綜合物探方法在武漢市水域地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用效果分析

王斌戰(zhàn)， 邱 波， 劉文光， 周世昌， 劉 磊， 全浩理， 郭光宇， 張祎然

(1.湖北省地質(zhì)局 地球物理勘探大隊(duì)，湖北 武漢 430056； 2.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430034；3.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

武漢市地處長江與漢江交匯處，河港溝渠交織，湖泊庫塘密布，形成以長江為干流的龐大水網(wǎng)。武漢境內(nèi)水面總面積為2 117.6 km2，占全市總面積的25%，水面率居中國各大城市之首[1]。隨著武漢市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，城市地下空間利用、生態(tài)治理、河湖保護(hù)等需求大幅增加，探測水域下方的地質(zhì)情況顯得十分必要[2]，而在各種探測手段中，水域物探是其中相對(duì)高效、便捷、綠色的一種。

水域物探起步于石油勘查等領(lǐng)域，近年來在工程建設(shè)、能源資源勘查等方面的應(yīng)用得到快速發(fā)展，其方法、設(shè)備、解譯技術(shù)等不斷更新，應(yīng)用場景從海域、沿海地區(qū)逐漸向內(nèi)陸水域拓展。水域物探方法較多，根據(jù)不用的應(yīng)用場景，可選擇不同的物探方法及其組合。通過對(duì)以往水域物探工作的搜集整理，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用較多的水域物探方法有水上地震、淺地層剖面法、探地雷達(dá)、高密度電法等[3]。水上地震是應(yīng)用最多的水域物探方法，常用于沿海橋梁、港口等工程勘察工作[4-6]，例如在港珠澳大橋橋隧主體工程勘察中，利用水上地震清晰地揭示了水下地層、風(fēng)化槽和斷層的分布情況[6]。淺地層剖面法在探測水下淤泥層、砂層、風(fēng)化層等方面具有很好的效果[7-9]，例如在埋藏型海砂勘查中，利用淺地層剖面法排除泥層間接探砂，有效提高了找砂成功率[9]。探地雷達(dá)以往主要應(yīng)用于陸上探測，由于其較高的探測精度，將其應(yīng)用于水下淤積層、遺址、滑坡等探測也獲得了較好的探測效果[10-12]，例如在黃土丘陵山區(qū)水庫除險(xiǎn)加固工程中，利用探地雷達(dá)準(zhǔn)確獲得了水庫壩前淤泥層的厚度數(shù)據(jù)[12]。高密度電法利用地下地質(zhì)體的電性差異解決各種地質(zhì)問題，在探測水底低阻構(gòu)造帶、地層界線及基巖面起伏情況上效果顯著[13-15]，例如在西氣東輸管線工程勘察中，利用高密度電法準(zhǔn)確顯現(xiàn)了水域卵石區(qū)基巖面深度及起伏形態(tài)[15]。

武漢市水域面積大，水下地質(zhì)情況較復(fù)雜，以往開展的水域探測工作所采用的方法相對(duì)單一。在長江橋梁、隧道工程勘察方面，主要采用水上地震探測，用于水下地層、斷層等地質(zhì)情況的推斷[16-17]；在廣大的湖泊區(qū)域，主要采用水上鉆探進(jìn)行水下地質(zhì)情況的探測[18]。但是，在長江上采用水上地震探測時(shí)，由于該方法本身的缺陷，并不能準(zhǔn)確劃分水下砂層的厚度；同時(shí)，靠近長江兩岸的區(qū)域，由于水深限制等影響，水上地震探測效果也可能不佳。而在湖泊上采用水上鉆探時(shí)，存在成本高、有污染、可能遺漏水下異常等不足。因此，針對(duì)武漢市水域的特點(diǎn)，總結(jié)一套適用于不同水域的物探方法(組合)十分必要。

為此，本文通過對(duì)水上地震、淺地層剖面法、探地雷達(dá)、高密度電法四種方法進(jìn)行簡要總結(jié)，選取武漢市代表性的水域開展物探試驗(yàn)，分析這些物探方法在不同水域的適用性和探測效果，最終總結(jié)出適用于不同水域的物探方法及其組合，服務(wù)于武漢市水域地質(zhì)調(diào)查工作。

