綜合地球物理方法在巖土工程勘察中的應(yīng)用

侯 征，侯 暉，邸 龍

（1.河北地質(zhì)大學(xué)勘查技術(shù)與工程學(xué)院，河北石家莊050031；2.內(nèi)蒙古地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特010020）

地球物理方法作為高效、經(jīng)濟(jì)、無(wú)損的勘探方法，成為巖土工程勘察的重要補(bǔ)充手段。地球物理方法以地下巖土層或地質(zhì)體的物性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)自然或人工建立的地球物理場(chǎng)對(duì)地下地質(zhì)體不同的地球物理響應(yīng)，來(lái)確定地質(zhì)體的空間幾何參數(shù)（大小、形狀、埋深等），并可獲取巖土體的物性參數(shù)，達(dá)到解決相關(guān)地質(zhì)問(wèn)題的目的。然而單一地球物理方法僅是對(duì)應(yīng)某種物理屬性，如電法對(duì)應(yīng)電阻率、地震方法對(duì)應(yīng)速度等，在應(yīng)用中，不可避免地存在多解性問(wèn)題。為了減少多解性的影響，就需要考慮不同方法的特點(diǎn)，開(kāi)展綜合地球物理方法研究，提高地球物理方法在巖土工程勘察中的解釋精度。

1 高密度電阻率法

1.1 方法原理

高密度電阻率法，是基于直流電阻率法的基本原理，利用微機(jī)控制技術(shù)，集電剖面法和電測(cè)深法于一體，在多路轉(zhuǎn)換器的程序控制下，實(shí)現(xiàn)在剖面上一次性布極，獲取多種裝置類型的地電斷面分布信息，是目前探測(cè)精度較高的工程地球物理探測(cè)方法。高密度電法野外工作裝置形式較多，總電極數(shù)與點(diǎn)距可根據(jù)場(chǎng)地條件及勘察深度任意選擇，而且對(duì)同一斷面可選用多種裝置多次測(cè)量，獲取多種裝置的不同數(shù)據(jù)，減少僅用一種裝置類型測(cè)量所造成的多解性，圖1是常用的幾種裝置類型。其中單位電極距a決定高密度電阻率法的分辨率，電極距越小，分辨率越高，但探測(cè)深度相對(duì)降低。隔離系數(shù)n決定了勘探深度和淺層的覆蓋次數(shù)。n值越大，采集的數(shù)據(jù)就越多，獲取信息就更豐富，但工作效率低。

圖1 高密度電阻率法常用排列示意圖

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

高密度電阻率法數(shù)據(jù)預(yù)處理內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)拼接、突變點(diǎn)剔除、曲線圓滑、地形數(shù)據(jù)預(yù)編輯等幾項(xiàng)內(nèi)容。

受儀器采集道數(shù)限制，在完成一條剖面測(cè)量后，需要將各段剖面數(shù)據(jù)拼接，形成完整的剖面數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，由于工業(yè)游散電流干擾、電極接地條件、人工脈沖、電極斷電、激化補(bǔ)償不穩(wěn)和人為操作誤差等相關(guān)因素存在，必定存在個(gè)別數(shù)據(jù)明顯為不符合真實(shí)地下信息的“突變點(diǎn)”，這些點(diǎn)具有明顯的數(shù)值偏大或偏小，或與鄰近數(shù)據(jù)沒(méi)有形成連續(xù)的變化，發(fā)生突然跳躍等特點(diǎn)。為此，需對(duì)這些“畸點(diǎn)”進(jìn)行剔除，如有必要，還應(yīng)進(jìn)行插值補(bǔ)點(diǎn)。為了壓制高頻干擾，突出整體異常，還需對(duì)實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行了低通濾波“圓滑”處理。在工區(qū)內(nèi)地形起伏較大時(shí)，為了避免地形因素的影響，應(yīng)對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，使地形數(shù)據(jù)參與視電阻率異常的反演，以確保反演結(jié)果精度，而不受地形影響。預(yù)處理后的數(shù)據(jù)方可進(jìn)行后續(xù)視電阻率圖件繪制和反演解釋。

2 瑞雷波法

2.1 方法原理

瑞雷波是地震中面波的一種，瑞雷波在致密彈性體中人工激發(fā)產(chǎn)生并以柱面波前方式傳播，在傳播過(guò)程中，遇到巖石的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯改變時(shí)，在頻散曲線上會(huì)發(fā)生畸變，而在瑞利波頻散曲線上易于識(shí)別這些異常。瑞雷波法就是利用瑞雷波這一特性進(jìn)行勘察的一種地球物理方法。

