綜合地球物理方法在巖土工程勘察中的應用

侯 征，侯 暉，邸 龍

（1.河北地質大學勘查技術與工程學院，河北石家莊050031；2.內蒙古地質勘查有限責任公司，內蒙古呼和浩特010020）

地球物理方法作為高效、經濟、無損的勘探方法，成為巖土工程勘察的重要補充手段。地球物理方法以地下巖土層或地質體的物性差異為基礎，通過自然或人工建立的地球物理場對地下地質體不同的地球物理響應，來確定地質體的空間幾何參數（大小、形狀、埋深等），并可獲取巖土體的物性參數，達到解決相關地質問題的目的。然而單一地球物理方法僅是對應某種物理屬性，如電法對應電阻率、地震方法對應速度等，在應用中，不可避免地存在多解性問題。為了減少多解性的影響，就需要考慮不同方法的特點，開展綜合地球物理方法研究，提高地球物理方法在巖土工程勘察中的解釋精度。

1 高密度電阻率法

1.1 方法原理

高密度電阻率法，是基于直流電阻率法的基本原理，利用微機控制技術，集電剖面法和電測深法于一體，在多路轉換器的程序控制下，實現在剖面上一次性布極，獲取多種裝置類型的地電斷面分布信息，是目前探測精度較高的工程地球物理探測方法。高密度電法野外工作裝置形式較多，總電極數與點距可根據場地條件及勘察深度任意選擇，而且對同一斷面可選用多種裝置多次測量，獲取多種裝置的不同數據，減少僅用一種裝置類型測量所造成的多解性，圖1是常用的幾種裝置類型。其中單位電極距a決定高密度電阻率法的分辨率，電極距越小，分辨率越高，但探測深度相對降低。隔離系數n決定了勘探深度和淺層的覆蓋次數。n值越大，采集的數據就越多，獲取信息就更豐富，但工作效率低。

圖1 高密度電阻率法常用排列示意圖

1.2 數據預處理

高密度電阻率法數據預處理內容主要包括數據拼接、突變點剔除、曲線圓滑、地形數據預編輯等幾項內容。

受儀器采集道數限制，在完成一條剖面測量后，需要將各段剖面數據拼接，形成完整的剖面數據。在數據采集過程中，由于工業游散電流干擾、電極接地條件、人工脈沖、電極斷電、激化補償不穩和人為操作誤差等相關因素存在，必定存在個別數據明顯為不符合真實地下信息的“突變點”，這些點具有明顯的數值偏大或偏小，或與鄰近數據沒有形成連續的變化，發生突然跳躍等特點。為此，需對這些“畸點”進行剔除，如有必要，還應進行插值補點。為了壓制高頻干擾，突出整體異常，還需對實測曲線進行了低通濾波“圓滑”處理。在工區內地形起伏較大時，為了避免地形因素的影響，應對地形數據進行編輯，使地形數據參與視電阻率異常的反演，以確保反演結果精度，而不受地形影響。預處理后的數據方可進行后續視電阻率圖件繪制和反演解釋。

2 瑞雷波法

2.1 方法原理

瑞雷波是地震中面波的一種，瑞雷波在致密彈性體中人工激發產生并以柱面波前方式傳播，在傳播過程中，遇到巖石的物理力學性質發生明顯改變時，在頻散曲線上會發生畸變，而在瑞利波頻散曲線上易于識別這些異常。瑞雷波法就是利用瑞雷波這一特性進行勘察的一種地球物理方法。

瑞利波探測方法分為穩態和瞬態,目前多采用瞬態瑞雷波法。瞬態瑞利波采用瞬態沖擊震源，一次激發和接收，可以獲得寬頻帶的瑞雷波振動信號，這相當于穩態成百上千次激發的信息，如圖2所示。儀器記錄同一瑞雷波列在傳播方向上的不同位置的2個時間域信號，經離散傅里葉變換(DFT)轉換為一系列不同頻率的正弦分量。由此可以得到信號的頻譜分布、相應頻率的相關程度和相移大小 Δφ(f)，由式（1）和式（2）可以計算出相鄰不同頻率成分的滯后時間Δt(f)和平均速度f)。

根據平均速度[f)]和頻率（ f），利用式（3）可以得到波長λR。

通過-λR關系曲線可知，同一波長的瑞雷波傳播特性反映了地質條件在水平方向的變化情況，不同波長的瑞雷波傳播特性則反映不同深度的地質情況。如果探測的對象是非均勻介質，不同頻率的振動按不同的速度傳播，一定的頻率對應一定的波長，即一定的地層深度，這就是瑞雷波的頻率(深度)——速度分散特性。通過對頻散曲線進行反演，即可得到某一深度范圍內的地質構造情況和不同深度的瑞雷波傳播速度vR值；vR值的大小與介質的物理力學特性有關，據此可對探測對象(圍巖)的物理力學性質做出評價。

