綜合物探技術在城市地下空間探測中的應用

陳 挺，余 舟，龐有煒，嚴 迪，武 斌，馮化鵬，鄭福龍，張 鷗

綜合物探技術在城市地下空間探測中的應用

陳 挺1,2,3，余 舟1,2,3，龐有煒1,2,3，嚴 迪1,2,3，武 斌1,2,3，馮化鵬1,2,3，鄭福龍1,2,3，張 鷗1,2,3

（1.四川省地質礦產勘查開發局物探隊，成都 610072；2.四川省地球物理勘查研究院，成都 610072；3.武斌勞模專家創新工作室，成都 610072）

通過對以往開展的“成都市城市物探”項目電測深原始資料進行二次開發利用，同時結合“成都市城市地下空間資源地質調查Ⅳ標段”在中心城區開展的地震工作成果，為構建成都市中心城區300m以淺地層分層結構模型提供依據。首先對收集的鉆孔資料及對應物性特征進行對比分析，第四系以及基巖共劃分為5個電性層、7個波速層；然后利用K剖面法，對測深點的視電阻率曲線和K值曲線與對應的鉆孔巖性進行定性分析，建立不同形態電測深曲線與地層層位的對應關系；最后利用AGI1D反演軟件，將反演解釋的不同電性標志層位與鉆探成果進行對比分析，認為電測深定量反演解釋結果可靠，能準確的識別富水砂礫卵石層厚度和膏鹽（石膏）層的頂界面。在對電測深資料定性和定量分析的基礎上，結合地質鉆孔、測井資料、二維淺震解譯成果，綜合解譯地質層位。從而實現以電測深成果作為存量物探數據建立概略地質模型，以二維淺震勘探成果和鉆孔資料作為增量物探數據，在部分地段對地質模型進行精細化分層，從而彌補二維淺震和鉆探空白區地質模型精度不足的缺陷。

綜合物探；二次利用；電測深；二維淺震

隨著城市建設快速發展，城區面積急速擴張，人流、車流急劇增加，電（磁）法勘探在城市施工時，電磁波、金屬電纜、金屬管線等強干擾不可回避，遇到的諸多干擾因素導致采集的資料精度受到影響，因此對以往采集的區域電測深資料的二次開發利用就顯得尤為重要。成都市城市物探項目電測深工作開展于上個世紀九十年代，當時已建城區范圍、人文干擾均小于現今，工作比例尺1∶5萬（測網1km×1km），覆蓋了成都市中心城區東南部，包括雙流、新都、龍泉大部分范圍，控制面積1200km2。

地下巖土體地球物理特征各向異性，使得精確識別特定地質體具有很大的難度。電測深法以巖石的電阻率為研究對象，能反映出測點地下各深度巖石電性變化情況，但所測得的電阻率既不是淺部某巖層的電阻率，也不是深部某層的電阻率，而是AB兩電極內一定深度范圍多巖層電阻率的綜合反映。利用電測深資料進行地層劃分，其關鍵還在于電性的差異性。電性差異明顯時劃分精度高，當電性差異不明顯時，需要多種方法的綜合解釋。二維地震從彈性的角度去反映地下的情況，反射波法則主要利用反射波相位的時空特性來推測解釋地下構造。由上可知，地震和電測深法各有優缺點，二者結合起來，則能優勢互補。恰當的運用這兩種方法，能從不同物性角度研究工區地質層位的空間的分布特征（鄧起東等，2003；趙成斌，劉保金，1998;段佳松，1999；趙國敏等，1993；曾國等，2009；凌丹丹，薛勝利，周少偉，2019；田少兵等，2019；劉多朝，趙聚林，2005；劉則制，1988；吳子泉等，2005；龍作元，2006；劉則制，張秉書，1990；曹莉蘋等，2019）。因此重新開發利用存量電測深數據資料，并結合現今開展的地質、鉆探、地震勘探成果構建地質模型，有利于提高勘探空白區地質模型精度。

