綜合物探在古河道探測中的應(yīng)用

湯 博

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院集團(tuán)有限公司，天津 300220）

南水北調(diào)東線二期工程規(guī)劃是通過擴(kuò)大東線一期工程的規(guī)模向北延伸，規(guī)劃輸水干線線路總長1785.4 km，黃河以北段推薦線路總長809.9 km，其中臨吳渠145.5 km。本文以臨吳渠為例，針對工程地形、地質(zhì)特點(diǎn)，利用高密度電法和瞬態(tài)瑞雷面波法相結(jié)合的綜合物探方法，查明擴(kuò)、改建渠道及交叉建筑物是否存在區(qū)域性隱伏斷層、古河道等地質(zhì)問題。

1 地質(zhì)概況及地球物理特征

1.1 地質(zhì)概況

根據(jù)勘察成果，勘探深度范圍內(nèi)，工程區(qū)位于河北省冀中平原的邢臺市、衡水市和滄州市，地形總體比較平坦開闊，且區(qū)域內(nèi)河道較多，總體地勢自西南向東北緩慢傾斜。揭露的地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積及湖沼積成因地層，巖性主要有壤土、砂壤土、黏土、粉砂及細(xì)砂等。

1.2 地球物理特征

根據(jù)第四系松散層地球物理特征參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果可見，如表1～表2，不同介質(zhì)之間存在著較明顯的電阻率差異及波速差異，地下介質(zhì)中出現(xiàn)區(qū)域性隱伏斷層、古河道的變化時，其電阻率值及瑞雷波速也隨之變化，尤其是出現(xiàn)古河道特有的砂、卵石時電阻率會隨之增高，電性一般呈相對高電阻反應(yīng)，相應(yīng)的瑞雷波速則會出現(xiàn)高速帶。采用高密度電法大范圍查找電阻率高阻異常同時在相應(yīng)位置輔以瑞雷面波探測相結(jié)合的物探方法，可查找地下介質(zhì)的電阻率及瑞雷波速差異，尋找“高阻”“高速”異常，作為古河道異常的重要物性標(biāo)志。

表1 工區(qū)內(nèi)第四系松散層電阻率統(tǒng)計

表2 工區(qū)內(nèi)第四系松散層速度統(tǒng)計 單位：km/s

2 基本原理及工作方法

2.1 高密度電法基本原理及工作方法

高密度電法是利用垂向直流測深和電剖法的基本理論，利用高密度電法測量系統(tǒng)中的計算機(jī)軟、硬件，控制在相同的多芯電纜上與多個電極相連，構(gòu)成多個垂向測深點(diǎn)或多個不同探測深度的探測剖面，并按照控制系統(tǒng)中選取的探測設(shè)備，根據(jù)測深點(diǎn)位置的排列或探測剖面深度順序，逐點(diǎn)逐層檢測，實(shí)現(xiàn)自動布點(diǎn)、自動跑極、自動供電、自動觀測、自動記錄、自動計算、自動存儲，在測量系統(tǒng)中形成多個垂向測深點(diǎn)或多個探測。

本次高密度電法勘探使用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DZD-8 多功能全波形直流電法儀，應(yīng)用其高密度電法勘探并采用溫納裝置。電極間距設(shè)定為5 m，共120 根電極，最大隔離系數(shù)為10，最高供電電壓360 V，重復(fù)觀測相鄰兩個排列之間的電極數(shù)量30 個，如圖1。

圖1 高密度電法工作布置及記錄剖面示意圖

本次使用G3RTOMO 6.0 高密度軟件解釋系統(tǒng)，首先將儲存數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像處理，經(jīng)過正、反演計算，可生電阻率斷面色階圖，而不同的電阻率在斷面色階圖上用不同的顏色來顯示。通過顏色深淺就能判斷剖面的電阻率分布特征，再結(jié)合地質(zhì)勘探成果，就可對該條剖面反映地層及其可能存在不良地質(zhì)體進(jìn)行有效解譯。

