综合物探方法在浅埋古河道调查中的应用研究

张艳国，周永贵

(天津华北工程勘察设计有限公司,天津 300181)

1 引 言

浅埋古河道是指埋藏在地表下30～50 m以内的河流残存的古河流遗迹[1]。武清地处华北冲积平原下端，地势平缓，自北、西、南向东南海河入海方向倾斜，河流密布；受气候、古地理环境、新构造运动及海陆变迁的影响，晚更新世以来发育有各种规模的古河道[2]。

一般来说，古河道沉积物成分复杂、均匀性差，内部各沉积亚层空间发育变化大，强度、变形等特性差异明显，易引发各种岩土工程问题，如土层滑移、粉(砂)土液化、地面沉降、地裂缝等，对城市规划、工程勘察、岩土设计、工程施工、运营维护影响巨大[3]。为此，在工程建设前需要进行必要的地质调查来规避古河道带来的工程风险。

近年来，随着地球物理勘查方法技术在工程勘察中的广泛应用[4，5]，付新建等[6]、李焕春[7]、李茂等[8]、赵艳霞等[9]应用物探技术对古河道进行探测，并取得了很好的效果。

2 路线调查及剖面布设

天津市武清区地处华北冲积平原下端，地势平缓，自北、西、南向东南海河入海方向倾斜，区内古河道主要是永定河水系变迁，河流改道而遗留下来的地貌体，永定河曾经历了由北向南的数次摆动，古河道具有放射多分支河道的分布格局。试验区地表基本已完全被人类生产生活改造，古河道地表遗留很难观察到，在部分沟壁上见黏土—亚砂土—砂互层，显示区域存在古河道活动遗迹(图1)，宏观上看，地表沉积颗粒物颜色、粒度呈现一定变化。

图1 地表沟壑黏土-亚砂土-砂互层Fig.1 Interbedding of clay, sandy loam and sand in landmark gully

结合前人资料及遥感解译成果[10]，通过路线地质调查，确认物探工作施工环境受干扰较小、条件较好的地区为大良镇刘家务村南区域。本次布设的综合物探试验剖面方向与遥感解译的古河道走向垂直，为东西方向，剖面长1 000 m。

3 试验区岩(土)层物性特征

3.1 密度特征

岩石密度统计资料数据(表1)显示，试验区第四系浅层地层之间存在着一定的密度差异，表层土密度一般在1.1～2.0 g/cm3之间，黏土层密度一般在1.5～2.2 g/cm3之间，而河道的沉积结构特征为上层为粉细砂、下层为厚重砂体的两层结构，与表土和黏土相比，砂层一般具有较高的密度值。

表1 试验区岩(土)密度

3.2 电性特征

根据第四系岩性电阻率参数统计结果(表2)，不同岩性之间存在着较明显的电阻率差异，砂质黏土、黏质沙土电阻率值一般在30～50 Ω·m之间，随着砂质层颗粒的变化，其电阻率值亦逐渐增大，砂层与表层土以及黏土存在着明显的电阻率差异，并且其含水条件亦对其电阻率有着明显的影响。由于古河道砂体组成一般比其他成因的粗，所以古河道地层电性一般呈相对高电阻反映。因此，浅埋古河道的电性特征与第四系沉积均匀地层之间呈现明显的电阻率差异，又因其具有饱含浅层地下水的特征，一般具有较高充电率的特征。

表2 场地岩(土)层电阻率特征值

4 物探方法选择与效果分析

通过分析研究试验区不同岩性之间的物性特征差异，确定细砂及粉细砂所呈现的高阻特征，为探测试验区内古河道空间分布提供了依据。所以理论上讲，在试验区内开展微重力测量、高密度电阻率法可达到快速识别古河道空间分布特征的目的。

4.1 微重力剖面测量

本次工作开始前，对所投入的重力仪进行了性能调试以保证满足工作要求，重力剖面测量点距为5 m，采用CG-5型重力仪进行外业数据采集。用获取的经各项改正后的剖面测量数据计算布格重力异常，并对布格重力异常求取剩余异常以获取浅部地质体异常信息。