1 研究區地質概況

研究區包括成都市中心城區、高新西區、高新南區。

區內地層由老至新如下：

（1）前第四系地層：有中生代侏羅系蓬萊鎮組及白堊系天馬山組、夾關組、灌口組。其出露受地質構造控制，為一套紅色、紫色細粉砂巖與泥巖呈不等厚互層。

（2）第四系地層：分布于龍泉山以西廣闊的臺地和平原區，全新統至下更新統地層齊全，厚度由西向東變薄，溫江地區厚達300余米，東部臺地一般數米至20余米。

下更新統為一套冰積—沖積雜色砂礫卵石層，密實至半膠結，內含半膠結砂層透鏡體和半膠結礫巖透鏡體；中更新統上段為一套冰水沖積層，其上部為網紋紅土，含少量礫石及鐵錳結核，下部為泥砂礫卵石層；上更新統為一套冰水沖積層，上部覆蓋l～4m厚的粘質砂土，砂質粘土，其余為砂礫卵石層；全新統沿河道兩側分布，構成漫灘及一級階地。平原區為沖積、沖洪積成因，上部為粘質砂土，有鐵質侵染，下部為砂礫石層，夾砂層透鏡體。臺地區主要分布于龍泉山山前平壩，溝槽河道，以坡沖積為主，表層為砂質粘土，粘質砂土，下部為泥砂夾卵石層。

2 工作方法

2.1 電測深

電測深勘探方法是在地面的一個測深點上(即MN接收電極的中點)，通過逐次加大供電電極AB，測量同一點、不同AB極距的視電阻率值，研究這個測深點下不同深度的地質斷面情況。電測深勘探使用的觀測儀器是DDC-2A、DWJ-1型電法儀，采用對稱四級裝置，供電、測量極距見表1。

表1 電阻率測深裝置電極排列 單位：m

本區電測深曲線類型主要有K型、KQ型、G(A)型、H型、HA型等。不同類型電測深曲線，是地質層位的客觀反映，根據電測深曲線類型、特征點可判斷地層的迭置層序、巖性、厚度。通過電測深曲線與對應鉆孔的分析，認為成都平原電測深曲線所顯示的電性層與地質層位對應關系好、規律性強。

2.2 二維淺層反射地震

淺層反射地震法是在地表測線上或淺井中人工激發地震波，地震波向地下傳播的過程中，遇到波阻抗不同的地層或構造界面時，產生反射波、折射波、透射波，地震波傳播路徑、振動強度和波形等將隨所通過的介質的結構和彈性性質的不同而變化，反射波在波阻抗界面處將按照反射角等于入射角的規律返回地面，在地面按照一定的測線接收并記錄反射波引起的地面振動的情況以及波從震源出發至地面各接收點的傳播時間，根據反射波的旅行時、振幅、頻率、相位、速度等參數，可對地層結構和地質構造進行推斷解釋。

本次工作在中心城區布置的反射地震剖面共計236.85km。為合理選擇施工方法和采集參數，項目組在生產前進行了嚴格的施工參數試驗。中東部淺覆蓋區點距為2m，西部深覆蓋區選擇點距3m，炮點距9m。二維淺層地震工作采用共中心點多次疊加法，中間激發，兩側接收，其中滿覆蓋次數為40次，接收道數為241道。

3 地球物理特征

3.1 物性資料分析

從物性參數統計表（表2）來看，第四系及白堊系中以上更新統上段的含泥砂礫卵石層和富含膏巖層泥巖電阻率幅值最高，影響其電性差異的主要顆粒大小和松散程度，中深部的泥質砂礫卵石層由于泥質含量的增大，壓實程度加大，導電性有所上升，電阻率略呈下降趨勢?；鶐r中風化層視電阻率較低，隨風化程度不同幅值有所上升。

表中電阻率參數來源于以往的孔旁電測深、電測井、電測深曲線平坦段的漸近線值以及電性特征明顯的電測深曲線的定量解釋成果，從上述途徑獲得的電參數值，通過統計得各巖性層電阻率均值及常見變化范圍值。波速隨深度增加整體呈逐漸上升的趨勢，只有中下更新統地層波速略有下降，但該層位的波速在近地表所測，當其處于埋藏型且上覆第四系厚度較大時，結構的壓實程度會與地表有較大的區別，波速可能會較大，因此推測第四系的波速整體呈逐漸升高的特征。

表2 物性參數統計表

3.2 物性標志層劃分

通過對物性統計表分析，在基巖面以上，共劃分為5個電性層，其詳細對比分析如表3所示。其中第一、第二與第五電性層均表現為低阻特征，與測井資料對比分析認為的淺表填土，粉砂質粘土以及深部風化基巖相對應，第三、第四電性層主要表現為中高阻特征，Qp1-2al、Qp1均為砂礫卵石土地層，在電阻率上差異較小，主要通過鉆孔與測井資料進行標定校正。

