综合物探在河北省自然资源地表基质层示范性调查中的应用

黄子莹 魏 芳

(河北省水文工程地质勘查院(河北省遥感中心) 石家庄 050021)

1 前言

依据自然资源部印发的《自然资源调查监测体系构建总体方案》定义的“地表基质层”概念,即地球表面孕育和支撑森林、草原、水、湿地等各类自然资源的基础物质,包括岩石、砾质、土质等。由此可见,地表基质层是地球关键带的主要物质组成部分。

河北省地形地貌复杂多样,高原、盆地、山地、丘陵、平原、滩涂(海岛)等地貌类型齐全。地表基质类型多样且齐全,具有很好的代表性。

河北省自然资源地表基质层示范性调查项目选取典型示范区7处、典型剖面带1处;调查深度30 m以浅,重点调查深度3～5 m以浅。

2 物探技术方法的选用

在已有成果资料、遥感解译、地质测量的基础上,物探选用地震折射波法、探地雷达、微动技术、高密度电法、电测深、综合测井联合开展外业工作。

依据不同地貌类型与场地条件,有针对性地选取物探技术方法,并分段布设。如,在基岩裸露区,以地震折射波法为主,意在查明并划分基岩的风化等级及对应厚度;在基岩浅覆盖区,以高密度电法为主,查明土岩界线、地表基质层的类型及其厚度;在沟谷、平原区,以探地雷达与高密度电法为主,探地雷达重在对浅表层10 m以浅进行精细分层,见图1。

图1 物探技术方法的选用与测线布设示意图

3 已知物性参数的提取

开展外业之前,对各示范区开展了充分的资料收集,掌握各片区的物性特征;外业中,对新施工的43个钻孔开展了综合测井,提取了各地表基质层的物性参数;并针对不同物探方法、不同的采样参数等开展了大量的孔旁测试,进行了方法对比与有效性分析。

4 物探的布设原则

物探测线应垂直地质界线、或垂直盆地边缘布设,应尽可能过已有的钻孔,或与设计的典型地质剖面、钻探剖面线相一致。

物探测线、测点的布设应兼顾典型地貌点、地面调查难以判断的地段、钻探试验地段或钻探工作困难地段等;测线长度、点间距、线距以能控制被探测对象为原则;主要物探技术方法的有效探测深度应大于项目设计的控制深度、大于钻探控制深度。

5 典型案例分析

5.1 松散层的探地雷达剖面特征

由图2各剖面对比可知,各层间处的反射波信号明显、同相轴界面清晰、连续性好或较好;但各界面处振幅强弱差异明显,说明地层间物性差异明显不同。对比钻孔可知,对于第四系松散层,地层近水平展布连续、上下界面清晰,对应性较好。

图2 松散层探地雷达典型剖面

如图2A、图2B、图2C,粗骨土、砾石的底界面处反射面清晰、振幅强,为粗颗粒与粘土界面反映;粗骨土与砾石间、细砂土与粗砂土间界面处反射面较清晰、振幅相对较弱(图2D)。由对比可知,物性差异明显的,反射界面清晰;反之亦然。

5.2 山前洪积扇与滨海区的电性特征

山前冲洪积扇地段,地下水的矿化度低,松散层的电阻率与地层颗粒大小及其含量、孔隙大小等因素有关,即随松散层颗粒粒径的增大与含量增高而电阻率会明显增高。

图3为平原区地表基质层的电阻率剖面图,由图3可知,电阻率等值线近水平状展布,而垂向上高低变化明显。由图3a可知,电阻率值整体较高且垂向上呈低—高—低状,是砂土夹砾质的电性反映。

图3 山前与滨海地带地表基质层的电阻率特征对比

在冲积平原区,地下水的矿化度变化大,影响地层电阻率的因素较多。咸水区的电阻率一般小于12 Ω/m。由陆域到滨海,电阻率值变化明显。

在滨海地段,地表基质层的电阻率值整体低,一般为1～3 Ω/m,且矿化度越高则电阻率值越低。如图3b,垂向上电阻率值的高低变化是矿化度变化所致。

6 典型地表基质层的地球物理特征

6.1 典型界面的电磁波动力学特征

对于电磁波而言,同一界面的反射波同相轴特征相近且连续性好,而界面上下地层因介电差异会出现振幅强弱差异、相位的转化及电磁波周期的变化等现象。

(1)松散层

对于松散层而言,各反射波同相轴连续性好,说明地层展布连续性好、上下界面清晰。如,壤土、粘土等细颗粒层位;反射波同相轴连续性差,说明地表基质层状特征差。如,砾石、粗骨土等洪积物层状特征差。

