復(fù)雜地質(zhì)條件下的面波探測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

劉現(xiàn)鋒，姜文龍，王旭明，馬若龍，胡文哲

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 鄭州 450003)

0 前言

隨著我國(guó)水電資源開(kāi)發(fā)的深入，天然的優(yōu)良地基正逐步減少，我們不得不在深厚覆蓋層上建設(shè)水利水電工程。然而，覆蓋層中復(fù)雜地質(zhì)情況的存在嚴(yán)重影響和制約了工程的選址和運(yùn)行期的安全分析評(píng)價(jià)，也極大地提高了前期勘察的成本，因此，有效查明工程地質(zhì)情況的重要性不言而喻。

獲取工程場(chǎng)地的覆蓋層厚度和地下巖體完整性參數(shù)是水利水電工程勘察的重要問(wèn)題之一，直流電阻率法、大地電磁法、地震折射法和面波法是工程地質(zhì)勘察常用的物探方法。在某些地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域，如上覆鐵帽地層的存在，致使地表含水率低、導(dǎo)電性差，直流電阻率探測(cè)技術(shù)在此地層探測(cè)中應(yīng)用受到極大的限制；電磁類方法由于其頻率較低，對(duì)地層分辨能力較差；常規(guī)地震折射方法受到震源的限制，也無(wú)法有效地解決深厚覆蓋層厚度等問(wèn)題。

近幾十年來(lái)，隨著地球物理探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，瑞利面波(以下簡(jiǎn)稱面波)憑借其快速、經(jīng)濟(jì)、易激發(fā)和受場(chǎng)地條件限制小等優(yōu)點(diǎn)，迅速成為工程地質(zhì)勘察中一種常用的工程物探技術(shù)[1]。面波法主要分被動(dòng)源面波法和主動(dòng)源面波法兩大分支[2]，主動(dòng)源面波勘探受制于震源的影響，其探測(cè)深度一般在30 m范圍之內(nèi)；而被動(dòng)源面波法探測(cè)深度較深，但其具有采集時(shí)間較長(zhǎng)、勘探效率低等缺陷[3]。

被動(dòng)源和主動(dòng)源面波法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，將二者優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合的面波勘探方法在近幾年才出現(xiàn)。王振東[4]于1998年提出有機(jī)結(jié)合被動(dòng)源和主動(dòng)源面波法進(jìn)行勘探的方法，使其優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。Park C B等[5]用實(shí)例證實(shí)了聯(lián)合勘探法能有效地增加探測(cè)深度和提高頻散數(shù)據(jù)精度。姜文龍等[6]研究證實(shí)了人為場(chǎng)源補(bǔ)償之后的天然源面波有效信號(hào)更為豐富，整個(gè)頻散譜趨于收斂，連續(xù)性變得更好，尤其是和淺層相關(guān)的高頻信息。席超強(qiáng)等[7]采用偽隨機(jī)震源作為面波數(shù)據(jù)采集的信號(hào)源，彌補(bǔ)了人工源面波法有效勘探深度不足，也解決了天然源面波法采集時(shí)間長(zhǎng)、勘探效率低的缺點(diǎn)。

筆者以復(fù)雜地質(zhì)問(wèn)題入手，通過(guò)對(duì)比分析不同物探方法的應(yīng)用效果，重點(diǎn)對(duì)采用場(chǎng)源補(bǔ)償情況下的大深度面波勘探技術(shù)在解決復(fù)雜地質(zhì)問(wèn)題中能力問(wèn)題進(jìn)行了研究。

1 場(chǎng)源補(bǔ)償情況下的面波可靠性分析

人工源面波勘探的基本原理是通過(guò)震源(錘擊、落重等)激發(fā)地震波，根據(jù)地震波波場(chǎng)中不同頻率面波傳播的速度來(lái)確定地層的速度分布，推斷地下構(gòu)造的性質(zhì)、部位和埋深[8]。

圖1所示，在激發(fā)面波后，面波沿著一定方向傳播，通過(guò)在固定方向布置檢波器來(lái)采集激發(fā)的面波信號(hào)。由于不同頻率的面波傳播深度的不同，所以不同的頻率可以帶來(lái)不同深度的速度信息。通過(guò)傅里葉分析等方式可提取面波中不同頻率的速度，進(jìn)而得到一個(gè)面波記錄在不同深度中的速度信息[9]。