表3 地層巖性與電性特征分析表

結合收集的剪切波速度資料，本區第四系波速與卵石層的壓實程度有關，總體表現為卵石層結構越密實，波速越高的特征。根據表4所示，第一、第二與第三波速層均表現為低速特征，可以根據測井剪切波速度對層位進行約束和細分，第三、第四與第五波速層主要表現為中速特征，主要根據微動方法探測的波速差異來區分，第六、第七波速層主要表現為高速特征，且埋深較大，主要利用二維淺震來進行識別。

表4 地層巖性與波速特征分析表

4 電測深成果推斷解釋

4.1 定性分析

電測深數據常用的分析方法主要有視電阻率量板法和K剖面法。K剖面法突破了常規的視電阻率量板法的思路，建立了一整套的數值處理方法，克服了對稱四級電測深法的應用受水平層狀條件的限制，它是對已有電測深資料進行一次高通濾波，從而放大、突出了局部異常，壓制了低頻背景異常。K剖面法是視電阻率的二次專用標志，但仍受等值原理的影響（張宏，1996；敬榮中，林劍，肖志強，2002；夏建平，1991；陳樹金，1990）。本次電測深資料與鉆孔成果的定性分析使用主要使用視電阻率和反射系數K值異常。

圖1 鉆孔ZK11與點692/95電測深曲線對比分析圖

圖2 鉆孔GC-ZK12 與點708/117 電測深曲線對比分析圖

圖3 699/096測點不同軟件反演結果對比圖

據收集的各標段鉆孔資料知，膏鹽層集中分布于30～120m深度。通過對比鉆孔與電測深曲線對應關系圖知（圖1）。鉆孔ZK11對應測深點692/95（K型），鉆孔鉆遇的膏鹽層對應K型電測深視電阻率曲線極大值下降段，K曲線極小值分布區。這是由于K型視電阻率曲線分布區沉積有上更新統Qp3-QhZ地層和下伏Qp1-2al中高阻的泥砂礫卵石層，因此K型視電阻率曲線K極小值點對應了上更新統Qp3-QhZ泥砂礫卵石層。而顯示中阻特征的膏鹽層位于低阻的灌口組地層中，因此膏鹽層的視電阻率曲線呈現出由高值向低值過渡的特征。

鉆孔GC-ZK12分布在臺地區，其對應電測深點的曲線類型為G型（圖2）。通過對比鉆孔與電測深資料知，鉆孔鉆遇的膏鹽層對應G型電測深視電阻率曲線極小值上升段，K曲線的緩慢上升段。G型電測深曲線表層低阻層對應了成都粘土，曲線快速上升反映了中高阻的膏鹽層沉積特征，深部緩慢升高的曲線反映了基底砂巖的電性特征。通過反射系數法對電測深原始數據進行處理以后，放大了深部異常，結合實際的地質情況可以判斷深部高阻層位性質。

4.2 定量分析

（1）一維反演

電測深數據目前常用的反演方法有特征點法、電阻率直接反演法、正演擬合法、電阻率一維自動反演法等。電測深數據的二維反演主要針對高密度測深數據，而對于常規的激電測深則很少涉及（孫仁斌等，2017；劉海飛，阮百堯，呂玉增，2007；李兆祥等，2015；阮百堯，徐世浙，1996；王興泰，李曉琴，孫仁國，1996）。

本次對電測深資料的處理選擇了兩種一維反演軟件進行了對比分析。圖3比較IX1Dv3軟件和AGI1D軟件對Qp3-QhZ高阻砂礫卵石層的識別效果。尤其是淺部存在Qp3-QhZ地層和Qp1-2al地層時，AGI1D軟件分層更精細，能夠精確識別Qp3-QhZ的底界面，而IX1Dv3軟件將Qp3-QhZ和Qp1-2al地層混成一層，很難有效識別。

圖4比較兩種軟件對含膏鹽高阻層位頂界的識別效果。當膏鹽上部存在高阻砂巖層時，由于膏鹽和砂巖層的電阻率相當，兩個軟件都顯示為高阻層，但AGI1D軟件能在高阻層內部進一步細分，能對膏鹽層頂部進行有效識別。由于AGI1D反演結果能確定異常體的空間分布范圍，反演得到的電阻率更接近真值。因此本次電測深資料定量解釋選擇分層精度更高的AGI1D軟件。

