工程物探新仪器和应用实例

         工程物探新仪器和应用实例

北京欧华联科技有限责任公司

工程物探涉及的领域非常广泛，除能源物探，固体矿产资源物探，地下水资源物探外，凡与地表以下地质结构和地质异常体有关的探测，均应属于工程物探。例如，岩土工程探测，水利水电工程探测和检测，隧道超前预报、地下工程和路基探测，港口码头和滩涂地基探测，活断层探测和地震安全评估，溶洞和采空区探测，城市防空洞和地下管线探测，冲击地压和煤火区监测，地质灾害监测和工程质量无损检测以及地下环境检测等。

工程物探深度一般为地表以下几十米至百米，探测目标一般为地下细结构，大、小断裂，风化层，软弱带，透水区，小型三维体以及地基和岩体的力学性质等等，要求探测精度高，准确度高，仪器轻便、易携带，因此工程物探仪器设备要具备：高分辨率，高采样率，高精度，高频响应，高度轻便灵活。在此我们推荐几种符合这些要求的工程物探仪器:

一、地震仪

地震法是工程物探中的主要方法，包括反射法，折射法，透射法和瑞利面波勘探。反射法可以确定断层产状、性质、断距，活动年代，可以细微地分析地层层位、构造、厚度变化，软硬程度，可以探测地下空洞，岩土分类和场地稳定性等；折射法可以确定基岩埋深、起伏和结构；透射法可以精确确定井间三维体位置，岩土分类，内部结构以及它们的力学参数和混凝土坝病害诊断等。瑞利面波法可以划分地层，场地类型划分，确定岩土力学参数，探测地下空洞、对地基加固和高速公路无损检测等，但其勘探深度浅，分辨率高。德国DMT公司基于上述工程物探需要研发和生产了一系列SummitⅡ地震仪器系列，它们均可用于反射法，折射法，透射法和瑞利面波法其中包括：

1. SummitⅡPlus地震仪：24位分辨率，最高采样率50KHz，频响12.5KHz，对1500m/S的波速层而言可分辨出3cm的薄层结构；双道采集站重1.2kg，笔记本电脑担当主机，非常轻便；采用SNAP连接技术，道间距任意可变，这一特点对工程物探非常重要，因为在高精度探测中道间距可能要小于0.5m，图1-1。它主要用于各种工程物探和三维地震勘探（可组成大于1000道的三维勘探网）

2. SummitⅡSh超高采样率地震仪：其最高采样率达192KHz，可分辨毫米（mm）级的微细结构，是当今世界上分辨率最高的地震仪，16道组合型，仅重4.9kg，可多台串接组成更多道观测系统。它主要用于非常精细的结构探测和工程质量及岩土工程的无损检测。

3. SummitⅡCompact组合型地震仪：24道，重6.0kg，非常轻便，最多可组成40台X24道=960道观测系统，除道间距外具有与SummitⅡPlus相同的优势，图1-2。他主要用于各种工程物探。

图1-1  SummitⅡPlus地震仪    图1-2  SummitⅡCompact地震仪  图1-3  Summit X Stream Pro

4.Summit X Stream Pro：是专门用于工程勘探的地震仪，24道和48道，内置PC机和集成式高分辨率显示屏，采用Plug&Trace技术，除道间距外具有SummitⅡPlus相同的优势，重仅5.9kg 。当SummitⅡStream Pro连接陆地拖缆并配用小型震源时，非常适合城市物探，施工效率非常高，图1-3。

