基巖面埋深綜合物探精細探測應用研究

胡曉娟,黃 燃,鄭宗檳,游敬密

(1.福建省地質工程勘察院,福州 350002;2.自然資源部 丘陵山地地質災害防治重點實驗室,福州 350002)

斜坡表層受到強烈的物理風化作用,自上而下巖土的風化程度依次降低,表面覆蓋殘積土、強風化巖石等風化帶,具有結構疏松、裂隙發育等特點,當受到降雨影響時容易誘發多種地質災害。采用綜合物探技術探測并劃分出斜坡坡面以下上覆土層與下伏基巖的分布情況,對于斜坡災害的防治工作具有重要意義。目前,針對斜坡探測采用的物探技術主要有地震勘探、面波探測、高密度電法、地質雷達探測法、井間地震波層析成像等。上述方法雖然取得了一定的探測效果,但也存在許多不足,特別是探測結果的分辨率及精確度還有待提高[1],因此需要進一步對各種物探技術進行綜合研究,得出更有效的數據采集方法和資料解譯方法,并歸納總結經驗,提高物探方法的探測效果。

1 場地概況

探測場地為一自然邊坡,坡腳位置發生過崩塌,場地表層覆蓋為第四系更新統崩坡積、殘積層(Qel-dl),成分以砂質黏性土為主。下伏地層為白堊系下統石帽山群下組(K1shb1)英安質晶屑凝灰熔巖、流紋巖類。場地各巖土層特征自上而下分別為:殘坡積砂質黏性土,砂土狀強風化凝灰熔巖,碎塊狀強風化凝灰熔巖,中風化凝灰熔巖。在該場地相同測線位置同時采用地震波折射法、瑞雷面波法以及高密度電法進行中風化基巖面埋深探測,并采用鉆探進行驗證,探測場地示意圖,如圖1所示。

圖1 探測場地示意圖Fig.1 Detection site

2 方法原理

2.1 地震波折射法原理

人工激發的地震波在地下傳播的過程中,遇到下伏介質波速大于上覆介質波速的速度界面時,當波的入射角等于臨界角時,其傳播方向發生改變且沿界面向下滑行,從而在界面的上覆介質中產生折射波[2]。圖2為水平二層結構地質模型,設水平界面深度為h,沿激發點O至地面某一點D的距離為x,壓縮波在入射層速度為v1,入射角為θ1,透射層的壓縮波速度為v2(v2>v1),透射角為θ2,根據施奈爾定律可得:

(1)

圖2 水平二層結構的折射波時距曲線Fig.2 Refraction wave time-distance curves of horizontal two-layer structure

當θ2=90°時,對應的入射角θi=sin-1(v1/v2),稱為臨界反射角。當入射角大于或等于臨界角時,才會產生折射波[3],折射波的時距方程為:

(2)

其時距曲線是直線,直線斜率的倒數為波速v2,則直線在t軸上的截距時間t0為:

(3)

則水平界面深度h為:

(4)

根據直達波和折射波時距曲線的斜率可求出v1、v2和時間t0[4],再求出震源點下方界面深度h。

2.2 瑞雷面波法原理

瑞雷面波是一種彈性波,沿介質自由表面傳播,其傳播規律反映了傳播介質的彈性參數。面波在地表傳播時表現出的頻散特征,反映了其與波長相應的深度范圍內的地層彈性分布情況[5-6]。

瑞雷波沿地層傳播時,地層層厚約為一個波長,因此,同一波長的瑞雷波的傳播特性反映了地質條件在水平方向的變化情況,不同波長的瑞雷波的傳播特性反映著不同深度的地質情況[7-8]。在地面上順沿瑞雷波的傳播方向,以固定道間距Δx設置N+1個檢波器,便能檢測到NΔx長度范圍內瑞雷波的波場。設,瑞雷波的頻率為fi,相鄰檢波器記錄的瑞雷波的時間差為Δt或相位差為Δφ,則相鄰道Δx長度內瑞雷波的傳播速度為:

vRi=2πfiΔx/Δφi.

(5)

或在滿足空間采樣定理的條件下,測量范圍NΔx內的平均波速為:

(6)

在同一測點測量出一系列頻率fi的vRi值,就可以得到一條vR-f曲線,即所謂的頻散曲線或轉換為vR-λR曲線,λR為波長:

λR=vR/f.