1 試驗(yàn)區(qū)選擇

武漢市水域主要分為江河、湖泊、濕地三類，均有不同的水文特征，如以長江、漢江為代表的河流，其水深較深、水體流速快，其中長江水深一般在十幾米左右，航道位置水深能達(dá)到20 m以上；以東湖、后官湖為代表的湖泊，其水深較淺、水體平靜，平均水深<3 m；濕地主要包括河湖灘頭、水田等，其水深淺，一般只有幾十厘米，并且隨季節(jié)發(fā)生變化，干旱期會(huì)變成陸地。本次試驗(yàn)水域主要考慮江河和湖泊兩種類型，選擇長江、漢江、后官湖三處水域進(jìn)行物探方法的研究。

2 水域物探方法介紹

本次選擇水上地震(地震映像法)、淺地層剖面法、探地雷達(dá)、高密度電法四種水域物探方法進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 水上地震(地震映像法)

2.1.1方法特點(diǎn)

地震映像法是一種基于反射波法中的最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來的淺地層探測方法，其利用水中無面波干擾的特點(diǎn)，采用小偏移距或等偏移距、單點(diǎn)高速激發(fā)、單點(diǎn)或多點(diǎn)接收等功能，經(jīng)過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，密集顯示波阻抗界面，以再現(xiàn)地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)等[4]。該方法是水域物探中應(yīng)用最多、最廣的，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、水上施工環(huán)境限制少、所受干擾相對(duì)較小，而且在野外可以及時(shí)了解探測效果，缺點(diǎn)是探測深度受震源、水下物質(zhì)成分的影響較大。

2.1.2采集技術(shù)

本次試驗(yàn)采用電火花震源和定制的串式檢波器，其接收頻率范圍為5～60 kHz。將水聽器放置于水下1 m位置，電火花震源置于探測船船尾?？紤]到震源對(duì)水聽器的影響等因素，將偏移距設(shè)定為10 m。經(jīng)野外多次調(diào)試，在兼顧激發(fā)間隔時(shí)間和施工安全的前提下，選擇串聯(lián)4個(gè)儲(chǔ)能箱，將充電時(shí)間設(shè)定為4 s，水下激發(fā)電壓控制在4 000 V左右，輸出能量約4 000～5 000 J。

2.1.3數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)采集后，采用驕佳技術(shù)公司(Geogiga Technology Corp.)研發(fā)的地震數(shù)據(jù)處理與解釋軟件包Seismic Pro進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主要處理步驟為：預(yù)處理→頻譜分析→常規(guī)濾波處理→靜校正→反褶積→繪制地震剖面。

2.2 淺地層剖面法

2.2.1方法特點(diǎn)

淺地層剖面法是一種利用聲波反射原理，以連續(xù)走航方式對(duì)水下淺部地層進(jìn)行精細(xì)探測的方法[7]，主要用來識(shí)別水下淺部松散沉積層的結(jié)構(gòu)、分層與地質(zhì)構(gòu)造等情況。該方法的工作頻率一般為200～4 000 kHz，因此對(duì)淺地層的分辨率較高，同時(shí)還具有信號(hào)高重復(fù)性、激發(fā)高速率等優(yōu)點(diǎn)，其局限性在于因高頻信號(hào)在地層中衰減較快，導(dǎo)致其穿透深度受較大影響。

2.2.2采集技術(shù)

開展淺地層剖面法探測時(shí)，將淺地層剖面儀聲學(xué)單元的水下數(shù)據(jù)采集部分(拖魚)固定在探測船船側(cè)水下1.5～2 m的位置。將儀器固定好后，打開并調(diào)試該儀器，保證儀器各部分工作正常；然后設(shè)置好工作參數(shù)，當(dāng)儀器監(jiān)視屏幕上有清晰的水下反射圖像后，再開始采集數(shù)據(jù)。