瑞利波探測(cè)方法分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài),目前多采用瞬態(tài)瑞雷波法。瞬態(tài)瑞利波采用瞬態(tài)沖擊震源，一次激發(fā)和接收，可以獲得寬頻帶的瑞雷波振動(dòng)信號(hào)，這相當(dāng)于穩(wěn)態(tài)成百上千次激發(fā)的信息，如圖2所示。儀器記錄同一瑞雷波列在傳播方向上的不同位置的2個(gè)時(shí)間域信號(hào)，經(jīng)離散傅里葉變換(DFT)轉(zhuǎn)換為一系列不同頻率的正弦分量。由此可以得到信號(hào)的頻譜分布、相應(yīng)頻率的相關(guān)程度和相移大小 Δφ(f)，由式（1）和式（2）可以計(jì)算出相鄰不同頻率成分的滯后時(shí)間Δt(f)和平均速度f(wàn))。

根據(jù)平均速度[f)]和頻率（ f），利用式（3）可以得到波長(zhǎng)λR。

通過(guò)-λR關(guān)系曲線可知，同一波長(zhǎng)的瑞雷波傳播特性反映了地質(zhì)條件在水平方向的變化情況，不同波長(zhǎng)的瑞雷波傳播特性則反映不同深度的地質(zhì)情況。如果探測(cè)的對(duì)象是非均勻介質(zhì)，不同頻率的振動(dòng)按不同的速度傳播，一定的頻率對(duì)應(yīng)一定的波長(zhǎng)，即一定的地層深度，這就是瑞雷波的頻率(深度)——速度分散特性。通過(guò)對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演，即可得到某一深度范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造情況和不同深度的瑞雷波傳播速度vR值；vR值的大小與介質(zhì)的物理力學(xué)特性有關(guān)，據(jù)此可對(duì)探測(cè)對(duì)象(圍巖)的物理力學(xué)性質(zhì)做出評(píng)價(jià)。

圖2 瑞雷波法勘探原理示意圖

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

瑞雷波預(yù)處理主要包括以下幾方面內(nèi)容：（1）原始資料進(jìn)行整理核對(duì)、編錄；（2）分析縱波與面波以及各階面波的時(shí)空域分布特征；（3）根據(jù)面波在時(shí)間—空間域中的分布特征確定面波時(shí)間—空間窗口；（4）根據(jù)上述確定窗口，在頻率—波數(shù)域內(nèi)提取面波；（5）面波進(jìn)行頻散分析，形成頻散數(shù)據(jù)。

首先對(duì)多道地震數(shù)據(jù)記錄文件中的壞道數(shù)據(jù)剔除，采取低通濾波處理技術(shù)，消除高頻干擾信號(hào)；而后，基于面波在地震記錄剖面內(nèi)具有振幅大、頻率低、速度慢等特點(diǎn)，在記錄的時(shí)間—距離(X-T)域設(shè)置有效面波時(shí)—距窗口范圍，如圖3所示，以排除其它波的干擾影響；利用二維傅里葉變換解釋將選取的多道面波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻率—波數(shù)(F-K)能譜，如圖4所示。在頻率—波數(shù)(F-K)域的能譜圖上，圈定各階面波的能量峰脊，采取追索拾取的方式，獲取頻散數(shù)據(jù)，組成頻散數(shù)據(jù)文件，記錄好的頻散數(shù)據(jù)作為后面反演解釋的基礎(chǔ)。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

該工程開(kāi)展地球物理勘探的主要目的是配合地質(zhì)調(diào)查和鉆探工作，查明研究區(qū)覆蓋層、風(fēng)化帶厚度及巖層面起伏形態(tài)以及破碎帶的分布情況，為研究區(qū)開(kāi)展土建工作提供參考依據(jù)。

3.2 研究區(qū)巖土體類型

研究區(qū)巖石類型主要為堅(jiān)硬塊狀、中厚層狀碳酸鹽巖建造；堅(jiān)硬中厚層狀碎屑巖建造；較堅(jiān)硬薄層狀碎屑巖建造；軟弱層狀碎屑巖建造；軟硬相間中厚層狀碎屑巖建造；堅(jiān)硬塊狀巖漿巖建造；堅(jiān)硬塊狀巖漿建造和較堅(jiān)硬薄層狀變質(zhì)巖建造。土體類型主要為沖積、洪積、風(fēng)積及各種混合堆積等。

