綜合物探方法在武漢市水域地質調查中的應用效果分析

王斌戰， 邱 波， 劉文光， 周世昌， 劉 磊， 全浩理， 郭光宇， 張祎然

(1.湖北省地質局 地球物理勘探大隊，湖北 武漢 430056； 2.資源與生態環境地質湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430034；3.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

武漢市地處長江與漢江交匯處，河港溝渠交織，湖泊庫塘密布，形成以長江為干流的龐大水網。武漢境內水面總面積為2 117.6 km2，占全市總面積的25%，水面率居中國各大城市之首[1]。隨著武漢市經濟社會的快速發展，城市地下空間利用、生態治理、河湖保護等需求大幅增加，探測水域下方的地質情況顯得十分必要[2]，而在各種探測手段中，水域物探是其中相對高效、便捷、綠色的一種。

水域物探起步于石油勘查等領域，近年來在工程建設、能源資源勘查等方面的應用得到快速發展，其方法、設備、解譯技術等不斷更新，應用場景從海域、沿海地區逐漸向內陸水域拓展。水域物探方法較多，根據不用的應用場景，可選擇不同的物探方法及其組合。通過對以往水域物探工作的搜集整理，發現應用較多的水域物探方法有水上地震、淺地層剖面法、探地雷達、高密度電法等[3]。水上地震是應用最多的水域物探方法，常用于沿海橋梁、港口等工程勘察工作[4-6]，例如在港珠澳大橋橋隧主體工程勘察中，利用水上地震清晰地揭示了水下地層、風化槽和斷層的分布情況[6]。淺地層剖面法在探測水下淤泥層、砂層、風化層等方面具有很好的效果[7-9]，例如在埋藏型海砂勘查中，利用淺地層剖面法排除泥層間接探砂，有效提高了找砂成功率[9]。探地雷達以往主要應用于陸上探測，由于其較高的探測精度，將其應用于水下淤積層、遺址、滑坡等探測也獲得了較好的探測效果[10-12]，例如在黃土丘陵山區水庫除險加固工程中，利用探地雷達準確獲得了水庫壩前淤泥層的厚度數據[12]。高密度電法利用地下地質體的電性差異解決各種地質問題，在探測水底低阻構造帶、地層界線及基巖面起伏情況上效果顯著[13-15]，例如在西氣東輸管線工程勘察中，利用高密度電法準確顯現了水域卵石區基巖面深度及起伏形態[15]。

武漢市水域面積大，水下地質情況較復雜，以往開展的水域探測工作所采用的方法相對單一。在長江橋梁、隧道工程勘察方面，主要采用水上地震探測，用于水下地層、斷層等地質情況的推斷[16-17]；在廣大的湖泊區域，主要采用水上鉆探進行水下地質情況的探測[18]。但是，在長江上采用水上地震探測時，由于該方法本身的缺陷，并不能準確劃分水下砂層的厚度；同時，靠近長江兩岸的區域，由于水深限制等影響，水上地震探測效果也可能不佳。而在湖泊上采用水上鉆探時，存在成本高、有污染、可能遺漏水下異常等不足。因此，針對武漢市水域的特點，總結一套適用于不同水域的物探方法(組合)十分必要。

為此，本文通過對水上地震、淺地層剖面法、探地雷達、高密度電法四種方法進行簡要總結，選取武漢市代表性的水域開展物探試驗，分析這些物探方法在不同水域的適用性和探測效果，最終總結出適用于不同水域的物探方法及其組合，服務于武漢市水域地質調查工作。

1 試驗區選擇

武漢市水域主要分為江河、湖泊、濕地三類，均有不同的水文特征，如以長江、漢江為代表的河流，其水深較深、水體流速快，其中長江水深一般在十幾米左右，航道位置水深能達到20 m以上；以東湖、后官湖為代表的湖泊，其水深較淺、水體平靜，平均水深<3 m；濕地主要包括河湖灘頭、水田等，其水深淺，一般只有幾十厘米，并且隨季節發生變化，干旱期會變成陸地。本次試驗水域主要考慮江河和湖泊兩種類型，選擇長江、漢江、后官湖三處水域進行物探方法的研究。