2.2.3數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)采集后，采用設(shè)備配套的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理步驟為：數(shù)據(jù)預(yù)處理→振幅補(bǔ)償→噪聲壓制(帶通濾波、FK域信號(hào)增強(qiáng)、相鄰道加權(quán)相加)→反褶積→隨機(jī)噪音衰減→剖面輸出。

2.3 探地雷達(dá)

2.3.1方法特點(diǎn)

探地雷達(dá)是一種能迅速、無損地探測地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)及隱伏目標(biāo)體的有效方法[10]，在淺部探測中應(yīng)用非常廣泛。應(yīng)用探地雷達(dá)探測水下目標(biāo)體時(shí)，主要采用100 MHz以下的低頻屏蔽或非屏蔽雷達(dá)天線，可以得到水體表層以下10 m以淺的精細(xì)地層結(jié)構(gòu)，有效彌補(bǔ)水上地震等方法在淺水域的探測盲區(qū)。

2.3.2采集技術(shù)

為完成探地雷達(dá)水上數(shù)據(jù)采集，本次試驗(yàn)定制了PVC板材小船，施工時(shí)將天線(100 MHz探地雷達(dá)屏蔽天線)置于船體中，并將該船固定在機(jī)動(dòng)船的側(cè)面或后面，進(jìn)行水上拖動(dòng)施工。根據(jù)現(xiàn)場測定的信號(hào)強(qiáng)度和工作所需的探測深度要求，選擇雷達(dá)探測窗口為600 ns，采樣率為1 024，采用連續(xù)測量方式施工。施工時(shí)機(jī)動(dòng)船行進(jìn)速度為1 m/s。

在數(shù)據(jù)采集前，需進(jìn)行系統(tǒng)自檢校驗(yàn)，設(shè)置好工作參數(shù)；行駛到平靜水域后，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度設(shè)置好信號(hào)增益，再開始采集數(shù)據(jù)。

2.3.3數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)采集后，采用設(shè)備自帶的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理步驟為：去除直達(dá)波→帶通濾波→偏移歸位→增益處理(包括水平增益、平滑增益、自定義增益)→其他處理(消除隨機(jī)噪聲、改善背景等)→圖像導(dǎo)出。

2.4 高密度電法

2.4.1方法特點(diǎn)

傳統(tǒng)的高密度電法的工作環(huán)境是陸地地表，近年來隨著高密度電法技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)發(fā)展到可以在水上、水底和鉆孔內(nèi)采集數(shù)據(jù)。水上高密度電法是將電纜靜置于水上或水底，對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行測量的方法[13]。該方法有較強(qiáng)的抗干擾能力，但是由于需要布設(shè)較長的電纜且采集時(shí)間較長，所以對(duì)施工環(huán)境有較高要求。

2.4.2采集技術(shù)

本次試驗(yàn)選擇普通集中式電纜，供電電極60道，供電電源選擇電壓可調(diào)的鋰電池電源，電壓可調(diào)范圍為50～450 V。野外施工時(shí)，將電纜的接頭和電極部位采用防水膠帶包扎好，分段捆綁氣囊使其浮于水面，并用纜繩進(jìn)行固定，防止電纜在采集時(shí)間段內(nèi)隨水波漂動(dòng)。

試驗(yàn)時(shí)選擇溫納β裝置、三極裝置等多種觀測裝置進(jìn)行對(duì)比測量。根據(jù)現(xiàn)場情況選擇150、300 V電壓檔位供電。數(shù)據(jù)采集前檢查電極接地情況，保證良好的接地效果。野外施工時(shí)供電電流>100 mA，保證優(yōu)異的數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

2.4.3數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)采集后，采用高密度電法數(shù)據(jù)反演軟件RES2DINV進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理流程一般為：原始數(shù)據(jù)的突跳點(diǎn)剔除和數(shù)據(jù)連接→正反演處理→生成反演數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)網(wǎng)格化并制作二維成果圖件。

3 武漢市水域物探應(yīng)用效果分析

3.1 物性特征

收集試驗(yàn)區(qū)所涉及的巖土和介質(zhì)的彈性波速等物性參數(shù)，匯總統(tǒng)計(jì)于表1。由表1可知，各巖土的密度、彈性波速、介電常數(shù)、電阻率均存在顯著差異，為物探方法選擇和數(shù)據(jù)解釋提供了基礎(chǔ)參數(shù)。