5.SummitⅡ地震仪器系列的主要技术指标：

上述四类SummitⅡ地震仪是德国DMT公司的著名新产品，各有特色，但基本技术指标相同。见下表：

采样率：	1/48，1/32，1/16，1/8，1/4，1/2，1，2，4，8ms	数字去假频滤波器		19.2KHz@1/48ms 12.8KHz@1/32ms 6.4KHz@1/16MS 3.2KHz@1/8MS 1.6KHz@1/4MS 800Hz@1/2MS 400Hz@1ms 200Hz@2ms 100Hz@4ms 50Hz@8ms
道记录长度：	0.5K,1.0K,1.5,…… 120K 动态模式； 40K 动态模式，包括叠加； 60K 可控震源模式； 30K 可控震源模式；包括叠加
采集站道数：	2	带通波纹：		+/-0.05dB
前放增益：	0dB, 20dB or 40dB	内置测试功能：	正弦波 脉冲 仪器噪声 检波器节跃 扫描信号传输 自相关
分辨率：	24 位
最大输入信号：	2.0 Vpp  5.6 Vpp
输入阻抗（差分方式）：	20千欧姆
瞬时动态范围；	≥120dB	系统检测：	电池电压 等效输入噪声 畸变 瞬时动态范围 共模抑制比 道间串音 时间精度
等效输入噪声：	＜0.2 μv  @2ms
道间串音抑制：	≥112dB 道间
全谐波畸变：	≤0.0005%
共模抑制：	≥100dB
增益精度：	1% (所有道之间)
时间精度：	5ppm (所有道之间)
模拟去假频率波器：	7,2KHz  6dB/频程
低切滤波器：	1Hz 6dB/频程
重量及尺寸；	1.2kg,19×16×8cm	检波器检测：	阻抗 自然频率 噪声 阻尼
工作温度：	-30°C—+80°C
电源电压：	9-36伏	功耗：	平均0.7瓦

6. SummitⅡPlus地震仪系列在工程物探中的应用实例：

SummitⅡPlus地震仪即可应用于纵波，横波和瑞利波勘探，也可用于井中和水域勘探。现列举一些SummitⅡPlus地震仪在不同工程勘探领域的应用实例：

1）地基探测（反射法）

图1-4和图1-5是SummitⅡPlus地震仪在德国柏林一湖区探测水下地基结构，采用水听器和电火花震源。从探测结果可见，SummitⅡ地震仪的分辨率相当高，对湖区沉积的一套韵律薄层及其内部结构和变形特征都分辨的非常清楚。从图1-5可见，在7.5m厚度内可以清晰地分辨出数十个韵律薄层。

 

图1-4  Summit ⅡPlus地震仪勘探湖底沉积，  图1-5  Summit ⅡPlus地震仪可分辨8-10cm的薄层

可清楚分辨沉积韵律和内部细结构                        （据DMT公司资料）

2）横波探测地基（反射法）

图1-6是北京欧华联科技有限责任公司用SummitⅡPlus地震仪对抚顺市一建筑工程的地基探测剖面。由于市内交通干扰严重，所以采用横波反射方法。基底是一强反射层，双程反射时间0.11-0.13ms，向西倾，在剖面西端有错断。覆盖层内有两个反射层位，是未受扰动的土层。

图1-6 Summit Ⅱ地震仪在辽宁省抚顺市利用横波反射法探测地基结构

3）土石坝病害诊断（反射法）：

图1-7是北京欧华联科技有限责任公司用SummitⅡPlus地震仪对山东滕州岩马水库渗漏位置的探测结果。该水坝有较严重的渗漏问题，为了确定渗漏位置，采用1m道间距排列，锤击做震源。从图1-7可见，在剖面左侧出现相位缺失，该处正是水库的渗漏位置；剖面右侧的相位扭曲但并未出现渗漏，它是施工造成的。

图1-7 Summit Ⅱ地震仪在山东岩马水库探测大坝透水位置

（据欧华联物探部资料）

4）钢筋混凝土坝病害检测（透射法）

图1-8是用SummitⅡPlus地震仪采用CT速度成像法对小丰满水库混凝土大坝内部病害的探测结果。小丰满水库大坝年代久远，部分混凝土已老化。探测结果表明，波速值低于3.00千米/秒的蓝色区域是混凝土已出现老化的部分，需要修补。

图1-8  Summit ⅡPlus地震仪利用CT成像技术探测吉林省小丰满混凝土大坝内部病害，速度低于3000m/s的区域为混凝土老化区，需灌浆修复（据中国水科院资料）

5）溶洞探测（面波法）

瑞利面波是频散波，其相速度VR随频率变化。同一频率的相速度VR在水平方向上的变化反映了地下介质的横向不均匀性，不同频率VR的变化反映了地下介质沿深度的变化。瑞利面波能量强，衰减慢，频率低，对地下不均匀体反应敏感。如果有地下不均匀体存在，在地震图上瑞利面波发生畸变（图1-9）。

面波畸变

图1-9  Summit ⅡPlus地震仪记录的瑞利面波数据，面波畸变表示地下有不均匀体存在

图1-10是SummitⅡPlus地震仪记录的面波对德国Wuppertal市地下灰岩溶洞的探测和钻孔验证结果。面波法确定的溶洞位置（红圈）与钻孔验证的结果（三角形▽）很一致，但若在同一垂直位置上有上、下两个溶洞存在，面波法只能确定出上部溶洞的位置，而无法区分出下部溶洞的存在。

