浅层地震和高密度电法在城市规划调查中的综合应用

吴曲波，徐贵来，柯 丹，王继全，宋景焕

（1.核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京100029；2.北京惠友达勘察有限公司，北京 102300；3.辽宁省物测勘查院，辽宁 沈阳 110121）

浅层地震和高密度电法在城市规划调查中的综合应用

吴曲波1，徐贵来1，柯 丹1，王继全2，宋景焕3

（1.核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京100029；2.北京惠友达勘察有限公司，北京 102300；3.辽宁省物测勘查院，辽宁 沈阳 110121）

探明断层位置、摸清第四系覆盖层厚度是新区规划前期需要解决的地质问题；旨在为新区可持续发展及减少地质灾害提供基础地质资料。利用地震反射波法和高密度电阻率法进行联合测量；采用两种方法的优势综合解释异常特征，优化解释效果，准确反映研究区可能存在的地质问题。表明地震反射波法和高密度电阻率法在调查断层位置和第四系覆盖层厚度方面，是可行有效的。

地震反射波法；高密度电阻率法；新城规划

城市断层与地质灾害对于城市工程安全是个隐患，因此在一个城市新规划区建设前，必须查明该区的断裂位置、走向和活动性以及覆盖层厚度，旨在为城市新规划区的性质划分、科学发展和功能分区，以及各项建设的总体部署提供地质依据［1-3］。本项目研究区位于良乡—前门—顺义断裂南段（分为良乡北断裂和良乡南断裂）、八宝山和黄庄—高丽营断裂南段（图1），区内地表被松散第四系沉积物覆盖，传统的地质方法在该条件下受到限制。在干扰背景不强的情况下，地震反射波法能查明断层分布［4-5］，并根据基岩断层摸清向第四系地层的延伸情况，从而研究断层的活动性［6］。研究隐伏断层，较早使用的是联合剖面电法［7］，认为断层为相对低阻体，在联合剖面曲线上表现为正交点。但正交点产生的原因多样，没有足够的先验信息很难根据联合剖面正交点就判定为断层。高密度电法具有观测精度高、数据采集量大、地质信息丰富和操作智能化程度高等优势，为断层探测提供了较好的途径［8-10］。在调查城市断层的研究中，浅层地震方法是重要的手段之一［11-13］，在断层落差较大的情况下地震勘探能取得好的效果［14-15］，然而在断裂不很明显的情况下，电法勘探则更能区分断裂导致的电性差异。因此，在不了解研究区断层性质的情况下，根据工区地球物理前提条件，采用地震反射波法和高密度电法进行联合测量，由两种方法得到丰富的地下信息，进而综合解释断层位置及覆盖层厚度，以便较为清楚地反映工区存在的地质问题。

1 区域地质概况

工作区位于华北断坳、北京迭断陷、坨里—丰台迭凹陷与琉璃河—涿县迭凹陷交汇部位。

根据区域地质调查及钻孔揭露情况，工作区内地层自下而上依次为太古界、长城系、蓟县系、青白口系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系、古近系和第四系。区内一般断裂主要包括NE向断裂、NNE向断裂和 NW向断裂 （图1）。工作区内主要的NNE向断裂有八宝山断裂南段、黄庄—高丽营断裂（本区内黄庄断裂）。次一级的断裂有石楼断裂、琉璃河断裂和交道断裂等，均在燕化组团东南侧；NW向断裂主要有公义庄断裂，该断裂穿越良乡工作区，北起黄庄断裂，经青龙湖、良乡和公义，走向NW，长26 km，倾向WS，倾角小于60°，属平推断层。

图1 工作区断裂分布图及测线布置图Fig.1 Distribution map of faults and measuring lines in working area

2 地球物理参数特征

2.1 电性特征

工作区内第四系埋藏深度为10～50 m，主要岩性为黏性土和砂卵砾石互层，黏性土反映为低阻，砂卵砾石电性反映为高阻，工作区主要岩层电阻率见表1。

由电阻率统计结果，工作区将基岩电阻率分为3个 “阻别”，即高、中和低3组。区内第四系电阻率变化较大，随岩性的颗粒度变化而变化，又与湿度、温度密切相关。例如：砂砾石电阻率一般为100～500 Ω·m。而不含水时电阻率可达1 000 Ω·m，黏性土电阻率一般小于20 Ω·m。从上述分析可以看出，不同地层岩性存在明显电性差异，本工作区基本具备高密度电法勘探的地球物理前提条件。