表1 武漢地區(qū)巖土及介質(zhì)物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of physical parameters of rocks,soils and medium in Wuhan area

3.2 湖泊物探應(yīng)用效果分析

3.2.1后官湖測線地質(zhì)特征及測線布設(shè)

后官湖位于武漢市蔡甸區(qū)境內(nèi)，屬淺水型淡水湖泊。該試驗(yàn)區(qū)測線位置的水深一般為2～3 m，最大約5 m；水體下方分別分布厚0～1 m的淤泥層和厚7～20 m的黏土層，再往下為基巖，巖性主要為泥盆系石英砂巖和志留系泥質(zhì)粉砂巖、泥巖等。

本次在該試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了高密度電法、探地雷達(dá)、淺地層剖面法三種物探方法的對(duì)比分析。由于所選地質(zhì)剖面(圖1)所在部位為其他設(shè)施所占用，無法進(jìn)行物探測線布設(shè)，因此在與地質(zhì)剖面相距約25 m的位置平行布設(shè)測線。地質(zhì)剖面長530 m，分布有8個(gè)已施工鉆孔(均打穿基巖)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)較清晰(圖1)。物探測線總長445 m，在整條測線上布置探地雷達(dá)探測，其0～445 m段對(duì)應(yīng)地質(zhì)剖面的50～495 m段；在測線中間位置布置高密度電法探測，其0～300 m段對(duì)應(yīng)地質(zhì)剖面130～430 m段；也在測線中間位置布置淺地層剖面法探測，其0～193 m段對(duì)應(yīng)地質(zhì)剖面90～283 m段。

3.2.2后官湖測線高密度電法探測成果

將高密度電法測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到高密度電法成果解釋圖(圖2)。采用溫納β裝置的高密度電法剖面與地質(zhì)剖面130～430 m段對(duì)應(yīng)，采用三極裝置的高密度電法剖面則對(duì)應(yīng)地質(zhì)剖面的230～323 m段。

結(jié)合高密度電法(溫納β裝置)成果解釋圖(圖2-a)和地質(zhì)剖面圖(圖1)可以看出，剖面上各區(qū)域電性特征差異明顯，表層的中—低電阻率區(qū)域?yàn)樗w的反映;中部的低電阻率區(qū)域?yàn)轲ね翆拥姆从?下部左側(cè)的中電阻率區(qū)域?yàn)橹玖粝的鄮r、泥質(zhì)粉砂巖的反映,下部右側(cè)的高電阻率區(qū)域?yàn)槟嗯柘凳⑸皫r的反映，下部兩種不同電性區(qū)域的接觸面應(yīng)為斷層，斷層傾向泥盆系石英砂巖一側(cè)。在圖2-a表層中間部位存在一處高電阻率區(qū)域，是水上塑料浮筏的反映。

圖1 后官湖試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile of Houguan Lake test area

a.采用溫納β裝置；b.采用三極裝置圖2 后官湖試驗(yàn)區(qū)高密度電法成果解釋圖Fig.2 Interpretation diagram of high density electrical method in Houguan Lake test area

由圖2-a可知，采用溫納β裝置進(jìn)行高密度電法探測時(shí)，獲得了良好的地層分層效果，并且對(duì)斷層傾向的反演結(jié)果與地質(zhì)剖面一致。而采用三極裝置進(jìn)行高密度電法探測時(shí)，地層分層效果較差，尤其是對(duì)斷層傾向的反演結(jié)果與地質(zhì)剖面存在較大差異(圖2-b)。由此可知，溫納β裝置探測精度高，而三極裝置探測精度較低，但探測深度相對(duì)較大，可以彌補(bǔ)前者探測深度不足的問題。因此在湖泊區(qū)域開展高密度電法探測時(shí)，可采用兩種裝置相結(jié)合的方法，以便同時(shí)滿足探測精度與深度的要求。

