基岩面埋深综合物探精细探测应用研究

胡晓娟,黄 燃,郑宗槟,游敬密

(1.福建省地质工程勘察院,福州 350002;2.自然资源部 丘陵山地地质灾害防治重点实验室,福州 350002)

斜坡表层受到强烈的物理风化作用,自上而下岩土的风化程度依次降低,表面覆盖残积土、强风化岩石等风化带,具有结构疏松、裂隙发育等特点,当受到降雨影响时容易诱发多种地质灾害。采用综合物探技术探测并划分出斜坡坡面以下上覆土层与下伏基岩的分布情况,对于斜坡灾害的防治工作具有重要意义。目前,针对斜坡探测采用的物探技术主要有地震勘探、面波探测、高密度电法、地质雷达探测法、井间地震波层析成像等。上述方法虽然取得了一定的探测效果,但也存在许多不足,特别是探测结果的分辨率及精确度还有待提高[1],因此需要进一步对各种物探技术进行综合研究,得出更有效的数据采集方法和资料解译方法,并归纳总结经验,提高物探方法的探测效果。

1 场地概况

探测场地为一自然边坡,坡脚位置发生过崩塌,场地表层覆盖为第四系更新统崩坡积、残积层(Qel-dl),成分以砂质黏性土为主。下伏地层为白垩系下统石帽山群下组(K1shb1)英安质晶屑凝灰熔岩、流纹岩类。场地各岩土层特征自上而下分别为:残坡积砂质黏性土,砂土状强风化凝灰熔岩,碎块状强风化凝灰熔岩,中风化凝灰熔岩。在该场地相同测线位置同时采用地震波折射法、瑞雷面波法以及高密度电法进行中风化基岩面埋深探测,并采用钻探进行验证,探测场地示意图,如图1所示。

图1 探测场地示意图Fig.1 Detection site

2 方法原理

2.1 地震波折射法原理

人工激发的地震波在地下传播的过程中,遇到下伏介质波速大于上覆介质波速的速度界面时,当波的入射角等于临界角时,其传播方向发生改变且沿界面向下滑行,从而在界面的上覆介质中产生折射波[2]。图2为水平二层结构地质模型,设水平界面深度为h,沿激发点O至地面某一点D的距离为x,压缩波在入射层速度为v1,入射角为θ1,透射层的压缩波速度为v2(v2>v1),透射角为θ2,根据施奈尔定律可得:

(1)

图2 水平二层结构的折射波时距曲线Fig.2 Refraction wave time-distance curves of horizontal two-layer structure

当θ2=90°时,对应的入射角θi=sin-1(v1/v2),称为临界反射角。当入射角大于或等于临界角时,才会产生折射波[3],折射波的时距方程为:

(2)

其时距曲线是直线,直线斜率的倒数为波速v2,则直线在t轴上的截距时间t0为:

(3)

则水平界面深度h为:

(4)

根据直达波和折射波时距曲线的斜率可求出v1、v2和时间t0[4],再求出震源点下方界面深度h。

2.2 瑞雷面波法原理

瑞雷面波是一种弹性波,沿介质自由表面传播,其传播规律反映了传播介质的弹性参数。面波在地表传播时表现出的频散特征,反映了其与波长相应的深度范围内的地层弹性分布情况[5-6]。

瑞雷波沿地层传播时,地层层厚约为一个波长,因此,同一波长的瑞雷波的传播特性反映了地质条件在水平方向的变化情况,不同波长的瑞雷波的传播特性反映着不同深度的地质情况[7-8]。在地面上顺沿瑞雷波的传播方向,以固定道间距Δx设置N+1个检波器,便能检测到NΔx长度范围内瑞雷波的波场。设,瑞雷波的频率为fi,相邻检波器记录的瑞雷波的时间差为Δt或相位差为Δφ,则相邻道Δx长度内瑞雷波的传播速度为:

vRi=2πfiΔx/Δφi.

(5)

或在满足空间采样定理的条件下,测量范围NΔx内的平均波速为:

(6)

在同一测点测量出一系列频率fi的vRi值,就可以得到一条vR-f曲线,即所谓的频散曲线或转换为vR-λR曲线,λR为波长:

λR=vR/f.

