綜合物探在城市地下空間地質調查隱伏斷層探測中的應用

周 超，劉 怡，趙思為

(1．中鐵二院工程集團有限責任公司 地勘巖土工程設計研究院，四川 成都 610031；2．四川省地質工程勘察院集團有限公司，四川 成都 610031)

1 引 言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，城市用地需求大幅度提升，地表空間土地資源緊張這一問題日漸嚴峻，制約著城市的可持續(xù)發(fā)展，因此許多城市將目光由地表轉向了地下空間。然而開發(fā)地下空間會面臨著各種各樣的地質問題，如巖溶、斷層等，解決這些地質問題的基礎是開展城市地下空間地質調查工作。目前城市地下空間地質調查工作常用的勘探方法主要有地表調查、遙感、鉆探、物探、化探等，但是城市強干擾的環(huán)境與條件制約了一些勘探方法的適應性和影響了一些勘探方法的有效性，因此針對不同的外部條件選擇適宜的勘探手段非常重要。

物探是一種利用勘探對象與周圍介質的物性差異引起的相應地球物理場的局部異常來獲得勘探對象的地質性狀的方法。憑借高效率、低成本、無損等優(yōu)點，物探方法在城市地質調查工作中逐漸成為了一種不可替代的勘探手段，尤其是一些抗干擾能力強、分辨率高的物探方法備受重視，且取得了良好的應用效果[1-5]。

正是由于城市的快速發(fā)展，城區(qū)內的許多斷層的地面露頭幾乎都被建筑物、人工填土和綠植等掩蓋，地質人員無法通過地面的地質調查來確認這些隱伏斷層的確切位置及其走向，因此選擇合適的物探方法來查明這些隱伏斷層是城市地下空間地質調查中必不可少的一項工作。目前國內物探工作者采用不同的物探手段對隱伏斷層探測做了許多研究工作，如采用淺層地震波法、高密度電阻率法、電磁法等查明隱伏斷層的位置，都取得了良好的探測效果[6-10]。本研究以成都市地下空間地質調查工作為背景，首先簡單介紹了等值反磁通瞬變電磁法(Opposing Coils Transient Electromagnetic Method, OCTEM)與微動勘探法(Microtremor Survey Method, MSM)的原理及特點，然后將OCTEM與MSM結合起來運用到包江橋隱伏斷層探測工作中，并將探測成果與以往的地質調查成果進行對比分析，有效地探明了隱伏斷層的確切位置及走向，驗證了OCTEM和MSM的組合能夠滿足城市地下空間地質調查工作中隱伏斷層探測的需求，并且能夠取長補短、相互佐證。

2 方法簡介

2.1 OCTEM方法簡介

OCTEM是由中南大學席振銖教授于2016年提出的一種新型的瞬變電磁方法，其以相同兩組線圈通以反向電流時產(chǎn)生等值反向磁通的電場時空分布規(guī)律，采用上下平行共軸兩組相同線圈為發(fā)射源，且在該雙線圈合成的一次場零磁通平面上測量對地中心耦合的純二次場[11]，二次場表達式如下：

(1)

式(1)中，V為二次場信號；μ0為磁導率(H/m)；M為發(fā)射天線的磁矩(emu)；q為接收天線的展開面積(m2)；ρ為電阻率(Ω·m)；t為時間(μs)。

通常感應渦流的擴散速度和感應場的衰減速度與大地電性參數(shù)有關，一般在非磁性大地中，主要與電導率有關：大地電導率越大，擴散速度小，衰減得越慢。根據(jù)地表接收到的渦流場信號隨時間的衰減規(guī)律即可獲得地下電導率的信息。

(2)

式(2)中，ρ為電阻率(Ω·m)；δ為擴散深度(m)；μ0為磁導率(H/m)；t為衰減時間(μs)。

2.2 MSM簡介

微動勘探法(MSM)是基于利用地震臺陣微動信號的垂直分量估算面波相速度的理論，通過數(shù)據(jù)處理技術從地表的微弱振動信號中提取瑞雷波相速度頻散曲線，再反演獲得地下介質的橫波速度結構的地球物理勘探方法[12,13]。獲得各微動中心點的面波頻散曲線后，用式(3)直接計算視橫波速度Vx(m/s)，可將相速度頻散曲線(Vr-f曲線)轉換成Vx隨深度的變化曲線(Vx-H曲線)，再通過插值、光滑計算，最終可獲得視橫波速度剖面。

(3)

式(3)中：Vr為瑞雷波速度(m/s);ti為周期(s)。

視橫波速度Vx是既不同于相速度Vr;也不同于S波速度VS(m/s)的面波物性參數(shù)，具有速度量綱。因為避免了反演過程中設置初始模型、反演結果選取等人為因素的影響，微動剖面結果能更客觀、直觀地反映地層巖性及構造變化。

