地球物理探測技術(shù)在自然資源綜合調(diào)查中的應(yīng)用

劉松杭，康建坤，曾冠中，張偉，楊浪，李猛

摘要：宜城市位于湖北省西北部，地處漢江中游，是漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶的重要節(jié)點(diǎn)城市。在自然資源綜合調(diào)查中，常用的地球物理探測技術(shù)有兩種，即高密度電法和微動(dòng)勘探法。本文以宜城市為研究區(qū)，采用高密度電法和微動(dòng)勘探法進(jìn)行調(diào)查，獲得電阻率二維成像圖，對(duì)其異常形態(tài)進(jìn)行分析，從而查明地表基質(zhì)層厚度、基巖和破碎帶發(fā)育等情況。結(jié)果表明，高密度電法與微動(dòng)勘探法可用于確定地表基質(zhì)層厚度，區(qū)分地表基質(zhì)層和巖石的分界面，效果良好；根據(jù)電阻率的分布及變化趨勢，自然資源綜合調(diào)查可以較好地確定地表基質(zhì)層的空間分布特征和基巖特征，但容易受到外界因素的影響，這就需要人為排除干擾。經(jīng)鉆探資料驗(yàn)證，高密度電法和微動(dòng)勘探法的綜合推斷結(jié)果與實(shí)際情況吻合。

關(guān)鍵詞：自然資源綜合調(diào)查；地球物理探測技術(shù)；高密度電法；微動(dòng)勘探法

中圖分類號(hào)：P631.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2023）11-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.11.011

Application of Geophysical Exploration Technology in Comprehensive Survey of Natural Resources

LIU Songhang， KANG Jiankun， ZENG Guanzhong， ZHANG Wei， YANG Lang， LI Meng

（Geophysical Survey Center of China Geological Survey， Langfang 065000， China）

Abstract： Yicheng City is located in the northwest of Hubei Province， in the middle reaches of the Hanjiang River， and is an important node city in the Hanjiang River Ecological Economic Belt. In the comprehensive survey of natural resources， there are two commonly used geophysical exploration technologies， namely high-density electrical method and microseismic exploration method. Taking Yicheng City as the research area， this paper uses high-density electrical method and microseismic exploration method to conduct a survey， obtains two-dimensional electrical resistivity imaging map， and analyzes its abnormal form， thus identifying the thickness of surface matrix layer， development of bedrock and fracture zone， etc. The results indicate that high-density electrical method and microseismic exploration method can be used to determine the thickness of surface matrix layer and distinguish the interface between surface matrix layer and rock， with good results; based on the distribution and change trend of electrical resistivity， the comprehensive survey of natural resources can better determine the spatial distribution characteristics of the surface matrix layer and the characteristics of the bedrock， but it is susceptible to external factors， which requires human intervention. After verification by drilling data， the comprehensive inference results of high-density electrical method and microseismic exploration method are consistent with the actual situation.

Keywords： comprehensive survey of natural resources; geophysical exploration technology; high-density electrical method; microseismic exploration method

電阻率差異是高密度電法的核心原理[1]，該差異在巖石和土壤之間廣泛存在，有必要研究空間內(nèi)與這些差異相關(guān)的電場分布特征及其變化趨勢，實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用。微動(dòng)是地球表面何時(shí)何地都存在的微弱震動(dòng)，沒有特定震源，其振幅和形態(tài)隨時(shí)空變化而變化，在一定時(shí)空范圍內(nèi)又具有統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性，可用時(shí)間和空間上的穩(wěn)定隨機(jī)過程來描述[2]。宜城市位于鄂北崗地與江漢平原的交匯區(qū)，面積為2 115 km2，地貌特征為“三山兩水五分田”，總體地勢由西北向東南微傾斜。地形主要有3種。東部與西南部為低山丘陵，海拔超過150 m；中部與西北部為崗地，海拔為50～150 m；漢江沿岸分布沖積平原，海拔低于50 m。主要土壤類型包括泥質(zhì)巖、頁巖、碳酸巖、紫色砂頁巖、第四紀(jì)黃褐土母質(zhì)和河流沖積物等。土壤質(zhì)地大多為輕壤、中壤和重壤。在宜城市自然資源綜合調(diào)查中，先采用高密度電法（點(diǎn)距5 m和3 m）進(jìn)行探測，并運(yùn)用微動(dòng)勘探法反演進(jìn)行綜合對(duì)比，查明地表基質(zhì)層厚度和空間分布特征，分析高密度電法和微動(dòng)勘探法的適用性，為其他城市自然資源綜合調(diào)查的實(shí)施提供方法參考[3]。

