綜合物探在古河道探測中的應用

湯 博

（河北省水利水電勘測設計研究院集團有限公司，天津 300220）

南水北調東線二期工程規(guī)劃是通過擴大東線一期工程的規(guī)模向北延伸，規(guī)劃輸水干線線路總長1785.4 km，黃河以北段推薦線路總長809.9 km，其中臨吳渠145.5 km。本文以臨吳渠為例，針對工程地形、地質特點，利用高密度電法和瞬態(tài)瑞雷面波法相結合的綜合物探方法，查明擴、改建渠道及交叉建筑物是否存在區(qū)域性隱伏斷層、古河道等地質問題。

1 地質概況及地球物理特征

1.1 地質概況

根據(jù)勘察成果，勘探深度范圍內，工程區(qū)位于河北省冀中平原的邢臺市、衡水市和滄州市，地形總體比較平坦開闊，且區(qū)域內河道較多，總體地勢自西南向東北緩慢傾斜。揭露的地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積及湖沼積成因地層，巖性主要有壤土、砂壤土、黏土、粉砂及細砂等。

1.2 地球物理特征

根據(jù)第四系松散層地球物理特征參數(shù)統(tǒng)計結果可見，如表1～表2，不同介質之間存在著較明顯的電阻率差異及波速差異，地下介質中出現(xiàn)區(qū)域性隱伏斷層、古河道的變化時，其電阻率值及瑞雷波速也隨之變化，尤其是出現(xiàn)古河道特有的砂、卵石時電阻率會隨之增高，電性一般呈相對高電阻反應，相應的瑞雷波速則會出現(xiàn)高速帶。采用高密度電法大范圍查找電阻率高阻異常同時在相應位置輔以瑞雷面波探測相結合的物探方法，可查找地下介質的電阻率及瑞雷波速差異，尋找“高阻”“高速”異常，作為古河道異常的重要物性標志。

表1 工區(qū)內第四系松散層電阻率統(tǒng)計

表2 工區(qū)內第四系松散層速度統(tǒng)計 單位：km/s

2 基本原理及工作方法

2.1 高密度電法基本原理及工作方法

高密度電法是利用垂向直流測深和電剖法的基本理論，利用高密度電法測量系統(tǒng)中的計算機軟、硬件，控制在相同的多芯電纜上與多個電極相連，構成多個垂向測深點或多個不同探測深度的探測剖面，并按照控制系統(tǒng)中選取的探測設備，根據(jù)測深點位置的排列或探測剖面深度順序，逐點逐層檢測，實現(xiàn)自動布點、自動跑極、自動供電、自動觀測、自動記錄、自動計算、自動存儲，在測量系統(tǒng)中形成多個垂向測深點或多個探測。

本次高密度電法勘探使用重慶地質儀器廠生產(chǎn)的DZD-8 多功能全波形直流電法儀，應用其高密度電法勘探并采用溫納裝置。電極間距設定為5 m，共120 根電極，最大隔離系數(shù)為10，最高供電電壓360 V，重復觀測相鄰兩個排列之間的電極數(shù)量30 個，如圖1。

圖1 高密度電法工作布置及記錄剖面示意圖

本次使用G3RTOMO 6.0 高密度軟件解釋系統(tǒng)，首先將儲存數(shù)據(jù)轉換成圖像處理，經(jīng)過正、反演計算，可生電阻率斷面色階圖，而不同的電阻率在斷面色階圖上用不同的顏色來顯示。通過顏色深淺就能判斷剖面的電阻率分布特征，再結合地質勘探成果，就可對該條剖面反映地層及其可能存在不良地質體進行有效解譯。

2.2 瞬態(tài)瑞雷面波法基本原理及工作方法

本次采用瞬態(tài)瑞雷波探測，瞬態(tài)瑞雷面波的特點是介質表面的頻散特性，不同頻率的波在介質中傳播速度不同，利用這種特性可對不同介質進行分層。面波勘探與地層速度的關系。折射波法要求下覆層速度大于上覆層速度，反射波要求各層介質間存在波阻抗差異，而面波勘探不受上述物性條件制約，僅要求各層介質間存在橫波速度差異，由于橫波速度主要與介質密度或介質的松散與密實程度有關，因此在地層劃分方面有較好的分辨能力，較適合于本次工作中查找古河道的任務，尤其是密實度差異較大的壤土層和砂層。

使用的儀器為美國NZXP24 地震儀，震源為20磅大錘。在工作正式開展前，先進行參數(shù)試驗，通過試驗波形，如圖2，來選取適合的空間域與時間窗口，并確定偏移距。經(jīng)過反復現(xiàn)場試驗，采用重慶地質儀器廠生產(chǎn)的4 Hz 低頻垂直檢波器，接收道數(shù)設為24，道間距2 m，偏移距12 m，采樣間隔250 μs，記錄長度1024 ms。

圖2 展開排列后多道檢波器接收的有序波形

瞬態(tài)瑞雷面波的資料整理采用核工業(yè)北京地質研究院編制的SWSview 地震瑞雷面波測深數(shù)據(jù)處理分析軟件。其主要流程：①瑞雷面波波數(shù)據(jù)資料預處理→②生成瑞雷面波頻散曲線→③頻散曲線分層、反演瑞雷面波速度及確定層厚→④統(tǒng)計分析測點在強夯影響深度范圍內的瑞雷面波速度。

3 成果分析

經(jīng)過高密度電法大范圍探測后發(fā)現(xiàn)渠道左岸樁號22+800～24+000 范圍內存在高阻異常，如圖3；在異常位置增加1 個瑞雷波剖面，如圖4；為探測準確性在渠道右岸相同里程范圍內增加布置高密度電法剖面，如圖5；瑞雷波剖面如圖6。

圖3 臨吳渠段（22+963～24+008）左岸高密度電法成果

圖4 臨吳渠段（23+257～23+612）左岸瑞雷面波成果

圖5 臨吳渠段（22+808～24+003）右岸高密度電法成果

圖6 臨吳渠段（23+230～23+780）左岸瑞雷面波成果

根據(jù)渠道左岸勘探成果，本段下部揭露厚層粉細砂層，頂板埋深8～12 m，揭露最大厚度18 m。

通過綜合物探成果圖顯示，渠道左岸樁號23+450～23+700 范圍內電阻率呈連續(xù)性高阻分布，電阻率為25～60 Ω·m，頂板埋深8～12 m，厚度18 m；相同位置的瑞雷面波剖面在埋深12～25 m 處，出現(xiàn)高速層反應，波速200～280 m/s，且波速分界面明顯。渠道右岸樁號23+350～23+600 范圍內電阻率呈連續(xù)性高阻分布，電阻率27～150 Ω·m，頂板埋深8～12 m，厚度18 m；相同位置的瑞雷面波剖面在埋深12～20 m處，出現(xiàn)高速層反應，波速230～280 m/s，且波速分界面明顯。

綜合勘探和物探成果分析，該段發(fā)育淺埋型古河道，主要為粉細砂層局部夾有砂壤土，分布較穩(wěn)定且東南向斜穿渠道。

4 結語

通過對南水北調東線臨吳渠進行勘察，采用高密度電法和瞬態(tài)瑞雷面波相結合的綜合物探方法，并結合鉆探成果，查明淺埋型地下古河道的存在。該工程證明綜合物探手段切實可行，且可互相驗證、取長補短，相比單一物探方法為地質勘察提供更為準確的依據(jù)，為類似工程勘察提供借鑒。