綜合物探方法在淺埋古河道調(diào)查中的應(yīng)用研究

張艷國(guó)，周永貴

(天津華北工程勘察設(shè)計(jì)有限公司,天津 300181)

1 引 言

淺埋古河道是指埋藏在地表下30～50 m以內(nèi)的河流殘存的古河流遺跡[1]。武清地處華北沖積平原下端，地勢(shì)平緩，自北、西、南向東南海河入海方向傾斜，河流密布；受氣候、古地理環(huán)境、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及海陸變遷的影響，晚更新世以來(lái)發(fā)育有各種規(guī)模的古河道[2]。

一般來(lái)說(shuō)，古河道沉積物成分復(fù)雜、均勻性差，內(nèi)部各沉積亞層空間發(fā)育變化大，強(qiáng)度、變形等特性差異明顯，易引發(fā)各種巖土工程問(wèn)題，如土層滑移、粉(砂)土液化、地面沉降、地裂縫等，對(duì)城市規(guī)劃、工程勘察、巖土設(shè)計(jì)、工程施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)影響巨大[3]。為此，在工程建設(shè)前需要進(jìn)行必要的地質(zhì)調(diào)查來(lái)規(guī)避古河道帶來(lái)的工程風(fēng)險(xiǎn)。

近年來(lái)，隨著地球物理勘查方法技術(shù)在工程勘察中的廣泛應(yīng)用[4，5]，付新建等[6]、李煥春[7]、李茂等[8]、趙艷霞等[9]應(yīng)用物探技術(shù)對(duì)古河道進(jìn)行探測(cè)，并取得了很好的效果。

2 路線調(diào)查及剖面布設(shè)

天津市武清區(qū)地處華北沖積平原下端，地勢(shì)平緩，自北、西、南向東南海河入海方向傾斜，區(qū)內(nèi)古河道主要是永定河水系變遷，河流改道而遺留下來(lái)的地貌體，永定河曾經(jīng)歷了由北向南的數(shù)次擺動(dòng)，古河道具有放射多分支河道的分布格局。試驗(yàn)區(qū)地表基本已完全被人類生產(chǎn)生活改造，古河道地表遺留很難觀察到，在部分溝壁上見黏土—亞砂土—砂互層，顯示區(qū)域存在古河道活動(dòng)遺跡(圖1)，宏觀上看，地表沉積顆粒物顏色、粒度呈現(xiàn)一定變化。

圖1 地表溝壑黏土-亞砂土-砂互層Fig.1 Interbedding of clay, sandy loam and sand in landmark gully

結(jié)合前人資料及遙感解譯成果[10]，通過(guò)路線地質(zhì)調(diào)查，確認(rèn)物探工作施工環(huán)境受干擾較小、條件較好的地區(qū)為大良鎮(zhèn)劉家務(wù)村南區(qū)域。本次布設(shè)的綜合物探試驗(yàn)剖面方向與遙感解譯的古河道走向垂直，為東西方向，剖面長(zhǎng)1 000 m。

3 試驗(yàn)區(qū)巖(土)層物性特征

3.1 密度特征

巖石密度統(tǒng)計(jì)資料數(shù)據(jù)(表1)顯示，試驗(yàn)區(qū)第四系淺層地層之間存在著一定的密度差異，表層土密度一般在1.1～2.0 g/cm3之間，黏土層密度一般在1.5～2.2 g/cm3之間，而河道的沉積結(jié)構(gòu)特征為上層為粉細(xì)砂、下層為厚重砂體的兩層結(jié)構(gòu)，與表土和黏土相比，砂層一般具有較高的密度值。