1 工作方法

1.1 高密度電法

高密度電法是一種電阻率測量技術(shù)，其工作原理是利用地下巖石和土壤的電導(dǎo)性差異，人工引入穩(wěn)定電流場，根據(jù)地層中電流分布的規(guī)律性，推測不同電阻率特性的地質(zhì)體的空間布局[1]。高密度電法使用N2電法測量系統(tǒng)（重慶精凡科技有限公司）進(jìn)行分布式測量，點(diǎn)距為5 m和3 m，在3 m點(diǎn)距的剖面中采用滾動(dòng)模式進(jìn)行測量。根據(jù)研究區(qū)自然資源分布和地形特征，以覆蓋全要素自然資源為原則，高密度電法布設(shè)5條剖面，其中，板橋店鎮(zhèn)有1條（L1），王集鎮(zhèn)有2條（L2），雷河鎮(zhèn)有2條（L3）。

1.2 微動(dòng)勘探法

微動(dòng)勘探法通過采集分析振動(dòng)信號(hào)中的面波信息，預(yù)處理后獲取頻散曲線，經(jīng)過反演確定地下介質(zhì)的橫波速度。微動(dòng)勘探法大部分利用瑞利波進(jìn)行成像分析，具有非破壞性，同時(shí)有場地條件限制小、成本低、效率高的優(yōu)勢[2]。微動(dòng)勘探使用Node X系列高精度地震采集系統(tǒng)。儀器頻率設(shè)置為500 Hz，3通道同時(shí)進(jìn)行采集。主動(dòng)源利用5.4 kg大錘作為人工震源，并加金屬墊板激振。接收利用12臺(tái)節(jié)點(diǎn)地震儀，選擇直線型排列，道間距為5 m，最小偏移距為5 m，點(diǎn)距為10 m，記錄時(shí)間長度為1 s。被動(dòng)源采用單點(diǎn)譜比法，點(diǎn)距為30 m，記錄時(shí)間長度為15～20 min。根據(jù)研究區(qū)自然資源分布和地形特征，以覆蓋全要素自然資源為原則，微動(dòng)勘探法布設(shè)4條剖面，位置與王集鎮(zhèn)和雷河鎮(zhèn)的高密度電法剖面重合（L2、L3）。

2 成果解釋

2.1 L1線

L1線點(diǎn)距為5 m，使用160個(gè)電極，共計(jì)795 m。L1線為山坡景觀區(qū)。測線0～270 m和565～795 m為耕地，高密度電法斷面圖顯示低阻特征，推測其為第四系壤土層，0～270 m厚度淺，小于10 m；565～795 m厚度小于20 m。斷面圖中間層為中等電阻率特征，結(jié)合地表觀察，推斷其為巖石風(fēng)化殼，巖石破碎程度不一，電阻率曲線形態(tài)較亂。斷面圖中間深部為高電阻率特征，推斷其為深部巖石。另外，測線85 m、385 m處存在兩條低阻帶，推測其為兩條構(gòu)造破碎帶。

2.2 L2線

L2線按5 m和3 m點(diǎn)距分別進(jìn)行測量。點(diǎn)距為5 m時(shí)，使用200個(gè)電極，共計(jì)995 m；點(diǎn)距為3 m時(shí)，使用190個(gè)電極，滾動(dòng)兩次，合340個(gè)電極，共計(jì)1 017 m。L2線點(diǎn)距5 m的反演結(jié)果顯示，測量深度為68 m，其為丘陵景觀，地表全被莊稼覆蓋，距測線起點(diǎn)約500 m處東北方向有一水庫。測點(diǎn)500 m處垂直測線在正北方向約800 m處有一水庫。結(jié)合測量成果和地表觀察，推斷存在第四系土壤層、巖石風(fēng)化殼，并且?guī)r石破碎程度不一。測線120 m往東，地下巖石較完整，往西呈不同程度的破碎，測量斷面發(fā)現(xiàn)3條明顯的低阻帶，推測其可能為斷裂破碎帶，這三條斷裂帶很大程度影響地下巖石的完整性和分布。斷裂帶在低阻部位可能富水，尤其在測線500 m位置，地表就可見兩處水塘，并且有地下水從地下流出。

L2線3 m點(diǎn)距反演結(jié)果顯示，深度為50 m。

2.3 L3線

L3線按5 m和3 m點(diǎn)距進(jìn)行測量。點(diǎn)距為5 m時(shí)，使用190個(gè)電極，共計(jì)945 m；點(diǎn)距為3 m時(shí)，使用190個(gè)電極，滾動(dòng)兩次，合320個(gè)電極，共計(jì)957 m。L3線點(diǎn)距為5 m時(shí)，剖面長為945 m，反演結(jié)果顯示，測量深度為68 m，其為平原谷地景觀，地表全被莊稼覆蓋。由測量結(jié)果看，電阻率在橫向展布均勻，縱向?qū)哟畏置?，說明地下分層性好，初步推斷地下0～8 m低阻層為壤土層，8～25 m高阻層為礫石層，25～45 m低阻層為含水層，45 m以下為隔水巖層。3 m點(diǎn)距反演成像較5 m精細(xì)，電阻率分布與5 m點(diǎn)距的對(duì)應(yīng)非常好，電阻率分布整體變化不大，說明地下物質(zhì)結(jié)構(gòu)單一。