2 水域物探方法介紹

本次選擇水上地震(地震映像法)、淺地層剖面法、探地雷達、高密度電法四種水域物探方法進行對比分析。

2.1 水上地震(地震映像法)

2.1.1方法特點

地震映像法是一種基于反射波法中的最佳偏移距技術發展起來的淺地層探測方法，其利用水中無面波干擾的特點，采用小偏移距或等偏移距、單點高速激發、單點或多點接收等功能，經過實時數據處理，密集顯示波阻抗界面，以再現地下地質結構等[4]。該方法是水域物探中應用最多、最廣的，其優點是設備結構相對簡單、水上施工環境限制少、所受干擾相對較小，而且在野外可以及時了解探測效果，缺點是探測深度受震源、水下物質成分的影響較大。

2.1.2采集技術

本次試驗采用電火花震源和定制的串式檢波器，其接收頻率范圍為5～60 kHz。將水聽器放置于水下1 m位置，電火花震源置于探測船船尾。考慮到震源對水聽器的影響等因素，將偏移距設定為10 m。經野外多次調試，在兼顧激發間隔時間和施工安全的前提下，選擇串聯4個儲能箱，將充電時間設定為4 s，水下激發電壓控制在4 000 V左右，輸出能量約4 000～5 000 J。

2.1.3數據處理流程

數據采集后，采用驕佳技術公司(Geogiga Technology Corp.)研發的地震數據處理與解釋軟件包Seismic Pro進行數據處理，主要處理步驟為：預處理→頻譜分析→常規濾波處理→靜校正→反褶積→繪制地震剖面。

2.2 淺地層剖面法

2.2.1方法特點

淺地層剖面法是一種利用聲波反射原理，以連續走航方式對水下淺部地層進行精細探測的方法[7]，主要用來識別水下淺部松散沉積層的結構、分層與地質構造等情況。該方法的工作頻率一般為200～4 000 kHz，因此對淺地層的分辨率較高，同時還具有信號高重復性、激發高速率等優點，其局限性在于因高頻信號在地層中衰減較快，導致其穿透深度受較大影響。

2.2.2采集技術

開展淺地層剖面法探測時，將淺地層剖面儀聲學單元的水下數據采集部分(拖魚)固定在探測船船側水下1.5～2 m的位置。將儀器固定好后，打開并調試該儀器，保證儀器各部分工作正常；然后設置好工作參數，當儀器監視屏幕上有清晰的水下反射圖像后，再開始采集數據。

2.2.3數據處理流程

數據采集后，采用設備配套的軟件進行數據處理，數據處理步驟為：數據預處理→振幅補償→噪聲壓制(帶通濾波、FK域信號增強、相鄰道加權相加)→反褶積→隨機噪音衰減→剖面輸出。

2.3 探地雷達

2.3.1方法特點

探地雷達是一種能迅速、無損地探測地下地質結構及隱伏目標體的有效方法[10]，在淺部探測中應用非常廣泛。應用探地雷達探測水下目標體時，主要采用100 MHz以下的低頻屏蔽或非屏蔽雷達天線，可以得到水體表層以下10 m以淺的精細地層結構，有效彌補水上地震等方法在淺水域的探測盲區。

2.3.2采集技術

為完成探地雷達水上數據采集，本次試驗定制了PVC板材小船，施工時將天線(100 MHz探地雷達屏蔽天線)置于船體中，并將該船固定在機動船的側面或后面，進行水上拖動施工。根據現場測定的信號強度和工作所需的探測深度要求，選擇雷達探測窗口為600 ns，采樣率為1 024，采用連續測量方式施工。施工時機動船行進速度為1 m/s。

