微动探测方法在城市深部探测中的应用——以广州南沙区三维深地探测项目为例

李安源, 谢绍彬, 龙秀洁, 蓝红珠

(广西壮族自治区地球物理勘察院,广西 柳州 545005)

0 引言

城市地下空间开发利用是实现城市可持续发展的重要途径[1]。探测地下空间结构是近年来城市勘探工作的主要方向[2],开展多要素城市地质综合调查,评价空间、资源、环境、灾害等多要素现状与特征是城市地下空间探测技术的研究热点[3]。

微动探测技术与瞬变电磁、地质雷达、电阻率法等不同的地方在于该方法受场地电磁干扰及高低速夹层、低阻高导层屏蔽作用的影响较少;较适合城市闹市区复杂场地和电磁环境,是一种环保、抗干扰能力强、探测深度大、适用范围广的新型物探技术,具有良好的工程应用前景[4-6]。本文以广州南沙区为研究区,利用微动勘探法在该区进行大深度地质异常勘探,取得良好效果,拓宽微动勘探的应用范围,以期为城市深部探测提供可靠的调查手段。

1 地质与地球物理场背景

研究区位于广州市南沙区,距广州市58 km。南沙区地处珠江入海口,地势平缓。台阵周围为果园,硬化路面较少。区内地层以第四系为主,主要岩性为砂岩、粉砂岩与泥岩。该区存在的隐伏花岗岩体主要为燕山期黑云母花岗岩[7-10](图1)。

区内砂岩的平均剪切波速Vs与岩土的性质有关,松软岩土的Vs低、密实岩土的Vs高。风化的基岩与未风化基岩的Vs差异较大,花岗岩的Vs最高(表1)。研究区各地层平均面波速度差异较明显(表2),区域地层具备开展天然源面波勘探的物理前提。

2 采集参数试验

微动是由体波(P波、S波)和面波(瑞雷波、勒夫波)组成的复杂震动,其中面波的能量占信号总能量的70%以上[11-14]。微动勘探主要采用台阵方法(SPAC法)来接收微动信息,从中提取瑞利面波的频散特性,通过对频散曲线进行反演获得地层的横波速度,以此推测地壳浅部的横波速度结构。观测台阵主要有圆形、“十”字形或“L”形,研究表明观测台阵还可以有更多的形式,也可以采取任意形式布置拾震器,但需要满足3个条件:满足探查深度范围需要的波长,台阵中各接收点连线的方向要尽可能的多,台阵中各接收点之间的距离要方便计算[15-16]。

图1 研究区工作部署图

表1 研究区不同岩性物性参数

表2 研究区岩性分层平均面波速度

本研究采用的微动探测仪器设备为WD-202型智能微动勘探仪,选择数据采集与数据处理有机结合的智能勘探模式,使数据采集与处理同步进行,现场直接获得速度—深度域的频散曲线,现场根据面波频散曲线的形态可以实时调整工法布置,从而减少返工、提高效率。

遵循为广州地下空间及重大工程建设服务的原则,项目勘探目的为确定地层起伏情况。根据甲方布置测线需求勘探深度大于2 000 m,测点间距为250 m。通过试验确定本天然源面波勘探采用10个采集站布置成嵌套式等边三角形台阵,最大三角形边长为900 m,采样频率0.4 Hz,采样间隔10 ms,采样模式为5G模式,以充分接收低频信号。采样时间根据采用数据达到勘察深度时终止,各测点布置形态见图1。

3 数据处理

3.1 数据处理

采用SPAC或F—K法从数据中提取出瑞雷波相速度频散曲线,经频散曲线反演获得横波速度结构再进行推断解释地层结构。数据处理主要步骤有空间自相关(SPAC)、设置频率区间、频散聚合滤波、干扰点剔除。

3.2 单点频散曲线

30000/L1—32250/ L1测点频散曲线的形状均符合被动源地震台阵勘探的一般规律。(图2)

单点成果解释如下:

(1)30000/L1测点:勘探深度为2 600 m,频散曲线整体速度呈逐渐增加趋势,经过处理后,“之”字形折曲十分明显,说明上下地层速度差异较大,随着地层深度增加,频散点疏密变化明显,说明地层随深度增加出现层位的交替(图2a)。

