微動(dòng)探測(cè)方法在城市深部探測(cè)中的應(yīng)用
——以廣州南沙區(qū)三維深地探測(cè)項(xiàng)目為例

李安源, 謝紹彬, 龍秀潔, 藍(lán)紅珠

(廣西壯族自治區(qū)地球物理勘察院,廣西 柳州 545005)

0 引言

城市地下空間開發(fā)利用是實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[1]。探測(cè)地下空間結(jié)構(gòu)是近年來城市勘探工作的主要方向[2],開展多要素城市地質(zhì)綜合調(diào)查,評(píng)價(jià)空間、資源、環(huán)境、災(zāi)害等多要素現(xiàn)狀與特征是城市地下空間探測(cè)技術(shù)的研究熱點(diǎn)[3]。

微動(dòng)探測(cè)技術(shù)與瞬變電磁、地質(zhì)雷達(dá)、電阻率法等不同的地方在于該方法受場(chǎng)地電磁干擾及高低速夾層、低阻高導(dǎo)層屏蔽作用的影響較少;較適合城市鬧市區(qū)復(fù)雜場(chǎng)地和電磁環(huán)境,是一種環(huán)保、抗干擾能力強(qiáng)、探測(cè)深度大、適用范圍廣的新型物探技術(shù),具有良好的工程應(yīng)用前景[4-6]。本文以廣州南沙區(qū)為研究區(qū),利用微動(dòng)勘探法在該區(qū)進(jìn)行大深度地質(zhì)異?？碧?取得良好效果,拓寬微動(dòng)勘探的應(yīng)用范圍,以期為城市深部探測(cè)提供可靠的調(diào)查手段。

1 地質(zhì)與地球物理場(chǎng)背景

研究區(qū)位于廣州市南沙區(qū),距廣州市58 km。南沙區(qū)地處珠江入?？?地勢(shì)平緩。臺(tái)陣周圍為果園,硬化路面較少。區(qū)內(nèi)地層以第四系為主,主要巖性為砂巖、粉砂巖與泥巖。該區(qū)存在的隱伏花崗巖體主要為燕山期黑云母花崗巖[7-10](圖1)。

區(qū)內(nèi)砂巖的平均剪切波速Vs與巖土的性質(zhì)有關(guān),松軟巖土的Vs低、密實(shí)巖土的Vs高。風(fēng)化的基巖與未風(fēng)化基巖的Vs差異較大,花崗巖的Vs最高(表1)。研究區(qū)各地層平均面波速度差異較明顯(表2),區(qū)域地層具備開展天然源面波勘探的物理前提。

2 采集參數(shù)試驗(yàn)

微動(dòng)是由體波(P波、S波)和面波(瑞雷波、勒夫波)組成的復(fù)雜震動(dòng),其中面波的能量占信號(hào)總能量的70%以上[11-14]。微動(dòng)勘探主要采用臺(tái)陣方法(SPAC法)來接收微動(dòng)信息,從中提取瑞利面波的頻散特性,通過對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演獲得地層的橫波速度,以此推測(cè)地殼淺部的橫波速度結(jié)構(gòu)。觀測(cè)臺(tái)陣主要有圓形、“十”字形或“L”形,研究表明觀測(cè)臺(tái)陣還可以有更多的形式,也可以采取任意形式布置拾震器,但需要滿足3個(gè)條件:滿足探查深度范圍需要的波長(zhǎng),臺(tái)陣中各接收點(diǎn)連線的方向要盡可能的多,臺(tái)陣中各接收點(diǎn)之間的距離要方便計(jì)算[15-16]。

圖1 研究區(qū)工作部署圖

表1 研究區(qū)不同巖性物性參數(shù)

表2 研究區(qū)巖性分層平均面波速度

本研究采用的微動(dòng)探測(cè)儀器設(shè)備為WD-202型智能微動(dòng)勘探儀,選擇數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理有機(jī)結(jié)合的智能勘探模式,使數(shù)據(jù)采集與處理同步進(jìn)行,現(xiàn)場(chǎng)直接獲得速度—深度域的頻散曲線,現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)面波頻散曲線的形態(tài)可以實(shí)時(shí)調(diào)整工法布置,從而減少返工、提高效率。