图1-10  Summit ⅡPlus地震仪利用瑞利面波探测地下灰岩溶洞和钻孔验证结果

（据DMT资料）

6）护坡堤防质量检测（瑞利面波法）

图1-11、图1-12是河海大学用SummitⅡPlus地震仪记录的瑞利面波探测护坡堤的实测频散曲线。图1-11是不同频率的瑞利面波的相速度沿深度变化的频散曲线，可见没有异常出现，表明块石砌成的护坡堤状态正常。图1-12是在另一处护坡堤上方测得的面波频散沿深度变化的曲线，可见出现了明显异常，表明这里的由块石砌成的护坡堤已出现疏散不实的问题。

 

图1-11 利用面波相速度监测砌块石护坡堤质量，           图1-12  此处相速度分布有异常，

此处相速度延深度分布无异常，护坡状态正常       表示砌块石护坡质量不合格（据河海大学资料）        

7）探测活断层（反射法）

图1-13  Summit ⅡPlus地震仪横切北京小汤山断裂的浅层地震反射叠加时间剖面

（据中国地震局物探中心资料）

根据反射波组分析断层F₁错断了第四系覆盖层底界，上断点埋深160m，断距20-30m，从反射剖面还可见：中更新统T_Q2及其以浅的反射层均未出现错断显示，因此F₁应为早更新世活动断裂。

图1-14  Summit ⅡPlus地震仪横切北京黄庄-高丽营断裂的浅层反射叠加时间剖面

（根据中国地震局物探中心资料）

从图可见断层F2断至反射层To，根据钻孔资料推测断层F2在晚更新世晚期-全新世仍有活动。

8）山区隧道选址（反射法）

图1-15是穿越阿尔卑斯山脉Koralm隧道位置图。在开挖前对隧道沿线的地质结构用SummitⅡPlus地震仪进行探测。下图是探测结果，可见：虽然探测剖面位于山区，但SummitⅡPlus地震仪仍可获得较好的反射界面。图中红线是推断的断层位置，绿色是推荐的隧道位置，该位置断层少，地质结构比较完整，有利于隧道的挖掘。

图1-15  SummitⅡ地震仪反射法探测穿越阿尔卑斯山的隧道地质结构，

红色为断层，绿色为建议的隧道选址

9)某重大工程地基探测（井间地震CT）

图1-16是SummitⅡPlus地震仪对某重大工程地基探测的实测剖面之一，采用的是井间CT速度成像方法。探测结果相当细致，包括基底（速度值＞3500m/s）界面起伏，风化带厚度和分层（黄色-绿色-浅灰）以及覆盖层内部结构和性质等均有清晰显示。

基岩

沉积层，底部含有岩石风化物

泥沙淤积

松散物

松散物

松散物

建筑 垃圾

风化层

人工填土

图1-16  SummitⅡPlus地震仪井间CT成像探测地基结构

10）隧道超前探测

北京同度工程物探公司利用SUMMITⅡCompact地震仪开发的TST隧道超前探测技术已得到广泛应用，并取得很好的效果。图1-17是云南保龙镇保隧道超前探测结果。镇保隧道地质构造复杂，属于深埋长大隧道。断裂发育，地下水丰富，容易发生塌方涌水。应用TST进行超前预报取得了很好地效果，避免了地质与工程事故。

图1-17  镇保隧道地质构造偏移图像及围岩波速分布图

 

图1-18是玉峰山隧道探测结果，该隧道地质构造复杂，断层、地下水、岩溶、瓦斯等地质问题并存，地质灾害风险较大。隧道开挖中采用TST超前预报技术，成功地避免了重大事故的发生，保证了建设工期和安全。

图1-18  玉峰山隧道地质构造偏移图像及围岩波速分布图

 

二、高密度电法仪

1. 高密度电法仪是工程物探中常用的仪器，主要用于地下电性结构精细探测，包括岩土精细划分和分层，结构、构造精细探测，精细圈定含水层（体），采空区和地下污染区、活断层和地下空洞以及煤矿储水构造探测等。德国DMT研发和生产的RESECSⅡ高密度电法仪广泛应用于工程物探，其分辨率≤30nV，动态范围140dB，8通道，最大输出电流2.5A，是目前输出电流最大的电法仪，输出功率250W，并具有如下特点，图2-1：