（2）一維反演精度分析

表5 鉆探與反演解釋結果對比表（Qp3-QhZ砂礫卵石層厚度）

表6 鉆探與反演解釋結果對比表（膏鹽層頂界面）

通過選取鉆孔附近的測深點進行反演，將反演解釋結果與鉆孔揭示結果進行比較，鉆探與解釋結果接近，其誤差多分布在10%以內（表5、表6）。故認為電測深定量反演解釋結果可靠。

圖4 715/117測點不同軟件反演結果對比圖

5 井震約束識別含膏鹽層

含膏鹽層在測井曲線上表現為“三高、一低”的特征，即低自然伽馬、高波速、高電阻率、相對高密度，工區內膏鹽層厚度較薄，多為白堊系灌口組砂泥巖中的夾層。在自然伽馬和視電阻率測井曲線上，表現為低自然伽馬、高電阻率、高波速特征。從現有鉆孔統計的成果來看，工區內含膏鹽層的自然伽馬值主要集中在40API左右；縱波可達到4.53km/s之間；密度值主要集中在2.36～2.58g/cm3；電位電阻率46～55Ω·m之間。

通過高波速拾取技術圈定地震剖面含膏巖層，其中縱波速度明顯高于其他巖性地層，在地震勘探中高速度層將形成強反射界面，通過鉆孔約束標定地震層位，通過高波速拾取技術可有效地在整段剖面中識別出含膏鹽層，形成由地質鉆孔-物探綜合剖面-三維空間分布的一套“點-線-面”膏鹽分布范圍圖。

6 剖面解釋

本次解釋剖面主要包括沿地震剖面走向抽取電測深點新形成的剖面和地震剖面空白區已完成的電測深剖面。

（1）2號剖面（抽取電測深點新形成的剖面）

2號地震剖面西起武侯區通江試驗學校，東至武侯大道三河段中歐奔馳房車專賣店，測線方位近似133°。在外業施工時由于街道路口等限制，分成三段來完成。結合鉆孔及區域地質資料解釋推測出夾關組、灌口組底界面及地表第四系覆蓋層，其中灌口組上段強反射層揭示了膏鹽層的存在。

圖5 SWZK08鉆孔綜合測井曲線圖

根據地震同相軸錯段以及視電阻率高低阻過渡帶特征，同時結合反演曲線顯示的深部高阻層位的錯段標志，推測在電測深測點650/97和690/96附近存在斷裂構造，分別為新津-德陽隱伏斷裂和簇橋斷裂。

從電測深視電阻率斷面圖來看，650/97號測點中淺部呈大片高阻異常，是砂礫卵石層電性特征響應。702/96號測點附近淺部為串珠狀高阻異常，中深部為低阻異常，據該點附近的ZK12鉆孔資料顯示，深部存在富集的膏鹽層位。斷面圖未能清晰顯示這個高阻層位的存在，這可能是由于淺部的高阻屏蔽作用，導致深部的高阻異常較弱，無法在視電阻率斷面圖上進行區分，但據一維反演結果知，在該點深部存在一層相對高阻層位，這可能是膏鹽富集區的反映，可見通過一維反演減小了縱向高阻疊加地質體體積效應的影響，結合地震資料解釋成果能夠對地下地質體進行精細分層。

由電測深反演結果知，本區的電性在垂向上大致呈低-高-低-高-低的特征，據鉆孔資料顯示，本剖面淺部為第四系砂礫卵石層，深部基巖地層主要為白堊系灌口組，以泥質粉砂巖為主，夾有粉砂質泥巖，認為淺部高阻體主要是富水砂礫卵石層的電性特征響應，該層厚約20～25m。深部高阻體主要為灌口組膏鹽層富集地段的電性特征響應，由于電測深資料深部的供電極距較稀疏，很難對膏鹽層富集地段底界面進行精確解釋，膏鹽層的底界主要結合地震成果來劃分。

（2）114號剖面（地震剖面空白區已完成的電測深剖面）

114號剖面西起新都區北星大道一段保利大都匯，東至龍泉驛區太平路爛沖堰，測線方位135°。根據地質和鉆孔資料，該剖面地表為一層人工填土，未見基巖地層出露。據視電阻率斷面圖，在640號測點附近，電阻率在橫向上呈現高-低-高的過渡特征，中淺部高阻層發生明顯錯位，電性特征與兩側有明顯差異，推測為毗河斷裂的電性響應。

