.76米。
S5：面波反演初始模型建立：以S3中高密度电法探测结果为初始模型，结合所述S2中获取的围岩孔隙度与横波速度的关系，建立面波反演初始模型；通过已测得的高密度电法探测结果进行横波速度反演时的初始模型设定，划分低速带区域，给定高密度电法探测水体范围内横波速度与层厚的初始估计值；
S6：横波速度剖面反演：提取频散曲线，并根据S5所述反演初始模型，反演计算该区域近地表横波速度结构，确定富水区位置，在S5初始模型基础上上下各扩展50％作为遗传算法搜索范围，通过迭代选择拟合效果最好的模型数据作为最优解，最终得到各测点的横波速度剖面反演结果，反演过程中设定P波速度与密度为横波速度的相关函数；如图7-9所示，对所得各个测点的反演结果进行横向数据插值即可得测区二维横波速度剖面。富水区位置一般表现为明显低速，与围岩高速对比明显，可以达到2-3倍左右的差异，若天气寒冷，则地表处富水区域因冰冻表现明显高速，与周围填土表现出横波速度的明显差异。富水区域区域存在明显的异常低速现象，探测结果与高密度电阻率法具有很好的对应关系，均存在两处明显的富水采空区域，因高密度电法无法准确测深，探测结果存在低阻区域侧边不平缓现象(约70米处)，而实际中采石坑坡度较缓，本次两种方法相结合的探测结果较为符合实际情况。
实施例三、在实施例二的基础上，进一步，所述测量电极采用不极化电极，电极采用浇水处理或采用辅助接地装置，相邻所述测量电极的间距为3～5m，一次排列长度60个电极。
进一步，所述观察装置采用温纳α装置、温纳β装置、温施装置中的1种或2种。
所述单点测量时间0.5s～2.0s，测量周期1～3个，合理设置隔离系数使探测深度应保证深入地下至少20m；设n为最大隔离系数，a为电极距，测线重叠长度按(3*n-1)*a确定；一般情况下，电极距3m；60电极，最大隔离系数n≥20，即可满足要求。根据获取的高密度电法剖面确定富水区域大概位置。
本发明创造的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

Claims (8)

1.一种高密度电法与微动联合近地表富水区勘探方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：资料收集：收集测区相关地勘资料与岩石物理信息；
S2：岩石物理模拟研究：对测区进行岩石物理研究，取得饱和水情况下围岩孔隙度与横波速度的关系；
S3：高密度电法初探：对测区进行高密度电法探测，通过不同方向的测线布置大致确定富水区域位置；
S4：微动探测：根据S3所示的富水区域位置，确定最优探测测线，实施微动探测；
S5：面波反演初始模型建立：以S3中高密度电法探测结果为初始模型，结合所述S2中获取的围岩孔隙度与横波速度的关系，建立面波反演初始模型；
S6：横波速度剖面反演：提取频散曲线，并根据S5所得初始模型，反演计算测区近地表横波速度结构，确定富水区位置。
2.根据权利要求1所述的高密度电法与微动联合近地表富水区勘探方法，其特征在于，所述S2具体为：
S21,对测区进行岩石物理研究获取相应的岩石物理参数：采用Xu-White模型求取饱和岩石剪切模量，划分泥质砂岩的孔隙为具有较小孔隙纵横比的泥岩孔隙和具有较大孔隙纵横比的砂岩孔隙，通过Kuster-
Figure FDA0003317142950000011
模型和微分等效介质理论(DEM)计算饱含孔隙流体岩石的剪切模量；
S22、通过求解线性常微分方程组的方法，求取岩石骨架弹性模量；
S23、根据S21和S23得到的岩石物理参数，设计饱和水岩体模型，结合Xu-White模型计算横波速度随孔隙度的变化关系。
3.根据权利要求1所述的高密度电法与微动联合近地表富水区勘探方法，其特征在于，所述S3具体为：在测区布设不同方向的多条高密度电法测线，每条所述高密度电法测线包括：若干间隔布置的测量电极和若干观测装置；对测区进行高密度电法线检测，获取高密度电法剖面；根据获取的高密度电法剖面确定富水区域大概位置。
4.根据权利要求3所述的高密度电法与微动联合近地表富水区勘探方法，其特征在于，所述测量电极采用不极化电极，相邻所述测量电极的间距为3～5m。
5.根据权利要求3所述的高密度电法与微动联合近地表富水区勘探方法，其特征在于，所述观察装置采用温纳α装置、温纳β装置、温施装置中的1种或2种。
6.根据权利要求1所述的高密度电法与微动联合近地表富水区勘探方法，其特征在于，实施所述微动探测时，通过将台站组成圆形探测阵列进行采集，一个台站位于探测点，其余台站位于以中心台阵为圆心固定探测半径的同心圆上。
7.根据权利要求1所述的高密度电法与微动联合近地表富水区勘探方法，其特征在于，所述S5还包括通过已测得的高密度电法数据进行横波速度反演时的初始模型设定，划分低速带区域，给定高密度电法探测水体范围内横波速度与层厚的初始估计值。
8.根据权利要求1所述的高密度电法与微动联合近地表富水区勘探方法，其特征在于，所述S6具体为在S5面波反演初始模型基础上上下各扩展50％作为遗传算法搜索范围，通过迭代选择拟合效果最好的模型数据作为最优解，最终得到各测点的横波速度剖面反演结果，反演过程中设定P波速度与密度为横波速度的相关函数；对所得各个测点的反演结果进行横向数据插值即可得测区二维横波速度剖面。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN118131340A (zh) * 2024-05-07 2024-06-04 山东省煤田地质局物探测量队 基于电法勘探技术的矿井物探数据分析方法

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