(2)土岩界线处

在土岩界线处,上下层间物性差异明显,电磁波反射信号强,且反射波同相轴连续性好,土岩界面反映清晰。即土岩界线以上松散层的电磁波同相轴表现为低频、相对较散乱;相对于上部松散层,基岩层位的反射波频率高,速度高,反射波同相轴一致性好、连续性好。

(3)完整基岩层

较完整基岩层位的电磁波反射信号弱,但反射波同相轴一致性、连续性好;而基岩顶板风化带裂隙发育或岩体破碎,反射波强而同相轴较杂乱;在基岩层位的裂隙带处,会出现明显的强反射信号,即反射波信号更明显,能量更强、振幅值更大,且具有一定的规模或延伸方向。

6.2 岩土层的电阻率与自然伽马的对应性

在综合测井的曲线对比解译中,视电阻率曲线与自然伽马曲线一般呈现反相关性。对于砾石、粗骨土等粗颗粒松散层与基岩,其电阻率值一般呈现高阻特征,而自然伽马值呈现低值特征;细颗粒松散层的电阻率值一般呈现低阻,而自然伽马值呈现高值异常。对于砾石、粗骨土、粗砂土等高阻层位,若自然伽马值高,说明该层段含量相对较高。

基岩层位一般呈现明显的高阻特征,且随深度的增加风化减弱,其电阻率也随深度增大呈现明显的递增趋势(表1);而基岩的电阻率值呈现低阻且自然伽马值呈现高值特征,说明该层位基岩裂隙发育或该岩类泥质含量高。

表1 隆化示范区典型地表基质层的电阻率特征及电阻率值对比表

6.3 岩土层的地震波动力学特征差异

勘探区内不同岩土层、基岩强弱风化层界面之间存在着明显波阻抗差异,折射波沿波阻抗界面传播且传播速度明显高于直达波与反射波。

在地震折射波法的相遇时距曲线图上,不同波速层间存在明显的斜率拐点;土岩界面的波阻抗差异大,因此土岩界线上下层纵波速差异明显;松散层纵波速低,基岩层纵波速高,且全强弱风化层波速差异明显。通过表层剥去法与T0法,可以分别求取基质层的波速值(表2)。

表2 平山示范区典型地表基质层的波速特征及纵波速值对比表

7 山区地表基质层调查中典型的物探标识

7.1 土岩界线的物探标识

在土岩界线的上下,电法的电阻率差异明显,基岩一般表现为高阻。在电测深曲线上多呈现HA型,拐点H点或A点对应的地层界线及其深度即为土岩界线;在电剖面上,垂向特征表现为电阻率呈现高—低—高、低—高—低等特征的变化(图3)。

土岩界面的波阻抗差异大。对于微动或面波勘探而言,土岩界线处上下层间面波速度差异大;松散层面波速度低,基岩层面波速度高。在频散曲线图上,不同波速层间存在明显的拐点。

地震折射波法的波速差异明显,松散层纵波速低,基岩层纵波速高,完整基岩纵波速更高。在地震折射波法的相遇时距曲线图上,不同波速层间表现出明显的斜率拐点,说明上下层纵波速差异明显(表2)。

在土岩界线处,探地雷达的电磁波动力学特征差异明显。在土岩界面处,电磁波发生反射,反射波信号强,且同相轴一致性好;在土岩界面上下,反射波的同相轴特征与频率变化明显,详见6.1节。

7.2 强弱风化界线的物探标识

在强弱风化界线附近,直流电法的电阻率差异明显。强风化基岩一般因含水或潮湿而表现为相对低阻;在电测深曲线上多呈现A、HA、AA型,拐点A对应的地层界线及其深度即为风化层界线。

