綜合物探方法在地質(zhì)遺跡開發(fā)中的應(yīng)用

任衛(wèi)波

綜合物探方法在地質(zhì)遺跡開發(fā)中的應(yīng)用

任衛(wèi)波

（廣東地下管網(wǎng)工程勘測公司，廣州 510080）

本項(xiàng)目為歷史遺址勘察工程，主要任務(wù)是利用專業(yè)物探設(shè)備對某古采石場遺址進(jìn)行地質(zhì)勘察，調(diào)查某古采石場采掘歷史、礦業(yè)遺跡類型與分布，查明該古采石場遺址地質(zhì)環(huán)境條件和地下采石坑、采石礦洞等空間分布、埋深及規(guī)模，為后期古采石場遺址的日常維護(hù)和開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

高密度電阻率；地震映像；地質(zhì)雷達(dá)；地質(zhì)遺跡

本次勘察工作的古采石場遺址位于東江南岸丘陵中段，東江南岸丘陵東起石排鎮(zhèn)橫山村下寶潭自然村北，西至茶山鎮(zhèn)京山村，長約8km，寬約0.3～0.5km，海拔高度20～50m，NEE-SWW走向，組成巖石為第三紀(jì)棕紅色細(xì)砂質(zhì)粉砂巖，間夾有少量梭角狀礫石，結(jié)構(gòu)緊密，硬度大。遺址處于此丘陵石排鎮(zhèn)，海拔40m以上，主峰高山城達(dá)51.8m。本項(xiàng)目為歷史遺址勘察工程，主要目的是利用專業(yè)物探設(shè)備對古采石場遺址進(jìn)行綜合地質(zhì)勘察，通過綜合物探方法（高密度電法、地震映像法、地質(zhì)雷達(dá)法等）查明古采石場遺址地質(zhì)條件和地下舊采石坑的空間分布、埋深及規(guī)模，并對整個(gè)區(qū)域已回填采石坑分布情況進(jìn)行評價(jià)，為后期燕嶺古采石場遺址的日常維護(hù)和開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 高密度電阻率法

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，也稱自動電阻率系統(tǒng)，是直流電法的發(fā)展，其功能相當(dāng)于四極測深與電剖面法的結(jié)合。通過電極向地下供電形成人工電場，其電場的分布與地下巖土介質(zhì)的電阻率ρs的分布密切相關(guān)，通過對地表不同電極位置人工電場的測量，得到地下介質(zhì)視電阻率ρs的數(shù)值，根據(jù)巖土介質(zhì)視電阻率的分布推斷解釋地下地質(zhì)體結(jié)構(gòu)（曾琳等，2021；高樹全等，2021；蔡勤波等，2021）。

2 地震映像法

地震映像法是利用人工激發(fā)地震波在巖土介質(zhì)中的傳播規(guī)律，探測淺部地質(zhì)構(gòu)造或測定巖土物理力學(xué)參數(shù)、進(jìn)行物性分層、尋找構(gòu)造、破碎帶等低速區(qū)的一種較成熟的地球物理勘探方法。地震反射波法是國內(nèi)外公認(rèn)的具有較高精度的一種物探方法（梁志宇和張玉池，2021；占文鋒等，2015）。

3 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法是一種以探測被測體內(nèi)部不同介質(zhì)的介電常數(shù)差異為基礎(chǔ)的勘探方法，它通過發(fā)射天線向被測體內(nèi)部發(fā)射高頻電磁波脈沖，此脈沖在向被測體內(nèi)部傳播過程中遇到介質(zhì)的介電常數(shù)變化的界面時(shí)會產(chǎn)生反射，反射波傳播回表面后被接收天線所接收，并將其傳入主機(jī)進(jìn)行記錄和顯示，再經(jīng)過資料的后處理，進(jìn)行反演解釋便可得到被測體內(nèi)部不同介質(zhì)的分布情況及介電常數(shù)變化面的深度位置等參數(shù)（張宗輝和喻璀璨，2020；孟慶旺，2020；陳挺等，2022）。