3.2.3后官湖測線探地雷達(dá)與淺地層剖面法探測成果

后官湖邊部區(qū)域水深較淺，淺地層剖面儀的探頭幾乎處于觸底狀態(tài)，因此僅將淺地層剖面測線(長193 m)布設(shè)于探地雷達(dá)測線的中間位置，即對(duì)應(yīng)探地雷達(dá)測線40～233 m段和地質(zhì)剖面90～283 m段。將兩種方法采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，分別得到后官湖測線探地雷達(dá)成果解釋圖(圖3)和淺地層剖面法成果解釋圖(圖4)。

由圖3可以看出，探地雷達(dá)成果圖像整體清晰，水底和淤泥層底界面反射明顯。按水中電磁波速度為33 500 m/s來計(jì)算，推測后官湖在測線方向上的最大探測深度約6 m，湖水深度為2～5.5 m，淤泥層厚度為0～1 m。

由圖4可以看出，淺地層剖面法的探測信號(hào)以多次波和噪點(diǎn)為主，只能大致分辨出第一個(gè)反射界面(即水底界面)的大致變化特征，而地層信息被強(qiáng)烈的多次波所掩蓋，無法真實(shí)地反映地質(zhì)情況。按水體彈性波速度為1 500 m/s來計(jì)算，推斷水深為2～3 m。

圖3 后官湖試驗(yàn)區(qū)探地雷達(dá)成果解釋圖Fig.3 Interpretation diagram of ground penetrating radar in Houguan Lake test area

圖4 后官湖試驗(yàn)區(qū)淺地層剖面法成果解釋圖Fig.4 Interpretation diagram of sub-bottom profiler method in Houguan Lake test area

對(duì)比上述兩種物探方法的探測成果可知，在水深較淺的湖泊區(qū)域，探地雷達(dá)可以清晰準(zhǔn)確地反映湖底地形起伏、淤泥層厚度變化等淺部地質(zhì)信息，而淺地層剖面法基本無法獲得有效的地質(zhì)信息。

3.2.4湖泊物探應(yīng)用效果對(duì)比分析

對(duì)比后官湖試驗(yàn)區(qū)采用高密度電法、探地雷達(dá)、淺地層剖面法探測的成果，認(rèn)為在水深較淺(<6 m)的湖泊區(qū)域，探地雷達(dá)可以有效反映水下地形和淤泥層厚度變化情況，但是由于水體對(duì)電磁波能量的吸收，其最大探測深度受到限制，一般不超過8 m；淺地層剖面法在水深較淺的湖泊區(qū)域難以獲得有效的地質(zhì)信息；高密度電法有較大的探測深度，可以獲得相對(duì)豐富的地質(zhì)信息，其中溫納β裝置對(duì)地層分層和構(gòu)造識(shí)別都有較好的探測效果，三極裝置的優(yōu)勢在于有較大的探測深度，但探測效果相對(duì)較差。因此，在武漢市水深較淺的湖泊區(qū)域，宜采用高密度電法進(jìn)行探測，并采用探地雷達(dá)提高淺部的探測精度。

3.3 河流物探應(yīng)用效果分析

3.3.1漢江測線地質(zhì)特征及測線布設(shè)

漢江在本次試驗(yàn)期間處于枯水期，江面寬約250 m，航道水深約5 m，最大水深約8 m，水體下方存在厚度為0～6 m不等的粉砂層，再往下為厚度不等的黏土層和砂層互層，基巖主要為二疊系灰?guī)r或志留系泥質(zhì)粉砂巖、泥巖等。

本次在漢江試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行探地雷達(dá)、淺地層剖面法兩種物探方法的對(duì)比分析。

3.3.2漢江測線探地雷達(dá)與淺地層剖面法探測成果

漢江試驗(yàn)區(qū)的探地雷達(dá)測線長240 m，而淺地層剖面法測線由于需要保證設(shè)備水下安全、避開過往船只等，未能與探地雷達(dá)測線重合，而是與探地雷達(dá)測線斜交，整體處于江心位置，長度為166 m，該測線投影后對(duì)應(yīng)探測雷達(dá)測線60～180 m段。將兩種物探方法采集的數(shù)據(jù)處理后，分別繪制了漢江測線探地雷達(dá)成果解釋圖(圖5)和淺地層剖面法成果解釋圖(圖6)。