OCTEM和MSM兩種方法主要特點詳見表1。

表1 OCTEM和MSM主要特點對比分析

3 工作應用

3.1 工區(qū)概況及測線布置

工區(qū)位于成都市中心城區(qū)的錦江區(qū)和成華區(qū)，地表為交通道路、居民區(qū)和綠化帶，處岷江沖洪積扇東南部，上覆地層為第四系松散堆積土，主要由人工填土(雜填土和素填土)、黏土、粉質黏土和卵石土構成，厚度為10～50 m，下伏基巖為白堊紀上統(tǒng)灌口組(K2g)紫紅、棕紅色、薄至中厚層狀泥巖，泥鈣質粉砂巖夾薄層細砂巖和夾關組(K2j)棕紅、棕黃、紫紅色中—厚層塊狀粉細砂巖、泥質粉砂巖夾薄層泥巖。在《四川成都平原區(qū)域地質—水文地質勘察報告(1∶20萬)》中顯示,包江橋斷層南起成都市雙流區(qū)中和場，經(jīng)包江橋、琉璃場插入成華區(qū)雙橋子，走向北東10°～15°，傾向南東，傾角78°左右，寬度約為30～45 m，含鈣質結核黏土，網(wǎng)紋紅土，黏土礫石層及結構緊密的強風化礫卵石層呈不整合接觸覆于基巖之上[14]，隨著城市發(fā)展，該斷層的埋深已有變化。為了查清該隱伏斷層的規(guī)模、埋深及大致走向，分別沿著通楹街和錦江大道布置了2條測線，分別為WT1-WT1′和WT2-WT2′，測線長度都為700 m。

3.2 數(shù)據(jù)采集

OCTEM野外數(shù)據(jù)采集使用的是中南大學席振銖教授團隊研發(fā)的HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)進行野外數(shù)據(jù)采集之前，應通過試驗選擇發(fā)射頻率和疊加周期的選擇。HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統(tǒng)的發(fā)射頻率一般可選擇25 Hz、6.25 Hz和2.5 Hz，頻率越低，勘探深度越大。根據(jù)本次200 m的探測深度,選擇發(fā)送頻率為2.5 Hz。疊加周期的選擇與周圍的噪聲干擾大小有關，通過現(xiàn)場試驗得出，疊加周期選擇400既能有效壓制外部干擾，又能兼顧工作效率。點距選擇為20 m。數(shù)據(jù)采集時，天線盡量水平放置，主機、操作PC和人員應與天線和保持一定距離，當測點附近存在井蓋及電線的時候，應適量調整測點的位置。

MSM勘探采用德國Summit X One地震儀，配合采用西安石油勘探儀器總廠檢波器分廠生產(chǎn)的SN4-2 Hz低頻檢波器作為拾振器。為確保野外數(shù)據(jù)可靠有效，在進行實質性勘探之前須根據(jù)工點情況對微動探測的相關參數(shù)(主要包括：臺陣類型、臺站數(shù)目、臺陣規(guī)模、記錄時間和采樣間隔)進行野外試驗，并優(yōu)選出合適的采集參數(shù)，同時還須進行儀器一致性試驗。

根據(jù)工區(qū)特點和前期參數(shù)試驗，本次微動法野外數(shù)據(jù)采集采用最大外接半圓半徑為10 m的4層嵌套三角形臺陣，臺站數(shù)為13個，在干擾小的位置記錄時長為10 min，干擾大的位置為2 min，采樣間隔為2 ms。受工區(qū)地面建筑的影響，有時臺陣的布設不能保證為一個規(guī)則的圓形，為減少干擾，多采取夜間采集。

3.3 數(shù)據(jù)處理

OCTEM的數(shù)據(jù)處理采用專用配套軟件HPTEM DataProcess，通過對原始數(shù)據(jù)資料進行預處理、單點編輯、地形校正、擬二維反演等過程，得到帶地形的二維反演數(shù)據(jù)，通過Surfer等成圖軟件進行編輯修飾，生成二維的視電阻率剖面圖，最后綜合已知地質及鉆探資料得到電學地質斷面圖。OCTEM數(shù)據(jù)處理流程詳見圖1。

圖1 OCTEM數(shù)據(jù)處理流程Fig.1 Flow chart of OCTEM data processing

MSM的數(shù)據(jù)處理過程主要為3個部分：預處理、提取頻散曲線和計算地層速度結構。本次采用驕佳技術公司面波地震數(shù)據(jù)處理軟件Geogiga Surface Plus對采集來的數(shù)據(jù)進行處理，最后通過反演得到S波速度剖面圖。MSM數(shù)據(jù)處理流程見圖2。

