工程物探新儀器和應用實例
北京歐華聯科技有限責任公司
工程物探涉及的領域非常廣泛，除能源物探，固體礦產資源物探，地下水資源物探外，凡與地表以下地質結構和地質異常體有關的探測，均應屬于工程物探。例如，巖土工程探測，水利水電工程探測和檢測，隧道超前預報、地下工程和路基探測，港口碼頭和灘涂地基探測，活斷層探測和地震安全評估，溶洞和采空區探測，城市防空洞和地下管線探測，沖擊地壓和煤火區監測，地質災害監測和工程質量無損檢測以及地下環境檢測等。
工程物探深度一般為地表以下幾十米至百米，探測目標一般為地下細結構，大、小斷裂，風化層，軟弱帶，透水區，小型三維體以及地基和巖體的力學性質等等，要求探測精度高，準確度高，儀器輕便、易攜帶，因此工程物探儀器設備要具備：高分辨率，高采樣率，高精度，高頻響應，高度輕便靈活。在此我們推薦幾種符合這些要求的工程物探儀器:
一、地震儀
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。反射法可以確定斷層產狀、性質、斷距，活動年代，可以細微地分析地層層位、構造、厚度變化，軟硬程度，可以探測地下空洞，巖土分類和場地穩定性等；折射法可以確定基巖埋深、起伏和結構；透射法可以精確確定井間三維體位置，巖土分類，內部結構以及它們的力學參數和混凝土壩病害診斷等。瑞利面波法可以劃分地層，場地類型劃分，確定巖土力學參數，探測地下空洞、對地基加固和高速公路無損檢測等，但其勘探深度淺，分辨率高。德國DMT公司基于上述工程物探需要研發和生產了一系列SummitⅡ地震儀器系列，它們均可用于反射法，折射法，透射法和瑞利面波法其中包括：
1. SummitⅡPlus地震儀：24位分辨率，最高采樣率50KHz，頻響12.5KHz，對1500m/S的波速層而言可分辨出3cm的薄層結構；雙道采集站重1.2kg，筆記本電腦擔當主機，非常輕便；采用SNAP連接技術，道間距任意可變，這一特點對工程物探非常重要，因為在高精度探測中道間距可能要小于0.5m，圖1-1。它主要用于各種工程物探和三維地震勘探（可組成大于1000道的三維勘探網）
2. SummitⅡSh超高采樣率地震儀：其最高采樣率達192KHz，可分辨毫米（mm）級的微細結構，是當今世界上分辨率最高的地震儀，16道組合型，僅重4.9kg，可多臺串接組成更多道觀測系統。它主要用于非常精細的結構探測和工程質量及巖土工程的無損檢測。
3. SummitⅡCompact組合型地震儀：24道，重6.0kg，非常輕便，最多可組成40臺X24道=960道觀測系統，除道間距外具有與SummitⅡPlus相同的優勢，圖1-2。他主要用于各種工程物探。
圖1-1 SummitⅡPlus地震儀 圖1-2 SummitⅡCompact地震儀 圖1-3 Summit X Stream Pro
4.Summit X
Stream Pro：是專門用于工程勘探的地震儀，24道和48道，內置PC機和集成式高分辨率顯示屏，采用Plug&Trace技術，除道間距外具有SummitⅡPlus相同的優勢，重僅5.9kg 。當SummitⅡStream Pro連接陸地拖纜并配用小型震源時，非常適合城市物探，施工效率非常高，圖1-3。
5.SummitⅡ地震儀器系列的主要技術指標：
上述四類SummitⅡ地震儀是德國DMT公司的著名新產品，各有特色，但基本技術指標相同。見下表：
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采樣率：
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1/48，1/32，1/16，1/8，1/4，1/2，1，2，4，8ms
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數字去假頻濾波器
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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
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道記錄長度：
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0.5K,1.0K,1.5,……
120K 動態模式；
40K 動態模式，包括疊加；
60K 可控震源模式；
30K 可控震源模式；包括疊加
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采集站道數：
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2
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帶通波紋：
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+/-0.05dB
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前放增益：
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0dB, 20dB or 40dB
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內置測試功能：
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正弦波
脈沖
儀器噪聲
檢波器節躍
掃描信號傳輸
自相關
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分辨率：
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24 位
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最大輸入信號：
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2.0 Vpp
5.6 Vpp
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輸入阻抗（差分方式）：
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20千歐姆
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瞬時動態范圍；
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≥120dB
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系統檢測：