         野外单列布极时，一条7芯电缆可连接960个电极

         具有多种观测模式，可实时计算和显示视电阻率及伪断面图，电阻，IP值，复视电阻率和监视电阻率随时间变化

         自动设置10种标准装置结构以及用户自行设计的装置结构，以适应不同的探测目标

         可进行三维观测，井间和单井观测

         可进行水下观测

         Windows友好界面，实时显示接收道和发射道的时间过程

         12.1英寸高清TFT，即使在强烈阳光下也可清晰查看

         由预置的标准偏差值自动控制观测质量

         实时显示失效道并可随时补测或统一进行补测

         具有硬件、软件双重压制干扰噪声功能

         观测数据资料可进行二维或三维反演和层析成像

图2-1  RESECSⅡ高密度电法仪在野外工作

2. RESECSⅡ高密度电法仪主要技术指标

测量模式:	视电阻率、复视电阻率、相位、电阻、IP、输入电流、测量电压
	输入电流和测量电压之间的相位、
	监测地下电阻率随时间变化
动态范围:	140dB
分辨率:	≤30nV
显示屏幕:	12.1英寸彩色显示，1024*768像素
输出电流:	最大2.5A
输出电压:	内部输出电压400Vpp，外接电源逆变器可达800Vpp
输出功率:	250W
测量范围:	±5Vpp
输入道:	8
输入增益范围:	自动应用接收机最大量程范围，或自动选择，或用户确定
输入阻抗:	30MΩ — 150 MΩ（用户自选）
输入电压:	5V(可以根据情况调节输入电流)
自动补偿自然电位:	在激电测量中自动消除自然电位
IP测量方式:	全段时间域充电率，频率域转换，相位计算
IP发射波形:	正、关、负、关
IP循环周期:	0.5s，1s，2.4s，8s以及0.128ms—8330ms之间任意选择
电阻率测量循环时间	0.2s，0.4s，0.8s，1.2s，3.6s，7.2s或1.44s，或用户自动选择
测量类型:	时间域，测量窗口6个
测量周期:	0.4s, 0.8s, 1.6s, 3.6s, 7.2s, 14.4s,并可由软件任意设定
噪音压制:	f>120Hz时, ＞100dB；工业频率＞120dB
测量精度:	优于1%
IP测量时间精度:	优于0.01ms
标定:	微处理器进行数据化标定
装置组合:	Schlumberger, Half Schlumberger, Wenner alpha, Wenner bata, Wenner gamma, dipole-dipole, pole-dipole, pole-pole, dipole-pole，以及用户自己定义的装置。偶极装置在测量信号满足分辨率的条件下，偶极距保持最小。
操作系统:	存储在闪存之中，升级版本可从网页下载
数据存储:	存储硬盘40GB，可扩展
数据显示	视电阻率，复视电阻率，感应极化（IP），相位，自然电位，电阻，供电电流，测量电压，电阻率标准偏差，伪断面，失效电压，电源电压
缓存能力:	＞100000个测点
数据传输:	通过UBS接口和RS-232
自动滚动:	测量装置自动滚动以及多电极测量装置间的自动转换
野外电源:	12V汽车电瓶
工作温度	-20℃— 50℃
重量:	13Kg
尺寸:	400×300×320mm

3. RESECSⅡ高密度电法仪在工程物探中的应用实例

1）地基结构探测：

图2-2是在福州市郊八一水库地区探测的地基结构，剖面长约450m，探测深度40m。可见RESECS高密度电法仪的横向和纵向分辨率都很高，能详细地分辨地基的地质结构特点和软（低阻）、硬（高阻）程度和断层展布。

图2-2  RESECSⅡ对福州市八一水库地区地基结构探测结果（据中国地震局地质所资料）

2) 断层探测

图2-3是福州市郊活断层探测剖面，剖面右侧有两条向外倾斜的电性间断面，控制浅层低阻沉积。两条电性间断面是断层所在。

图2-3   RESECSⅡ对福州市浅部断层探测结果

图2-4是北京欧华联科技有限责任公司对山东益都断层的探测剖面，可见剖面右边的高阻基底（红色）被断层切断，浅层发育低阻沉积。

图2-4  RESECSⅡ对山东省益都断层探测结果

3）城市地下空洞探测

图2-5是用RESECSⅡ高密度电法仪对城市地下空洞的探测结果。左图是电极沿城市街道的布设情况，右图是探测结果，其中的高阻体（元宝状）是地下空洞所在。

图2-5  探测城市地下空洞应用实例

4）溶洞探测

图2-6是贵州某地区灰岩溶洞的探测剖面，地貌低洼区发育充水溶洞，表现为低阻（兰色），地貌高凸地区发育干溶洞，表现为高阻。

图2-6  RESECSⅡ对贵州省岩溶地区地下溶洞探测结果

（据中国煤田地质局物探研究院资料）

5）小煤窑采空区探测

北京欧华联科技有限责任公司物探部利用RESECS-Ⅱ高密度电法仪对鄂尔多斯地区的废弃小煤窑（采空区）进行探测，电极距5m，共128道，采用施伦贝尔格装置。该区废弃小煤窑深200m，不含水，是高阻体，探测结果表明，该小煤窑表现为高阻体。