3.3 研究區(qū)地球物理特征

圖3 原始記錄圖

通過(guò)對(duì)前人資料收集整理和標(biāo)本物性參數(shù)測(cè)定，研究區(qū)內(nèi)各種巖石的電性參數(shù)及剪切波速度分別如表1和表2所示。

圖4 頻率—波數(shù)域圖

由表中各類巖石的電阻率參數(shù)及剪切波速度可知，研究區(qū)內(nèi)第四系坡積物呈現(xiàn)中低阻和低速特性，風(fēng)化帶呈現(xiàn)中高阻和中速特性，基巖則均呈現(xiàn)為相對(duì)高阻和高速性特征。由于工作過(guò)程中，研究區(qū)降水較多，因此破碎帶由于雨水的影響，反映為低阻特性。因此，研究區(qū)各類巖石間的導(dǎo)電性和波阻抗存在著明顯的差異，從而為開(kāi)展直流電阻率法和瑞雷波法查明研究區(qū)覆蓋層、風(fēng)化層厚度、基巖界面形態(tài)以及破碎帶位置提供了必要的地球物理前提條件。

3.4 典型異常分析

表1 巖石的電性參數(shù)表

表2 各種巖性對(duì)應(yīng)的剪切波速度表

根據(jù)研究區(qū)具體情況，共布設(shè)了13條測(cè)線。本文僅以6號(hào)測(cè)線為例來(lái)說(shuō)明綜合地球物理方法的有效性。

6號(hào)測(cè)線敷設(shè)于研究區(qū)中部，由該剖面反演成果圖5a所示，在地表35～60m、92～112m存在2處高阻異常區(qū)，電阻率不小于170Ω·m，為基巖出露反映。地表其余部位均為電阻率值不大于70Ω·m的低阻異常區(qū)，平均深度在5m左右，推斷屬第四系坡積沖積松散土層。其下部有一層電阻率值介于70～170Ω·m間的中阻區(qū)，平均厚度在3m左右，推斷為風(fēng)化層。在中阻層之下為電阻率值不小于170Ω·m的高阻層，推斷為下伏基巖。

圖5b為瑞雷波反演的等速度剖面圖，剖面上部存在一層厚度3～10m，速度小于300m/s的低速層，推斷為覆蓋層；在其下部存在一層厚度1～5m，速度大于300m/s，小于500m/s的中速層，推斷為風(fēng)化巖層；在中速層的下部是波速大于500m/s的高速層，推斷為基巖。

對(duì)比二者反演解釋成果圖，可見(jiàn)高密度電阻率法的橫向分辨率要優(yōu)于瑞雷波法，而瑞雷波法的縱向分辨率則優(yōu)于高密度電阻率法。在6號(hào)剖面的右端高密度方法解釋的覆蓋層厚度明顯高于瑞雷波法的解釋厚度，是因?yàn)楦呙芏确椒ㄔ谶吘壩恢盟@取的信息量少，反演時(shí)，該部位勢(shì)必造成較大誤差?？傮w來(lái)看2種方法所劃分的不同界面對(duì)應(yīng)關(guān)系還是較好的，說(shuō)明基于不同物性基礎(chǔ)的地球物理方法，在探測(cè)對(duì)象具有相同幾何參數(shù)的前提下，開(kāi)展綜合方法勘察是行之有效的，2種解釋結(jié)果可以互相對(duì)比印證，解釋結(jié)果較單一方法更具有可信度。

4 結(jié)論

圖5 6號(hào)測(cè)線解釋成果圖

地球物理方法具有的諸多優(yōu)點(diǎn)使其在工程勘察領(lǐng)域中的作用日益突出。但在勘察過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到地球物理方法從數(shù)據(jù)采集時(shí)存在的干擾噪聲到反演解釋時(shí)的多解性問(wèn)題，均可能引入虛假信息，因此，有必要開(kāi)展綜合地球物理方法研究工作。同時(shí)，綜合地球物理方法不僅僅是多種方法的綜合解釋，同時(shí)還可以開(kāi)展多種方法的聯(lián)合反演，通過(guò)不同的地球物理響應(yīng)特征，從多方面驗(yàn)證結(jié)果的可靠度，提高勘察精度。

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