圖1 面波勘探原理示意Fig.1 Schematic diagram of surface wave exploration principle

如圖1所示，無(wú)論人工源或者天然源面波，其實(shí)質(zhì)是一種直達(dá)波。在震源激發(fā)后，面波以震源為中心產(chǎn)生的是一個(gè)柱面波，通過(guò)兩個(gè)檢波器之間的相位差，則可有效獲取不同頻率在兩個(gè)檢波器之間的傳播時(shí)間，并結(jié)合兩個(gè)檢波器的距離計(jì)算相關(guān)的地層波速。

兩個(gè)檢波器觀測(cè)到不同頻率波長(zhǎng)的相位差可以利用互相關(guān)方式計(jì)算，如式(1)所示：

φ(r,ω)=cor(d1,d2) 。

(1)

在平面狀態(tài)下，面波的傳播可認(rèn)為是直射線，如圖2所示。在平面方向布置檢波器R1、R2等接收面波信號(hào)。根據(jù)面波傳播的理論，其檢波器布置應(yīng)該與面波傳播方向一致，即應(yīng)在S1面波傳播方向布置，然后分別在不同頻率計(jì)算兩道信號(hào)之間的相位差Δt1，不同頻率面波的相速度V1=L/Δt1。

圖2 面波傳播方向分析Fig.2 Analysis of Surface wave propagation direction

由于采用被動(dòng)源面波分析，所以面波傳播方向復(fù)雜。當(dāng)與測(cè)線方向呈一定角度的S2面波傳播到R1與R2時(shí)，計(jì)算可得R1、R2之間的相位差為Δt2，按照式(1)所示，面波相速度V2=L/Δt2。在同等地層速度下，Δt2是大于Δt1的，由于面波屬于柱面波，在平面上呈同心圓傳播，因此根據(jù)波實(shí)際傳播的路徑，實(shí)際速度V2′=L′/Δt2=L×cosα/Δt2。而理論上從S3方向傳播的信號(hào)獲取的相位差將會(huì)是0，即S3方向獲取的速度將是無(wú)窮大。綜上可得：

V1?V2?V3=∞ 。

(2)

因此，在被動(dòng)源面波分析中，最小的速度為最接近真實(shí)地層的速度。

為了獲取不同方向面波傳播特征，面波需布置為三角形狀等其他形狀，對(duì)各個(gè)方向的面波速度進(jìn)行疊加，由于真實(shí)地層速度只有一個(gè)，而錯(cuò)誤的地層速度隨機(jī)分布，在頻散譜的疊加中，其他錯(cuò)誤方向的能量將被壓制，以突出真實(shí)速度。而場(chǎng)源補(bǔ)償?shù)姆绞剑纯紤]觀測(cè)系統(tǒng)的布置，有效地對(duì)信號(hào)主傳播方向的能量進(jìn)行補(bǔ)償，以壓制其他錯(cuò)誤方向的信號(hào)傳播，從而增加信號(hào)信噪比，提高觀測(cè)精度。

圖3和圖4所示為同一測(cè)點(diǎn)未做補(bǔ)償和進(jìn)行補(bǔ)償后的頻散曲線對(duì)比。結(jié)合式(2)分析，最小的速度才是最接近地層的真實(shí)速度。由于未進(jìn)行場(chǎng)源補(bǔ)償?shù)那闆r下，被動(dòng)源中的面波傳播方向不固定，因此在其觀測(cè)速度很可能比實(shí)際速度是偏大的，這也導(dǎo)致了獲得的深度等均與實(shí)際有較大偏差。在進(jìn)行場(chǎng)源補(bǔ)償后，相關(guān)頻散譜也獲得收斂，速度也變小，表明其速度分析精度更高。后期驗(yàn)證數(shù)據(jù)表明，其測(cè)量波速與實(shí)際波速接近，即在進(jìn)行場(chǎng)源補(bǔ)償后，信號(hào)的信噪比和速度精度將極大提高。

圖3 未做場(chǎng)源補(bǔ)償情況下的頻散曲線Fig.3 Dispersion curve without field source compensation

a—頻散譜;b—頻散曲線a—dispersion spectrum;b—dispersion curve圖4 場(chǎng)源補(bǔ)償情況下的頻散分析Fig.4 Dispersion analysis under field source compensation