在數據采集前，需進行系統自檢校驗，設置好工作參數；行駛到平靜水域后，根據信號強度設置好信號增益，再開始采集數據。

2.3.3數據處理流程

數據采集后，采用設備自帶的數據處理軟件進行數據處理，數據處理步驟為：去除直達波→帶通濾波→偏移歸位→增益處理(包括水平增益、平滑增益、自定義增益)→其他處理(消除隨機噪聲、改善背景等)→圖像導出。

2.4 高密度電法

2.4.1方法特點

傳統的高密度電法的工作環境是陸地地表，近年來隨著高密度電法技術的進步，已經發展到可以在水上、水底和鉆孔內采集數據。水上高密度電法是將電纜靜置于水上或水底，對水下目標進行測量的方法[13]。該方法有較強的抗干擾能力，但是由于需要布設較長的電纜且采集時間較長，所以對施工環境有較高要求。

2.4.2采集技術

本次試驗選擇普通集中式電纜，供電電極60道，供電電源選擇電壓可調的鋰電池電源，電壓可調范圍為50～450 V。野外施工時，將電纜的接頭和電極部位采用防水膠帶包扎好，分段捆綁氣囊使其浮于水面，并用纜繩進行固定，防止電纜在采集時間段內隨水波漂動。

試驗時選擇溫納β裝置、三極裝置等多種觀測裝置進行對比測量。根據現場情況選擇150、300 V電壓檔位供電。數據采集前檢查電極接地情況，保證良好的接地效果。野外施工時供電電流>100 mA，保證優異的數據采集質量。

2.4.3數據處理流程

數據采集后，采用高密度電法數據反演軟件RES2DINV進行處理，數據處理流程一般為：原始數據的突跳點剔除和數據連接→正反演處理→生成反演數據→數據網格化并制作二維成果圖件。

3 武漢市水域物探應用效果分析

3.1 物性特征

收集試驗區所涉及的巖土和介質的彈性波速等物性參數，匯總統計于表1。由表1可知，各巖土的密度、彈性波速、介電常數、電阻率均存在顯著差異，為物探方法選擇和數據解釋提供了基礎參數。

表1 武漢地區巖土及介質物性參數統計表Table 1 Statistical table of physical parameters of rocks,soils and medium in Wuhan area

3.2 湖泊物探應用效果分析

3.2.1后官湖測線地質特征及測線布設

后官湖位于武漢市蔡甸區境內，屬淺水型淡水湖泊。該試驗區測線位置的水深一般為2～3 m，最大約5 m；水體下方分別分布厚0～1 m的淤泥層和厚7～20 m的黏土層，再往下為基巖，巖性主要為泥盆系石英砂巖和志留系泥質粉砂巖、泥巖等。

本次在該試驗區進行了高密度電法、探地雷達、淺地層剖面法三種物探方法的對比分析。由于所選地質剖面(圖1)所在部位為其他設施所占用，無法進行物探測線布設，因此在與地質剖面相距約25 m的位置平行布設測線。地質剖面長530 m，分布有8個已施工鉆孔(均打穿基巖)，地質結構較清晰(圖1)。物探測線總長445 m，在整條測線上布置探地雷達探測，其0～445 m段對應地質剖面的50～495 m段；在測線中間位置布置高密度電法探測，其0～300 m段對應地質剖面130～430 m段；也在測線中間位置布置淺地層剖面法探測，其0～193 m段對應地質剖面90～283 m段。

3.2.2后官湖測線高密度電法探測成果

將高密度電法測量數據進行處理，得到高密度電法成果解釋圖(圖2)。采用溫納β裝置的高密度電法剖面與地質剖面130～430 m段對應，采用三極裝置的高密度電法剖面則對應地質剖面的230～323 m段。