遵循為廣州地下空間及重大工程建設(shè)服務(wù)的原則,項(xiàng)目勘探目的為確定地層起伏情況。根據(jù)甲方布置測(cè)線需求勘探深度大于2 000 m,測(cè)點(diǎn)間距為250 m。通過試驗(yàn)確定本天然源面波勘探采用10個(gè)采集站布置成嵌套式等邊三角形臺(tái)陣,最大三角形邊長(zhǎng)為900 m,采樣頻率0.4 Hz,采樣間隔10 ms,采樣模式為5G模式,以充分接收低頻信號(hào)。采樣時(shí)間根據(jù)采用數(shù)據(jù)達(dá)到勘察深度時(shí)終止,各測(cè)點(diǎn)布置形態(tài)見圖1。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)處理

采用SPAC或F—K法從數(shù)據(jù)中提取出瑞雷波相速度頻散曲線,經(jīng)頻散曲線反演獲得橫波速度結(jié)構(gòu)再進(jìn)行推斷解釋地層結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)處理主要步驟有空間自相關(guān)(SPAC)、設(shè)置頻率區(qū)間、頻散聚合濾波、干擾點(diǎn)剔除。

3.2 單點(diǎn)頻散曲線

30000/L1—32250/ L1測(cè)點(diǎn)頻散曲線的形狀均符合被動(dòng)源地震臺(tái)陣勘探的一般規(guī)律。(圖2)

單點(diǎn)成果解釋如下:

(1)30000/L1測(cè)點(diǎn):勘探深度為2 600 m,頻散曲線整體速度呈逐漸增加趨勢(shì),經(jīng)過處理后,“之”字形折曲十分明顯,說明上下地層速度差異較大,隨著地層深度增加,頻散點(diǎn)疏密變化明顯,說明地層隨深度增加出現(xiàn)層位的交替(圖2a)。

(2)30250/ L1測(cè)點(diǎn):勘探深度為2 900 m,在1 750 m深度出現(xiàn)了明顯的“之”字形回拐,上下地層速度差異較大,頻散曲線整體速度與30000/L1一致。其他深度分層“之”字形回拐較小,頻散點(diǎn)疏密變化較明顯,地層劃分可見圖2b。

(3)30500/L1測(cè)點(diǎn):勘探深度為2 300 m,頻散曲線整體速度呈增加趨勢(shì),經(jīng)過濾波處理之后,“之”字形拐點(diǎn)在250、500、1 000、1 200、1 500 m深度較為明顯,說明上下地層速度有明顯差異(圖2c)。

(4)30750/ L1測(cè)點(diǎn):勘探深度為2200 m,頻散曲線整體速度呈增加趨勢(shì),1 000 m以深速度整體與30500/L1保持一致。濾波處理后“之”字形拐點(diǎn)在250、500、1 000、1 250、1 700 m深度對(duì)應(yīng)分層頻散點(diǎn)疏密變化清晰(圖2d)。

(5)31000 /L1測(cè)點(diǎn): 勘探深度為3 200 m,1 000 m以深速度要高于30500 /L1和30750 /L1點(diǎn),與30000 /L1和30250 /L1點(diǎn)速度一致,根據(jù)“之”字形拐點(diǎn)和疏密變化點(diǎn)在250、500、1 050、1 500、2 500 m深度見明顯分層點(diǎn),分層后反演各層剪切波速度見圖2e。

(6)31250/ L1測(cè)點(diǎn):勘探深度為2 900 m,1 000 m以深速度整體低于31250/ L1點(diǎn)。濾波處理后,頻散疏密變化點(diǎn)和“之”字形拐點(diǎn)明顯可見,在250、500、900、1 250、1 750、2 250 m深度附近可見明顯分層拐點(diǎn)(圖2f)。