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電池電壓
等效輸入噪聲
畸變
瞬時動態范圍
共模抑制比
道間串音
時間精度
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等效輸入噪聲：
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＜0.2 μv @2ms
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道間串音抑制：
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≥112dB 道間
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全諧波畸變：
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≤0.0005%
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共模抑制：
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≥100dB
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增益精度：
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1% (所有道之間)
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時間精度：
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5ppm (所有道之間)
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模擬去假頻率波器：
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7,2KHz 6dB/頻程
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低切濾波器：
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1Hz 6dB/頻程
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重量及尺寸；
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1.2kg,19×16×8cm
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檢波器檢測：
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阻抗
自然頻率
噪聲
阻尼
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工作溫度：
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-30°C—+80°C
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電源電壓：
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9-36伏
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功耗：
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平均0.7瓦
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6. SummitⅡPlus地震儀系列在工程物探中的應用實例：
SummitⅡPlus地震儀即可應用于縱波，橫波和瑞利波勘探，也可用于井中和水域勘探。現列舉一些SummitⅡPlus地震儀在不同工程勘探領域的應用實例：
1）地基探測（反射法）
圖1-4和圖1-5是SummitⅡPlus地震儀在德國柏林一湖區探測水下地基結構，采用水聽器和電火花震源。從探測結果可見，SummitⅡ地震儀的分辨率相當高，對湖區沉積的一套韻律薄層及其內部結構和變形特征都分辨的非常清楚。從圖1-5可見，在7.5m厚度內可以清晰地分辨出數十個韻律薄層。
圖1-4 Summit ⅡPlus地震儀勘探湖底沉積， 圖1-5 Summit ⅡPlus地震儀可分辨8-10cm的薄層
可清楚分辨沉積韻律和內部細結構 （據DMT公司資料）
2）橫波探測地基（反射法）
圖1-6是北京歐華聯科技有限責任公司用SummitⅡPlus地震儀對撫順市一建筑工程的地基探測剖面。由于市內交通干擾嚴重，所以采用橫波反射方法。基底是一強反射層，雙程反射時間0.11-0.13ms，向西傾，在剖面西端有錯斷。覆蓋層內有兩個反射層位，是未受擾動的土層。
圖1-6 Summit Ⅱ地震儀在遼寧省撫順市利用橫波反射法探測地基結構
3）土石壩病害診斷（反射法）：
圖1-7是北京歐華聯科技有限責任公司用SummitⅡPlus地震儀對山東滕州巖馬水庫滲漏位置的探測結果。該水壩有較嚴重的滲漏問題，為了確定滲漏位置，采用1m道間距排列，錘擊做震源。從圖1-7可見，在剖面左側出現相位缺失，該處正是水庫的滲漏位置；剖面右側的相位扭曲但并未出現滲漏，它是施工造成的。
圖1-7 Summit Ⅱ地震儀在山東巖馬水庫探測大壩透水位置
（據歐華聯物探部資料）
4）鋼筋混凝土壩病害檢測（透射法）
圖1-8是用SummitⅡPlus地震儀采用CT速度成像法對小豐滿水庫混凝土大壩內部病害的探測結果。小豐滿水庫大壩年代久遠，部分混凝土已老化。探測結果表明，波速值低于3.00千米/秒的藍色區域是混凝土已出現老化的部分，需要修補。
圖1-8 Summit ⅡPlus地震儀利用CT成像技術探測吉林省小豐滿混凝土大壩內部病害，速度低于3000m/s的區域為混凝土老化區，需灌漿修復（據中國水科院資料）
5）溶洞探測（面波法）
瑞利面波是頻散波，其相速度VR隨頻率變化。同一頻率的相速度VR在水平方向上的變化反映了地下介質的橫向不均勻性，不同頻率VR的變化反映了地下介質沿深度的變化。瑞利面波能量強，衰減慢，頻率低，對地下不均勻體反應敏感。如果有地下不均勻體存在，在地震圖上瑞利面波發生畸變（圖1-9）。
圖1-9 Summit ⅡPlus地震儀記錄的瑞利面波數據，面波畸變表示地下有不均勻體存在
圖1-10是SummitⅡPlus地震儀記錄的面波對德國Wuppertal市地下灰巖溶洞的探測和鉆孔驗證結果。面波法確定的溶洞位置（紅圈）與鉆孔驗證的結果（三角形▽）很一致，但若在同一垂直位置上有上、下兩個溶洞存在，面波法只能確定出上部溶洞的位置，而無法區分出下部溶洞的存在。
