地球物理方法在球狀風(fēng)化體中的應(yīng)用

曾樹(shù)新

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510507）

1 基本概況與地球物理?xiàng)l件

1.1 地質(zhì)概況

某工地位于中山市，勘察外業(yè)鉆探時(shí)發(fā)現(xiàn)某區(qū)域孤石發(fā)育，最大孤石可達(dá)8 m。場(chǎng)地內(nèi)覆蓋土層為填土、黏性土和花崗巖殘積土，基巖為花崗巖。孤石為微風(fēng)化花崗巖，孤石下有全、強(qiáng)風(fēng)化層，全、強(qiáng)風(fēng)化層下為微風(fēng)化花崗巖。在現(xiàn)有鉆孔孔位的基礎(chǔ)上，利用跨孔彈性波CT、電磁波CT和管波探測(cè)3種探測(cè)方法在孔內(nèi)進(jìn)行探測(cè)。

1.2 地球物理?xiàng)l件

跨孔彈性波CT法的前提條件是場(chǎng)地內(nèi)各巖土層的密度和彈性波速度均有一定的差異。土層縱波波速Vp為1 500 m/s～2 500 m/s，全（強(qiáng)）風(fēng)化花崗巖縱波波速Vp為2 500 m/s～3 500 m/s，中（微）風(fēng)化花崗巖的縱波波速Vp為3 500 m/s～5 500 m/s。孤石為微風(fēng)化花崗巖，與土層、全（強(qiáng)）風(fēng)化巖存在明顯的波速差異。這種物性差異的存在，為使用跨孔彈性波CT法探查孤石提供了較好的物性條件，場(chǎng)地具備應(yīng)用跨孔彈性波CT法的地球物理?xiàng)l件[1]。

電磁波 CT 法的應(yīng)用與電磁波吸收系數(shù)與介質(zhì)的電阻率、磁導(dǎo)率、介電常數(shù)以及電導(dǎo)率的頻率有關(guān)。不同介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收存在差異。土層、全（強(qiáng)）風(fēng)化巖、中（微）風(fēng)化巖的電阻率、介電常數(shù)、電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率等均存在差異。當(dāng)電磁波穿過(guò)土層、全（強(qiáng)）風(fēng)化巖時(shí)，吸收系數(shù)就會(huì)表現(xiàn)為“高值”異常；當(dāng)電磁波穿過(guò)中（微）風(fēng)化巖時(shí)，吸收系數(shù)就會(huì)表現(xiàn)為“低值”異常[2]。場(chǎng)地具備應(yīng)用電磁波CT法的地球物理?xiàng)l件。

管波探測(cè)的前提條件是場(chǎng)地內(nèi)各巖土層的密度和彈性波速度均有一定的差異，即存在明顯的波阻抗差異。當(dāng)巖土層中存在明顯的波阻抗差異界面時(shí)，管波時(shí)間剖面中除存在明顯的直達(dá)波組外，還存在明顯的反射波組，即剖面中的傾斜波組。通過(guò)分析反射管波的波幅特征，探測(cè)波阻抗差異界面，來(lái)對(duì)界面的解釋，推斷孔旁地層情況[3]。場(chǎng)地具備應(yīng)用管波探測(cè)法的地球物理?xiàng)l件。

2 地球物理方法的選用

2.1 物探工作量

其中JC65-1～ JC65-4為探測(cè)區(qū)域橋墩位置的4個(gè)鉆孔，4個(gè)鉆孔的連線組成封閉的四邊形，在4個(gè)鉆孔中進(jìn)行3種物探方法的探測(cè)。這次物探采用的是跨孔彈性波CT法、電磁波CT法和管波探測(cè)法。完成工作量如下：1）跨孔彈性波CT法（1 m點(diǎn)距）：6對(duì)剖面，共計(jì)5 464個(gè)檢波炮點(diǎn)；2）、跨孔彈性波CT法（0.5 m點(diǎn)距）：6對(duì)剖面，15 456個(gè)檢波炮點(diǎn)；3）電磁波CT法（1 m點(diǎn)距）：6對(duì)剖面，3 403對(duì)射線；4）電磁波CT法（0.5 m點(diǎn)距）：6對(duì)剖面，13 379對(duì)射線；5）管波探測(cè)法：4孔，共計(jì)探測(cè)長(zhǎng)度103.4 m，點(diǎn)距0.1m，共計(jì)1 038個(gè)探測(cè)點(diǎn)。

