二維地震和高密度電阻率測深揭示雄安新區(qū)淺部三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

龍慧，謝興隆，李鳳哲，任政委，王春輝，郭淑君

(中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

0 引言

雄安新區(qū)是千年大計、國家大事，建設(shè)地上、地下兩個雄安是新區(qū)規(guī)劃建設(shè)的重要目標(biāo)，地下雄安建設(shè)必須建立在對地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有充分認(rèn)識的基礎(chǔ)上。雄安新區(qū)位于冀中平原中部，石油與國土部門在此開展過大量的油氣勘探、地?zé)峥碧脚c構(gòu)造解釋研究[1-6]，積累了豐富的基礎(chǔ)地質(zhì)與地球物理資料。但是，目前的研究主要集中在地表和深部，針對工程建設(shè)層(200 m以淺)研究相對較少。自雄安新區(qū)設(shè)立以來，為滿足城市地下空間規(guī)劃、資源利用開發(fā)、地質(zhì)災(zāi)害評價和可持續(xù)發(fā)展等方面的需求，雄安新區(qū)起步區(qū)淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)和隱伏斷裂特征的探測和研究這項工作亟待解決。

地球物理探測技術(shù)在地下結(jié)構(gòu)探測方面具有不破壞地表、探測效率高、成本低廉等明顯優(yōu)勢，槽探、地震勘探、電磁法和探地雷達(dá)等技術(shù)在淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測中發(fā)揮了重要作用，從應(yīng)用效果來看，這些方法的探測深度、分辨率、適用性以及解決地質(zhì)問題的能力各有差異。槽探可稱為最經(jīng)典的淺層結(jié)構(gòu)探測方法，但受制于觀測區(qū)域小、經(jīng)濟成本昂貴、對地表環(huán)境破壞性大等，難以實現(xiàn)重復(fù)性探測[7-8]。對于電磁法探測技術(shù)，由于城市建筑和電場環(huán)境的影響，方法局限性較強[9-10]；相對而言，高密度電阻率測深受帶電輸電線路、桿塔等影響較小，在工程勘察中的應(yīng)用越來越廣泛。淺層地震無疑是劃分地層結(jié)構(gòu)最好的方法之一，能夠?qū)Φ谒南档捉缑婕皟?nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行地球物理意義上的精細(xì)劃分，識別隱伏活動斷裂及其空間展布特征[11-12]，但城市噪聲污染嚴(yán)重，對地表環(huán)境影響和后期數(shù)據(jù)處理要求較高，在城市淺層地下空間精細(xì)探測上，還需要配合其他方法進(jìn)行綜合分析。探地雷達(dá)是采用脈沖電磁波發(fā)射和接收，數(shù)據(jù)采集和處理類似于地震零偏移距自激自收方式，具備分辨率和效率“雙高”的特征，但由于脈沖電磁波在地下介質(zhì)中的強衰減特征，其探測深度極其有限[12]。綜上所述，在雄安新區(qū)大規(guī)模建設(shè)階段開展地球物理勘查工作，面臨城市強干擾背景、探測精度、地表環(huán)境等因素的影響，無損、高效、抗干擾能力強的探測技術(shù)在提供城市地區(qū)地下地質(zhì)信息方面可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。

本文以淺層地震勘查為主，高密度電阻率測深為輔在雄安新區(qū)起步區(qū)開展綜合地球物理探測，綜合鉆孔、錄井和測井資料，對研究區(qū)淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)探測和描述，同時構(gòu)建200 m以淺三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，支撐和服務(wù)“透明雄安”。