4 數(shù)據(jù)采集

4.1 測線布置

本次勘察工作共布置高密度電法測線15條，測線剖面總長3353m，測點(diǎn)距為3m，測點(diǎn)1151個(gè)；地質(zhì)雷達(dá)測線48條，測線剖面總長4596m，測點(diǎn)距為0.5m，測點(diǎn)11486個(gè)；地震映像法測線35條，測線剖面總長2696m，測點(diǎn)距為1m，測點(diǎn)2696個(gè)。部分物探測線平面布置示意圖（圖1）。

圖1 部分物探測線布置布置示意圖

4.2 儀器設(shè)備

設(shè)備投入只要有DUK-3A型高密度電法儀、美國產(chǎn)Geode 24高分辨地震儀、加拿大產(chǎn)EKKO-PRO型地質(zhì)雷達(dá)及配套100MHz天線。

4.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

4.3.1 高密度電阻率法

通過方法試驗(yàn)工作，確定了本次高密度電法的工作參數(shù)：對稱四極測深裝置，電極距3m，電極數(shù)60個(gè)，最小隔離系數(shù)n=1，最大隔離系數(shù)n=22，供電時(shí)間t=0.5s。

4.3.2 地震映像法

通過方法試驗(yàn)工作，確定本次地震映像法的工作參數(shù)為：最佳偏移距為20m，單道接受，采樣間隔0.125ms，時(shí)窗256ms，18磅錘擊震源。

4.3.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法采用100MHz天線連續(xù)掃描的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,測點(diǎn)距為0.5m。本次地質(zhì)雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)圖像信噪比較高，同相軸連續(xù)性好，圖像信息豐富。

5 數(shù)據(jù)處理及典型圖像分析

5.1 高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理及典型圖像分析

處理步驟為：數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換→壞點(diǎn)數(shù)據(jù)剔除→數(shù)據(jù)濾波處理→測點(diǎn)高程輸入→生成視電阻率剖面圖→物探解釋→地質(zhì)解釋剖面輸出。

舊采石坑內(nèi)一般為回填的雜填土（松散、稍濕、含水），其在視電阻率剖面圖上異常特征主要為淺部局部低阻異常，一般為長方形狀、橢球狀異常等，且等值線間隔較密，城一定規(guī)模，其下部為基巖，電阻率較高，且等值線間隔較疏（任衛(wèi)波，2021；張湘桂等，2021）。

如圖2可知，測線DF2里程坐標(biāo)70～95m、埋深0～7m處呈現(xiàn)示長方形狀低阻異常，推測該區(qū)域?yàn)橐慌f采石坑；里程坐標(biāo)125～184m、埋深0～10m處整體呈現(xiàn)示長方形狀低阻異常，里程坐標(biāo)145m有中阻異常體，推測該區(qū)域?yàn)橐慌f采石坑，里程坐標(biāo)145m處為房室采坑之間的“房墻”的反映；里程坐標(biāo)215～264m、埋深0～12m處整體呈現(xiàn)示長方形狀低阻異常，局部橢球狀封閉低阻異常，現(xiàn)場地表有水，水深不均一，最深約1m,推測該區(qū)域?yàn)橐慌f采石坑；里程坐標(biāo)274～315m，埋深0～10m處整體呈現(xiàn)示長方形狀低阻異常，現(xiàn)場地表有淺水坑，深度不均一，最深約1m，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)和地震映像數(shù)據(jù)分析，該處異常為地表水干擾。

圖2 DF2線視電阻率剖面示意圖

5.2 地震映像法數(shù)據(jù)處理及典型圖像分析

處理步驟為：抽道→坐標(biāo)參數(shù)編輯→預(yù)處理→能量均衡→頻率濾波→時(shí)深轉(zhuǎn)換。

舊采石坑內(nèi)一般為回填的雜填土（松散、稍濕、含水）：地震反射波組首波會出現(xiàn)振幅減弱、不連續(xù)，呈凌亂狀或彎曲狀，次波組或后續(xù)多波組同相軸出現(xiàn)平緩的“U”字型特征，，異常邊部主要出現(xiàn)同相軸局部不連續(xù)或錯(cuò)斷，異常內(nèi)部地震波能量、頻率變化不大、波組間隔自異常邊部至異常中心逐漸增大等異常特征。