圖2 MSM數(shù)據(jù)處理流程 Fig.2 Flow chart of MSM data processing

4 探測結果及解析

4.1 WT1—WT1′測線

WT1-WT1′測線物探成果見圖3。圖3(a)為OCTEM反演電阻率斷面圖，圖3(b)為MSM反演S波速度斷面圖。

由圖3(a)可知，OCTEM反演電阻率斷面圖橫向上連續(xù)性較好，且垂向上電性分層明顯，電阻率隨著深度的增加呈由低到高的規(guī)律性變化。在344～395 m位置存在一個向下延伸的低阻異常帶，為巖性破碎的電性反映。由圖3(b)可知，MSM反演S波速度斷面圖橫向上差異較大，S波速度隨著深度的增加而變大，在341～393 m位置存在一個向下延伸的低速帶。比較2種物探方法的成果圖，可以看出2種方法的巖性反應基本吻合，都符合成都地區(qū)由第四系覆蓋層—強風化層—弱風化層的地層組合的結構特征。綜合以上物探結果，判釋WT1-WT1′測線341～395 m處為包江橋斷層破碎帶位置，埋深約20 m。

圖3 WT1-WT1′測線物探成果Fig.3 Geophysical prospecting results of WT1-WT1′line

4.2 WT2—WT2′測線

WT2-WT2′測線物探成果見圖4，圖4(a)為OCTEM反演電阻率斷面圖，圖4(b)為MSM反演S波速度斷面圖，因為周圍環(huán)境影響MSM勘探只做了180～700 m段。

圖4 WT2-WT2′測線物探成果Fig.4 Geophysical prospecting results of WT1-WT1′line

由圖4(a)可知，OCTEM反演電阻率斷面圖橫向上連續(xù)性較好，且垂向上電性分層明顯，電阻率隨著深度增加呈由低到高的規(guī)律性變化。在350～390 m位置存在一個向下延伸的低阻異常帶，電阻率值小于600 Ω·m，相較于周圍巖體，該處巖體破碎。由圖4(b)可知，MSM反演S波速度斷面圖橫向上差異較小，S波波速基本呈層狀分布，且隨著深度增加而變大，在350～390 m位置存在一個向下延伸的低速帶。綜合分析2種物探方法的成果圖，可以看出2種方法在同等深度內的巖性反應較吻合，符合成都地區(qū)由第四系覆蓋層—強風化層—弱風化層的地層組合的結構特征，判釋WT2-WT2′測線350～390 m處為包江橋斷層破碎帶位置，上斷點埋深約20 m。

4.3 綜合物探結果分析

綜合分析2條測線的綜合物探成果，與以往地質資料[14]進行對比分析得出包江橋隱伏斷層參數(shù)(表2)。

表2 包江橋隱伏斷層參數(shù)

圖5中物探測線垂直或大角度相交斷裂布置，藍色為以往地質調查斷裂的走向，紅色為本次物探勘探確定斷層走向，斷層走向基本一致。本次探測成果顯示包江橋隱伏斷層傾向南東，傾角為72°～80°，破碎帶寬度為25～48 m，與以往地質調查的結果基本吻合。

圖5 包江橋隱伏斷層新舊資料對比Fig.5 Comparison of new and old data of Baojiangqiao hidden fault

5 結 論

1)在成都市地下空間地質調查包江橋隱伏斷層探測中，應用OCTEM和MSM這2種物探方法，探測成果反映的斷層位置基本一致。 結合2條測線的成果，確定了包江橋斷裂的確切位置、破碎帶寬度、埋深、傾向和走向，通過與以往地質調查資料對比，各項參數(shù)基本吻合。驗證了OCTEM和MSM聯(lián)合探測城市隱伏斷層的組合方式是有效的。

2)對比2條測線的OCTEM和MSM成果斷面圖，斷層破碎帶的物性反映都為向下延伸的低阻帶或低速帶。相較于OCTEM的成果，MSM的淺部信息更豐富，更能有效地反映實際地質情況。

3)OCTEM和MSM在城市地質調查工作中，施工方便，工作效率高，是城市地質調查工作中值得應用的無損、綠色、高效的物探方法。

4)MSM的探測深度與臺陣的外接圓半徑密切相關，半徑越大，探測深度越大，但是在復雜城區(qū)環(huán)境下，臺陣的布設會遭遇許多地面建筑的阻礙，因此應用MSM在城區(qū)施測時探測深度往往會受到抑制而大打折扣。

5)OCTEM野外施測靈活，但是城區(qū)強電磁干擾還是會引起衰減曲線畸變，在野外需做好記錄，室內處理時將因電磁干擾的畸變點進行剔除或編輯，以得到真實的地質反映。