表1 試驗(yàn)區(qū)巖(土)密度

3.2 電性特征

根據(jù)第四系巖性電阻率參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)，不同巖性之間存在著較明顯的電阻率差異，砂質(zhì)黏土、黏質(zhì)沙土電阻率值一般在30～50 Ω·m之間，隨著砂質(zhì)層顆粒的變化，其電阻率值亦逐漸增大，砂層與表層土以及黏土存在著明顯的電阻率差異，并且其含水條件亦對(duì)其電阻率有著明顯的影響。由于古河道砂體組成一般比其他成因的粗，所以古河道地層電性一般呈相對(duì)高電阻反映。因此，淺埋古河道的電性特征與第四系沉積均勻地層之間呈現(xiàn)明顯的電阻率差異，又因其具有飽含淺層地下水的特征，一般具有較高充電率的特征。

表2 場(chǎng)地巖(土)層電阻率特征值

4 物探方法選擇與效果分析

通過(guò)分析研究試驗(yàn)區(qū)不同巖性之間的物性特征差異，確定細(xì)砂及粉細(xì)砂所呈現(xiàn)的高阻特征，為探測(cè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)古河道空間分布提供了依據(jù)。所以理論上講，在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)開展微重力測(cè)量、高密度電阻率法可達(dá)到快速識(shí)別古河道空間分布特征的目的。

4.1 微重力剖面測(cè)量

本次工作開始前，對(duì)所投入的重力儀進(jìn)行了性能調(diào)試以保證滿足工作要求，重力剖面測(cè)量點(diǎn)距為5 m，采用CG-5型重力儀進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集。用獲取的經(jīng)各項(xiàng)改正后的剖面測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算布格重力異常，并對(duì)布格重力異常求取剩余異常以獲取淺部地質(zhì)體異常信息。

通過(guò)對(duì)重力剖面求取布格重力上延50 m剩余異常成圖后發(fā)現(xiàn)，布格重力異常西低東高，并呈現(xiàn)逐級(jí)升高的變化特征，這與試驗(yàn)區(qū)第四系地層的重力場(chǎng)特征有關(guān)。在局部地段270～600號(hào)點(diǎn)之間，布格重力異常較高，與高密度電阻率斷面顯示的中間高阻層規(guī)模變化較為一致(圖2b)，為古河道的反映。重力異常梯度變化帶與高密度電阻率反演斷面高阻異常帶邊界較為一致，微重力剖面反映的局部異常與遙感解譯推斷的古河道中心河道對(duì)應(yīng)較好。在其他地段，如75～150號(hào)點(diǎn)之間，重力異常表現(xiàn)為呈一定梯度變化的重力高異常，結(jié)合高密度電阻率法反演斷面，推測(cè)為規(guī)模較小的不均勻地質(zhì)體所致，應(yīng)為河漫灘的反映。

4.2 高密度電阻率法測(cè)量

高密度電阻率法測(cè)量采集裝置采用溫納α裝置[11-20]，單排列最大電極數(shù)為120，點(diǎn)距為5 m，采集層數(shù)為20層。沿測(cè)線按照敷設(shè)好的測(cè)點(diǎn)逐點(diǎn)布設(shè)好電極和相關(guān)電纜線后，按照上述參數(shù)設(shè)置工作參數(shù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集過(guò)程中實(shí)時(shí)關(guān)注數(shù)據(jù)質(zhì)量，并采取相應(yīng)措施，確保野外數(shù)據(jù)采集真實(shí)可靠。

根據(jù)對(duì)剖面獲取的高密度電法采集數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯并反演成圖后發(fā)現(xiàn)，工區(qū)淺層電性層狀特征明顯(圖2c)。 淺部電阻率值較低，一般在15 Ω·m以下，且局部具有分布不均勻特征，推斷為淺層人工耕植土和亞黏土的反映，表明該層位為受洪泛平原沖積影響而形成的洪泛平原相。中部電阻率值較高，一般在20～50 Ω·m之間變化，伴有厚度不均勻變化特征，且該電性層自西至東表現(xiàn)為西部規(guī)模較小，小范圍分布，中部規(guī)模較大，分布比較連續(xù)，最東部規(guī)模及范圍又縮小的特征，推測(cè)為粉細(xì)砂、細(xì)砂，在測(cè)線230～650號(hào)點(diǎn)之間，電阻率值較高，且分布范圍較大，表明砂體厚度大，連續(xù)性好，與淺埋古河道的中心河道位置區(qū)域吻合，而兩側(cè)不連續(xù)分布地段應(yīng)為淺埋古河道的分支河道或河漫灘反映。該層位主要為受河流沖積而形成的古河道；深部電阻率較低，一般小于15 Ω·m，推測(cè)為亞黏土或亞砂土，局部電阻率值較低，電阻率值小于10 Ω·m，推測(cè)為黏土，該層位主要為濱湖、淺湖相交互沉積。