图2-7  RESECS-Ⅱ对鄂尔多斯地区200m深的废弃小煤窑（红色）探测结果

6）油库渗漏探测

法国的Strasvourg-Entzheim地区浅部0-1.5米为松散层，1.5—8.5米为沙砾岩层，8.5—10米砂质粘土层（隔水层），10米以下为含水的粘土质砂岩。1957年在Strasvourg-Entzheim机场附近建了一个军用地下储油库。由于长期运行，该储油库底部出现泄漏。泄漏的煤油穿过沙砾层一直渗透到隔水的沙质粘土层之上。

由于沙砾岩层是高阻层，煤油也是高阻，因此很难用通常的方法发现被煤油污染的地区。为了解决这一难题，，1999年10月DMT公司利用Summit高密度电法仪，采用井中和地面三维联合观测，计算每个测点下的电阻率和相位值，即复数电阻率值，获得了极好的观测结果。野外观测布置如图11所示：

图12  高密度电法三维联合观测装置

图12：井中（B1、B2、B3、B4）和地面三维联合观测布置。黑园点为地面电极，白圆圈为井中电极。左边是地质柱状图。

图13是观测区内未被煤油污染的钻孔（B2）和已被污染的钻孔（B7）之间的观测结果对比。

图13  地下煤油所引起的相位差

可见，两者之间的电阻率值（ρ）没有显著差别，但两者之间的相位值（_Φ）却明显不同。例如，在未被煤油污染的钻孔（B2）中相位值随着深度的变化比较缓慢，从地表的0度、向深处（10米左右）逐渐增加到-10弧度左右。但在被污染的钻孔（B7）中，在9米深的砂质粘土层之上相位值直接增加到-9弧度。可见，虽然电阻率无法区分污染区和未被污染区，但相位值便可以将两者清楚的区分开来。

图14是钻孔B4、B5、B6和B7的观测结果。从电阻率图中（上图）看不出有什么区别，但从相位图中（下图）可以判断，钻孔（B4—B5）之间要比钻孔B5—B6之间和钻孔B6—B7之间的污染程度轻微。

图14 被煤油污染和未被煤油污染相位对比

7）三维高密度电法探测

图2-26   RESECS II 在山西大同煤矿的三维探测结果

（据欧华联物探部资料）

三、电磁法仪

电磁法也是工程勘探中常用的仪器，包括声频大地电磁仪（AMT），最新研制成功的张量可控源电磁法仪、瞬变电磁法仪和大地电导率仪。在工程物探中电磁法主要用于划分岩土分层，覆盖层和地基结构，软弱层及含水层的位置和厚度，断层展布，干、湿空洞探测以及诊断大坝的渗漏水情况。

1. 声频大地电磁仪：德国Metronix公司研发和生产的第七代GMS-07e综合电磁法观测系统中的声频大地电磁部分，其频带宽达50KHz-100s，探测深度从地表至数千米，有两个24位A/D转换器，输入噪声10nV/√Hz，核心部分MFS-07e磁场传感器最低噪声5X10^-7nT/√Hz，从而保证了最高分辨率。一台主机可同时观测四个测点，重约30kg，图3-1。

张量可控源电磁法是该公司最新成功研制的，世界上唯一的张量可控源仪器，其发射源是旋转多偶极系统图3-2和图3-3，可求取地下张量阻抗值和阻抗相位值，可在电磁噪声较严重的地区开展工作，没有观测死区，适合探测二维和三维复杂的地质结构，在本质上不同于目前流行的只适合探测均匀层状地质结构的CSAMT可控源法。

 

 

图3-1  GMS-07e大地电磁仪     图3-2  张量可控源发射机    图3-3 张量可控源旋转偶极发射装置

1)  GMS-07e主要技术指标

2) 张量可控源发射系统主要技术指标

3). GMS-07e在工程物探中的应用实例

（1） 探测地基结构

图3-4是北京欧华联科技有限责任公司GMS-07e综合电磁法仪对某开发区地基结构的探测剖面。该开发区位于山坡地带，有岩浆岩出露，从探测剖面可见，浅部有较薄的低阻风化层，下覆高阻岩浆岩（电阻率值1800-2600欧姆米）和中高阻灰岩（300-800欧姆米），推断有多条断层存在。