從圖5可以看出，探地雷達(dá)探測的反射界面清晰，水底起伏明顯。按水中電磁波速度為33 500 m/s來計(jì)算，本次試驗(yàn)期間漢江的水深為0～7 m，中間位置的水深為6～7 m。探地雷達(dá)測線0～60 m段的水底下方存在明顯的層狀反射特征，為淤泥層或砂層的反映[19]；該測線180～230 m段的水底下方存在明顯的相互疊加的弧形反射特征，為江中拋石的反映[20]；該測線中間位置僅有水底反射，水底下方未出現(xiàn)明顯的反射信號(hào)，其主要原因?yàn)榻畬?duì)電磁波能量的吸收(圖中可見在深度8 m以下位置的噪點(diǎn)信號(hào)非常明顯)，導(dǎo)致更深位置沒有反射信號(hào)。

從圖6可以看出，淺地層剖面法探測到多個(gè)清晰的反射界面，推測上部反射界面為水底與淤泥層或砂層界面，下部比較平緩的反射界面則為淤泥層或砂層底界的反映。另外，在深度15 m左右位置隱約出現(xiàn)一條反射界面，其起伏趨勢與水底反射界面相似，應(yīng)該是由多次波造成的。

圖5 漢江測線探地雷達(dá)成果解釋圖Fig.5 Interpretation diagram of ground penetrating radarin Hanjiang River test area

圖6 漢江試驗(yàn)區(qū)淺地層剖面法成果解釋圖Fig.6 Interpretation diagram of sub-bottom profiler methodin Hanjiang River test area

對(duì)比漢江試驗(yàn)區(qū)兩種物探方法的探測成果，可以看出探地雷達(dá)在水深相對(duì)較淺的漢江近岸區(qū)域，可以清晰準(zhǔn)確地反映水下淤泥層、拋石的厚度及賦存狀況，但是在漢江中間位置(水深超過約6 m)，由于江水對(duì)電磁波能量的吸收作用，導(dǎo)致探地雷達(dá)僅能探測到水底起伏情況，無法獲得淤泥層或砂層的厚度信息。而淺地層剖面法在漢江中間位置能夠探測到多個(gè)清晰的反射界面，可以準(zhǔn)確獲得水底起伏和淤泥層或砂層的厚度信息。因此，淺地層剖面法與探地雷達(dá)在水域探測方面能夠形成良好的互補(bǔ)，即在深水區(qū)域(水深>6 m)可以采用淺地層剖面法進(jìn)行探測，而在其探測盲區(qū)的淺水區(qū)域(水深<6 m)，可以采用探地雷達(dá)進(jìn)行探測。

3.3.3長江測線地質(zhì)特征及測線布設(shè)

長江在本次試驗(yàn)期間處于枯水期，江面寬約1 300 m，江水流速為2～3 m/s，靠近兩岸附近流速較低，靠近江中航道位置流速較高。長江航道水深8～20 m，最大水深可能>20 m。主航道以西水體下方存在厚度為8～15 m的砂層，主航道以東由于水流沖刷作用，導(dǎo)致砂層較薄且基巖出露水底，基巖主要為二疊系、三疊系灰?guī)r。

本次在長江試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行水上地震、淺地層剖面法兩種物探方法的對(duì)比分析。

3.3.4長江測線水上地震與淺地層剖面法探測成果

為避免長江試驗(yàn)區(qū)兩側(cè)拋石區(qū)域和淺灘的影響，布設(shè)的水上地震測線長1 200 m，淺地層剖面法測線長950 m，兩測線大致重合，淺地層剖面法測線0～950 m段對(duì)應(yīng)水上地震測線250～1 200 m段。將兩種物探方法采集的數(shù)據(jù)處理后，分別繪制了長江測線水上地震成果解釋圖(圖7)和淺地層剖面法成果解釋圖(圖8)。