1 地質(zhì)背景

雄安新區(qū)轄區(qū)河北雄縣、容城、安新3縣及周邊部分區(qū)域，構(gòu)造位置屬于渤海灣盆地冀中坳陷中部[13]，橫跨徐水凹陷、容城凸起、牛背斜坡、牛駝鎮(zhèn)凸起、霸州凹陷和文安斜坡等次級構(gòu)造單元，南為保定凹陷、高陽低凸起、饒陽凹陷，北為廊固凹陷。冀中坳陷在中生代燕山運動擠壓和新生代太平洋板塊俯沖弧后拉張伸展的構(gòu)造作用下形成的一系列正斷層[14]，研究區(qū)內(nèi)規(guī)模較大、對區(qū)域構(gòu)造起控制作用的隱伏基巖斷裂主要為保定—石家莊斷裂、容西斷裂、容東斷裂、牛東斷裂和徐水?dāng)嗔裑15-17]。新生代斷裂活動主要集中在古近系沙河街組四段(Es4)和新近系館陶組(N2g)、明化鎮(zhèn)組(N2m)沉積時期，地表未見構(gòu)造活動跡象。

沉積地層序列由下而上依次為太古宇變質(zhì)巖，以角閃巖和片麻巖為主；元古宇青白口系(Qb)、薊縣系(Jx)和長城系(Ch)，青白口系以灰?guī)r為主，薊縣系和長城系以白云巖為主，還包括玄武巖和頁巖；下古生界寒武系(∈)由泥巖、灰?guī)r和白云巖組成；下古生界奧陶系(O)，上古生界石炭系(C)、二疊系(P)，中生界侏羅系(J)、白堊系(K)分布零星，在起步區(qū)缺失；新生界古近系(E)和新近系(N)分別以湖相和河流相沉積為主，巖性為砂巖和泥巖，第四系(Q)以來以沖洪積、沖積和沖湖積物為主，巖性包括礫石、粗砂、中砂、細(xì)砂、粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土、黏土[18-20]。

2 多源地球物理探測

前人研究表明，雄安新區(qū)淺層沉積物整體上呈現(xiàn)低密度、中低磁化率、低電阻率、低波速的物性響應(yīng)特征，第四系內(nèi)部地層物性特征差異較小[18,20]。本文通過淺層地震勘查和高密度電阻率測深兩種地球物理方法探測雄安新區(qū)起步區(qū)工程建設(shè)層地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

2.1 淺層地震勘查

淺層縱波反射地震是城市地下空間探測常用的勘探技術(shù)，對于淺地表50～300 m深度范圍內(nèi)的砂泥巖互層的變化特征和斷層結(jié)構(gòu)特征揭示效果較好，通過測井約束和振幅分析可獲取高分辨率的砂泥巖的地層巖性界面[21]，還可獲取S波速度和彈性模量等參數(shù)信息[12]。但是反射波地震數(shù)據(jù)采集和處理通常會存在“盲區(qū)”，使淺表(0～50 m)不能獲得可靠的成像信息。

為獲取高質(zhì)量反射波信號，數(shù)據(jù)采集前開展了大量現(xiàn)場野外試驗，在了解了研究區(qū)低速帶情況，掌握了波場特征的基礎(chǔ)上，確定了觀測系統(tǒng)。此次采用美國Geometrics公司Strata Visor Nzxp24型地震儀及其擴展模塊Geode，M18-612型可控震源(掃描頻率5～250 Hz，最大出力18 t)及其配套電控系統(tǒng)，L40檢波器，掃描方式線性升頻、掃描頻率20～160 Hz、掃描長度8 s、驅(qū)動幅度70%、疊加1～3次的激發(fā)參數(shù)，120道、道間距5 m、炮檢距20 m、采樣間隔0.5 ms，記錄長度2 s、覆蓋次數(shù)最高達(dá)40次的接收參數(shù)。數(shù)據(jù)處理采用自主開發(fā)模塊、GeoEast V3.2、CGG、vista處理系統(tǒng)等軟件，主要處理過程包括折射靜校正、地表一致性處理、頻譜分析、彎線共中心點道集編排、動校正、速度分析等。同時，為了獲得更準(zhǔn)確的地震速度資料，提高解釋精度，結(jié)合了剖面上鉆孔的錄井，電阻率和聲波時差測井，疊加速度譜等資料進(jìn)行綜合分析，獲取研究區(qū)的速度模型用于地震資料的時深轉(zhuǎn)換。