2.2 瞬態(tài)瑞雷面波法基本原理及工作方法

本次采用瞬態(tài)瑞雷波探測，瞬態(tài)瑞雷面波的特點(diǎn)是介質(zhì)表面的頻散特性，不同頻率的波在介質(zhì)中傳播速度不同，利用這種特性可對不同介質(zhì)進(jìn)行分層。面波勘探與地層速度的關(guān)系。折射波法要求下覆層速度大于上覆層速度，反射波要求各層介質(zhì)間存在波阻抗差異，而面波勘探不受上述物性條件制約，僅要求各層介質(zhì)間存在橫波速度差異，由于橫波速度主要與介質(zhì)密度或介質(zhì)的松散與密實(shí)程度有關(guān)，因此在地層劃分方面有較好的分辨能力，較適合于本次工作中查找古河道的任務(wù)，尤其是密實(shí)度差異較大的壤土層和砂層。

使用的儀器為美國NZXP24 地震儀，震源為20磅大錘。在工作正式開展前，先進(jìn)行參數(shù)試驗，通過試驗波形，如圖2，來選取適合的空間域與時間窗口，并確定偏移距。經(jīng)過反復(fù)現(xiàn)場試驗，采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的4 Hz 低頻垂直檢波器，接收道數(shù)設(shè)為24，道間距2 m，偏移距12 m，采樣間隔250 μs，記錄長度1024 ms。

圖2 展開排列后多道檢波器接收的有序波形

瞬態(tài)瑞雷面波的資料整理采用核工業(yè)北京地質(zhì)研究院編制的SWSview 地震瑞雷面波測深數(shù)據(jù)處理分析軟件。其主要流程：①瑞雷面波波數(shù)據(jù)資料預(yù)處理→②生成瑞雷面波頻散曲線→③頻散曲線分層、反演瑞雷面波速度及確定層厚→④統(tǒng)計分析測點(diǎn)在強(qiáng)夯影響深度范圍內(nèi)的瑞雷面波速度。

3 成果分析

經(jīng)過高密度電法大范圍探測后發(fā)現(xiàn)渠道左岸樁號22+800～24+000 范圍內(nèi)存在高阻異常，如圖3；在異常位置增加1 個瑞雷波剖面，如圖4；為探測準(zhǔn)確性在渠道右岸相同里程范圍內(nèi)增加布置高密度電法剖面，如圖5；瑞雷波剖面如圖6。

圖3 臨吳渠段（22+963～24+008）左岸高密度電法成果

圖4 臨吳渠段（23+257～23+612）左岸瑞雷面波成果

圖5 臨吳渠段（22+808～24+003）右岸高密度電法成果

圖6 臨吳渠段（23+230～23+780）左岸瑞雷面波成果

根據(jù)渠道左岸勘探成果，本段下部揭露厚層粉細(xì)砂層，頂板埋深8～12 m，揭露最大厚度18 m。

通過綜合物探成果圖顯示，渠道左岸樁號23+450～23+700 范圍內(nèi)電阻率呈連續(xù)性高阻分布，電阻率為25～60 Ω·m，頂板埋深8～12 m，厚度18 m；相同位置的瑞雷面波剖面在埋深12～25 m 處，出現(xiàn)高速層反應(yīng)，波速200～280 m/s，且波速分界面明顯。渠道右岸樁號23+350～23+600 范圍內(nèi)電阻率呈連續(xù)性高阻分布，電阻率27～150 Ω·m，頂板埋深8～12 m，厚度18 m；相同位置的瑞雷面波剖面在埋深12～20 m處，出現(xiàn)高速層反應(yīng)，波速230～280 m/s，且波速分界面明顯。

綜合勘探和物探成果分析，該段發(fā)育淺埋型古河道，主要為粉細(xì)砂層局部夾有砂壤土，分布較穩(wěn)定且東南向斜穿渠道。

4 結(jié)語

通過對南水北調(diào)東線臨吳渠進(jìn)行勘察，采用高密度電法和瞬態(tài)瑞雷面波相結(jié)合的綜合物探方法，并結(jié)合鉆探成果，查明淺埋型地下古河道的存在。該工程證明綜合物探手段切實(shí)可行，且可互相驗證、取長補(bǔ)短，相比單一物探方法為地質(zhì)勘察提供更為準(zhǔn)確的依據(jù)，為類似工程勘察提供借鑒。