表1 工作区岩层电阻率、岩石密度和波速Table 1 Statistics of resistivity，density and wave velocity of the rock in working areas

2.2 波阻抗特征

根据波速测孔和工程勘察取样测试地层密度的资料，区内主要岩层波速和密度值见表1；该区第四系为黏性土和砂卵砾石互层，下伏基岩为白垩系泥岩和砾岩，燕化组团部分地区第四系下伏为灰岩或花岗岩。

区内第四系密度变化不大，其规律是：第四系岩层密度随岩性的颗粒度变化而变化。随黏性土、砂和砂砾石密度逐渐增大，纵波波速增大明显；因此可以看出，不同地层岩性存在明显的波阻抗（密度与波速的乘积）差异，工作区具备浅层地震勘探的地球物理前提条件。

3 方法原理及实施方案

高密度电阻率法是集电剖面和电测深于一体，采用高密度布点，进行二维地电断面测量，提供的数据量大，并且观测精度高、速度快，是解决断裂带、溶洞等工程地质问题有效的地球物理方法之一［16］。本次野外工作采用了温纳装置模式，数据采集及排列方式见图2。图中C1、C2为供电电极，P1、P2为测量电极，电极组合位置1、2、3分别对应1、2、3号剖面深度测点。温纳装置模式具有最小的装置系数值，最大的信号强度系数，对介质垂向变化反应灵敏，抗噪能力最强。本次工作采用30～60个电极组合，点距：5～10 m，排列长度：290～470 m。最大探测深度为62.7 m。采集的数据需经坏点剔除、校正等预处理，然后进行反演解释。

图2 温纳装置数据采集及排列示意图Fig.2 The sketch map of data acquisition and arrangement based on Wenner setting

图3 地震反射波法工作原理图Fig.3 The working principle diagram of seismic reflection method

反射波地震勘探方法的原理及过程如图3所示［17］，图 中 的O1～O3为 激 发 点 、 S1～S3为接收点，x1～x3分别为对应的炮检距；图3-c和图3-d分别表示动校正和叠加处理过程。其基本思想是对地下反射界面上各点的地质信息进行多次观测，对整条反射界面进行叠加，以排除由于地面上个别观测点受到某种干扰而歪曲地下真实信息的影响。本次野外采集，震源使用10.1 kg（24磅）大锤；接收通道数：24道；偏移距：8 m；道间距：1 m；采样率：0.125 ms；记录长度：250 ms；覆盖次数：6次。仪器采集的野外数据经编辑、静校正、滤波、速度分析、动校正、叠加和反褶积等处理过程得到叠加剖面，最后进行解释。

4 实测剖面A、B的成果解释

工作区布置了多条测线，每条测线分别采用地震反射波法和高密度电法进行测量，布设情况如图1所示，以其中两条剖面进行展示。

4.1 剖面A

剖面A为视电阻率反演断面图（图4），其清晰地反映出所测断面电性变化及不同岩性的物理特征及其形成的电性分布情况，可直观、定性定量地划分出各岩层分布及接触关系等地质形态。断面图显示浅层15～25 m处有一个连续稳定的电阻率变化界面，电阻率约为40 Ω·m，推断是基岩界面。测线由南向北基岩埋深逐渐变浅，深度变化为15～25 m，局部地段基岩埋深可达30 m。测线0～1 160 m处的第四系表层有一高阻层，推断为砂卵石层，厚度8 m左右，该层下部为中粗砂夹黏性土层；测线1 160～2 238 m处浅部为0～5 m的砂卵石、中粗砂层，其下部为黏性土层；第四系下伏基岩相对高阻（电阻率约为300 Ω·m）是白垩系砂砾岩，低阻（电阻率约为20 Ω·m）为白垩系泥岩的反映。图5给出了经处理解释后的该测线地震深度剖面。第四系覆盖层的下界面如图中黑线所示，从测线起点到终点（100～2 233 m）盖层厚度总体趋势是越来越厚，其底界面埋深为22～37 m。 根据剖面同向轴的对比追踪，发现在445 m和1 780 m处的同向轴出现错断 （此处也与电法解释相吻合），具有明显的断层波场特征，分析认为是断层破碎带的影响，即F2、F3断裂。