圖1-10 Summit ⅡPlus地震儀利用瑞利面波探測地下灰巖溶洞和鉆孔驗證結果
（據DMT資料）
6）護坡堤防質量檢測（瑞利面波法）
圖1-11、圖1-12是河海大學用SummitⅡPlus地震儀記錄的瑞利面波探測護坡堤的實測頻散曲線。圖1-11是不同頻率的瑞利面波的相速度沿深度變化的頻散曲線，可見沒有異常出現，表明塊石砌成的護坡堤狀態正常。圖1-12是在另一處護坡堤上方測得的面波頻散沿深度變化的曲線，可見出現了明顯異常，表明這里的由塊石砌成的護坡堤已出現疏散不實的問題。
圖1-11 利用面波相速度監測砌塊石護坡堤質量， 圖1-12 此處相速度分布有異常，
此處相速度延深度分布無異常，護坡狀態正常 表示砌塊石護坡質量不合格（據河海大學資料）
7）探測活斷層（反射法）
圖1-13 Summit ⅡPlus地震儀橫切北京小湯山斷裂的淺層地震反射疊加時間剖面
（據中國地震局物探中心資料）
根據反射波組分析斷層F1錯斷了第四系覆蓋層底界，上斷點埋深160m，斷距20-30m，從反射剖面還可見：中更新統TQ2及其以淺的反射層均未出現錯斷顯示，因此F1應為早更新世活動斷裂。
圖1-14 Summit ⅡPlus地震儀橫切北京黃莊-高麗營斷裂的淺層反射疊加時間剖面
（根據中國地震局物探中心資料）
從圖可見斷層F2斷至反射層To，根據鉆孔資料推測斷層F2在晚更新世晚期-全新世仍有活動。
8）山區隧道選址（反射法）
圖1-15是穿越阿爾卑斯山脈Koralm隧道位置圖。在開挖前對隧道沿線的地質結構用SummitⅡPlus地震儀進行探測。下圖是探測結果，可見：雖然探測剖面位于山區，但SummitⅡPlus地震儀仍可獲得較好的反射界面。圖中紅線是推斷的斷層位置，綠色是推薦的隧道位置，該位置斷層少，地質結構比較完整，有利于隧道的挖掘。
圖1-15 SummitⅡ地震儀反射法探測穿越阿爾卑斯山的隧道地質結構，
紅色為斷層，綠色為建議的隧道選址
9)某重大工程地基探測（井間地震CT）
圖1-16是SummitⅡPlus地震儀對某重大工程地基探測的實測剖面之一，采用的是井間CT速度成像方法。探測結果相當細致，包括基底（速度值＞3500m/s）界面起伏，風化帶厚度和分層（黃色-綠色-淺灰）以及覆蓋層內部結構和性質等均有清晰顯示。
圖1-16 SummitⅡPlus地震儀井間CT成像探測地基結構
10）隧道超前探測
北京同度工程物探公司利用SUMMITⅡCompact地震儀開發的TST隧道超前探測技術已得到廣泛應用，并取得很好的效果。圖1-17是云南保龍鎮保隧道超前探測結果。鎮保隧道地質構造復雜，屬于深埋長大隧道。斷裂發育，地下水豐富，容易發生塌方涌水。應用TST進行超前預報取得了很好地效果，避免了地質與工程事故。
圖1-17 鎮保隧道地質構造偏移圖像及圍巖波速分布圖
圖1-18是玉峰山隧道探測結果，該隧道地質構造復雜，斷層、地下水、巖溶、瓦斯等地質問題并存，地質災害風險較大。隧道開挖中采用TST超前預報技術，成功地避免了重大事故的發生，保證了建設工期和安全。
圖1-18 玉峰山隧道地質構造偏移圖像及圍巖波速分布圖
二、高密度電法儀
1. 高密度電法儀是工程物探中常用的儀器，主要用于地下電性結構精細探測，包括巖土精細劃分和分層，結構、構造精細探測，精細圈定含水層（體），采空區和地下污染區、活斷層和地下空洞以及煤礦儲水構造探測等。德國DMT研發和生產的RESECSⅡ高密度電法儀廣泛應用于工程物探，其分辨率≤30nV，動態范圍140dB，8通道，最大輸出電流2.5A，是目前輸出電流最大的電法儀，輸出功率250W，并具有如下特點，圖2-1：
野外單列布極時，一條7芯電纜可連接960個電極
具有多種觀測模式，可實時計算和顯示視電阻率及偽斷面圖，電阻，IP值，復視電阻率和監視電阻率隨時間變化
自動設置10種標準裝置結構以及用戶自行設計的裝置結構，以適應不同的探測目標
可進行三維觀測，井間和單井觀測
可進行水下觀測
Windows友好界面，實時顯示接收道和發射道的時間過程
12.1英寸高清TFT，即使在強烈陽光下也可清晰查看
由預置的標準偏差值自動控制觀測質量
實時顯示失效道并可隨時補測或統一進行補測
具有硬件、軟件雙重壓制干擾噪聲功能
觀測數據資料可進行二維或三維反演和層析成像
圖2-1 RESECSⅡ高密度電法儀在野外工作
2. RESECSⅡ高密度電法儀主要技術指標
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測量模式:
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視電阻率、復視電阻率、相位、電阻、IP、輸入電流、測量電壓
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輸入電流和測量電壓之間的相位、
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監測地下電阻率隨時間變化
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動態范圍:
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140dB
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分辨率:
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≤30nV
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顯示屏幕:
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12.1英寸彩色顯示，1024*768像素
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輸出電流:
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最大2.5A
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輸出電壓:
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內部輸出電壓400Vpp，外接電源逆變器可達800Vpp
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輸出功率:
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250W
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測量范圍:
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±5Vpp