如圖3可知，測線DF2里程坐標(biāo)76～95m、視窗0～38ms處呈現(xiàn)示反射波組異常，主要表現(xiàn)為首波組呈現(xiàn)下凹狀、推測該區(qū)域?yàn)橐慌f采石坑；里程坐標(biāo)125～184m、埋深視窗0～76ms處呈現(xiàn)示反射波組異常,首波會出現(xiàn)振幅減弱且不連續(xù)，局部呈凌亂狀，次波組及后續(xù)多波組同相軸出現(xiàn)平緩的“U”字型特征，異常體內(nèi)部出現(xiàn)同相軸局部不連續(xù)及錯(cuò)斷，波組間隔自異常邊部至異常中心逐漸增大等異常特征，推測為一舊采石坑，且埋深出現(xiàn)階梯特征，內(nèi)部有碎石塊；里程坐標(biāo)125～184m、埋深視窗0～74ms處呈現(xiàn)示反射波組異常,首波會出現(xiàn)振幅減弱且不連續(xù)，局部呈凌亂狀，次波組及后續(xù)多波組同相軸出現(xiàn)平緩的“U”字型特征，異常體內(nèi)部出現(xiàn)同相軸局部不連續(xù)及錯(cuò)斷，推測為一舊采石坑，內(nèi)部有碎石塊。

圖3 DF2線地震映像實(shí)測波形圖

5.3 地質(zhì)雷達(dá)法數(shù)據(jù)處理及典型圖像分析

地質(zhì)雷達(dá)資料采用與儀器配套的后處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理步驟為：振幅調(diào)整→頻譜分析→垂直濾波試驗(yàn)與水平濾波試驗(yàn)→反褶積試驗(yàn)和偏移試驗(yàn)等。

舊采石坑內(nèi)一般為回填的雜填土（松散、稍濕、含水）,其介質(zhì)不均一，雷達(dá)電磁波會發(fā)生衍射、反射等，其信號較為雜亂，同相軸連續(xù)性差，振幅變化較大。

圖4 DF2線地質(zhì)雷達(dá)實(shí)測剖面圖

如圖4可知，測線DF2上橫向位置225～265m，縱向深度0～5m位置處雷達(dá)電磁波信號出現(xiàn)同相軸不連續(xù)、波形呈現(xiàn)出下凹狀，電磁波能量逐漸衰減變?nèi)?，推測該異常為舊采石坑填埋區(qū)。

如圖4可知，測線DF2里程坐標(biāo)216～264m、埋深0～5ms處雷達(dá)電磁波信號出現(xiàn)同相軸不連續(xù)、波形呈現(xiàn)出下凹狀，電磁波能量逐漸衰減變?nèi)?，推測該異常為舊采石坑填埋區(qū)。

5.4 綜合圖像分析

圖5 物探綜合地質(zhì)解釋剖面圖

在測線DF2進(jìn)行三種物探方法的探測，三種方法相互補(bǔ)充驗(yàn)證。由圖2可知，測線DF2里程坐標(biāo)70～95m處高密度電法呈現(xiàn)示長方形狀低阻異常；地震映像反射波組異常，表現(xiàn)為首波組呈現(xiàn)下凹狀。里程坐標(biāo)125～184m處高密度電法呈現(xiàn)示長方形狀低阻異常且里程坐標(biāo)145m處為房室采坑之間的“房墻”的反映；地震映像反射波組呈現(xiàn)示反射波組異常,首波出現(xiàn)振幅減弱且不連續(xù)，局部呈凌亂狀，多波組同相軸出現(xiàn)平緩的“U”字型特征，局部成階梯狀。里程坐標(biāo)215～264m處高密度電法呈現(xiàn)呈現(xiàn)示長方形狀低阻異常，局部橢球狀封閉低阻異常；地震映像反射波組呈現(xiàn)示反射波組異常,首波出現(xiàn)振幅減弱且不連續(xù)，局部呈凌亂狀，多波組同相軸出現(xiàn)平緩的“U”字型特征，局部成階梯狀；雷達(dá)電磁波信號出現(xiàn)同相軸不連續(xù)、波形呈現(xiàn)出下凹狀，電磁波能量逐漸衰減變?nèi)?。綜合上述三種方法異常位置吻合度高，探測方法相互互補(bǔ)并相互驗(yàn)證，增加了探測的精準(zhǔn)度，預(yù)測的古遺跡回填區(qū)域內(nèi)古采石場采石方式為露天明采，以房式、階梯式為主。

