天然气管道的震磁联合探测

天然气管道的震磁联合探测
秦显科;王林飞;徐秀刚;邢磊;尹燕欣
【摘要】在工程物探中,浅层异常体的探测通常采用单一方法,这就有可能导致勘探失误.为了避免由于单一物探方法可能造成的失误,利用地震映像、浅层反射波法、浅层折射波法和磁法勘探,对铺设在山东桃村中国海洋大学应用地球物理野外教学实习基地地表附近的天然气管道进行探测.并且通过对地震数据和磁法勘探数据的采集、处理以及联合分析,大致确定了天然气管道的位置,表明利用震磁联合的方法探测天然气管道是行之有效的.
【期刊名称】《工程地球物理学报》
【年(卷),期】2015(012)005
【总页数】6页(P680-685)
【关键词】工程物探;天然气管道;地震映像;浅层地震勘探;磁法勘探
【作者】秦显科;王林飞;徐秀刚;邢磊;尹燕欣
【作者单位】中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东青岛266100;中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东青岛266100;中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东青岛266100;中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东青岛266100;中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东青岛266100
【正文语种】中文
【中图分类】P631
人工地下设施，例如地下管线与电缆、防空洞等，是工程物探中较为常见的探测目标体。

其中天然气管道是管径426～720 mm的金属(主要材质是钢)管，铺设在地表以下相对较浅的位置，并以水泥石块辅助加固。

天然气管道及其外部的水泥固化层物性与周边地层物性存在较大差异，并且，地层的开挖与回填也造成了地层物性的变化。

因此，可以利用地球物理方法来检测这些物性变化，从而找出管道的位置及其延伸方向[1]。

在山东烟台桃村中国海洋大学应用地球物理野外教学实习基地，有一条天然气输送管道贯穿全区，局部有出露(图1)，管径500 mm左右，在路边或果园里有部分地表标识物指示管道的大体位置。

在实习过程中，对该管道采用了浅层地震勘探与磁法勘探，通过野外数据采集和室内资料处理分析，基本确定了管道的位置。

探测结果表明，采用震磁联合的方法来探测天然气管道是可行的，对工程物探方法的综合应用具有较好的指导意义。

2.1 测线布设
中国海洋大学应用地球物理野外实习基地周边沉积岩较为发育，并伴有岩浆岩和变质岩，上覆第四系覆盖层较薄，局部有基岩出露[2]。

测区位于英灵山东侧山坡下
的苹果园内，场地范围150 m×100 m，较为平坦，在该场地的南侧和北侧有两个标示天然气管道大体位置的黄色石柱A和B，其间布设了两条测线L1和L2，两
条测线与A、B两点的连线近似垂直，两条测线间距70 m 左右(图2)。

2.2 工作方法
在L1测线进行了地震映像、浅层折射波、浅层反射波以及磁法勘探；在L2测线
进行了地震映像和磁法勘探。

地震映像法是一种单道、连续、小偏移距的地震反射方法[3]，无需动校正和叠加，直接成像，野外施工灵活，工作效率高，成本低，并能准确快速地对浅层地质概况进行实时观测，通过显示记录对现场采集工作进行跟踪指导；浅层反射波法不受地
层速度逆转的影响，适应性强，获得的地质信息比较丰富，剖面图像直观，因而深受工程技术人员的欢迎[4]；浅层折射波法常用来探测覆盖层或低速层的厚度、基
岩起伏、断层和古河道的分布等水文工程地质问题[5]，相对于其他地质勘查方法，该法具有受地形起伏影响小，设计施工简便、效率高，初至波易于识别，资料解释比较容易等优点，在近地表地质研究方面发挥着重要的作用[6-12]，是最早被用于工程勘察的人工地震方法。

磁法勘探是利用地壳内各种岩(矿)石间的磁性差异所引起的磁异常来寻找有用矿产或查明地下地质构造的一种地球物理勘探方法，根据岩石内部含有的磁性矿物成分和比例的不同，可根据测量值以及处理分析结果来判定该地区的岩性及构造情况[13]。

由于天然气管道这种金属体与围岩的磁性差异非常大[14]，使得磁法勘探成为有效的探测方法之一。

2.3 采集参数
浅层地震勘探使用WZG-24工程地震仪，采用锤击震源激发，速度检波器接收；
磁法勘探使用WCZ-1型质子旋进式磁力仪，行走模式测量。

2.3.1 测线L1
地震映像法采用3 m偏移距，1 m道间距，采样间隔0.1 ms，采样点数2 048，分别利用38 Hz和100 Hz检波器接收，各获得了100道数据(第1道为测线的起点)。

浅层折射波法采用相遇观测系统和追逐观测系统，道间距2 m，共24道(第
1道为测线的起点)，总共激发4炮，第1炮偏移距为2 m，第2炮偏移距为0 m，第3炮偏移距为0 m(与第24道之间的距离)，第4炮偏移距为2 m(与第24道之间的距离)(图3)。

浅层反射波法采用单边激发多次覆盖系统，总道数为24道(第1道为测线的起点)，偏移距0.5 m，道间距0.5 m，炮间距0.5 m，总共30炮，覆盖次数为12次。

磁法测量采用行走模式，测量前人员必须去磁，磁场基值设为
50 000 nT(1 nT=10-9 T)，测点距为1 m，沿着测线对每个测点进行重复观测，
当数据较稳定时(误差不超过±1 nT)，存储测量所得数值，总共测量了100个点。

测量过程中，工区内的基站连续记录地磁场日变值，并结合总基点可以有效地控制测量精度。

2.3.2 测线L2
地震映像法采用4m偏移距，1 m道间距，采样间隔0.1 ms，采样点数2 048，利用38 Hz检波器接收，各获得了52道数据(第1道为测线的起点)。