(7)

vR-f曲线或vR-λR曲线的变化规律与地质条件相互关联,反演解释频散曲线,可得到相应的地层信息和瑞雷波传播速度vR。另外,介质的物理特性决定了vR的大小,据此可以通过vR的大小分析岩土的物理性质。

2.3 高密度电法原理

高密度电法采用阵列勘探的思想,可以同时反映地下空间介质的电阻率在横向和纵向的变化情况,综合了电测深法与电剖面法。在野外勘测时将电极(几十至上百根)埋设在一定间隔的测点上,实现数据的快速和自动采集,再利用相关软件,生成地下空间二维、三维反演断面图,最后结合地质资料和反演结果,对所测量的地电断面进行解释,将解释结果应用于解决相关地质问题。

实际地形存在起伏变化,地下空间介质不均匀,且具有各向异性,故所测得的电阻率并非实际电阻率,而是通过公式转换得到的视电阻率:

(8)

式中:ρs为视电阻率,Ω·m;K为装置系数,m;UMN为电极M、N间的电位差,V;I为供电电流,A。

视电阻率综合反应了地下介质电性的不均匀性以及地形的起伏,通过视电阻率变化规律可以勘探地下空间介质的不均匀性,从而适用于各种地质问题的探测。

3 实例反演分析

3.1 地震波折射法

地震波折射数据采集主要采用相遇-追踪时距曲线观测系统,同时根据实际地质情况及锤击能量的强弱,选择多重相遇时距曲线观测系统。采集数据时,每个排列设置24道检波器接收信号,检波点距为2 m,排列长度为46 m;每排列两侧端点各布置1个激发点,排列两端外侧各布置1个追逐激发点,排列中点(12、13道检波点之间)布置1个激发点,具体观测系统如图3所示。

图3 地震波折射观测系统示意图Fig.3 Seismic refraction observation system

地震波折射法测线共布设6个排列,每个排列长度为46 m(斜距),测线剖面长度为249.871 m(平距),测线地面高程变化为148.0～161.5 m(该测线沿顺走向布设,测线高程变化较小),相邻排列间首尾相接。地震波折射法测线剖面图,如图4所示,测线位置基岩面起伏变化较小,基岩界面波速为4 908～5 785 m/s,从界面速度上判断,该连续速度界面为中至微风化基岩顶界面。基岩面的埋深(覆盖层厚度)变化范围为5.4～9.1 m,测线位置覆盖层厚度分布较均匀、基岩面起伏变化较小。

图4 地震波折射法测线剖面图Fig.4 Survey line profile of seismic refraction method

3.2 瑞雷面波法

瑞雷面波数据采集时采用落重方式锤击地面激发地震波。其中面波资料采集,利用多道采集系统,在时间域中充分识别面波成分,瑞雷面波探测采用24道检波器接收,检波点距为2 m,相邻测点间距6 m,每个面波测点偏移距为7 m,瑞雷面波观测系统示意图,如图5所示。

图5 瑞雷面波观测系统示意图Fig.5 Observation system of Rayleigh wave technique

瑞雷面波探测成果剖面图,如图6所示。瑞雷面波剖面长度为285.4 m,探测范围内地层介质视速度随深度增加而增大,视速度变化范围为100～540 m/s。依据瑞雷面波法测线剖面图上视速度的大小及其变化情况推断,视速度小于200 m/s的介质为残坡积砂质黏性土层,视速度变化范围为200～300 m/s的介质为强风化层,视速度大于300 m/s的地下介质为中风化基岩。探测范围内中风化基岩面的埋深变化范围为4～24 m,剖面桩号0～250 m范围内中风化基岩面埋深整体较浅,剖面桩号大于250 m范围内,中风化基岩面埋深较深。

图6 瑞雷面波法测线剖面图Fig.6 Survey line profile of Rayleigh wave technique

3.3 高密度电法

高密度电法采用电极间距为2 m,电极数为173个,测线剖面图如图7所示。剖面总长为340.5 m(平距),探测范围内地下介质电阻率值随探测深度的增加而增大,电阻率值变化范围为10～2 000 Ω·m。根据高密度电法剖面图上的介质电阻率值及其变化情况推断,电阻率值大于200 Ω·m的地下介质为中至微风化基岩,电阻率值小于200 Ω·m的地下介质为上覆风化层。由图7可知,剖面有效探测范围内,中风化基岩面的埋深变化范围为0～14 m,剖面桩号大于245 m范围内基岩面埋深较深,剖面桩号158～178 m范围内,地表介质电阻率值大于200 Ω·m,实地查证为基岩出露。剖面两侧探测深度受限,无法探明剖面两侧地层的完整分布情况。

图7 高密度电法测线剖面图Fig.7 Survey line profile of high-density resistivity method

4 综合分析

同一条测线位置分别采用了地震波折射法、瑞雷面波法、高密度电法进行了基岩面埋深探测。在该测线位置布设了5个钻孔进行验证,钻孔编号分别为ZK2、ZK3、ZK5、ZK6、ZK15,每个钻孔位置不同方法的探测结果统计如表1所示,钻探结果和3种物探方法的探测结果对比分析如下。

表1 物探、钻探探测覆盖层厚度结果Table 1 Detection of overburden thickness by geophysical exploration and drilling exploration

