綜合物探技術在海域巖溶勘察中的應用

2023-10-14 05:41:30夏天游

鐵道勘察 2023年5期

關鍵詞：方法

王僑熊鋒夏天游商祥

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司,武漢 430056)

引言

在海域巖溶勘察中,傳統鉆探方法成本較高,且存在“一孔之見”的局限性,單憑鉆探資料難以對海底巖溶發育規模與分布情況做出整體判斷。因此,選取合適的物探方法進行巖溶勘察顯得尤為重要。近年來,綜合物探技術在工程勘察中得到廣泛應用。李耐賓等將微動技術應用于大連地鐵巖溶勘察中,驗證微動技術在城市復雜環境下的地下巖溶勘察中的應用效果[1];沈磊在廈門灣海底隧道工程中,利用海域地震反射法確定基巖上覆蓋層的厚度及起伏情況,發現淺層地震反射波法在水底隧道勘查中具有良好的效果[2];袁偉等將瞬變電磁法等綜合物探方法應用于煤田采空區和溶巖發育區的隧道勘察中,認為多種方法組合物探有助于提高勘探結果的精度和可靠性[3];邱鍇等將高密度電法、瞬變電磁法等綜合物探方法應用于某陸地公路隧道巖溶地質勘察中,認為結果表明綜合物探方法可以有效圈定溶巖發育位置和分布范圍[4];吳軍國等研究跨孔彈性波CT 層析成像法在隧道巖溶勘察中的應用,從理論上證實該方法的可行性[5]。然而受海域場地及海水特殊介質影響,這些方法在海域巖溶勘察中的應用效果還有待驗證。結合大連地鐵5 號線某區間海域巖溶勘察實例,采用海域地震反射技術及海域瞬變電磁技術對場區巖溶發育程度進行分區,掌握場區巖溶發育大致趨勢,再采用跨孔彈性波CT 方法查明單個巖溶發育特征、規模,以期取得良好的勘察效果。

1 物探各方法原理簡介

1.1 海域地震反射法

海域地震反射法是一種利用海底各巖土介質的彈性差異探測地下目標物的物探方法[6],其原理示意見圖1。在離震源較近的若干觀測點上,測定從震源經各彈性地層界面反射回檢波器的地震波旅行時間,測線不同位置上的法線反射時間變化反映地下地層的構造狀態,從而達到劃分地質層位或斷裂破碎帶、巖溶等地質情況的目的。與陸地地震反射法相比,海域地震反射信號受海底及水面多次反射波干擾嚴重,需要復雜的后期濾波處理[7]。

1.2 海域瞬變電磁法

海域瞬變電磁法是一種時間域人工源電磁感應類物探方法[8],其原理示意見圖2。瞬變電磁儀利用發射線圈發射強大的周期性電磁脈沖信號(一般為方波的上升沿或下降沿),脈沖電磁波信號在地下導電介質中感應出周期性變化的渦旋電流場,這些渦流場在擴散過程中由于受到不同電性介質的散射作用,產生隨時間變化的二次感生電磁場。通過接收線圈接收這些二次場,并對其中包含的地電信息進行提取和解釋,從而達到探測地下不同電性介質的目的[9]。

圖2 瞬變電磁觀測示意

1.3 跨孔彈性波CT 法

跨孔彈性波CT 法(亦稱跨孔地震CT)是一種在不同鉆孔中開展的地震層析成像技術,其原理示意見圖3。在一個鉆孔的不同深度激發地震波信號,另一鉆孔中通過檢波器陣列接收穿透孔間地質體的地震波信號,利用計算機對接收信號的初至波走時、能量(振幅)及波形變化進行層析成像處理,從而重建出孔間地質體內部的結構圖像[10],這項技術是計算機技術與現代地震數字觀測技術相結合的產物,其優點為分辨率高、原理簡單、圖像直觀等,主要用于地下精細結構和目標的探測。其穿透能力取決震源激發能量的大小、巖層節理裂隙發育情況、巖溶發育情況等[11]。

圖3 彈性波跨孔CT 觀測示意

跨孔彈性波CT 所利用的地震層析成像方法,其數學基礎是Radon 變換[12],根據地震波傳播理論,地震波傳播時間t由其傳播慢度(速度的倒數)沿著傳播路徑的線積分表示,即

式中,s為地震波傳播的速度;l為地震波傳播路徑;可將式(1)離散為

式(2)可簡寫為Lx=t,對其進行求解,就是層析成像計算的過程[13],已知介質速度分布計算初至時間的過程稱為正演,已知初至時間計算介質速度分布的過程稱為反演。常見的正演算法有直射線追蹤和彎曲射線追蹤[14],反演算法有代數重建法、聯合迭代重建法、阻尼最小二乘法等[15]。