地震折射波法的强弱风化层的波速差异明显。在地震折射波法的相遇时距曲线图上,同侧不同偏移距的时距曲线多呈现喇叭口状;全强风化基岩的纵波速偏低,波速一般小于3.5 km/s;微风化基岩的纵波速高,波速一般大于5 km/s,见表2。微动技术的频散拐点明显,强风化基岩的横波速偏低,但大于500 m/s以上。

7.3 砾质与土质的电阻率差异

对于直流电法(包括电测深与高密度电法)而言,砾质与土质间的电阻率值差异大,砾质在电阻率上表现为高阻特征,中粗砂土表现为中高阻,壤土与粘土等土质表现为低阻;这也是凭借物探技术手段区分砾质与土质的最直接方法,见表1。

8 各示范区地表基质层电阻率特征的特殊性

8.1 咸水区的电阻率特点

在张北坝上地区,由于降雨量小而蒸发量大,致使局部地表盐渍化、地下水矿化度升高。无论壤土与黏土层,还是砾石与粗骨土层等,在电性上均呈现明显的低阻、中低阻特征,松散层电阻率一般为5～20 Ω/m;矿化度越高,地层电阻值越低。下伏基岩地层的风化层电阻率值也明显降低。

在赞皇-黄骅剖面的冲积平原区,地下水的矿化度变化大,影响地层电阻率的因素较多。在咸水区,如宁晋泊一带,其电阻率一般小于12 Ω/m;在沧东至滨海一带,矿化度更高而电阻率值更低,一般为1～3 Ω/m;而咸水区古河道地带的电阻率又明显升高(表3)。

表3 平原区地表基质层的电阻率特征

8.2 喷出岩的电阻率特点

在张北、沽源、塞罕坝一带,多出露玄武岩、粗面岩、安山岩、安山质熔岩等,为喷出岩。岩体原生裂隙、风化裂隙发育,强风化基岩层的电阻率明显低于其他示范区;风化层厚度大,且底板起伏也大。

8.3 花岗片麻岩类的电阻率特点

在隆化示范区,花岗片麻岩、闪长岩等岩体发育;岩体完整性好,地层分布较单一。基岩电阻率值明显高于松散层;由浅到深,电阻率呈递增趋势,且完整基岩的电阻率值明显高于喷出岩地区。基岩层位的闪长岩、花岗岩、花岗片麻岩的电阻率值明显高于变粒岩、角闪片麻岩。

8.4 片麻岩区的电阻率特点

在平山示范区,地表基质类别的分布规律性强,物性特征明显。相对于下伏的强(全)风化基岩,浅表的粗骨土、残积土呈现相对高阻特征,尤其下伏的风化基岩赋水时,这一现象更加突出;在电阻率剖面上,由浅到深呈高—低—高的电性特征;且可知风化层底板起伏大、厚度差异大。

在平山示范区与沽源示范区,由电阻率成果推断的强风化基岩的底板起伏较大,说明该区域内风化层发育不均匀,局部厚度大于30 m。

8.5 井陉示范区的电阻率特点

该区碳酸盐岩发育,地形切割严重,地表冲残积物薄。基岩风化层的电阻率值变化梯度大、等值线密集;说明碳酸盐岩由全强风化到微风化过渡快;推测风化层较薄,厚度一般小于10 m;且微风化基岩的电阻率值明显高于其它示范区。

9 认识与体会

在布置物探之前,宜开展适量的孔旁或露头测试;对不同物探技术方法的有效性、可行性应开展适量的试验工作。试验点或剖面应布置在有代表性的地区、调查工作程度较高或有钻孔控制点的剖面上。

进场前,建议充分收集已有的地质、物探资料,总结工作区的地球物理参数。针对不同场地条件,建议因地制宜择优选用适宜的物探技术手段。

对于单一物探技术方法不易明确判定的或较复杂的地表基质问题,宜选用两种或两种以上方法组合的综合物探,发挥各自的特长。

针对山区的地表基质层调查,对基岩开展全、强、中、微等风化等级的划分,宜于有效识别地表基质层的类型与厚度。

物探外业经济、快速、有效,对环境无破坏、无污染;可以有效地指导钻探工作部署,充分发挥综合性勘探的优势。

外业中,建议开展适量的综合测井或井旁测试,便于利用钻孔进行对比分析。如:开展地震类探测时,建议配合波速测井;电法探测时,建议配合视电阻率测井等。