1)ZK5、ZK15钻孔位置地震波折射探测结果与钻探结果较接近,差值范围为0～1 m,而ZK2、ZK3钻孔位置地震波折射探测结果与钻探结果相差较大,相差约3.7～4.3 m;

2)ZK3、ZK5、ZK6、ZK15钻孔位置瑞雷面波法探测结果与钻探结果较接近,差值范围为0.2～1.3 m,ZK2钻孔位置瑞雷面波法探测结果与钻探结果相差较大,相差约4.9 m;

3)ZK2、ZK3、ZK6钻孔位置高密度电法探测结果与钻探结果较接近,差值范围为0.2～1.1 m;而ZK5、ZK15钻孔位置高密度电法探测结果与钻探结果相差较大,相差约1.5～1.7 m。

3种物探方法探测结果以及钻探探测的基岩面高程曲线如图8所示,综合对比分析结果如下。

1)ZK2、ZK3孔位置地震波折射法探测结果与钻探结果相差较大,推测地震波折射法的理论模型是建立在水平层状模型的基础上,并采用平均法求取覆盖层波速的平均值,进而计算界面的深度,计算所得的界面深度亦为法线(垂直界面)深度。当地形凹凸起伏变化较大时,凹地形计算所得深度相对偏浅,凸地形计算所得深度相对偏深[9],使得实际解译界面趋于平缓,尽管会采取相应的校正方法,但地震波场为连续场,在折射界面的剧烈突变位置不可避免存在误差。因此,ZK2、ZK3孔位置基岩起伏变化较大处,地震波折射法探测与钻探结果存在差异;ZK6孔附近缺少地震波折射探测结果,主要是由于ZK6孔位置土层偏厚,覆盖层厚度大于14 m,人工锤击激发的地震波能量较小,在表层土较松散、覆盖层厚度较厚位置,地震折射波衰减较多,无法准确识别地震折射波的初至及拐点,探测效果较差,故此区域缺乏地震波折射探测结果。

2)ZK2钻孔位置瑞雷面波法探测结果与钻探结果相差较大,推测瑞雷面波采用点距为6 m,测点间距相对偏大,因此瑞雷面波法探测成果剖面也相对较平滑,且瑞雷面波场亦为连续场,同折射波法一样未能准确反映出基岩界面剧烈突变的情况[10-12]。但是面波能反映不同风化层的波速变化情况,剖面信息较丰富,可用于不同地层的划分。

3)高密度电法相对地震波折射法及瑞雷面波法更接近钻探结果,能较好地探测出地形起伏变化情况,探测结果更接近实际地质情况。高密度电法探测能够根据电阻值大小及其变化情况推测出基岩界面(覆盖层厚度),但受地下水的影响(基岩局部存在裂隙发育且含水),基岩界面相对较模糊[13-15],故与实际结果存在误差。若基岩性完整、无裂隙发育,使得基岩界面形成较好的隔水层,基岩中不含水,使得基岩界面与覆盖层存在明显的电性差异,辅以个别参数孔资料进行深度转换系数校正,便能准确绘制高密度电法探测的基岩界面埋深及起伏变化情况。但在缺少钻孔资料进行深度转换系数校正的情况下,且地下水埋深较深时,高密度电法反演解释的地层深度为视深度,与实际深度存在差异。

图8 综合物探方法及钻探基岩面高程线Fig.8 Elevation lines of bedrock surface by comprehensive geophysical prospecting methods

5 结论

1)地震波折射法探测基岩界面直观、现场施工快捷、成本较低,当采用人工锤击震源时,适合探测基岩面埋深较浅的场地,当基岩面埋深较深(大于14 m)时,需采用激发能量较大的其他形式震源。地震波折射法适用于探测适当深度的定量解释,当探测区域基岩界面起伏较平缓时,探测精度相对较高。

2)瑞雷面波法探测剖面信息较丰富,可探测出地下一定范围内各种地层介质的波速变化情况,但不适宜探测基岩面埋深较浅或地表土层较坚硬、局部基岩出露的场地,这类场地面波数据较差、解译精度较低;偏移距较小时影响探测深度,偏移距较大时能量衰减较快,探测工作中需先行实验,选择合适的激发偏移距。当探测区域表层较松散且具有一定厚度时,在偏移距选择合适时,探测精度相对较高。

3)高密度电法探测剖面信息也较丰富,可探测出地下一定范围内各种介质的电阻率变化情况,但现场布设电缆和电极的工作量较大,数据采集时间较长。同时受地下介质含水的影响,存在多解性,但当基岩较完整且不含水时,辅以个别参数孔资料进行深度转换系数的校正,能准确地绘制基岩界面埋深及起伏变化情况,能分辨出地下水位的大致分布情况。