图3-4  某开发区地基结构探测

（2）探测溶洞

在北京顺义县二十里长山—平谷盆地布置75个MT测点探测基底灰岩中的含水溶洞，图3-5是其中的两条探测剖面。可见浅部低阻层从左到右变厚至400-500m，为第四季水平层状沉积，普通含水；下覆地层为高阻震旦系，被多条断裂切成块体，较大规模的含水溶洞往往发育在断裂的下盘，如蓝色所标B、C、D、E。

 

1.推测岩溶发育区及编号  2.地质界线  3.推测断裂及编号  Q：第四季  Jx：蓟县系  Ch：长城系

图3-5   GMS-07e对北京顺义区二十里长山—平谷盆地基底灰岩含水溶洞探测结果

（据肖骑彬等人资料）

（3）探测隧道断层和溶洞

图3-6是沿宜昌—万县铁路沿线用AMT法探测地下溶洞和断层分布的反演剖面，可见沿剖面电性结构变化剧烈，断层发育，剖面中的低阻体为溶洞所在，用黄色标出。

图3-6  AMT法对宜—万铁路沿线地下溶洞和断层分布的探测结果，黄色为溶洞，红线为断层

（据中南大学席振铢资料）

（4）热田探测

中科院地质与地球物理研究所在黑龙江省海伦市用GMS-07e探测地热田，共布设五条剖面。从探测结果图3-7可见浅部为低阻积，深1000m-2500m为高阻体，形态比较复杂。在测区西北高阻体规模较大，向西南倾；侧区东北规模次之，向东北倾。测区中部未见高阻体。根据已知资料，上述高阻体为岩浆侵入体，热水资源位于岩体的下方。

图3-7  GMS-07e对黑龙江省海伦市地热资源探测结果，红色为高阻岩浆岩，热水资源位于岩体之下

（根据中国科学院地质和地球物理研究所资料）

 

（5）断层探测 廊坊大山地质矿业公司利用GMS-07e综合电磁法仪于2009年10月在山东沂水县开展金矿找矿工作。该矿区位于沂沭大断裂带中段，其两侧发育很多次级断裂，已知金矿受次级断裂控制。为了探明金矿蕴藏远景，必须探明次级断裂带的分布情况。为此在该区布置了10条探测剖面，图3-8为第100线剖面的二维反演结果。图中陡倾斜的高阻体（红色）是充填沂沭大断裂带中的基性岩，粉色线条是推断的次级断裂。可见次级断裂基本上都位于电性变化的边界上，这与后来的勘探结果是一致的。 可见，GMS-07e在探测地基结构，溶洞和断裂等地质工程应用上是非常有效的。

图3-8  GMS-07e对山东沂水大断裂两侧次级断层 的探测结果（据大山矿业勘探公司资料）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 瞬变电磁仪

加拿大Geonics公司最新推出的PROTEM G-TEM是专门为浅层勘探研发的瞬变电磁仪，其早期关断时间1.6微秒，动态范围高达175dB，归一化噪声0.1nv/m²，最大勘探深度150-200m，Z,X,Y三分量同时或顺序接收，可判断目标体的形态、大小和倾向，可精确地对地下做电性分层，可精确地识别地下细结构。重约13kg，图3-13。具有以下新功能：

         用户可自定义接收道位置和接收时间；

         在每个测点上可进行单次或多次重复测量，或连续测量；

         多种显示模式，可显示剖面和拟断面图；

         可选数据反演软件，提供正演及反演的建模能力；

         可进行快速傅里叶变换（FFT），显示数据的噪声特性；

         320 GB的数据硬盘存储内部数据，提供各种接口外传数据；                                           

         集成GPS，显示发射线框和接收机位置；

         能耗低，接收/发送 内置15 V锂离子可充电电池，在2A电流输出时可以连续运行8小时

 

 

 

 

?  PROTEM瞬变电磁仪在工程物探中的应用实例

图3-9是PROTEM瞬变电磁仪对某地浅部地质结构的探测剖面，可见从地表至80m深电阻率从20欧姆米连续增加至80欧姆米，它们是沉积盖层。80m以下在剖面右半部分发现中高阻基底，盖层和基底之间为断层（F3）接触。