通过对重力剖面求取布格重力上延50 m剩余异常成图后发现，布格重力异常西低东高，并呈现逐级升高的变化特征，这与试验区第四系地层的重力场特征有关。在局部地段270～600号点之间，布格重力异常较高，与高密度电阻率断面显示的中间高阻层规模变化较为一致(图2b)，为古河道的反映。重力异常梯度变化带与高密度电阻率反演断面高阻异常带边界较为一致，微重力剖面反映的局部异常与遥感解译推断的古河道中心河道对应较好。在其他地段，如75～150号点之间，重力异常表现为呈一定梯度变化的重力高异常，结合高密度电阻率法反演断面，推测为规模较小的不均匀地质体所致，应为河漫滩的反映。

4.2 高密度电阻率法测量

高密度电阻率法测量采集装置采用温纳α装置[11-20]，单排列最大电极数为120，点距为5 m，采集层数为20层。沿测线按照敷设好的测点逐点布设好电极和相关电缆线后，按照上述参数设置工作参数后进行数据采集，采集过程中实时关注数据质量，并采取相应措施，确保野外数据采集真实可靠。

根据对剖面获取的高密度电法采集数据进行编辑并反演成图后发现，工区浅层电性层状特征明显(图2c)。 浅部电阻率值较低，一般在15 Ω·m以下，且局部具有分布不均匀特征，推断为浅层人工耕植土和亚黏土的反映，表明该层位为受洪泛平原冲积影响而形成的洪泛平原相。中部电阻率值较高，一般在20～50 Ω·m之间变化，伴有厚度不均匀变化特征，且该电性层自西至东表现为西部规模较小，小范围分布，中部规模较大，分布比较连续，最东部规模及范围又缩小的特征，推测为粉细砂、细砂，在测线230～650号点之间，电阻率值较高，且分布范围较大，表明砂体厚度大，连续性好，与浅埋古河道的中心河道位置区域吻合，而两侧不连续分布地段应为浅埋古河道的分支河道或河漫滩反映。该层位主要为受河流冲积而形成的古河道；深部电阻率较低，一般小于15 Ω·m，推测为亚黏土或亚砂土，局部电阻率值较低，电阻率值小于10 Ω·m，推测为黏土，该层位主要为滨湖、浅湖相交互沉积。

图2 试验剖面综合物探成果Fig.2 Test profile of comprehensive geophysical prospecting results

4.3 视电阻率剖面测量

本次视电阻率测量，发送机供电方式为双向短脉冲，供电时间2 s，占空比1∶1；接收机参数设置为断电延时100 ms，供电时间2 s，取两次读数的平均值作为最后观测值。供电极距AB=300 m，测量极距MN=10 m，测量点距5 m。

从视电阻率剖面测量曲线来看(图2a)，视电阻率值一般在5～15 Ω·m之间变化，显示了浅层地下土质的低电阻特征。剖面整体电性特征规律性不太明显，在高密度电阻率法300～650号点高阻异常地段，视电阻率剖面曲线跳动较大，无明显高阻异常显示，反映了视电阻率剖面在此浅层介质中没有明显异常显示，说明利用视电阻率剖面测量对浅层土层及砂层反映特征不清晰，没有取得较好的试验效果。

4.4 钻孔验证与综合分析

在资料收集和前人研究的基础上，结合综合物探勘查结果，研究分析后认为，在综合物探剖面300～600 m之间存在浅埋古河道，并在400 m处布设钻孔ZK-1进行验证。根据钻孔揭示，在深度3.2～13.2 m之间钻遇粉砂、粉细砂及细砂(图3)，层厚10 m。砂体埋深及厚度与高密度电阻率反演成果图所圈定的高阻异常较为吻合。

图3 钻孔ZK-1所见细砂Fig.3 Fine sand seen in the ZK-1 borehole

探测效果表明，利用微重力剖面测量中的高重力异常和梯度变化带，可对浅埋古河道的富集砂体进行有效识别；利用高密度电阻率法反映的高阻电性异常可对浅埋古河道进行识别和划分；然而，视电阻率剖面电性特征不明显，规律性较差，大致反映了浅层电性层的不均匀电性特征。

5 结 论

在武清地区的浅埋古河道调查中，根据浅埋古河道与第四系沉积均匀地层之间的电性特征差异，利用高密度电阻率法反映的高阻电性异常可对浅埋古河道进行识别和划分；根据浅埋古河道上层为粉细砂下层为厚重砂体的层状沉积结构特征，且砂层密度相对较高的物性特征，利用微重力剖面测量中的高重力异常可对浅埋古河道的富集砂体进行有效识别。综合研究表明，通过微重力剖面和高密度电阻率法测量，重力异常梯度变化带与高密度电阻率反演断面高阻异常带边界较为一致，对浅埋古河道的探测效果较好。