結合高密度電法(溫納β裝置)成果解釋圖(圖2-a)和地質剖面圖(圖1)可以看出，剖面上各區域電性特征差異明顯，表層的中—低電阻率區域為水體的反映;中部的低電阻率區域為黏土層的反映;下部左側的中電阻率區域為志留系泥巖、泥質粉砂巖的反映,下部右側的高電阻率區域為泥盆系石英砂巖的反映，下部兩種不同電性區域的接觸面應為斷層，斷層傾向泥盆系石英砂巖一側。在圖2-a表層中間部位存在一處高電阻率區域，是水上塑料浮筏的反映。

圖1 后官湖試驗區地質剖面圖Fig.1 Geological profile of Houguan Lake test area

a.采用溫納β裝置；b.采用三極裝置圖2 后官湖試驗區高密度電法成果解釋圖Fig.2 Interpretation diagram of high density electrical method in Houguan Lake test area

由圖2-a可知，采用溫納β裝置進行高密度電法探測時，獲得了良好的地層分層效果，并且對斷層傾向的反演結果與地質剖面一致。而采用三極裝置進行高密度電法探測時，地層分層效果較差，尤其是對斷層傾向的反演結果與地質剖面存在較大差異(圖2-b)。由此可知，溫納β裝置探測精度高，而三極裝置探測精度較低，但探測深度相對較大，可以彌補前者探測深度不足的問題。因此在湖泊區域開展高密度電法探測時，可采用兩種裝置相結合的方法，以便同時滿足探測精度與深度的要求。

3.2.3后官湖測線探地雷達與淺地層剖面法探測成果

后官湖邊部區域水深較淺，淺地層剖面儀的探頭幾乎處于觸底狀態，因此僅將淺地層剖面測線(長193 m)布設于探地雷達測線的中間位置，即對應探地雷達測線40～233 m段和地質剖面90～283 m段。將兩種方法采集的數據進行處理后，分別得到后官湖測線探地雷達成果解釋圖(圖3)和淺地層剖面法成果解釋圖(圖4)。

由圖3可以看出，探地雷達成果圖像整體清晰，水底和淤泥層底界面反射明顯。按水中電磁波速度為33 500 m/s來計算，推測后官湖在測線方向上的最大探測深度約6 m，湖水深度為2～5.5 m，淤泥層厚度為0～1 m。

由圖4可以看出，淺地層剖面法的探測信號以多次波和噪點為主，只能大致分辨出第一個反射界面(即水底界面)的大致變化特征，而地層信息被強烈的多次波所掩蓋，無法真實地反映地質情況。按水體彈性波速度為1 500 m/s來計算，推斷水深為2～3 m。

圖3 后官湖試驗區探地雷達成果解釋圖Fig.3 Interpretation diagram of ground penetrating radar in Houguan Lake test area

圖4 后官湖試驗區淺地層剖面法成果解釋圖Fig.4 Interpretation diagram of sub-bottom profiler method in Houguan Lake test area

對比上述兩種物探方法的探測成果可知，在水深較淺的湖泊區域，探地雷達可以清晰準確地反映湖底地形起伏、淤泥層厚度變化等淺部地質信息，而淺地層剖面法基本無法獲得有效的地質信息。

3.2.4湖泊物探應用效果對比分析

對比后官湖試驗區采用高密度電法、探地雷達、淺地層剖面法探測的成果，認為在水深較淺(<6 m)的湖泊區域，探地雷達可以有效反映水下地形和淤泥層厚度變化情況，但是由于水體對電磁波能量的吸收，其最大探測深度受到限制，一般不超過8 m；淺地層剖面法在水深較淺的湖泊區域難以獲得有效的地質信息；高密度電法有較大的探測深度，可以獲得相對豐富的地質信息，其中溫納β裝置對地層分層和構造識別都有較好的探測效果，三極裝置的優勢在于有較大的探測深度，但探測效果相對較差。因此，在武漢市水深較淺的湖泊區域，宜采用高密度電法進行探測，并采用探地雷達提高淺部的探測精度。