图3-9  PROTEM瞬变电磁仪对浅部电性分层，断层，基底埋深和结构的探测结果，蓝色为低阻沉积，粉红色为中高阻基底

 

某库区浇注混凝土作为护坡堤，但浇注后提出要了解护坡堤下方是否存在空洞等隐患，为此利用瞬变电磁法进行探测。共布设四条平行探测剖面Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，发现在探测剖面Ⅰ和Ⅱ的6号及11号测点的第13测道和第14测道出现瞬变低值异常，在第Ⅲ剖面上的第6号测点上也出现瞬变低值异常（图3-10），经验证它们是空洞所在。

图3-10  利用瞬变电磁法对钢筋混凝土护坡体下方进行探测，查明其内部是否存在隐患及性质

图3-11  PROTEM瞬变电磁仪探测澳大利亚西部库尔嘎底地区地下空洞

图2-11是PROTEM瞬变电磁仪在澳大利亚库尔金矿区探测废弃的采金矿洞的瞬变场断面图，下图为视导阻率等值线图。在上图中可明显看出3个瞬变场低值区，它们对应的是干涸的空洞所在。

                                

图3-12是PROTEM瞬变电磁仪对某工程地基结构的探测结果，浅部低阻区（20-100欧姆米）遭受强烈的构造变形，左上端的局部异常（绿色）可能是早期的建筑基础，从剖面左侧15m深至剖面右侧60m可能存在右倾断层，断层以下为均匀的基底组成。

图3-12   PROTEM瞬变电磁仪探测地基结构和人工填土区位置（绿色）

 

 

 

 

 

 

 

图3-13   PROTEM G-TEM瞬变电磁仪           图3-14   EM34大地电导率仪

3.大地电导率仪

加拿大Geonics公司生产的大地电导率仪EM34-3是专门用于快速获取近地表电导率和磁化率参数的仪器。测量过程中设备无需与地面接触，因此可以在各种地质条件下快速获取高质量的数据。最大勘探深度可达60m，可进行水平偶极和垂直偶极两种模式探测。实时对观测结果成像，GPS定位，操作简单，快速连续采集数据，分辨率和精度高，可获取微弱的电导率变化，可对地下进行电性结构，电性分层和电性异常体进行探测，可检测大坝内部渗（漏）水位置，也可探测冻土层厚度和浮冰厚度等，通过磁化率探测可发现地下金属结构和金属垃圾。

?  大地电导率仪在工程物探中的应用实例

从图3-15可见，在桩号0，180和350附近，在15m和30m深度范围内的电导率值都很低，说明这些桩号附近的心墙挡水效果较好。在桩号60,140和250桩号附近、相应深度范围内的电导率值较高，说明这些桩号附近的心墙挡水效果较差。

图3-15  EM34对黑龙江省西泉眼水库大坝心墙挡水情况探测结果 （据潘多助，徐冬梅资料）

1）探测水库透水

 

 

 

 

 

 

 

从图3-16可见，在靠近山体的大桩号电导率较低，随着桩号减小，越接近水库，深层（15-30m）电导率增加，这是水库水向深部渗透的结果，所以均属于正常状况。

图3-16  EM34对黑龙江省西泉眼水库溢洪道右侧坝挡水情况探测结果 （据潘多助，徐冬梅资料）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2）探测地下管线和储油库渗漏

加拿大北阿尔伯达重质油生产基地的地下埋有很多地下管线，其渗透物对地下造成了严重污染。该基地关闭后进行重建，在重建之前，必须把地下管线和受污染的土壤全部拆除和移走。为此，用Geonics研制的EM大地电导率仪对管线的埋藏地点、深度以及受污染土壤的范围和厚度进行探测。图3-17是观测到的地下电导率成像。经确认图中的线性异常是5cm直径、埋深3米的地下管线位置。此外，从图中还可见，线性异常外围存在高导区，其电导率比背景值高出30ms/m以上。经检测，高导区下的地下水中氯化物含量增高。这些氯化物是从地下管线渗漏出来的。

 

图3-17  EM31大地电导率仪对地下管线探测结果（据GEONICS公司资料）

 

加拿大某城市大型储油库出现了渗漏，渗漏的油质向地下扩散。为了治理被油污染的地下环境，必须把油的扩散路径检测出来。利用Geonics公司的大地电导率仪和瞬变电磁仪进行了详细探测，获得了理想结果，图3-18是其中的一条探测剖面。

图3-18  EM34-3对油库渗漏路径的探测结果（据GEONICS公司资料）

 