(7)

vR-f曲線或vR-λR曲線的變化規律與地質條件相互關聯,反演解釋頻散曲線,可得到相應的地層信息和瑞雷波傳播速度vR。另外,介質的物理特性決定了vR的大小,據此可以通過vR的大小分析巖土的物理性質。

2.3 高密度電法原理

高密度電法采用陣列勘探的思想,可以同時反映地下空間介質的電阻率在橫向和縱向的變化情況,綜合了電測深法與電剖面法。在野外勘測時將電極(幾十至上百根)埋設在一定間隔的測點上,實現數據的快速和自動采集,再利用相關軟件,生成地下空間二維、三維反演斷面圖,最后結合地質資料和反演結果,對所測量的地電斷面進行解釋,將解釋結果應用于解決相關地質問題。

實際地形存在起伏變化,地下空間介質不均勻,且具有各向異性,故所測得的電阻率并非實際電阻率,而是通過公式轉換得到的視電阻率:

(8)

式中:ρs為視電阻率,Ω·m;K為裝置系數,m;UMN為電極M、N間的電位差,V;I為供電電流,A。

視電阻率綜合反應了地下介質電性的不均勻性以及地形的起伏,通過視電阻率變化規律可以勘探地下空間介質的不均勻性,從而適用于各種地質問題的探測。

3 實例反演分析

3.1 地震波折射法

地震波折射數據采集主要采用相遇-追蹤時距曲線觀測系統,同時根據實際地質情況及錘擊能量的強弱,選擇多重相遇時距曲線觀測系統。采集數據時,每個排列設置24道檢波器接收信號,檢波點距為2 m,排列長度為46 m;每排列兩側端點各布置1個激發點,排列兩端外側各布置1個追逐激發點,排列中點(12、13道檢波點之間)布置1個激發點,具體觀測系統如圖3所示。

圖3 地震波折射觀測系統示意圖Fig.3 Seismic refraction observation system

地震波折射法測線共布設6個排列,每個排列長度為46 m(斜距),測線剖面長度為249.871 m(平距),測線地面高程變化為148.0～161.5 m(該測線沿順走向布設,測線高程變化較小),相鄰排列間首尾相接。地震波折射法測線剖面圖,如圖4所示,測線位置基巖面起伏變化較小,基巖界面波速為4 908～5 785 m/s,從界面速度上判斷,該連續速度界面為中至微風化基巖頂界面。基巖面的埋深(覆蓋層厚度)變化范圍為5.4～9.1 m,測線位置覆蓋層厚度分布較均勻、基巖面起伏變化較小。

圖4 地震波折射法測線剖面圖Fig.4 Survey line profile of seismic refraction method

3.2 瑞雷面波法

瑞雷面波數據采集時采用落重方式錘擊地面激發地震波。其中面波資料采集,利用多道采集系統,在時間域中充分識別面波成分,瑞雷面波探測采用24道檢波器接收,檢波點距為2 m,相鄰測點間距6 m,每個面波測點偏移距為7 m,瑞雷面波觀測系統示意圖,如圖5所示。

圖5 瑞雷面波觀測系統示意圖Fig.5 Observation system of Rayleigh wave technique

瑞雷面波探測成果剖面圖,如圖6所示。瑞雷面波剖面長度為285.4 m,探測范圍內地層介質視速度隨深度增加而增大,視速度變化范圍為100～540 m/s。依據瑞雷面波法測線剖面圖上視速度的大小及其變化情況推斷,視速度小于200 m/s的介質為殘坡積砂質黏性土層,視速度變化范圍為200～300 m/s的介質為強風化層,視速度大于300 m/s的地下介質為中風化基巖。探測范圍內中風化基巖面的埋深變化范圍為4～24 m,剖面樁號0～250 m范圍內中風化基巖面埋深整體較淺,剖面樁號大于250 m范圍內,中風化基巖面埋深較深。

圖6 瑞雷面波法測線剖面圖Fig.6 Survey line profile of Rayleigh wave technique

3.3 高密度電法

高密度電法采用電極間距為2 m,電極數為173個,測線剖面圖如圖7所示。剖面總長為340.5 m(平距),探測范圍內地下介質電阻率值隨探測深度的增加而增大,電阻率值變化范圍為10～2 000 Ω·m。根據高密度電法剖面圖上的介質電阻率值及其變化情況推斷,電阻率值大于200 Ω·m的地下介質為中至微風化基巖,電阻率值小于200 Ω·m的地下介質為上覆風化層。由圖7可知,剖面有效探測范圍內,中風化基巖面的埋深變化范圍為0～14 m,剖面樁號大于245 m范圍內基巖面埋深較深,剖面樁號158～178 m范圍內,地表介質電阻率值大于200 Ω·m,實地查證為基巖出露。剖面兩側探測深度受限,無法探明剖面兩側地層的完整分布情況。

圖7 高密度電法測線剖面圖Fig.7 Survey line profile of high-density resistivity method

4 綜合分析

同一條測線位置分別采用了地震波折射法、瑞雷面波法、高密度電法進行了基巖面埋深探測。在該測線位置布設了5個鉆孔進行驗證,鉆孔編號分別為ZK2、ZK3、ZK5、ZK6、ZK15,每個鉆孔位置不同方法的探測結果統計如表1所示,鉆探結果和3種物探方法的探測結果對比分析如下。

表1 物探、鉆探探測覆蓋層厚度結果Table 1 Detection of overburden thickness by geophysical exploration and drilling exploration