2.2 跨孔彈性波CT

跨孔彈性波CT工作時(shí)將1個(gè)鉆孔作為發(fā)射孔，在發(fā)射孔中按一定間距（0.5 m或1.0 m）發(fā)射高頻彈性波。將另一個(gè)鉆孔作為接收孔，在接收孔中按一定間距（與發(fā)射點(diǎn)間距相同）接收彈性波。通過(guò)發(fā)射孔和接收孔之間交叉網(wǎng)狀的彈性波觀測(cè)走時(shí)射線，通過(guò)讀取各發(fā)射點(diǎn)發(fā)射到各接收點(diǎn)的彈性波（聲波）初至走時(shí)的數(shù)值，反演計(jì)算出2個(gè)鉆孔間的波速影像。通過(guò)波速影像結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，來(lái)說(shuō)明斷裂破碎帶的邊界和產(chǎn)狀、巖土分界面以及巖溶的邊界、產(chǎn)狀、發(fā)育與分布情況。

跨孔彈性波CT具有較高的勘探精度，通過(guò)采取必要的技術(shù)措施，勘探精度可達(dá)CT剖面跨孔間距的1/20～1/30 用分?jǐn)?shù)的形式表示。整個(gè)采集過(guò)程嚴(yán)格遵循相關(guān)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)的要求，每對(duì)孔的測(cè)試開(kāi)始前，根據(jù)2個(gè)鉆孔的地質(zhì)情況選擇基巖比較完整的鉆孔作為發(fā)射鉆孔，更能激發(fā)高頻彈性波，提高勘探精度。

該跨孔彈性波CT測(cè)量，采樣間隔為20.833 μs，記錄長(zhǎng)度為64 ms。濾波為低切280 Hz。每對(duì)剖面按點(diǎn)距0.5 m、1 m進(jìn)行了2次測(cè)量。

2.3 電磁波CT

電磁波CT 利用一定頻率的電磁波作為發(fā)射源，當(dāng)其掃描地下地質(zhì)體所取得的參數(shù)被接收機(jī)接收后，利用電磁波在不同介質(zhì)中吸收系數(shù)具有差異的特點(diǎn)，通過(guò)數(shù)學(xué)處理后，反演出介質(zhì)吸收系數(shù)的分布情況，從而得到地下地質(zhì)體的精細(xì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)差異圖像[4]。電磁波CT探測(cè)時(shí)，以1個(gè)鉆孔為發(fā)射孔，另1個(gè)鉆孔為接收孔。按固定間距設(shè)置激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)。對(duì)于每個(gè)激發(fā)點(diǎn)，接收孔內(nèi)都有對(duì)應(yīng)的接收點(diǎn)進(jìn)行接收。電磁波透射觀測(cè)系統(tǒng)示意圖與地震CT觀測(cè)系統(tǒng)示意圖類似。將發(fā)射天線放入發(fā)射孔底部（記下深度），同時(shí)將接收天線放入鉆孔底部。

設(shè)置儀器參數(shù)，儀器進(jìn)入采集狀態(tài)時(shí)，采集器采集信號(hào)后通知接收端技術(shù)人員將發(fā)射電纜往上提固定距離后，再使用采集器采集信號(hào)。循環(huán)此操作過(guò)程直至接收電纜至孔口位置。當(dāng)對(duì)應(yīng)同一個(gè)激發(fā)點(diǎn)的接收孔數(shù)據(jù)采集完成之后，發(fā)射天線上升到固定距離，接收天線依次從孔口按固定間隔下降至孔底并采集數(shù)據(jù)，重復(fù)上述步驟直到發(fā)現(xiàn)天線提至孔口，數(shù)據(jù)采集工作結(jié)束。