(7)31500/ L1測(cè)點(diǎn):勘探深度為2 300 m,在濾波處理后,“之”字形拐點(diǎn)相較前幾個(gè)測(cè)點(diǎn)回拐較大,收斂一般,在200、400、1 000、1 300和2 100 m深度附近可見明顯劃分層位。1 000 m以深速度高于31250/ L1點(diǎn)但低于前幾點(diǎn)(圖2g)。

(8)31750/ L1測(cè)點(diǎn):勘探深度為2 500 m,濾波處理后,在250、1 200、1 700、2 200 m深度附近“之”字形回拐明顯,頻散點(diǎn)疏密變化清晰,1 000 m以深速度與30000/ L1和30250/ L1速度近似(圖2h)。

(9)32000/ L1測(cè)點(diǎn):勘探深度為3 600 m,頻散曲線1 000 m以深速度與前一點(diǎn)一致。濾波處理后,在500、1 500、2 500 m深度可見明顯分層拐點(diǎn)。根據(jù)“之”字形拐點(diǎn)和頻散疏密變化點(diǎn)劃分層位,反演各層剪切波速度見圖2i。

(10)32250/ L1測(cè)點(diǎn):勘探深度為2 250 m,經(jīng)過濾波處理,頻散曲線整體速度低于前幾個(gè)測(cè)點(diǎn),在200、400、600、1 250、1 700 m深度附近可見明顯“之”字形拐點(diǎn)。根據(jù)拐點(diǎn)和疏密變化點(diǎn)劃分層位,反演各層剪切波速度見圖2j。

圖2 30000/L1—32250/L1 頻散曲線圖

3.3 剖面解釋

3.3.1 微動(dòng)勘探線成果

利用采集的10個(gè)被動(dòng)源地震臺(tái)陣測(cè)點(diǎn),繪制反演橫波速度剖面圖。從等值線圖直觀反映地層介質(zhì)的物性,介質(zhì)顆粒由細(xì)到粗的變化,介質(zhì)由松散到密實(shí)的變化和介質(zhì)由塑性到堅(jiān)硬的變化。

反演橫波速度剖面圖(圖3)可見橫波速度隨深度增加而逐漸增加,結(jié)合已知鉆孔資料、物性資料、單個(gè)測(cè)點(diǎn)頻散曲線異常拐點(diǎn)及頻散點(diǎn)疏密分布分析,橫波速度小于500 m/s,速度層位厚50～100 m,推斷為第四系(Q)砂質(zhì)黏土層;橫波速度為500～1 000 m/s,推斷為風(fēng)化砂礫巖;橫波速度為1 000～1 750 m/s,推斷為未風(fēng)化砂礫巖;橫波速度為1 750～2 000 m/s,推斷為二長(zhǎng)片麻巖;橫波速度大于2 000 m/s,推斷為二長(zhǎng)花崗巖;根據(jù)圖3呈現(xiàn)出高速中夾帶相對(duì)低速變化條帶推斷1條斷裂構(gòu)造,各層的厚度巖性及斷裂構(gòu)造發(fā)育。

4 結(jié)論

通過微電探測(cè)方法對(duì)廣州市南沙區(qū)的勘探結(jié)合已有地質(zhì)資料得出以下結(jié)論:

(1)本次廣州南沙區(qū)微動(dòng)勘探共得到10個(gè)頻散數(shù)據(jù),頻散曲線折拐特征明顯、頻散點(diǎn)疏密變化清晰,低速現(xiàn)象突出,頻散曲線具有相當(dāng)?shù)姆直娴貙拥哪芰?。?duì)于廣州市南沙區(qū)勘探,采用天然源面波方法與前期地質(zhì)資料結(jié)合研究分析的方法是可行的。

(2)微電探測(cè)成果顯示從反演速度剖面圖推斷斷裂構(gòu)造發(fā)育位置與地質(zhì)已知斷裂構(gòu)造吻合,能夠提供縱向地層分層巖性分類等重要信息。

(3)微電探測(cè)方法的局限性主要體現(xiàn)在場(chǎng)地的大小限制臺(tái)陣的大小,故探測(cè)深度亦受到一定的限制。

圖3 L1線反演橫波速度剖面圖