2 各方法應用效果分析

2.1 研究區地質概況

大連半島位于千山山脈的西南延伸部分,是遼東半島的最南端。受到地質構造活動及海水動力對陸地長期作用的雙重影響,其在地貌上多表現為低山丘陵,大地構造上位于遼東臺背斜中復向斜的南翼,場區構造斷裂見圖4。

圖4 場區構造斷裂示意

大連半島的基巖主要為震旦系千枚巖、硅質板巖、石英砂巖和灰巖等,第四系地層主要為山前傾斜地帶堆積的坡洪積物,在沿海地帶表層分布有海相與海陸交互沉積物及沖洪積物[16-17]。根據鉆探揭示,場區第四系地層主要為全新統人工填土、全新統海相沉積流塑狀淤泥或淤泥質粉質黏土、松散-稍密狀粉砂,全新統沖洪軟塑-可塑狀粉質黏土、含碎石黏土及稍密-中密狀中砂、卵石層,殘坡積粉質黏土;基巖主要有震旦系長嶺子組板巖、鈣質板巖夾泥灰巖,震旦系南關嶺組灰巖,震旦系甘井子組白云質灰巖,局部穿插燕山期輝綠巖巖脈[18]。

2.2 研究區地球物理特征

根據測井及室內試驗資料,得到各巖土層縱波速度及視電阻率(見表1、表2),由表1、表2 可知,各巖土層存在明顯物性差異,為開展各種物探方法提供了物性前提。

表2 典型地層視電阻率統計

2.3 海域巖溶地球物理探測成果分析

為查清地鐵工程影響范圍內海底溶洞的分布、形態及發育規律,采取“先宏觀后微觀”的勘察思路。利用水面物探方法對場區巖溶發育情況進行分區,在不同巖溶發育區段采用不同孔間距的跨孔彈性波CT 法精細探測單個巖溶空間形態分布。盾構海域段長度為2 310 m,其中巖溶發育段長度為1 540 m,沿線位中線、左右邊墻及左、右鉆孔線布置5 條平行測線,水面物探測線布置見圖5。

圖5 水面物探測線布置(單位:m)

(1) 海域地震反射法分析

①預處理:數據激發延遲時間校正、剔除噪音道、頻譜分析與濾波去噪、等偏剖面、平移疊加增益處理、定義觀測系統(抽取共偏移道集)。

②剖面處理:動校正,速度分析、震源顫尾清理、反褶積、海底多次反射波消除、小波道間系數相關法去噪、自動或手動拾取反射波組同相軸、時深轉換成圖。

③解釋處理:不同記錄數據頻譜對比,分析反射異常;縱橫剖面交點道對比,進行解釋校正、檢測閉合差;結合鉆探資料進行剖面地質解釋[19]。剖面解釋成果見圖6。

圖6 隧道中軸線地震反射時間剖面

本次地震反射探測發現了2 個物探異常帶(巖溶強烈發育區),在幾條測線中均有反映,推測物探異常帶1 條(板巖與灰巖巖性分界線)及風化槽1 個,后期均得到鉆孔驗證。

(2)海域瞬變電磁法分析

本次采集的海洋瞬變電磁數據均采用5DTEM系統進行處理。其處理流程為首先進行剔除原始數據突變值、去除噪聲信號、數據平滑濾波等處理,接著進行一維數據反演,獲取電性隨深度變化曲線,最后將各測點曲線進行插值處理形成擬二維剖面圖像[20]。

在瞬變電磁法野外測量過程中,可能遇到一些周期性信號的干擾,以及各種氣象等自然因素的影響,從而使衰減曲線上的某點產生較大的躍變,造成剖面上曲線的相互交叉。使用曲線擬合的方法可以對數據曲線進行圓滑處理,從而剔除突變點。本次曲線擬合利用最小二乘法,根據已有的數據點,擬合出一條最接近于實際特性的曲線(見圖7)。

圖7 衰減曲線濾波示意

本次海域瞬變電磁勘探成果示意見圖8,測線范圍內反演出3 個電阻率異常區, 里程分別為DK11455 ～ DK11525、 DK11530 ～ DK11650 和DK11530～DK11650,表現為橫向展布的低阻區域,推測為巖溶強烈發育區。布設3 個驗證鉆孔,YZK-01 位于推測強烈巖溶發育區5-1-1 上方,鉆探揭露為中風化灰巖,裂隙發育,局部裂面溶蝕跡象明顯,無溶洞;YZK-02 位于5-1-2 內,鉆遇3 個溶洞,呈串珠狀排列,與地震勘探成果吻合,為全充填型溶洞,充填物為黏土和風化巖;YZK-03 位于5-1-3 內,鉆遇4 個溶洞,呈串珠狀排列,為全充填型溶洞,充填物為黏土和風化碎屑等。