該電磁波CT法對(duì)每對(duì)剖面都按點(diǎn)距0.5 m、1 m進(jìn)行了2次測(cè)量。

2.4 管波探測(cè)

管波探測(cè)法一般采用自激自收觀測(cè)系統(tǒng)，其收發(fā)探頭間距0.6 m，測(cè)點(diǎn)間距為0.1 m，測(cè)試方式按從下向上進(jìn)行。野外數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，對(duì)采集的管波信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，所采集的波形要求圖質(zhì)清晰、波形正常，發(fā)現(xiàn)波形畸變立即進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)，2次觀測(cè)相對(duì)誤差小于2%。并填寫(xiě)好野外班報(bào)表。該工作采用14 J發(fā)射能量、采樣頻率50 kHz、前放增益1倍。

3 成果分析

3.1 跨孔彈性波CT

圖1、 圖2分別為JC65-1～JC65-2～JC65-4～JC65-3～JC65-1點(diǎn)距1 m、0.5 m時(shí)的反演波速影像圖。可以看出：覆蓋土層主要為素填土和粉質(zhì)黏土等?？缈讖椥圆–T剖面范圍內(nèi)覆蓋層總厚度為12.5 m～17.5 m，覆蓋土層波速為1 500 m/s～2 500 m/s；基巖面存在明顯起伏；孤石周邊為全（強(qiáng)）風(fēng)化巖，其縱波波速為2 000 m/s～3 500 m/s；孤石為微風(fēng)化花崗巖，其縱波波速為4 000 m/s～5 000 m/s；孤石在圖中表現(xiàn)為高速異常；點(diǎn)距0.5 m和點(diǎn)距1 m的彈性波CT成果反映的基巖埋深和孤石分布范圍基本吻合，但點(diǎn)距為0.5 m時(shí)，彈性波CT反映的孤石形態(tài)更清晰，對(duì)細(xì)節(jié)的反映更好。

圖1 1 m點(diǎn)距反演波速影像圖

圖2 0．5 m點(diǎn)距反演波速影像圖

相對(duì)于微風(fēng)化基巖，孤石波速較低，且波速分布不均，在波速映像圖中表現(xiàn)為出現(xiàn)條帶狀的顏色分布不均的區(qū)域，且分布較凌亂，孤石完整性相對(duì)于基巖較差，推測(cè)由節(jié)理裂隙發(fā)育引起。

3.2 電磁波CT

圖3、圖4 分別為JC65-1～JC65-2～JC65-4～JC65-3～JC65-1點(diǎn)距1 m、0.5 m時(shí)的反演吸收系數(shù)等值線圖。結(jié)論如下：電磁波CT吸收系數(shù)等值線圖中，基巖的吸收系數(shù)最低，為0～5 dB/m，分布在高程為-18 m以下的區(qū)域；孤石的電磁波系數(shù)相對(duì)較低，為4 dB/m～8 dB/m，分布在高程為-12 m～-16 m的區(qū)域，如圖中該區(qū)域兩側(cè)；土層、全強(qiáng)風(fēng)化巖的電磁波系數(shù)系數(shù)相對(duì)較高，為5 dB/m～10 dB/m，分布在高程為-12 m以上的區(qū)域；點(diǎn)距0.5 m和點(diǎn)距1 m的電磁波CT成果反映的基巖埋深和孤石分布范圍基本吻合，但點(diǎn)距0.5 mCT反映的巖面、孤石形態(tài)更清晰，對(duì)細(xì)節(jié)的反映更好。

圖3 1 m反演吸收系數(shù)等值線圖

圖4 0．5 m反演吸收系數(shù)等值線圖

與微風(fēng)化基巖相比，孤石吸收系數(shù)較高，且分布不均，在吸收系數(shù)等值線圖中表現(xiàn)為出現(xiàn)顏色深淺不一、凌亂且不均的區(qū)域，孤石的完整性比基巖差，推測(cè)由節(jié)理裂隙發(fā)育引起。