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輸入道:
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8
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輸入增益范圍:
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自動應用接收機最大量程范圍，或自動選擇，或用戶確定
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輸入阻抗:
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30MΩ
— 150 MΩ（用戶自選）
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輸入電壓:
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5V(可以根據情況調節輸入電流)
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自動補償自然電位:
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在激電測量中自動消除自然電位
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IP測量方式:
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全段時間域充電率，頻率域轉換，相位計算
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IP發射波形:
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正、關、負、關
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IP循環周期:
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0.5s，1s，2.4s，8s以及0.128ms—8330ms之間任意選擇
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電阻率測量循環時間
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0.2s，0.4s，0.8s，1.2s，3.6s，7.2s或1.44s，或用戶自動選擇
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測量類型:
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時間域，測量窗口6個
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測量周期:
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0.4s,
0.8s, 1.6s, 3.6s, 7.2s, 14.4s,并可由軟件任意設定
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噪音壓制:
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f>120Hz時, ＞100dB；工業頻率＞120dB
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測量精度:
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優于1%
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IP測量時間精度:
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優于0.01ms
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標定:
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微處理器進行數據化標定
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裝置組合:
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Schlumberger,
Half Schlumberger, Wenner alpha, Wenner bata, Wenner gamma, dipole-dipole,
pole-dipole, pole-pole, dipole-pole，以及用戶自己定義的裝置。偶極裝置在測量信號滿足分辨率的條件下，偶極距保持最小。
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操作系統:
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存儲在閃存之中，升級版本可從網頁下載
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數據存儲:
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存儲硬盤40GB，可擴展
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數據顯示
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視電阻率，復視電阻率，感應極化（IP），相位，自然電位，電阻，供電電流，測量電壓，電阻率標準偏差，偽斷面，失效電壓，電源電壓
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緩存能力:
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＞100000個測點
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數據傳輸:
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通過UBS接口和RS-232
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自動滾動:
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測量裝置自動滾動以及多電極測量裝置間的自動轉換
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野外電源:
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12V汽車電瓶
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工作溫度
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-20℃— 50℃
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重量:
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13Kg
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尺寸:
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400×300×320mm
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3. RESECSⅡ高密度電法儀在工程物探中的應用實例
1）地基結構探測：
圖2-2是在福州市郊八一水庫地區探測的地基結構，剖面長約450m，探測深度40m。可見RESECS高密度電法儀的橫向和縱向分辨率都很高，能詳細地分辨地基的地質結構特點和軟（低阻）、硬（高阻）程度和斷層展布。
圖2-2 RESECSⅡ對福州市八一水庫地區地基結構探測結果（據中國地震局地質所資料）
2) 斷層探測
圖2-3是福州市郊活斷層探測剖面，剖面右側有兩條向外傾斜的電性間斷面，控制淺層低阻沉積。兩條電性間斷面是斷層所在。
圖2-3
RESECSⅡ對福州市淺部斷層探測結果
圖2-4是北京歐華聯科技有限責任公司對山東益都斷層的探測剖面，可見剖面右邊的高阻基底（紅色）被斷層切斷，淺層發育低阻沉積。
圖2-4 RESECSⅡ對山東省益都斷層探測結果
3）城市地下空洞探測
圖2-5是用RESECSⅡ高密度電法儀對城市地下空洞的探測結果。左圖是電極沿城市街道的布設情況，右圖是探測結果，其中的高阻體（元寶狀）是地下空洞所在。
圖2-5 探測城市地下空洞應用實例
4）溶洞探測
圖2-6是貴州某地區灰巖溶洞的探測剖面，地貌低洼區發育充水溶洞，表現為低阻（蘭色），地貌高凸地區發育干溶洞，表現為高阻。
圖2-6 RESECSⅡ對貴州省巖溶地區地下溶洞探測結果
（據中國煤田地質局物探研究院資料）
5）小煤窯采空區探測
北京歐華聯科技有限責任公司物探部利用RESECS-Ⅱ高密度電法儀對鄂爾多斯地區的廢棄小煤窯（采空區）進行探測，電極距5m，共128道，采用施倫貝爾格裝置。該區廢棄小煤窯深200m，不含水，是高阻體，探測結果表明，該小煤窯表現為高阻體。
圖2-7 RESECS-Ⅱ對鄂爾多斯地區200m深的廢棄小煤窯（紅色）探測結果
6）油庫滲漏探測
法國的Strasvourg-Entzheim地區淺部0-1.5米為松散層，1.5—8.5米為沙礫巖層，8.5—10米砂質粘土層（隔水層），10米以下為含水的粘土質砂巖。1957年在Strasvourg-Entzheim機場附近建了一個軍用地下儲油庫。由于長期運行，該儲油庫底部出現泄漏。泄漏的煤油穿過沙礫層一直滲透到隔水的沙質粘土層之上。
由于沙礫巖層是高阻層，煤油也是高阻，因此很難用通常的方法發現被煤油污染的地區。為了解決這一難題，，1999年10月DMT公司利用Summit高密度電法儀，采用井中和地面三維聯合觀測，計算每個測點下的電阻率和相位值，即復數電阻率值，獲得了極好的觀測結果。野外觀測布置如圖11所示：
圖12 高密度電法三維聯合觀測裝置
圖12：井中（B1、B2、B3、B4）和地面三維聯合觀測布置。黑園點為地面電極，白圓圈為井中電極。左邊是地質柱狀圖。
圖13是觀測區內未被煤油污染的鉆孔（B2）和已被污染的鉆孔（B7）之間的觀測結果對比。
圖13 地下煤油所引起的相位差
可見，兩者之間的電阻率值（ρ）沒有顯著差別，但兩者之間的相位值（Φ）卻明顯不同。例如，在未被煤油污染的鉆孔（B2）中相位值隨著深度的變化比較緩慢，從地表的0度、向深處（10米左右）逐漸增加到-10弧度左右。但在被污染的鉆孔（B7）中，在9米深的砂質粘土層之上相位值直接增加到-9弧度。可見，雖然電阻率無法區分污染區和未被污染區，但相位值便可以將兩者清楚的區分開來。
圖14是鉆孔B4、B5、B6和B7的觀測結果。從電阻率圖中（上圖）看不出有什么區別，但從相位圖中（下圖）可以判斷，鉆孔（B4—B5）之間要比鉆孔B5—B6之間和鉆孔B6—B7之間的污染程度輕微。
圖14 被煤油污染和未被煤油污染相位對比
7）三維高密度電法探測
圖2-26 RESECS
II 在山西大同煤礦的三維探測結果
（據歐華聯物探部資料）
三、電磁法儀
電磁法也是工程勘探中常用的儀器，包括聲頻大地電磁儀（AMT），最新研制成功的張量可控源電磁法儀、瞬變電磁法儀和大地電導率儀。在工程物探中電磁法主要用于劃分巖土分層，覆蓋層和地基結構，軟弱層及含水層的位置和厚度，斷層展布，干、濕空洞探測以及診斷大壩的滲漏水情況。
1. 聲頻大地電磁儀：德國Metronix公司研發和生產的第七代GMS-07e綜合電磁法觀測系統中的聲頻大地電磁部分，其頻帶寬達50KHz-100s，探測深度從地表至數千米，有兩個24位A/D轉換器，輸入噪聲10nV/√Hz，核心部分MFS-07e磁場傳感器最低噪聲5X10-7nT/√Hz，從而保證了最高分辨率。一臺主機可同時觀測四個測點，重約30kg，圖3-1。
張量可控源電磁法是該公司最新成功研制的，世界上唯一的張量可控源儀器，其發射源是旋轉多偶極系統圖3-2和圖3-3，可求取地下張量阻抗值和阻抗相位值，可在電磁噪聲較嚴重的地區開展工作，沒有觀測死區，適合探測二維和三維復雜的地質結構，在本質上不同于目前流行的只適合探測均勻層狀地質結構的CSAMT可控源法。
圖3-1 GMS-07e大地電磁儀 圖3-2 張量可控源發射機 圖3-3 張量可控源旋轉偶極發射裝置
1) GMS-07e主要技術指標
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頻率范圍:
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256kHz-DC
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數據采集道
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每個ADU-07e含有10個通道
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A/D轉換器