(2)30250/ L1测点:勘探深度为2 900 m,在1 750 m深度出现了明显的“之”字形回拐,上下地层速度差异较大,频散曲线整体速度与30000/L1一致。其他深度分层“之”字形回拐较小,频散点疏密变化较明显,地层划分可见图2b。

(3)30500/L1测点:勘探深度为2 300 m,频散曲线整体速度呈增加趋势,经过滤波处理之后,“之”字形拐点在250、500、1 000、1 200、1 500 m深度较为明显,说明上下地层速度有明显差异(图2c)。

(4)30750/ L1测点:勘探深度为2200 m,频散曲线整体速度呈增加趋势,1 000 m以深速度整体与30500/L1保持一致。滤波处理后“之”字形拐点在250、500、1 000、1 250、1 700 m深度对应分层频散点疏密变化清晰(图2d)。

(5)31000 /L1测点: 勘探深度为3 200 m,1 000 m以深速度要高于30500 /L1和30750 /L1点,与30000 /L1和30250 /L1点速度一致,根据“之”字形拐点和疏密变化点在250、500、1 050、1 500、2 500 m深度见明显分层点,分层后反演各层剪切波速度见图2e。

(6)31250/ L1测点:勘探深度为2 900 m,1 000 m以深速度整体低于31250/ L1点。滤波处理后,频散疏密变化点和“之”字形拐点明显可见,在250、500、900、1 250、1 750、2 250 m深度附近可见明显分层拐点(图2f)。

(7)31500/ L1测点:勘探深度为2 300 m,在滤波处理后,“之”字形拐点相较前几个测点回拐较大,收敛一般,在200、400、1 000、1 300和2 100 m深度附近可见明显划分层位。1 000 m以深速度高于31250/ L1点但低于前几点(图2g)。

(8)31750/ L1测点:勘探深度为2 500 m,滤波处理后,在250、1 200、1 700、2 200 m深度附近“之”字形回拐明显,频散点疏密变化清晰,1 000 m以深速度与30000/ L1和30250/ L1速度近似(图2h)。

(9)32000/ L1测点:勘探深度为3 600 m,频散曲线1 000 m以深速度与前一点一致。滤波处理后,在500、1 500、2 500 m深度可见明显分层拐点。根据“之”字形拐点和频散疏密变化点划分层位,反演各层剪切波速度见图2i。

(10)32250/ L1测点:勘探深度为2 250 m,经过滤波处理,频散曲线整体速度低于前几个测点,在200、400、600、1 250、1 700 m深度附近可见明显“之”字形拐点。根据拐点和疏密变化点划分层位,反演各层剪切波速度见图2j。

图2 30000/L1—32250/L1 频散曲线图

3.3 剖面解释

3.3.1 微动勘探线成果

利用采集的10个被动源地震台阵测点,绘制反演横波速度剖面图。从等值线图直观反映地层介质的物性,介质颗粒由细到粗的变化,介质由松散到密实的变化和介质由塑性到坚硬的变化。

反演横波速度剖面图(图3)可见横波速度随深度增加而逐渐增加,结合已知钻孔资料、物性资料、单个测点频散曲线异常拐点及频散点疏密分布分析,横波速度小于500 m/s,速度层位厚50～100 m,推断为第四系(Q)砂质黏土层;横波速度为500～1 000 m/s,推断为风化砂砾岩;横波速度为1 000～1 750 m/s,推断为未风化砂砾岩;横波速度为1 750～2 000 m/s,推断为二长片麻岩;横波速度大于2 000 m/s,推断为二长花岗岩;根据图3呈现出高速中夹带相对低速变化条带推断1条断裂构造,各层的厚度岩性及断裂构造发育。

4 结论

通过微电探测方法对广州市南沙区的勘探结合已有地质资料得出以下结论:

(1)本次广州南沙区微动勘探共得到10个频散数据,频散曲线折拐特征明显、频散点疏密变化清晰,低速现象突出,频散曲线具有相当的分辨地层的能力。对于广州市南沙区勘探,采用天然源面波方法与前期地质资料结合研究分析的方法是可行的。

(2)微电探测成果显示从反演速度剖面图推断断裂构造发育位置与地质已知断裂构造吻合,能够提供纵向地层分层岩性分类等重要信息。

(3)微电探测方法的局限性主要体现在场地的大小限制台阵的大小,故探测深度亦受到一定的限制。

图3 L1线反演横波速度剖面图