結(jié)合上述理論，本文將重點(diǎn)針對(duì)面波在復(fù)雜地質(zhì)條件下與各方法的應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比分析。

2 在鐵帽覆蓋區(qū)的應(yīng)用

某水利工程壩址區(qū)，下伏基巖主要為輝綠巖，上覆地層為非均勻介質(zhì)的第四系松散層，其主要由紅褐色細(xì)砂、粉質(zhì)黏土及磨圓度高的巖石和鐵角礫巖細(xì)礫組成，厚度約10～40 m不等，兩岸山坡頂部地表有一層厚度約1～2 m的鐵帽層。由于表層鐵帽主要呈現(xiàn)為導(dǎo)電性差和波速高等特征，因此鐵帽的存在成了制約電法探測(cè)技術(shù)在本工程進(jìn)行勘察工作的一大難題。

圖5為現(xiàn)場(chǎng)采集的高密度電阻率法數(shù)據(jù)成果圖。由于右岸山坡頂部為鐵帽覆蓋區(qū)域，其含水率低、導(dǎo)電性差，相當(dāng)于一高阻屏蔽體，導(dǎo)致相關(guān)電流無(wú)法有效向下傳播，在坡頂部形成 “上高下低”的電阻率分布；而在無(wú)鐵帽覆蓋的斜坡上，則對(duì)覆蓋層厚度有一定反映。

為了消除電法的“高阻屏蔽”效應(yīng)，另采用面波方法對(duì)覆蓋層進(jìn)行探測(cè)。由于瞬態(tài)面波探測(cè)技術(shù)在探測(cè)深度上有一定限制，而天然源面波在工作效率及現(xiàn)場(chǎng)工作場(chǎng)地需求方面要求較高，常規(guī)擬線性排列獲取波速的精度存在一定問(wèn)題。因此，對(duì)面波探測(cè)進(jìn)行人工場(chǎng)源補(bǔ)償，可極大提高探測(cè)精度和工作效率，同時(shí)探測(cè)深度也將獲得極大的保障。

圖5 高密度電阻率剖面Fig.5 High-density resistivity profile

如前文圖4所示即為本測(cè)區(qū)壩軸線右岸河床段面波勘探側(cè)線上鉆孔附近測(cè)點(diǎn)經(jīng)場(chǎng)源補(bǔ)償后的面波探測(cè)結(jié)果。上部第四系松散層主要為紅褐色細(xì)砂、黏土及磨圓度高的巖石和鐵角礫巖細(xì)礫組成，以連續(xù)分布為特點(diǎn)，下部為強(qiáng)～弱風(fēng)化的輝綠巖。經(jīng)與已知鉆孔對(duì)比，第四系松散層及全風(fēng)化輝綠巖面波波速在320 m/s以下，強(qiáng)—弱風(fēng)化程度的輝綠巖面波波速在320 m/s以上，并以此原則判定覆蓋層與下伏基巖的分界面。

圖6為面波探測(cè)成果。在場(chǎng)源補(bǔ)償情況下，面波探測(cè)有效解釋深度約為60 m，自地表往下，面波波速隨深度增加逐漸增大。第一層為覆蓋層，在250～350 m樁號(hào)位置，頂部顯示的即為鐵帽覆蓋層位置，面波波速在350～600 m/s之間，其他樁號(hào)區(qū)域主要為第四系松散層及全風(fēng)化輝綠巖，面波波速范圍在120～320 m/s之間；第二層為下伏基巖層，即強(qiáng)—弱風(fēng)化程度的輝綠巖，面波波速在320 m/s 以上。且與高密度電法相比，在鐵帽覆蓋區(qū)域，基于面波探測(cè)出的基巖深度呈增大趨勢(shì)，而常規(guī)電阻率探測(cè)方法，則無(wú)法有效地獲取該區(qū)域的覆蓋層深度。

圖6 面波波速剖面Fig.6 Surface wave velocity profile

3 在黏土覆蓋區(qū)的應(yīng)用

某水利工程壩址區(qū)覆蓋層主要為碎石土、壤土和黏土，下伏基巖為石灰?guī)r，區(qū)域內(nèi)有巖溶通道和斷層構(gòu)造存在。覆蓋層和溶洞、斷層破碎帶因密度低、含水率高等特點(diǎn)，呈現(xiàn)低波速和低阻的特征；完整基巖則呈現(xiàn)相對(duì)高波速和高電阻率的特點(diǎn)。因此上覆覆蓋層和下伏基巖之間，溶洞、斷層發(fā)育區(qū)與完整基巖之間這種明顯的物性差異，為探測(cè)覆蓋層厚度和地下巖體完整性提供了良好的地球物理前提。