由圖7可以看出，水上地震探測顯示出兩個(gè)明顯的反射界面，上部反射界面為水底的反映，下部反射界面應(yīng)為砂層底界的反映。按水中地震波速為1 500 m/s、水底反射時(shí)長為10～20 ms來計(jì)算，推測本次試驗(yàn)期間的長江水深為7.5～15 m；按飽水砂層中地震波速平均值為2 150 m/s、砂層上下界面反射時(shí)長間隔為0～16 ms來計(jì)算，推測砂層的厚度為0～17 m，與已知地質(zhì)資料相吻合。另外，在測線250 m處的砂層下方，地層反射波同相軸錯(cuò)動(dòng)，存在明顯的繞射現(xiàn)象，推測該處存在斷層[21]。

由圖8可以看出，淺地層剖面法探測顯示出多個(gè)明顯的反射界面，上部反射界面分布特征與水上地震探測的結(jié)果一致，為水底的反映，對(duì)水底起伏細(xì)節(jié)的刻畫明顯優(yōu)于水上地震探測。該測線400～600 m段的水底下方存在一不太明顯的反射界面，結(jié)合地質(zhì)資料推測為砂層的反映；而當(dāng)該段砂層厚度達(dá)到8 m左右時(shí)，反射界面消失，表明砂層對(duì)淺地層剖面法探測有降效影響。上部反射界面下方存在多條與其形態(tài)幾乎一致的反射界面，明顯為多次波的反映。

圖8 長江測線淺地層剖面法成果解釋圖Fig.8 Interpretation diagram of sub-bottom profiler methodin Yangtze River test area

對(duì)比長江試驗(yàn)區(qū)兩種物探方法的探測成果，可以看出水上地震的探測深度大于淺地層剖面法，但由于地震波的頻率低于淺地層剖面法的工作頻率，導(dǎo)致其在地層厚度、水底地形起伏特征的刻畫精度上低于淺地層剖面法；淺地層剖面法對(duì)水底的刻畫精度較高，但在砂層和淤泥層中的探測深度受到限制。因此，在水深相對(duì)較大的水域進(jìn)行探測時(shí)，如果條件允許，可同時(shí)開展水上地震和淺地層剖面法探測，以便同時(shí)滿足探測深度和淺部探測精度的要求。

3.3.5河流物探應(yīng)用效果對(duì)比分析

對(duì)比漢江、長江試驗(yàn)區(qū)采用水上地震、淺地層剖面法、探地雷達(dá)探測的成果，認(rèn)為在河流區(qū)域，水上地震可以勾勒出水下整體的地層結(jié)構(gòu)；淺地層剖面法可以提供更加詳細(xì)的水底地形起伏特征和準(zhǔn)確的地層厚度變化信息，但是其探測深度相對(duì)較小；探地雷達(dá)可以彌補(bǔ)上述兩種方法的不足，在河流兩側(cè)近岸水深較淺(6 m以淺)位置具有良好的探測效果。因此，在武漢市長江、漢江等水深相對(duì)較大的河流區(qū)域，宜采用水上地震、淺地層剖面法為主、探地雷達(dá)為輔的方法組合，可以相對(duì)完美地解決河流水域?qū)μ綔y深度和精度的需求問題。

4 結(jié)論

本文以代表湖泊水域的后官湖、代表河流水域的長江和漢江為試驗(yàn)區(qū)，開展了水上地震、探地雷達(dá)、淺地層剖面法、高密度電法四種水域物探方法的應(yīng)用效果對(duì)比研究，提出武漢市水域地質(zhì)調(diào)查中應(yīng)用物探方法的建議如下：

(1) 在武漢市湖泊區(qū)域，建議采用高密度電法和探地雷達(dá)的方法組合。

(2) 在武漢市河流區(qū)域，建議采用水上地震和淺地層剖面法為主的方法組合，而在水深<6 m的近岸位置宜采用探地雷達(dá)彌補(bǔ)水上地震和淺地層剖面法探測的短板。

(3) 本次研究總結(jié)的物探方法及其組合可基本滿足武漢市水域地質(zhì)調(diào)查的物探需求，但水域物探方法種類多、技術(shù)更新快，在條件允許時(shí)應(yīng)考慮加入其他物探方法進(jìn)行對(duì)比研究。