3.3 河流物探應用效果分析

3.3.1漢江測線地質特征及測線布設

漢江在本次試驗期間處于枯水期，江面寬約250 m，航道水深約5 m，最大水深約8 m，水體下方存在厚度為0～6 m不等的粉砂層，再往下為厚度不等的黏土層和砂層互層，基巖主要為二疊系灰巖或志留系泥質粉砂巖、泥巖等。

本次在漢江試驗區進行探地雷達、淺地層剖面法兩種物探方法的對比分析。

3.3.2漢江測線探地雷達與淺地層剖面法探測成果

漢江試驗區的探地雷達測線長240 m，而淺地層剖面法測線由于需要保證設備水下安全、避開過往船只等，未能與探地雷達測線重合，而是與探地雷達測線斜交，整體處于江心位置，長度為166 m，該測線投影后對應探測雷達測線60～180 m段。將兩種物探方法采集的數據處理后，分別繪制了漢江測線探地雷達成果解釋圖(圖5)和淺地層剖面法成果解釋圖(圖6)。

從圖5可以看出，探地雷達探測的反射界面清晰，水底起伏明顯。按水中電磁波速度為33 500 m/s來計算，本次試驗期間漢江的水深為0～7 m，中間位置的水深為6～7 m。探地雷達測線0～60 m段的水底下方存在明顯的層狀反射特征，為淤泥層或砂層的反映[19]；該測線180～230 m段的水底下方存在明顯的相互疊加的弧形反射特征，為江中拋石的反映[20]；該測線中間位置僅有水底反射，水底下方未出現明顯的反射信號，其主要原因為江水對電磁波能量的吸收(圖中可見在深度8 m以下位置的噪點信號非常明顯)，導致更深位置沒有反射信號。

從圖6可以看出，淺地層剖面法探測到多個清晰的反射界面，推測上部反射界面為水底與淤泥層或砂層界面，下部比較平緩的反射界面則為淤泥層或砂層底界的反映。另外，在深度15 m左右位置隱約出現一條反射界面，其起伏趨勢與水底反射界面相似，應該是由多次波造成的。

圖5 漢江測線探地雷達成果解釋圖Fig.5 Interpretation diagram of ground penetrating radarin Hanjiang River test area

圖6 漢江試驗區淺地層剖面法成果解釋圖Fig.6 Interpretation diagram of sub-bottom profiler methodin Hanjiang River test area

對比漢江試驗區兩種物探方法的探測成果，可以看出探地雷達在水深相對較淺的漢江近岸區域，可以清晰準確地反映水下淤泥層、拋石的厚度及賦存狀況，但是在漢江中間位置(水深超過約6 m)，由于江水對電磁波能量的吸收作用，導致探地雷達僅能探測到水底起伏情況，無法獲得淤泥層或砂層的厚度信息。而淺地層剖面法在漢江中間位置能夠探測到多個清晰的反射界面，可以準確獲得水底起伏和淤泥層或砂層的厚度信息。因此，淺地層剖面法與探地雷達在水域探測方面能夠形成良好的互補，即在深水區域(水深>6 m)可以采用淺地層剖面法進行探測，而在其探測盲區的淺水區域(水深<6 m)，可以采用探地雷達進行探測。

3.3.3長江測線地質特征及測線布設

長江在本次試驗期間處于枯水期，江面寬約1 300 m，江水流速為2～3 m/s，靠近兩岸附近流速較低，靠近江中航道位置流速較高。長江航道水深8～20 m，最大水深可能>20 m。主航道以西水體下方存在厚度為8～15 m的砂層，主航道以東由于水流沖刷作用，導致砂層較薄且基巖出露水底，基巖主要為二疊系、三疊系灰巖。