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24位，每個數據數據采集道有兩個A/D轉換器
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輸入噪聲
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高頻10nv/√Hz，低頻10 nv/√Hz
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輸入阻抗
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高頻＞10MΩ，低頻＞10MΩ
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同步
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高精度GPS同步，在丟失衛星信號情況下仍可繼續同步
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內存
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64G可擴展
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系統計算機
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32位低功耗嵌入式控制器
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同步
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GPS鐘±30ns，時間精確同步，可確定和存儲測點位置
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自標定，自檢測，自動消除電極極化電位，自動顯示極化位置，現場自動實時處理觀測數據
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MFS-07e磁場傳感器
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頻帶
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最低噪聲
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最高靈敏度
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50kHz-1000s
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5X10-7nT/√Hz@1kHz
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640mv/nT，f＞32Hz
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2) 張量可控源發射系統主要技術指標
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頻帶
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1024s-8192Hz
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功率輸入
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40kVA，3X400V（±10%），三相，50Hz交流發電機
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功率輸出
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最大±40A，連續輸出
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輸入電壓
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±560V
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負載類型
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接地電極或發射線圈
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要求的負載電阻范圍
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5Ω-10000Ω
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發射信號波形
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偽隨機二進制序列波（PRBS）
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系統控制
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由TXB-07發射控制箱通過電纜控制
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測試功能
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對所有重要的功能均可自動檢測
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外殼
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牢固的防水鋁合金外殼
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重量
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35kg
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外形尺寸
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480mmX514mmX354mm
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工作溫度