圖1為雄安新區(qū)起步區(qū)R2-1測線地震時間剖面成果，200 m以淺第四系地層共有2個明顯的地震反射波組(圖2)。T0反射面雙程反射時間為82～132 ms，地層推斷解釋為全新統(tǒng)—中更新統(tǒng)底界，埋深約20～80 m；TQ反射面雙程反射時間為250～292 ms，地層推斷解釋為第四系下更新統(tǒng)(Qp1)底界(即新近系明化鎮(zhèn)組(N2m)頂界)，埋深約100～220 m。該剖面分別在距離505 m和5 135 m處200 ms以下下更新統(tǒng)和明化鎮(zhèn)組地層中發(fā)生擾動，兩側(cè)波組特征發(fā)生明顯變化，解釋為F1和F7斷層。F1斷層傾向NW，傾角19.50°，上斷點埋深168 m，斷層上下盤地層變化較大，從斷層的特征和規(guī)模來看，推測為容南斷裂，F(xiàn)1-1、F1-3為其分支斷層。F7斷層傾向NE，傾角10.90°，上斷點埋深349 m，斷距隨著地層深度增加逐漸增大。

圖1 研究區(qū)R2-1測線地震時間剖面

二維地震探測結(jié)果揭示雄安新區(qū)起步區(qū)地層序列自上而下包括新生界第四系全新統(tǒng)—中更新統(tǒng)(Qh～Qp2)、下更新統(tǒng)(Qp1)、新近系明化鎮(zhèn)組(N2m)、館陶組(N2g)、古近系東營組(Ed)、沙河街組(Es)、孔店組(Ek)、古生界寒武系(∈)、中—新元古界青白口系(Qb)頂?shù)装宓?5套地層(圖2)，其中，明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組和沙河街組地層在容城凸起區(qū)域均有不同程度的缺失，孔店組和古生界地層僅在容城凸起西側(cè)，即南張鎮(zhèn)—小李鎮(zhèn)—三臺鎮(zhèn)西北一帶發(fā)育。

圖2 研究區(qū)主要地層序列分布

依據(jù)同相軸發(fā)生錯段，上下盤同相軸連續(xù)性差異明顯等特征，推斷存在F1～F9等斷裂(圖3)。區(qū)域性斷裂主要有容南斷裂(F1)，控制著容城凸起和保定凹陷的發(fā)育；容東斷裂(F2)，為容城凸起和牛北斜坡的構(gòu)造分界線；徐水?dāng)嗔?F8)，是分割徐水凹陷和保定凹陷的邊界斷裂。F1、F2、F4、F5、F8、F9分別存在分支斷層，F(xiàn)1、F4、F5、F8、F9與其分支斷層均呈“Y”字形組合。斷裂構(gòu)造隱伏于地表之下，走向以NE向為主，控制了第四系、新近系、古近系、中生界和中—新元古界的空間分布；除F1及其次級斷裂F1-3對第四系下更新統(tǒng)地層有控制作用外，其他斷裂早更新世以來活動不明顯。

圖3 研究區(qū)斷裂構(gòu)造分布

2.2 高密度電阻率測深

高密度電阻率測深主要用于探查淺部巖土層電性結(jié)構(gòu)和隱伏斷裂發(fā)育特征，被廣泛應(yīng)用于100 m以淺水文地質(zhì)和工程地質(zhì)領(lǐng)域，具有自動化程度高、數(shù)據(jù)信息采集量大、反映地下電性結(jié)構(gòu)直觀等優(yōu)勢，是一種現(xiàn)代化勘查技術(shù)方法[22-23]，最重要的是補充了地震勘查的淺部盲區(qū)。為獲取高質(zhì)量電阻率數(shù)據(jù)，同時滿足一定探測深度，此次使用穩(wěn)定性較好的驕鵬E60DN高密度電阻率測深儀，5～10 m采樣點距，溫納α裝置模式測量，參數(shù)設(shè)置為最大電壓100～300 V、最大電流2 A、單點供電1 s、重復(fù)觀測2次。數(shù)據(jù)處理采用RES2DINV軟件進(jìn)行反演，反演方法為最小二乘法。