1)ZK5、ZK15鉆孔位置地震波折射探測結果與鉆探結果較接近,差值范圍為0～1 m,而ZK2、ZK3鉆孔位置地震波折射探測結果與鉆探結果相差較大,相差約3.7～4.3 m;

2)ZK3、ZK5、ZK6、ZK15鉆孔位置瑞雷面波法探測結果與鉆探結果較接近,差值范圍為0.2～1.3 m,ZK2鉆孔位置瑞雷面波法探測結果與鉆探結果相差較大,相差約4.9 m;

3)ZK2、ZK3、ZK6鉆孔位置高密度電法探測結果與鉆探結果較接近,差值范圍為0.2～1.1 m;而ZK5、ZK15鉆孔位置高密度電法探測結果與鉆探結果相差較大,相差約1.5～1.7 m。

3種物探方法探測結果以及鉆探探測的基巖面高程曲線如圖8所示,綜合對比分析結果如下。

1)ZK2、ZK3孔位置地震波折射法探測結果與鉆探結果相差較大,推測地震波折射法的理論模型是建立在水平層狀模型的基礎上,并采用平均法求取覆蓋層波速的平均值,進而計算界面的深度,計算所得的界面深度亦為法線(垂直界面)深度。當地形凹凸起伏變化較大時,凹地形計算所得深度相對偏淺,凸地形計算所得深度相對偏深[9],使得實際解譯界面趨于平緩,盡管會采取相應的校正方法,但地震波場為連續場,在折射界面的劇烈突變位置不可避免存在誤差。因此,ZK2、ZK3孔位置基巖起伏變化較大處,地震波折射法探測與鉆探結果存在差異;ZK6孔附近缺少地震波折射探測結果,主要是由于ZK6孔位置土層偏厚,覆蓋層厚度大于14 m,人工錘擊激發的地震波能量較小,在表層土較松散、覆蓋層厚度較厚位置,地震折射波衰減較多,無法準確識別地震折射波的初至及拐點,探測效果較差,故此區域缺乏地震波折射探測結果。

2)ZK2鉆孔位置瑞雷面波法探測結果與鉆探結果相差較大,推測瑞雷面波采用點距為6 m,測點間距相對偏大,因此瑞雷面波法探測成果剖面也相對較平滑,且瑞雷面波場亦為連續場,同折射波法一樣未能準確反映出基巖界面劇烈突變的情況[10-12]。但是面波能反映不同風化層的波速變化情況,剖面信息較豐富,可用于不同地層的劃分。

3)高密度電法相對地震波折射法及瑞雷面波法更接近鉆探結果,能較好地探測出地形起伏變化情況,探測結果更接近實際地質情況。高密度電法探測能夠根據電阻值大小及其變化情況推測出基巖界面(覆蓋層厚度),但受地下水的影響(基巖局部存在裂隙發育且含水),基巖界面相對較模糊[13-15],故與實際結果存在誤差。若基巖性完整、無裂隙發育,使得基巖界面形成較好的隔水層,基巖中不含水,使得基巖界面與覆蓋層存在明顯的電性差異,輔以個別參數孔資料進行深度轉換系數校正,便能準確繪制高密度電法探測的基巖界面埋深及起伏變化情況。但在缺少鉆孔資料進行深度轉換系數校正的情況下,且地下水埋深較深時,高密度電法反演解釋的地層深度為視深度,與實際深度存在差異。

圖8 綜合物探方法及鉆探基巖面高程線Fig.8 Elevation lines of bedrock surface by comprehensive geophysical prospecting methods

5 結論

1)地震波折射法探測基巖界面直觀、現場施工快捷、成本較低,當采用人工錘擊震源時,適合探測基巖面埋深較淺的場地,當基巖面埋深較深(大于14 m)時,需采用激發能量較大的其他形式震源。地震波折射法適用于探測適當深度的定量解釋,當探測區域基巖界面起伏較平緩時,探測精度相對較高。

2)瑞雷面波法探測剖面信息較豐富,可探測出地下一定范圍內各種地層介質的波速變化情況,但不適宜探測基巖面埋深較淺或地表土層較堅硬、局部基巖出露的場地,這類場地面波數據較差、解譯精度較低;偏移距較小時影響探測深度,偏移距較大時能量衰減較快,探測工作中需先行實驗,選擇合適的激發偏移距。當探測區域表層較松散且具有一定厚度時,在偏移距選擇合適時,探測精度相對較高。

3)高密度電法探測剖面信息也較豐富,可探測出地下一定范圍內各種介質的電阻率變化情況,但現場布設電纜和電極的工作量較大,數據采集時間較長。同時受地下介質含水的影響,存在多解性,但當基巖較完整且不含水時,輔以個別參數孔資料進行深度轉換系數的校正,能準確地繪制基巖界面埋深及起伏變化情況,能分辨出地下水位的大致分布情況。