2.4 小結(jié)

高密度電法測量應(yīng)用于地表基質(zhì)調(diào)查時(shí)，3個(gè)不同景觀區(qū)地下基質(zhì)各不相同。山地景觀區(qū)第四系沉積物薄，構(gòu)成的主要基質(zhì)體為巖石風(fēng)化殼，由于風(fēng)化程度不同，地下結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜；丘陵景觀區(qū)的主要基質(zhì)體為第四系沉積物和風(fēng)化巖石，第四系沉積物相比山坡體要厚一些，巖石風(fēng)化程度要?jiǎng)×?，形成的地下結(jié)構(gòu)要復(fù)雜；平原景觀區(qū)地下基質(zhì)體要簡單一些，主要由第四系松散沉積物組成，沉積穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，分層性好。前兩種景觀區(qū)地下存在不同程度的斷裂破碎帶，斷裂充水，在一些部位富水，后一種景觀區(qū)由于沉積作用穩(wěn)定，地下水可能在顆粒較大、孔隙發(fā)育的礫石層富集。5 m點(diǎn)距的分辨率在基質(zhì)調(diào)查中可滿足工作需要，3 m點(diǎn)距的分辨率更高，在異常部位、重點(diǎn)部位和詳查部位可以選用[4]。高密度電法地表基質(zhì)調(diào)查須以水文地質(zhì)為基礎(chǔ)，結(jié)合其他技術(shù)方法，綜合解釋地質(zhì)異常，才能在工作中取得更好的效果。

由于勘測深度較淺，主動(dòng)源微動(dòng)勘探就可以達(dá)到目標(biāo)層，主動(dòng)源多道面波的淺層分辨率高，可獲得地下橫波速度分層信息[5]。被動(dòng)源微動(dòng)勘探可準(zhǔn)確獲取測點(diǎn)的特征頻率，根據(jù)淺層波速信息推斷覆蓋層厚度。主動(dòng)源與被動(dòng)源微動(dòng)勘探的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

3 鉆探驗(yàn)證

通過鉆探成果揭露，土層最深的是小河鎮(zhèn)河流濕地（34 m左右），最淺的為板橋店鎮(zhèn)山地溝谷（5 m左右），王集鎮(zhèn)丘陵和雷河鎮(zhèn)平原地貌土層較淺，深度分別為15 m和9 m。濕地土層分層較復(fù)雜，上部為黏土，中部為含碳有機(jī)質(zhì)黏土，中下部為砂土層，下部連接基巖風(fēng)化殼。丘陵、平原分層相對(duì)簡單，上層為含碳有機(jī)質(zhì)黏土，中層為含卵石層黏土，下層為基巖風(fēng)化殼。山地溝谷上層為黏土，下層為卵石層。

4 結(jié)論

經(jīng)鉆探成果驗(yàn)證，物探解譯成果與鉆孔實(shí)際表現(xiàn)對(duì)應(yīng)最好的是高密度電法（點(diǎn)距5 m），高密度電法（3 m點(diǎn)距）對(duì)異常部位、重點(diǎn)部位和詳查部位的地表基質(zhì)分析效果顯著。若只需要獲得巖土層分界厚度，可以采用微動(dòng)勘探法。從成本來看，平原區(qū)短距離測量適合采用5 m點(diǎn)距的高密度電法，山地丘陵區(qū)也可采用微動(dòng)勘探法，二者均能完成地表基質(zhì)分層的目標(biāo)任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

1 李 松，張 菊，李虎杰，等．高密度電法與大地電磁法在地質(zhì)勘查中的綜合應(yīng)用[J].化工礦物與加工，2021（1）：24-27.

2 盛 勇，賈慧濤，劉 楊.微動(dòng)勘探方法技術(shù)研究及其應(yīng)用[J].安徽地質(zhì)，2019（1）：34-39.

3 葛良勝，夏 銳.自然資源綜合調(diào)查業(yè)務(wù)體系框架[J].自然資源學(xué)報(bào)，2020（9）：2254-2269.

4 邱 波，王斌戰(zhàn)，郭光宇，等.高密度電法勘探方法應(yīng)用探討：以宜昌某地區(qū)1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目為例[J].資源環(huán)境與工程，2019（1）：125-129.

5 自然資源綜合調(diào)查項(xiàng)目組.承德自然資源綜合調(diào)查取得重要成果[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2020（6）：191.