從高密度電阻率測深結(jié)果來看，雄安新區(qū)起步區(qū)200 m以淺地層視電阻率分層特征明顯，縱向上表現(xiàn)為“低—高—低”3個明顯電性結(jié)構(gòu)特征(圖4)。結(jié)合鉆孔信息可解釋為：0～15 m，視電阻率值較低，范圍在5～15 Ω·m之間，主要以回填土、粉土、黏土為主；15～100 m，視電阻率值15～70 Ω·m，整體表現(xiàn)為高阻特征，巖性以粉土、粉質(zhì)黏土、中砂、細(xì)砂為主，局部成團狀分布，形成砂層透鏡體；100～200 m，視電阻率值10～50 Ω·m，為粉質(zhì)黏土與中砂、細(xì)砂互層。

圖4 雄安新區(qū)高密度電阻率測深反演結(jié)果

高密度電阻率測深不僅提供了起步區(qū)淺層地—電結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合工程地質(zhì)孔和地下水礦化度資料，劃分了含水層有利區(qū)段為15～30 m和40～80 m，還定量表示了地下水礦化度(TDS)與視電阻率之間的關(guān)系(圖5)，為調(diào)查區(qū)咸淡水分界面的劃分提供現(xiàn)實依據(jù)。

圖5 地下水礦化度(TDS)與視電阻率關(guān)系

3 三維地質(zhì)模型構(gòu)建

本次選用Schlumberger開發(fā)出品的Petrel三維可視化地質(zhì)建模軟件構(gòu)建雄安新區(qū)起步區(qū)200 m以淺三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。該軟件能夠綜合利用地震數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、測井資料和地質(zhì)信息等多源數(shù)據(jù)，實時對斷層的平面組合與空間展布規(guī)律進(jìn)行研究，實現(xiàn)地質(zhì)資料與地震數(shù)據(jù)的有機結(jié)合，從而構(gòu)建三維構(gòu)造模型，進(jìn)而更加直觀準(zhǔn)確地分析雄安新區(qū)淺地表各種復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象[24]。此次建模數(shù)據(jù)包括 21 236 物理點二維地震數(shù)據(jù)、26眼地?zé)徙@孔分層數(shù)據(jù)和17眼工程地質(zhì)鉆孔測井?dāng)?shù)據(jù)。

3.1 建模方法

平原地區(qū)工程建設(shè)層地質(zhì)結(jié)構(gòu)多為第四系層狀地層沉積，可采用自動建模的方法[20,25]。模型構(gòu)建的過程大致歸納為以下三步：首先，收集、整理和篩選鉆孔編錄，測井，地形，二維地震解釋層位和斷層等數(shù)據(jù)，按照軟件格式要求將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，通過插值和擬合算法由上至下生成層狀地質(zhì)界面，并用地?zé)徙@孔分層數(shù)據(jù)作為約束；其次，利用邊界和層面數(shù)據(jù)確定矢量化的建模范圍，選擇不同的插值方法剖分三維可視化網(wǎng)格，同時采用Structural Modeling模塊進(jìn)行整個系統(tǒng)的構(gòu)造建模；最后，經(jīng)過多次擬合調(diào)整，最終選用多重網(wǎng)格逼近法進(jìn)行插值計算，剖分網(wǎng)格243 360個，逐層構(gòu)建地質(zhì)實體圖。