圖2 試驗(yàn)剖面綜合物探成果Fig.2 Test profile of comprehensive geophysical prospecting results

4.3 視電阻率剖面測(cè)量

本次視電阻率測(cè)量，發(fā)送機(jī)供電方式為雙向短脈沖，供電時(shí)間2 s，占空比1∶1；接收機(jī)參數(shù)設(shè)置為斷電延時(shí)100 ms，供電時(shí)間2 s，取兩次讀數(shù)的平均值作為最后觀測(cè)值。供電極距AB=300 m，測(cè)量極距MN=10 m，測(cè)量點(diǎn)距5 m。

從視電阻率剖面測(cè)量曲線來(lái)看(圖2a)，視電阻率值一般在5～15 Ω·m之間變化，顯示了淺層地下土質(zhì)的低電阻特征。剖面整體電性特征規(guī)律性不太明顯，在高密度電阻率法300～650號(hào)點(diǎn)高阻異常地段，視電阻率剖面曲線跳動(dòng)較大，無(wú)明顯高阻異常顯示，反映了視電阻率剖面在此淺層介質(zhì)中沒(méi)有明顯異常顯示，說(shuō)明利用視電阻率剖面測(cè)量對(duì)淺層土層及砂層反映特征不清晰，沒(méi)有取得較好的試驗(yàn)效果。

4.4 鉆孔驗(yàn)證與綜合分析

在資料收集和前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合綜合物探勘查結(jié)果，研究分析后認(rèn)為，在綜合物探剖面300～600 m之間存在淺埋古河道，并在400 m處布設(shè)鉆孔ZK-1進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)鉆孔揭示，在深度3.2～13.2 m之間鉆遇粉砂、粉細(xì)砂及細(xì)砂(圖3)，層厚10 m。砂體埋深及厚度與高密度電阻率反演成果圖所圈定的高阻異常較為吻合。

圖3 鉆孔ZK-1所見細(xì)砂Fig.3 Fine sand seen in the ZK-1 borehole

探測(cè)效果表明，利用微重力剖面測(cè)量中的高重力異常和梯度變化帶，可對(duì)淺埋古河道的富集砂體進(jìn)行有效識(shí)別；利用高密度電阻率法反映的高阻電性異?？蓪?duì)淺埋古河道進(jìn)行識(shí)別和劃分；然而，視電阻率剖面電性特征不明顯，規(guī)律性較差，大致反映了淺層電性層的不均勻電性特征。

5 結(jié) 論

在武清地區(qū)的淺埋古河道調(diào)查中，根據(jù)淺埋古河道與第四系沉積均勻地層之間的電性特征差異，利用高密度電阻率法反映的高阻電性異?？蓪?duì)淺埋古河道進(jìn)行識(shí)別和劃分；根據(jù)淺埋古河道上層為粉細(xì)砂下層為厚重砂體的層狀沉積結(jié)構(gòu)特征，且砂層密度相對(duì)較高的物性特征，利用微重力剖面測(cè)量中的高重力異?？蓪?duì)淺埋古河道的富集砂體進(jìn)行有效識(shí)別。綜合研究表明，通過(guò)微重力剖面和高密度電阻率法測(cè)量，重力異常梯度變化帶與高密度電阻率反演斷面高阻異常帶邊界較為一致，對(duì)淺埋古河道的探測(cè)效果較好。