磁法测量采用行走模式，测点距为1 m，总共测量了118个点。

3.1 测线L1探测效果与分析
地震映像剖面信噪比较高，经过简单的滤波等处理，就可以直观地反映地下地质情况，图4为测线L1分别用38 Hz与100 Hz检波器接收所得到的地震映像剖面。

由图4可以看出，总体上同相轴较为连续、一致性较好，在两图的9道、10道、11道、12道、13道处(图中被圈出的位置)同相轴错断，波形拉长，说明该处地震波的波至时间变大，推断此处存在低速异常体，距离测线起点9～13 m，中心位置大约在11 m处。

对浅层反射多次覆盖的原始资料进行预处理、速度分析、动校正和水平叠加等处理后，可得到叠加剖面(自激自收地震时间剖面)。

经过多次叠加后，可有效提升资料的信噪比，压制多次波。

图5为测线L1浅层反射波数据经过处理后所得的叠加剖面(覆盖次数12次，CDP间距0.25 m)，由图5可以看出：在14～20道(距离测线起点3.25～4.75 m)之间同相轴发生错断，呈现出断层特征；在35～47道(距离测线起点8.5～11.5 m)之间同相轴凌乱，呈现出破碎带特征，其中部分地震道的波形拉长，波速偏低。

根据野外浅层折射波数据信息，分别对采集所得的4炮数据采用自动拾取与人工交互相结合的方式拾取初至时间(图6)，绘制折射波时距曲线(图7)。

由图6和图7可知：在原始地震记录上，距离起点12 m的地震道的初至时间明显变大；在时距
曲线上，无论是相遇观测系统还是追逐观测系统，所得数据在12 m处的初至起跳时间均变大，一致性较好，同时对比12 m前后地震道
的初至时间，发现二者具有较好的一致性，时差变化规律较为稳定。

综上分析，可以推断在该处存在低速异常体，而非断层。

为了确定异常地质体的准确位置，将获得的初至时间进行层析反演，得到成像剖面如图8(横轴为水平距离，纵轴为海拔，地表海拔100 m)所示。

由图8可以看出，在地面以下2～4 m深度、距离测线起点12 m左右，出现了地层凹陷，该位置与地震映像剖面低速异常体的位置、叠加剖面的破碎带特征的位置一致，这说明在
该位置确实存在一个地质异常体。

该测线的实测磁场值如图9所示。

由图9可知，在距离起点6～16 m范围内，出现了磁异常，其中在11 m左右出现极大值，变化幅度为320 nT左右。

多年的教学实习发现该区域内岩性比较稳定，其磁性变化不大，再结合现场踏勘发现的天然气管道露头，基本可以确定该磁异常是这个金属管道造成的。

天然气管道横切面呈圆形，管壁很薄、金属质地，管壁内充满气体，此外，管壁外通常以水泥加石块固化，以确保其安全。

地震映像是等偏移距剖面，单点激发，单点接收，经过金属管道的两侧时，圆形管道壁将地震波反射到远离接收点的位置，实际接收到的地震能量较小，因此在映像剖面上会出现低能量特征；在管道中心附近，地震波可以直接穿透管壁，在内部以低速传播，当地震波穿过管道再次进入地层后，会以高速传播，因此在管道附近会出现波形拉长的低速异常体特征(图4)。

浅层反射波法采集到的数据是来自有不同偏移距的地震道，在经过圆形金属管道时，由于水泥石块、金属管壁以及内部气体的存在，地震波波形差异较大，经过动校正、叠加后同相轴会变得较为凌乱(图5)，呈现出破碎带特征。

浅层折射波法主要用于
区分速度界面，当折射波穿透金属管在内部气体中传播时会呈现明显的低速特征(图6和图7)。

而天然气管道的金属质地会使其磁场值明显的增大(图9)。

因此，
天然气管道在地震映像剖面和浅层折射波剖面上呈现低速特征，在叠加剖面上呈现破碎带特征，在磁场剖面上呈现出明显的正异常特征。

综合磁法勘探与地震映像、浅层反射波、浅层折射波的勘探结果，基本可以确定天然气管道的位置为距离测线起点11 m处，深度在2～4 m范围内。

3.2 测线L2探测效果
图10为测线L2的地震映像剖面，同相轴一致性较好，在第6道附近出现明显的
低速异常特征，结合测线L1的分析结果可知，此处即是天然气管道的位置(距离测线起点6 m左右)。

图11为测线L2的实测磁场剖面，可以发现有两处异常：第一处距离起点6～8 m，存在正、负异常；第二处距离起点65 m左右，存在负异常。

经过现场踏勘，在
65 m处地震道上方存在高压电线，因此该处的磁异常是高压电造成的。

结合测线
L1的分析结果，可知第一处正异常应该是天然气管道造成的，而其附近的负异常
是由于受到了侧方高压电线的影响，从而导致该处的正异常值不如测线L1的大。

综上分析可知，天然气管道在距离L2测线起点的6 m处。

本文将浅层地震勘探法与磁法勘探法相结合，探测埋设在地表附近的天然气管道，取得了以下认识：
1)利用震磁方法联合探测浅地表天然气管道是可行的，探测结果可靠。

2)针对天然气管道，小道距地震映像和高精度磁法勘探是最佳选择。

浅层折射波和浅层反射波法相对较为复杂，并且对于这种小尺度目标体，如果观测系统参数设置不合理，则很难探测到，导致勘探工作难以取得理想效果。

3)在工程物探中，为了提高勘探精度，建议多方法联合使用。

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