3.2 三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

雄安新區(qū)重點調(diào)查區(qū)0～200 m三維可視化地質(zhì)模型如圖6，發(fā)育新生界第四系全新統(tǒng)—中更新統(tǒng)、下更新統(tǒng)、新近系明化鎮(zhèn)組地層，其中明化鎮(zhèn)組地層僅在工作區(qū)東北部地區(qū)發(fā)育。地表高程模型采用13 689個RTK實測數(shù)據(jù)獲得，RTK控制網(wǎng)采用Ⅱ級網(wǎng)，數(shù)據(jù)來源于國家測繪局資料與千尋網(wǎng)絡(luò)位置。測量的投影方式采用UTM投影，投影的中央子午線為117°E。從圖6可以看出，雄安新區(qū)重點調(diào)查區(qū)地表高程范圍2.00～17.01 m，平均海拔15.01 m，高差較小，總體呈現(xiàn)北高南低、東高西低的趨勢，小李鎮(zhèn)—三臺鎮(zhèn)以西一帶高程較兩側(cè)低。

圖6 研究區(qū)0～200 m三維可視化地質(zhì)模型

重點調(diào)查區(qū)新生界第四系松散層底界埋深100.60～211.24 m，平均110.64 m，厚度114.64～218.40 m，平均厚度103.76 m(圖7)，總體變化趨勢為北高南低，小李鎮(zhèn)和安新縣城北存在局部凸起，三臺鎮(zhèn)西南和大王鎮(zhèn)西北存在局部凹槽。第四系全新統(tǒng)—中更新統(tǒng)底界埋深20.70～76.56 m，平均55.86 m，厚度26.94～84.46 m，平均厚度57.52 m。下更新統(tǒng)地層厚度59.30～147.77 m，平均厚度88.47 m，發(fā)育F1、F1-3斷層。F1及其次級斷裂位于三臺鎮(zhèn)地區(qū)，呈“Y”字形發(fā)育。F1為走向由NW92.92至NE55.97，傾向由NE至NW，傾角由92.17°～94.26°的正斷層，上斷點最小埋深103.44 m；F1-3為走向NE81.46，傾向SE，傾角7.08°的正斷層，上斷點埋深119.75 m。

圖7 研究區(qū)第四系底界埋深

4 適用性分析

根據(jù)雄安新區(qū)起步區(qū)實際探測效果，對比分析此次二維地震勘查和高密度電阻率測深解決地質(zhì)問題的能力(表1)，總結(jié)物探技術(shù)在沉積盆地的綜合探測效果。結(jié)合在雄安新區(qū)開展的其他地球物理方法，建立不同深度地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測模式和城市地下空間探測方法技術(shù)體系。

表1 雄安新區(qū)地球物理方法適用性分析

5 結(jié)論

1)通過在雄安新區(qū)核心區(qū)開展二維地震和高密度電阻率測深聯(lián)合探測，將雄安新區(qū)200 m以淺工程建設(shè)層刻畫為4套地層，地層序列自上而下包括新生界第四系全新統(tǒng)—中更新統(tǒng)、下更新統(tǒng)和新近系明化鎮(zhèn)組，下更新統(tǒng)及以下地層發(fā)育容南斷裂和其次級斷裂。

2)以地球物理勘查數(shù)據(jù)為主要建模數(shù)據(jù)、鉆孔和測井為約束條件的多源數(shù)據(jù)構(gòu)建雄安新區(qū)200 m以淺三維地質(zhì)模型，能夠更加真實地反映地質(zhì)體的三維空間結(jié)構(gòu)特征。建模過程中，不同地球物理方法之間的數(shù)據(jù)融合難度較大，仍需開展進(jìn)一步研究。

3)結(jié)合實際探測效果，對地球物理探測方法解決地質(zhì)問題的能力進(jìn)行分析和研究，能夠指導(dǎo)沉積盆地城市地下空間地球物理探測。