圖2 瑞雷波法勘探原理示意圖

2.2 數據預處理

瑞雷波預處理主要包括以下幾方面內容：（1）原始資料進行整理核對、編錄；（2）分析縱波與面波以及各階面波的時空域分布特征；（3）根據面波在時間—空間域中的分布特征確定面波時間—空間窗口；（4）根據上述確定窗口，在頻率—波數域內提取面波；（5）面波進行頻散分析，形成頻散數據。

首先對多道地震數據記錄文件中的壞道數據剔除，采取低通濾波處理技術，消除高頻干擾信號；而后，基于面波在地震記錄剖面內具有振幅大、頻率低、速度慢等特點，在記錄的時間—距離(X-T)域設置有效面波時—距窗口范圍，如圖3所示，以排除其它波的干擾影響；利用二維傅里葉變換解釋將選取的多道面波數據轉換成頻率—波數(F-K)能譜，如圖4所示。在頻率—波數(F-K)域的能譜圖上，圈定各階面波的能量峰脊，采取追索拾取的方式，獲取頻散數據，組成頻散數據文件，記錄好的頻散數據作為后面反演解釋的基礎。

3 工程應用實例

3.1 工程概況

該工程開展地球物理勘探的主要目的是配合地質調查和鉆探工作，查明研究區覆蓋層、風化帶厚度及巖層面起伏形態以及破碎帶的分布情況，為研究區開展土建工作提供參考依據。

3.2 研究區巖土體類型

研究區巖石類型主要為堅硬塊狀、中厚層狀碳酸鹽巖建造；堅硬中厚層狀碎屑巖建造；較堅硬薄層狀碎屑巖建造；軟弱層狀碎屑巖建造；軟硬相間中厚層狀碎屑巖建造；堅硬塊狀巖漿巖建造；堅硬塊狀巖漿建造和較堅硬薄層狀變質巖建造。土體類型主要為沖積、洪積、風積及各種混合堆積等。

3.3 研究區地球物理特征

圖3 原始記錄圖

通過對前人資料收集整理和標本物性參數測定，研究區內各種巖石的電性參數及剪切波速度分別如表1和表2所示。

圖4 頻率—波數域圖

由表中各類巖石的電阻率參數及剪切波速度可知，研究區內第四系坡積物呈現中低阻和低速特性，風化帶呈現中高阻和中速特性，基巖則均呈現為相對高阻和高速性特征。由于工作過程中，研究區降水較多，因此破碎帶由于雨水的影響，反映為低阻特性。因此，研究區各類巖石間的導電性和波阻抗存在著明顯的差異，從而為開展直流電阻率法和瑞雷波法查明研究區覆蓋層、風化層厚度、基巖界面形態以及破碎帶位置提供了必要的地球物理前提條件。

3.4 典型異常分析

表1 巖石的電性參數表

表2 各種巖性對應的剪切波速度表

根據研究區具體情況，共布設了13條測線。本文僅以6號測線為例來說明綜合地球物理方法的有效性。

6號測線敷設于研究區中部，由該剖面反演成果圖5a所示，在地表35～60m、92～112m存在2處高阻異常區，電阻率不小于170Ω·m，為基巖出露反映。地表其余部位均為電阻率值不大于70Ω·m的低阻異常區，平均深度在5m左右，推斷屬第四系坡積沖積松散土層。其下部有一層電阻率值介于70～170Ω·m間的中阻區，平均厚度在3m左右，推斷為風化層。在中阻層之下為電阻率值不小于170Ω·m的高阻層，推斷為下伏基巖。

圖5b為瑞雷波反演的等速度剖面圖，剖面上部存在一層厚度3～10m，速度小于300m/s的低速層，推斷為覆蓋層；在其下部存在一層厚度1～5m，速度大于300m/s，小于500m/s的中速層，推斷為風化巖層；在中速層的下部是波速大于500m/s的高速層，推斷為基巖。

對比二者反演解釋成果圖，可見高密度電阻率法的橫向分辨率要優于瑞雷波法，而瑞雷波法的縱向分辨率則優于高密度電阻率法。在6號剖面的右端高密度方法解釋的覆蓋層厚度明顯高于瑞雷波法的解釋厚度，是因為高密度方法在邊緣位置所獲取的信息量少，反演時，該部位勢必造成較大誤差。總體來看2種方法所劃分的不同界面對應關系還是較好的，說明基于不同物性基礎的地球物理方法，在探測對象具有相同幾何參數的前提下，開展綜合方法勘察是行之有效的，2種解釋結果可以互相對比印證，解釋結果較單一方法更具有可信度。

4 結論

圖5 6號測線解釋成果圖

地球物理方法具有的諸多優點使其在工程勘察領域中的作用日益突出。但在勘察過程中，應當認識到地球物理方法從數據采集時存在的干擾噪聲到反演解釋時的多解性問題，均可能引入虛假信息，因此，有必要開展綜合地球物理方法研究工作。同時，綜合地球物理方法不僅僅是多種方法的綜合解釋，同時還可以開展多種方法的聯合反演，通過不同的地球物理響應特征，從多方面驗證結果的可靠度，提高勘察精度。

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