5.4 三維建模

本項(xiàng)目共完成了高密度電法測線15條，地質(zhì)雷達(dá)測線48條及地震映像法測線35條。為了能夠更好地刻畫出地下舊采石坑等空間分布、埋深及規(guī)模，本項(xiàng)目運(yùn)用圖像識別技術(shù)對高密度電法反演結(jié)果、地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間剖面處理結(jié)果及地震映像時(shí)間剖面處理結(jié)果進(jìn)行模式識別，并結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù)，建立三維地下舊采石坑地質(zhì)解釋模型。具體流程及方法如下：

圖6 三維解釋模型示意圖

根據(jù)物探方法的類型，編寫相應(yīng)的圖像識別程序；

結(jié)合工區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征及地下舊采石坑的物性特征，設(shè)定模式識別的波速及視電阻率等與基巖的物性差異大小；

利用7個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)對圖像識別的處理過程進(jìn)行全程約束；

當(dāng)識別出地下舊采石坑異常后，對其進(jìn)行賦值；

對圖像識別出的地下舊采石坑異常進(jìn)行高密度的三維插值，并運(yùn)用三維成圖軟件建立三維解釋模型。

通過上述方法流程，獲得石排鎮(zhèn)紅石山燕嶺古采石場遺址公園推測舊采石坑異常區(qū)三維解釋模型（圖1）。中褐色塊體為圖像識別出的地下舊采石坑異常，能夠比較清晰地刻畫出目標(biāo)體的空間分布、埋深及規(guī)模。

本項(xiàng)目運(yùn)用圖像識別技術(shù)建立的三維地下舊采石坑地質(zhì)解釋模型與二維綜合地質(zhì)解釋結(jié)果具有較高的一致性。該地質(zhì)模型較好地反映出整個(gè)區(qū)域的采石坑分布情況，為設(shè)計(jì)施工提供基礎(chǔ)勘測資料，也為后期燕嶺古采石場遺址的日常維護(hù)和開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

6 結(jié)語

通過綜合物探資料解譯并結(jié)合場地內(nèi)地質(zhì)調(diào)查、鉆探驗(yàn)證及跟蹤實(shí)際開挖情況，得到以下結(jié)論：

本次綜合物探及地質(zhì)判別與實(shí)際遺址挖掘基本一致，同時(shí)物探判別工作，對遺址的挖掘工作提供良好的靶區(qū)。

為準(zhǔn)確探測古采石場回填采坑規(guī)模，采用綜合物探方法，探測方法相互互補(bǔ)并相互驗(yàn)證，增加了探測的精準(zhǔn)度，并良好預(yù)測古遺跡回填區(qū)域內(nèi)古采石場采石方式為露天明采，以房式、階梯式為主，未見有隆洞開采遺跡。

結(jié)合地質(zhì)調(diào)查及鉆探工作可知遺跡內(nèi)基巖為泥質(zhì)粉砂巖，巖體較完整，有利于石材開發(fā)，查明了古采石場遺址水文地質(zhì)條件和地表及地下采石坑、采石洞等三維空間分布、埋深及規(guī)模，提升了古采石場遺址日常管理和開發(fā)能力建設(shè)。

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Application of Comprehensive Geophysical Prospecting Method in the Development of Geological Relics

REN Wei-bo

(Guangdong Underground Pipe Network Engineering Survey Company, Guangzhou 510080)

This project is a historical site survey project, the main task is to use professional geophysical prospecting equipment to carry out geological survey of an ancient quarry site, investigate the mining history of an ancient quarry, the type and distribution of mining relics, and find out the geological environment conditions of the ancient quarry site and the spatial distribution, burial depth and scale of underground quarry pits and caves. It provides scientific basis for the daily maintenance, development and utilization of the ancient quarry site in the later period

high density resistivity; seismic image; geological radar; remains of geology

P319

A

1006-0995（2022）04-0690-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.04.029

2022-04-22

任衛(wèi)波（1982— ），男，漢族，河南沁陽人，高級工程師，主要從事地質(zhì)勘探，城市地下空間探測等工作。