该区浅层是低阻的松散层和低阻沉积物，渗漏物是高阻的油质，所以探测目标是在低阻层中圈定出高阻分布体。从图明显可看到沿20多米深、向剖面左端缓倾的高阻薄层便是渗漏油质的通路。

3）对垃圾填埋场及其污染范围的确定

同样采用EM34-3大地电导率仪和PROTEM瞬变电磁仪对垃圾填埋场体积、形状及其污染范围进行详细勘探。图3-19是其中的一条勘探剖面。

低阻垃圾物

垃圾填埋场边界

垃圾填埋场下覆的， 相对低阻渗漏区

未受污染的高阻围岩

图3-19  EM34-3和PROTEM联合探测垃圾填埋场的污染范围（据GEONICS公司资料）

图3-19中的低阻体（蓝色区）是垃圾填埋场，下伏的中等电阻率区（绿色至深绿色）是严重污染区—轻度污染区范围，剖面左边的高阻区（红色）和深部的高阻区（黄色）是未被污染和基本未被污染的区域。

四、地质雷达

地质雷达是工程物探，特别是工程质量检查中常用的方法，由于其发射的电磁波频率高达100MHz以上，波长极短，所以对探测目标体的分辨率极高。由于它是建立在电磁波反射成像的基础上的，因此探测结果直观、真实，设备轻便，工作效率高。

地质雷达的探测深度取决于电磁波发射频率和探测点的地下电阻率值。

瑞典雷达公司（RADARTEAM）生产的Cobra地质雷达分为浅层和中层地质雷达，Cobra Wifi和深部探测地质雷达Cobra plug-in。现分述如下：

1. 浅层和中层探测地质雷达Cobra Wifi，探测深度0-10m：

wifi智能天线250/500MHz，频带宽100-900MHz，双道数据采集。115KHzPRF，256-1024样品/scan，0-2000ns范围，1-10个增益点，垂直和水平滤波。内置锂-离子电池11.1V/6.6Ah做电源，内置高分辨率编码器（3mm分辨率-250ppr），数据采集软件中包括后处理软件。

2. 深层探测地质雷达Cobra plug-in探测深度0-100m：

无线操作，带头数据记录器，空气耦合天线，坚固的、经久耐用的，最小巧的地质雷达，最完善的数据采集软件，包括后处理软件。实时显示和高动态范围。

Subecho天线SE-40MHz，SE-70MHz或SE-150MHz。内置73wh锂离子电池，可连续工作16小时。

3. Cobra地质雷达工作方式：

 

图4-1  Cobra地质雷达可以手提操作     图4-2 Cobra地质雷达可以放置在船上在水域工作

图4-3 Cobra地质雷达可以放置在手推车上工作   图4-4Cobra地质雷达可以由车拉工作

 

五、高精度磁力仪

在某些工程物探中要应用高精度磁力测量，以确定带磁性目标体的位置和边界。在工程物探应用中，要求磁力仪要具有高的分辨率，高的绝对精度和完美的应用方式。加拿大GEM公司生产的标准质子磁力仪的分辨率为0.01nT，绝对精度±0.2nT，Overhauser磁力仪的分辨率为0.01nT，绝对精度±0.1nT，最高采样率0.2秒，主要优点包括：

         全方位磁探头，无指北要求，非常有利于野外工作

         灵活设置测线号和测点号

         具有观测质量监控功能，可以及时处理质量不合格数据

         可在主机屏幕上实时显示观测磁场变化曲线

         通过RS232接口，快速下载或上传观测数据，速率高达115200bps

         具有独一无二的编程式（预设）基站观测功能，软件进行日变校正

         使用GSM-19T的Walking Mag采集模式仪器可以按照预设的时间间隔自动读取磁场值，从而获得近乎连续的观测剖面

         配置GPS时（可选），用户可以在办公室内把设计好的观测点位坐标输入到仪器，在野外就可以实现导航定位功能

         基站观测和野外流动观测之间具有高精度的时间同步，这对于在磁干扰地区和保证高精度的观测结构是非常重要的

 

寻找浅埋磁性体，确定磁性体边界也是工程物探中常遇到的问题。磁场垂直梯度仪对探测浅埋的磁性体非常敏感，磁场水平梯度仪对探测浅埋磁性体边界非常敏感。板状磁性体的水平梯度在左右边界上对应正、负对称的极值，在板状体中心过零。半无限延伸的磁性体，在边界上水平梯度为极大值（图4-1）。

图5-1

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