3.3 管波探測(cè)

管波探測(cè)法可有效查明孔內(nèi)直徑2 m范圍內(nèi)的孤石分布情況。管波探測(cè)結(jié)果如下：孤石表現(xiàn)為直達(dá)波能量強(qiáng)、存在振幅較小的傾斜反射波組或者無(wú)傾斜反射波組，解釋為節(jié)理裂隙發(fā)育段、完整基巖段；強(qiáng)風(fēng)化花崗巖表現(xiàn)為直達(dá)波能量弱、解釋為軟弱巖層；微風(fēng)化花崗巖表現(xiàn)為直達(dá)波能量強(qiáng)、存在振幅較小的傾斜反射波組、或無(wú)傾斜反射波組，解釋為完整基巖段。

對(duì)比鉆孔柱狀圖和管波成果，管波探測(cè)法具有更精細(xì)的分層能力。如JC65-3鉆孔標(biāo)高-14.99 m～-19.29 m段，鉆探揭露為“強(qiáng)風(fēng)化夾中風(fēng)化花崗巖：青灰色，粗粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石的節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖芯多呈碎塊狀、短柱狀，多為強(qiáng)風(fēng)化土狀，不均勻夾中微風(fēng)化巖芯，巖質(zhì)較硬，巖芯采取率約為10%”。管波成果將標(biāo)高-14.99 m～-15.39 m段解釋為軟弱巖層、標(biāo)高-15.39 m～-15.99 m段解釋節(jié)理裂隙發(fā)育段、標(biāo)高-15.99 m～-17.29 m段解釋為軟弱巖層、標(biāo)高-17.29 m～-18.09 m段解釋節(jié)理裂隙發(fā)育段、標(biāo)高-18.09 m～-19.29 m段解釋為軟弱巖層。管波探測(cè)法可有效查明薄夾層的分布。

4 結(jié)論與建議

4.1 探測(cè)方法對(duì)比

該物探采用的是跨孔彈性波CT法、電磁波CT法和管波探測(cè)法等物探方法查明了場(chǎng)地內(nèi)的巖面孤石分布情況?？缈讖椥圆–T能查明巖面埋深及起伏情況、孤石的分布范圍及形態(tài)；電磁波CT能查明基巖面埋深及其起伏情況，但是對(duì)孤石的反映較差；管波探測(cè)法可有效查明孔內(nèi)直徑2 m范圍內(nèi)的孤石分布情況。點(diǎn)距0.5 m比點(diǎn)距1 m的彈性波CT、電磁波CT反映的孤石形態(tài)更清晰，對(duì)細(xì)節(jié)的反映更好。綜合對(duì)比各物探方法，跨孔彈性波CT法和管波探測(cè)法對(duì)孤石的探測(cè)最有效。

4.2 場(chǎng)地結(jié)果劃分

場(chǎng)地內(nèi)全（強(qiáng)）風(fēng)化巖埋深約為12 m～18 m、標(biāo)高約為-6.5 m～-13 m，微風(fēng)化花崗巖埋深約為22 m～26 m、標(biāo)高約為-16.5 m～-21 m。場(chǎng)地孤石為微風(fēng)化花崗巖，在跨孔彈性波CT和電磁波CT剖面中分別表現(xiàn)為“地震波高波速”、“電磁波低吸收系數(shù)“特征。孤石的縱波波速為4 000 m/s～5 000 m/s、電磁波系數(shù)吸收為4 dB/m～8 dB/m。綜合各物探方法成果及鉆探資料，推斷孤石頂埋深約為12.5 m～17m、標(biāo)高約為-7 m～-12 m，孤石底埋深約為21 m～23 m，標(biāo)高約為-16 m～-18 m，孤石區(qū)厚度約為3 m～11 m。

4.3 建議

孤石下臥全（強(qiáng)）風(fēng)化巖，且孤石的完整性比微風(fēng)化基巖差。評(píng)估樁基持力層的安全性，建議以微風(fēng)化基巖作為樁基持力層進(jìn)行評(píng)估。