因此，由电性异常和波阻抗特征综合推断，测线F2断裂倾向SE，南东盘下降，北西盘上升，为正断层，推断是良乡南断裂；F3断裂倾向NW，北西盘下降，南东盘上升，为正断层，推断是良乡北断裂。

4.2 剖面B

从剖面B视电阻率反演断面图 （图6）分析，深度在20～25 m处有一个电阻率连续变化界面，浅处为相对低阻，电阻率值较低，约为30 Ω·m，下面为相对高阻，层间变化不大。可看出第四系地层厚度为20～25 m，厚度变化不大，第四系反映为两层电性结构，浅部高阻层为砂卵石，下部低阻为黏性土；下伏基岩为白垩系砾岩，砾岩下部分布为泥岩地层。在剖面690 m左右有一个低阻变化带存在，两侧地层深度变化不大，地层电阻率很稳定，层厚也稳定，高阻之间的低阻变化带处，认为是断层破碎带的反映，即F1断裂。图7为该测线地震反射深度剖面，第四系覆盖的下界面在图中反映较为清晰，如图7中黑线所示，从测线起点到终点盖层厚度变化平缓，局部变化大，其底界面埋深为18～22 m。根据剖面同向轴的对比追踪，发现在680 m处的同向轴出现错断，北侧即断层上盘一侧相位明显向下拉伸，同相轴呈现典型的 “Y”型特征，说明断层的上盘下降，推断认为是断层破碎带的影响，即F1断裂，该断裂北西盘下降，南东盘上升，倾向NW，属正断层，推断其为崇文门断裂。

5 结论及建议

通过两种地球物理方法提供的不同地质信息进行综合解释，准确定位了研究区内断裂位置，并结合其他地质资料分析了断层性质；划分了工作区内的第四系地层厚度及下伏基岩岩性分布规律，为城市新区建设打下良好的地质基础。高密度电阻率法勘探深度较浅，但在第四系厚度较薄的地区比较适用，对于落差不是很明显的走滑断层高密度电法勘探效果比较好。地震反射波法由于受表层低速带及地表人文干扰的影响，浅层地层划分较为模糊，但是对于断裂位置的判定比较准确，是其优势所在。可见，地震反射波法和高密度电法的结合能为地质解释提供较为丰富的物性信息，优势互补更能准确地查明断层位置和覆盖层厚度，是解决此类地质问题的有效方法组合。

如需进一步确定工作区内断裂性质、地层地质时代和岩性，可考虑结合可控源电磁法测量与钻孔资料进行综合解释。

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Comprehensive application of shallow seismic method and high density resistivity method in urban planning management

WU Qu-bo1， XU Gui-lai1， KE Dan1， WANG Ji-quan2， SONG Jing-huan3
（1.CNNC Key Laboratory of Uranium Resources Exploration and Evaluation Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China；2.Beijing Huiyouda Limited Liability Company of Exploration， Beijing 102300， China；3.Liaoning Institute of Measuring Reconnaissance， Shenyang， Liaoning 110121， China）

It is necessary to identify the precise location of fault and the thickness of Quaternary overburden before new district is planned，so as to provide geological data for sustainable development and avoid geological disaster.Seismic reflection method and high density resistivity method are studied and utilized for the exploration，and the abnormal characters are explained synthetically in the way that the effect of each exploration can be optimized with its advantage of two methods.The results indicate that the seismic reflection method and high density resistivity method are effective for detecting the location of fault and the thickness of Quaternary overburden.

seismic reflection method； high density resistivity method； new urban planning

P315.2；P315.3+1

A

1672-0636（2011）03-0173-07

10.3969/j.issn.1672-0636.2011.03.009

2011-03-29；

2011-05-16

吴曲波（1984—），男，湖南衡阳人，硕士，主要从事浅层地震勘探工作。E-mail:wdyqthl@163.com