結(jié)合探測(cè)目的，本次研究主要利用了高密度電阻率法、面波法和大地電磁方法進(jìn)行綜合研究分析。

圖7所示為測(cè)區(qū)內(nèi)高密度電法獲取的電阻率剖面。在0～110 m樁號(hào)范圍內(nèi)的地表覆蓋層為干黏性土，含水率低，電阻率相對(duì)較高，對(duì)直流電的向下傳播起到高阻屏蔽作用，無(wú)法有效識(shí)別覆蓋層厚度。雖然對(duì)于黏土覆蓋區(qū)域內(nèi)的巖溶通道有一定的低阻反映，但受制于地表高阻體屏蔽的影響，整體效果較差。

圖8所示的大地電磁探測(cè)成果圖，其有效探測(cè)深度約200 m。由于電磁法受高阻屏蔽較小，因此可一定程度上獲取深部信息。但是因其存在探測(cè)盲區(qū)，使得淺部50 m范圍內(nèi)有效信息很少。如圖所示，由于大地電磁法存在一定的探測(cè)盲區(qū)，因此無(wú)法有效識(shí)別覆蓋層厚度；對(duì)淺層存在的巖溶通道雖有一定的表征，但由于通道較淺，其反映并不強(qiáng)烈；而對(duì)于區(qū)域內(nèi)較深部位存在的構(gòu)造，則表征出明顯的低阻異常，可有效地圈定斷層的位置與傾向。

圖9所示的面波成果，在采用場(chǎng)源補(bǔ)償?shù)那闆r下，其有效探測(cè)深度約70 m。由于覆蓋層和下伏基巖之間，溶洞、斷層發(fā)育區(qū)與完整基巖之間的波速存在較大差異，因此根據(jù)此特點(diǎn)便可有效分辨出覆蓋層厚度和下伏基巖中存在的巖溶通道及斷層分布。如圖所示，根據(jù)面波速度變化梯度，設(shè)置260 m/s波速為覆蓋層與下伏基巖的交界面，且其探測(cè)深度與兩端已存在的鉆孔揭示深度相一致；對(duì)于50 m樁號(hào)位置的巖溶通道具有良好的反映，且這種橫向的分辨能力明顯優(yōu)于高密度電阻率法和大地電磁法；在探測(cè)深度范圍內(nèi)其對(duì)較深部位存在的斷層也有一定反映，且其傾向與大地電磁探測(cè)出的結(jié)果相對(duì)一致。綜合面波探測(cè)成果與大地電磁成果，可有效地解決覆蓋層厚度、巖溶通道及斷層破碎帶等地質(zhì)問(wèn)題。

圖7 高密度電阻率剖面Fig.7 High-density resistivity profile

圖8 大地電磁探測(cè)成果Fig.8 Magnetotelluric exploration results

圖9 面波探測(cè)成果Fig.9 Surface wave detection results

4 結(jié)論

綜合上述分析，對(duì)于一些復(fù)雜的地質(zhì)情況，傳統(tǒng)的直流電法應(yīng)用能力受到了極大的限制，尤其在鐵帽等高阻屏蔽區(qū)域，常規(guī)電法探測(cè)技術(shù)由于高阻屏蔽效應(yīng)，導(dǎo)致相關(guān)電流無(wú)法有效向下傳播，探測(cè)效果較差；大地電磁等方法由于其探測(cè)盲區(qū)的限制，淺層探測(cè)效果不佳，這也是其方法本身所不可避免的。

由于波速具有穩(wěn)定性好、受外界干擾小等因素，在采用了場(chǎng)源補(bǔ)償情況下的面波探測(cè)技術(shù)，其探測(cè)深度、精度均有一定程度的提高，可有效地解決70 m范圍內(nèi)的地質(zhì)問(wèn)題。在面對(duì)鐵帽等高速體存在的情況下，大深度的面波探測(cè)技術(shù)可有效地避免傳統(tǒng)瞬態(tài)面波陷入的高速屏蔽，獲取的地層信息更加豐富。