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0℃-50℃
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存儲溫度
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-20℃-70℃
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濕度范圍
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相對濕度可達90%
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3). GMS-07e在工程物探中的應用實例
（1） 探測地基結構
圖3-4是北京歐華聯科技有限責任公司GMS-07e綜合電磁法儀對某開發區地基結構的探測剖面。該開發區位于山坡地帶，有巖漿巖出露，從探測剖面可見，淺部有較薄的低阻風化層，下覆高阻巖漿巖（電阻率值1800-2600歐姆米）和中高阻灰巖（300-800歐姆米），推斷有多條斷層存在。
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圖3-4 某開發區地基結構探測
（2）探測溶洞
在北京順義縣二十里長山—平谷盆地布置75個MT測點探測基底灰巖中的含水溶洞，圖3-5是其中的兩條探測剖面。可見淺部低阻層從左到右變厚至400-500m，為第四季水平層狀沉積，普通含水；下覆地層為高阻震旦系，被多條斷裂切成塊體，較大規模的含水溶洞往往發育在斷裂的下盤，如藍色所標B、C、D、E。
1.推測巖溶發育區及編號 2.地質界線 3.推測斷裂及編號 Q：第四季 Jx：薊縣系 Ch：長城系
圖3-5 GMS-07e對北京順義區二十里長山—平谷盆地基底灰巖含水溶洞探測結果
（據肖騎彬等人資料）
（3）探測隧道斷層和溶洞
圖3-6是沿宜昌—萬縣鐵路沿線用AMT法探測地下溶洞和斷層分布的反演剖面，可見沿剖面電性結構變化劇烈，斷層發育，剖面中的低阻體為溶洞所在，用黃色標出。
圖3-6 AMT法對宜—萬鐵路沿線地下溶洞和斷層分布的探測結果，黃色為溶洞，紅線為斷層
（據中南大學席振銖資料）
（4）熱田探測
中科院地質與地球物理研究所在黑龍江省海倫市用GMS-07e探測地熱田，共布設五條剖面。從探測結果圖3-7可見淺部為低阻積，深1000m-2500m為高阻體，形態比較復雜。在測區西北高阻體規模較大，向西南傾；側區東北規模次之，向東北傾。測區中部未見高阻體。根據已知資料，上述高阻體為巖漿侵入體，熱水資源位于巖體的下方。
圖3-7 GMS-07e對黑龍江省海倫市地熱資源探測結果，紅色為高阻巖漿巖，熱水資源位于巖體之下
（根據中國科學院地質和地球物理研究所資料）
（5）斷層探測
廊坊大山地質礦業公司利用GMS-07e綜合電磁法儀于2009年10月在山東沂水縣開展金礦找礦工作。該礦區位于沂沭大斷裂帶中段，其兩側發育很多次級斷裂，已知金礦受次級斷裂控制。為了探明金礦蘊藏遠景，必須探明次級斷裂帶的分布情況。為此在該區布置了10條探測剖面，圖3-8為第100線剖面的二維反演結果。圖中陡傾斜的高阻體（紅色）是充填沂沭大斷裂帶中的基性巖，粉色線條是推斷的次級斷裂。可見次級斷裂基本上都位于電性變化的邊界上，這與后來的勘探結果是一致的。
可見，GMS-07e在探測地基結構，溶洞和斷裂等地質工程應用上是非常有效的。
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圖3-8 GMS-07e對山東沂水大斷裂兩側次級斷層
的探測結果（據大山礦業勘探公司資料）
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2. 瞬變電磁儀
加拿大Geonics公司最新推出的PROTEM G-TEM是專門為淺層勘探研發的瞬變電磁儀，其早期關斷時間1.6微秒，動態范圍高達175dB，歸一化噪聲0.1nv/m2，最大勘探深度150-200m，Z,X,Y三分量同時或順序接收，可判斷目標體的形態、大小和傾向，可精確地對地下做電性分層，可精確地識別地下細結構。重約13kg，圖3-13。具有以下新功能：
用戶可自定義接收道位置和接收時間；
在每個測點上可進行單次或多次重復測量，或連續測量；
多種顯示模式，可顯示剖面和擬斷面圖；
可選數據反演軟件，提供正演及反演的建模能力；
可進行快速傅里葉變換（FFT），顯示數據的噪聲特性；
320 GB的數據硬盤存儲內部數據，提供各種接口外傳數據；
集成GPS，顯示發射線框和接收機位置；
能耗低，接收/發送 內置15 V鋰離子可充電電池，在2A電流輸出時可以連續運行8小時
? PROTEM瞬變電磁儀在工程物探中的應用實例
圖3-9是PROTEM瞬變電磁儀對某地淺部地質結構的探測剖面，可見從地表至80m深電阻率從20歐姆米連續增加至80歐姆米，它們是沉積蓋層。80m以下在剖面右半部分發現中高阻基底，蓋層和基底之間為斷層（F3）接觸。
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圖3-9 PROTEM瞬變電磁儀對淺部電性分層，斷層，基底埋深和結構的探測結果，藍色為低阻沉積，粉紅色為中高阻基底
某庫區澆注混凝土作為護坡堤，但澆注后提出要了解護坡堤下方是否存在空洞等隱患，為此利用瞬變電磁法進行探測。共布設四條平行探測剖面Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，發現在探測剖面Ⅰ和Ⅱ的6號及11號測點的第13測道和第14測道出現瞬變低值異常，在第Ⅲ剖面上的第6號測點上也出現瞬變低值異常（圖3-10），經驗證它們是空洞所在。
圖3-10 利用瞬變電磁法對鋼筋混凝土護坡體下方進行探測，查明其內部是否存在隱患及性質
圖3-11 PROTEM瞬變電磁儀探測澳大利亞西部庫爾嘎底地區地下空洞
圖2-11是PROTEM瞬變電磁儀在澳大利亞庫爾金礦區探測廢棄的采金礦洞的瞬變場斷面圖，下圖為視導阻率等值線圖。在上圖中可明顯看出3個瞬變場低值區，它們對應的是干涸的空洞所在。
圖3-12是PROTEM瞬變電磁儀對某工程地基結構的探測結果，淺部低阻區（20-100歐姆米）遭受強烈的構造變形，左上端的局部異常（綠色）可能是早期的建筑基礎，從剖面左側15m深至剖面右側60m可能存在右傾斷層，斷層以下為均勻的基底組成。
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圖3-12 PROTEM瞬變電磁儀探測地基結構和人工填土區位置（綠色）
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圖3-13 PROTEM G-TEM瞬變電磁儀 圖3-14
EM34大地電導率儀
3.大地電導率儀