本次在長江試驗區進行水上地震、淺地層剖面法兩種物探方法的對比分析。

3.3.4長江測線水上地震與淺地層剖面法探測成果

為避免長江試驗區兩側拋石區域和淺灘的影響，布設的水上地震測線長1 200 m，淺地層剖面法測線長950 m，兩測線大致重合，淺地層剖面法測線0～950 m段對應水上地震測線250～1 200 m段。將兩種物探方法采集的數據處理后，分別繪制了長江測線水上地震成果解釋圖(圖7)和淺地層剖面法成果解釋圖(圖8)。

由圖7可以看出，水上地震探測顯示出兩個明顯的反射界面，上部反射界面為水底的反映，下部反射界面應為砂層底界的反映。按水中地震波速為1 500 m/s、水底反射時長為10～20 ms來計算，推測本次試驗期間的長江水深為7.5～15 m；按飽水砂層中地震波速平均值為2 150 m/s、砂層上下界面反射時長間隔為0～16 ms來計算，推測砂層的厚度為0～17 m，與已知地質資料相吻合。另外，在測線250 m處的砂層下方，地層反射波同相軸錯動，存在明顯的繞射現象，推測該處存在斷層[21]。

由圖8可以看出，淺地層剖面法探測顯示出多個明顯的反射界面，上部反射界面分布特征與水上地震探測的結果一致，為水底的反映，對水底起伏細節的刻畫明顯優于水上地震探測。該測線400～600 m段的水底下方存在一不太明顯的反射界面，結合地質資料推測為砂層的反映；而當該段砂層厚度達到8 m左右時，反射界面消失，表明砂層對淺地層剖面法探測有降效影響。上部反射界面下方存在多條與其形態幾乎一致的反射界面，明顯為多次波的反映。

圖8 長江測線淺地層剖面法成果解釋圖Fig.8 Interpretation diagram of sub-bottom profiler methodin Yangtze River test area

對比長江試驗區兩種物探方法的探測成果，可以看出水上地震的探測深度大于淺地層剖面法，但由于地震波的頻率低于淺地層剖面法的工作頻率，導致其在地層厚度、水底地形起伏特征的刻畫精度上低于淺地層剖面法；淺地層剖面法對水底的刻畫精度較高，但在砂層和淤泥層中的探測深度受到限制。因此，在水深相對較大的水域進行探測時，如果條件允許，可同時開展水上地震和淺地層剖面法探測，以便同時滿足探測深度和淺部探測精度的要求。

3.3.5河流物探應用效果對比分析

對比漢江、長江試驗區采用水上地震、淺地層剖面法、探地雷達探測的成果，認為在河流區域，水上地震可以勾勒出水下整體的地層結構；淺地層剖面法可以提供更加詳細的水底地形起伏特征和準確的地層厚度變化信息，但是其探測深度相對較小；探地雷達可以彌補上述兩種方法的不足，在河流兩側近岸水深較淺(6 m以淺)位置具有良好的探測效果。因此，在武漢市長江、漢江等水深相對較大的河流區域，宜采用水上地震、淺地層剖面法為主、探地雷達為輔的方法組合，可以相對完美地解決河流水域對探測深度和精度的需求問題。

4 結論

本文以代表湖泊水域的后官湖、代表河流水域的長江和漢江為試驗區，開展了水上地震、探地雷達、淺地層剖面法、高密度電法四種水域物探方法的應用效果對比研究，提出武漢市水域地質調查中應用物探方法的建議如下：

(1) 在武漢市湖泊區域，建議采用高密度電法和探地雷達的方法組合。

(2) 在武漢市河流區域，建議采用水上地震和淺地層剖面法為主的方法組合，而在水深<6 m的近岸位置宜采用探地雷達彌補水上地震和淺地層剖面法探測的短板。

(3) 本次研究總結的物探方法及其組合可基本滿足武漢市水域地質調查的物探需求，但水域物探方法種類多、技術更新快，在條件允許時應考慮加入其他物探方法進行對比研究。