圖6 2號剖面綜合解釋結果圖

由電測深反演結果知，本區西部電性在垂向上大致呈低-高-低-高的特征，東部電性在垂向上大致呈低-高-高-低的特征。結合鉆孔和地質物性資料，西部高阻層主要為富水砂礫卵石層和灌口組膏鹽層富集地段的電性特征響應，富水砂礫卵石層厚約10～20m。東部高阻層主要為深部灌口組膏鹽層富集地段的電性特征響應，膏鹽層上頂埋深約50～60m。

圖7 114號剖面綜合解釋結果圖

7 結論

通過對研究區內2 條剖面進行分析，在二維淺震剖面處，結合電測深淺部精細解釋成果，推斷出二維地震剖面所在位置300m以淺地層巖性結構；在二維淺震剖面空白區，電測深資料受到極距增大，數據量減少，且灌口組與其下伏地層巖性均為砂泥巖，電阻率差異較小，深部反演層位較粗略，實際推斷出200m以淺地層巖性結構，彌補了二維淺震空白區地質模型精度不足的缺陷。另外，部分鉆孔電測深反演誤差較大，主要是由于膏鹽層上部沉積的密實卵石層厚度較大，密實卵石層和膏鹽層均表現為高阻特征，降低了電測深數據的縱向分辨率。同時由于膏鹽層埋藏較深，深部界面解釋精度受反演縱向剖分層數和AB/2極距間隔大小的影響較大。在今后工作中，可以根據研究目標層的埋深范圍，選取合適的AB/2極距間隔，以提高反演解釋的精度。

總的來說，通過將電測深反演結果與鉆孔資料進行對比分析，認為電測深定量反演解釋結果可靠，從而實現以電測深成果作為存量物探數據建立概略地質模型，以二維淺震勘探成果和鉆孔資料作為增量物探數據，實現了對地下地質體的精細化分層。

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The Application of Integrated Geophysical Exploration Technology in Urban Underground Space Exploration

CHEN Ting1,2,3YU Zhou1,2,3PANG You-wei1,2,3YAN Di1,2,3WU Bin1,2,3FENG Hua-peng1,2,3ZHENG Fu-long1,2,3ZHANG Ou1,2,3

(1-Geophysical Exploration Team, SBGEEMR, Chengdu 610072; 2-Sichuan Institute of Geophysical Exploration, Chengdu 610072; 3-WU Bin Labor model expert Innovation Studio, Chengdu 610072)

The secondary development and utilization on the original data of electric sounding of “urban geophysical exploration of Chengdu” project and the results of seismic work of block Ⅳ of “geological survey of urban underground space resource of Chengdu” project lay the foundation for the construction of 300 m shallow stratified structure model in downtown Chengdu. Firstly, the Quaternary and bedrock are divided into 5 electric layers and 7 wave velocity layers based on the borehole data and corresponding physical characteristics. Secondly, the corresponding relationship between different morphologic sounding curves and stratigraphic horizon is established by the use of K section method on the basis of the apparent resistivity curve and K value curve of sounding point and qualitative analysis of the corresponding borehole lithology. Finally, the inversion interpretation of different electrical markers and drilling results are compared and analyzed by means of the AGI1D inversion software. The inversion interpretation results of electric sounding can accurately identify the thickness of water-rich sand gravel layer and the top interface of gypsum layer. Comprehensive interpretation of geological horizon is carried out on the basis of qualitative and quantitative analyses of electric sounding data in combination with geological drilling, logging data and two-dimensional shallow seismic interpretation results. A general geological model is established by the use of the results of electric sounding as the data of stock geophysical exploration. The geological model in some area is refined and stratified by means of the results of two-dimensional shallow seismic exploration and borehole data as incremental geophysical data which makes up for the deficiency of precision of two-dimensional shallow earthquake and drilling blank area.

comprehensive geophysical prospecting; secondary utilization; electrical sounding; two dimensional shallow earthquake

P631.3+4

A

1006-0995（2022）02 -0305-08

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.02.024

2021-05-12

中國地質調查局項目（DD20189210）；成都市國土資源局采購項目（5101012018001004）聯合資助

陳挺（1984— ），男，四川綿陽人，碩士研究生，高級工程師，從事地球物理調查工作