加拿大Geonics公司生產的大地電導率儀EM34-3是專門用于快速獲取近地表電導率和磁化率參數的儀器。測量過程中設備無需與地面接觸，因此可以在各種地質條件下快速獲取高質量的數據。最大勘探深度可達60m，可進行水平偶極和垂直偶極兩種模式探測。實時對觀測結果成像，GPS定位，操作簡單，快速連續采集數據，分辨率和精度高，可獲取微弱的電導率變化，可對地下進行電性結構，電性分層和電性異常體進行探測，可檢測大壩內部滲（漏）水位置，也可探測凍土層厚度和浮冰厚度等，通過磁化率探測可發現地下金屬結構和金屬垃圾。
? 大地電導率儀在工程物探中的應用實例
從圖3-15可見，在樁號0，180和350附近，在15m和30m深度范圍內的電導率值都很低，說明這些樁號附近的心墻擋水效果較好。在樁號60,140和250樁號附近、相應深度范圍內的電導率值較高，說明這些樁號附近的心墻擋水效果較差。
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圖3-15 EM34對黑龍江省西泉眼水庫大壩心墻擋水情況探測結果
（據潘多助，徐冬梅資料）
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1）探測水庫透水
從圖3-16可見，在靠近山體的大樁號電導率較低，隨著樁號減小，越接近水庫，深層（15-30m）電導率增加，這是水庫水向深部滲透的結果，所以均屬于正常狀況。
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圖3-16 EM34對黑龍江省西泉眼水庫溢洪道右側壩擋水情況探測結果
（據潘多助，徐冬梅資料）
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2）探測地下管線和儲油庫滲漏
加拿大北阿爾伯達重質油生產基地的地下埋有很多地下管線，其滲透物對地下造成了嚴重污染。該基地關閉后進行重建，在重建之前，必須把地下管線和受污染的土壤全部拆除和移走。為此，用Geonics研制的EM大地電導率儀對管線的埋藏地點、深度以及受污染土壤的范圍和厚度進行探測。圖3-17是觀測到的地下電導率成像。經確認圖中的線性異常是5cm直徑、埋深3米的地下管線位置。此外，從圖中還可見，線性異常外圍存在高導區，其電導率比背景值高出30ms/m以上。經檢測，高導區下的地下水中氯化物含量增高。這些氯化物是從地下管線滲漏出來的。
圖3-17 EM31大地電導率儀對地下管線探測結果（據GEONICS公司資料）
加拿大某城市大型儲油庫出現了滲漏，滲漏的油質向地下擴散。為了治理被油污染的地下環境，必須把油的擴散路徑檢測出來。利用Geonics公司的大地電導率儀和瞬變電磁儀進行了詳細探測，獲得了理想結果，圖3-18是其中的一條探測剖面。
圖3-18 EM34-3對油庫滲漏路徑的探測結果（據GEONICS公司資料）
該區淺層是低阻的松散層和低阻沉積物，滲漏物是高阻的油質，所以探測目標是在低阻層中圈定出高阻分布體。從圖明顯可看到沿20多米深、向剖面左端緩傾的高阻薄層便是滲漏油質的通路。
3）對垃圾填埋場及其污染范圍的確定
同樣采用EM34-3大地電導率儀和PROTEM瞬變電磁儀對垃圾填埋場體積、形狀及其污染范圍進行詳細勘探。圖3-19是其中的一條勘探剖面。
圖3-19 EM34-3和PROTEM聯合探測垃圾填埋場的污染范圍（據GEONICS公司資料）
圖3-19中的低阻體（藍色區）是垃圾填埋場，下伏的中等電阻率區（綠色至深綠色）是嚴重污染區—輕度污染區范圍，剖面左邊的高阻區（紅色）和深部的高阻區（黃色）是未被污染和基本未被污染的區域。
四、地質雷達
地質雷達是工程物探，特別是工程質量檢查中常用的方法，由于其發射的電磁波頻率高達100MHz以上，波長極短，所以對探測目標體的分辨率極高。由于它是建立在電磁波反射成像的基礎上的，因此探測結果直觀、真實，設備輕便，工作效率高。
地質雷達的探測深度取決于電磁波發射頻率和探測點的地下電阻率值。
瑞典雷達公司（RADARTEAM）生產的Cobra地質雷達分為淺層和中層地質雷達，Cobra Wifi和深部探測地質雷達Cobra plug-in。現分述如下：
1. 淺層和中層探測地質雷達Cobra Wifi，探測深度0-10m：
wifi智能天線250/500MHz，頻帶寬100-900MHz，雙道數據采集。115KHzPRF，256-1024樣品/scan，0-2000ns范圍，1-10個增益點，垂直和水平濾波。內置鋰-離子電池11.1V/6.6Ah做電源，內置高分辨率編碼器（3mm分辨率-250ppr），數據采集軟件中包括后處理軟件。
2. 深層探測地質雷達Cobra plug-in探測深度0-100m：
無線操作，帶頭數據記錄器，空氣耦合天線，堅固的、經久耐用的，最小巧的地質雷達，最完善的數據采集軟件，包括后處理軟件。實時顯示和高動態范圍。
Subecho天線SE-40MHz，SE-70MHz或SE-150MHz。內置73wh鋰離子電池，可連續工作16小時。
3. Cobra地質雷達工作方式：
圖4-1 Cobra地質雷達可以手提操作 圖4-2 Cobra地質雷達可以放置在船上在水域工作
圖4-3 Cobra地質雷達可以放置在手推車上工作 圖4-4Cobra地質雷達可以由車拉工作
五、高精度磁力儀
在某些工程物探中要應用高精度磁力測量，以確定帶磁性目標體的位置和邊界。在工程物探應用中，要求磁力儀要具有高的分辨率，高的絕對精度和完美的應用方式。加拿大GEM公司生產的標準質子磁力儀的分辨率為0.01nT，絕對精度±0.2nT，Overhauser磁力儀的分辨率為0.01nT，絕對精度±0.1nT，最高采樣率0.2秒，主要優點包括：
全方位磁探頭，無指北要求，非常有利于野外工作
靈活設置測線號和測點號
具有觀測質量監控功能，可以及時處理質量不合格數據
可在主機屏幕上實時顯示觀測磁場變化曲線
通過RS232接口，快速下載或上傳觀測數據，速率高達115200bps
具有獨一無二的編程式（預設）基站觀測功能，軟件進行日變校正
使用GSM-19T的Walking Mag采集模式儀器可以按照預設的時間間隔自動讀取磁場值，從而獲得近乎連續的觀測剖面
配置GPS時（可選），用戶可以在辦公室內把設計好的觀測點位坐標輸入到儀器，在野外就可以實現導航定位功能
基站觀測和野外流動觀測之間具有高精度的時間同步，這對于在磁干擾地區和保證高精度的觀測結構是非常重要的
尋找淺埋磁性體，確定磁性體邊界也是工程物探中常遇到的問題。磁場垂直梯度儀對探測淺埋的磁性體非常敏感，磁場水平梯度儀對探測淺埋磁性體邊界非常敏感。板狀磁性體的水平梯度在左右邊界上對應正、負對稱的極值，在板狀體中心過零。半無限延伸的磁性體，在邊界上水平梯度為極大值（圖4-1）。
圖5-1
六、聯系方式：
北京歐華聯科技有限責任公司
地址：北京市西三旗龍旗廣場2號樓13層
電話：010-82920623/24
傳真：010-82927921
網址：www.ouhualian.com
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