微動探測方法在城市深部探測中的應用
——以廣州南沙區三維深地探測項目為例

李安源, 謝紹彬, 龍秀潔, 藍紅珠

(廣西壯族自治區地球物理勘察院,廣西 柳州 545005)

0 引言

城市地下空間開發利用是實現城市可持續發展的重要途徑[1]。探測地下空間結構是近年來城市勘探工作的主要方向[2],開展多要素城市地質綜合調查,評價空間、資源、環境、災害等多要素現狀與特征是城市地下空間探測技術的研究熱點[3]。

微動探測技術與瞬變電磁、地質雷達、電阻率法等不同的地方在于該方法受場地電磁干擾及高低速夾層、低阻高導層屏蔽作用的影響較少;較適合城市鬧市區復雜場地和電磁環境,是一種環保、抗干擾能力強、探測深度大、適用范圍廣的新型物探技術,具有良好的工程應用前景[4-6]。本文以廣州南沙區為研究區,利用微動勘探法在該區進行大深度地質異?？碧?取得良好效果,拓寬微動勘探的應用范圍,以期為城市深部探測提供可靠的調查手段。

1 地質與地球物理場背景

研究區位于廣州市南沙區,距廣州市58 km。南沙區地處珠江入?？?地勢平緩。臺陣周圍為果園,硬化路面較少。區內地層以第四系為主,主要巖性為砂巖、粉砂巖與泥巖。該區存在的隱伏花崗巖體主要為燕山期黑云母花崗巖[7-10](圖1)。

區內砂巖的平均剪切波速Vs與巖土的性質有關,松軟巖土的Vs低、密實巖土的Vs高。風化的基巖與未風化基巖的Vs差異較大,花崗巖的Vs最高(表1)。研究區各地層平均面波速度差異較明顯(表2),區域地層具備開展天然源面波勘探的物理前提。

2 采集參數試驗

微動是由體波(P波、S波)和面波(瑞雷波、勒夫波)組成的復雜震動,其中面波的能量占信號總能量的70%以上[11-14]。微動勘探主要采用臺陣方法(SPAC法)來接收微動信息,從中提取瑞利面波的頻散特性,通過對頻散曲線進行反演獲得地層的橫波速度,以此推測地殼淺部的橫波速度結構。觀測臺陣主要有圓形、“十”字形或“L”形,研究表明觀測臺陣還可以有更多的形式,也可以采取任意形式布置拾震器,但需要滿足3個條件:滿足探查深度范圍需要的波長,臺陣中各接收點連線的方向要盡可能的多,臺陣中各接收點之間的距離要方便計算[15-16]。

圖1 研究區工作部署圖

表1 研究區不同巖性物性參數

表2 研究區巖性分層平均面波速度

本研究采用的微動探測儀器設備為WD-202型智能微動勘探儀,選擇數據采集與數據處理有機結合的智能勘探模式,使數據采集與處理同步進行,現場直接獲得速度—深度域的頻散曲線,現場根據面波頻散曲線的形態可以實時調整工法布置,從而減少返工、提高效率。

遵循為廣州地下空間及重大工程建設服務的原則,項目勘探目的為確定地層起伏情況。根據甲方布置測線需求勘探深度大于2 000 m,測點間距為250 m。通過試驗確定本天然源面波勘探采用10個采集站布置成嵌套式等邊三角形臺陣,最大三角形邊長為900 m,采樣頻率0.4 Hz,采樣間隔10 ms,采樣模式為5G模式,以充分接收低頻信號。采樣時間根據采用數據達到勘察深度時終止,各測點布置形態見圖1。

3 數據處理

3.1 數據處理

采用SPAC或F—K法從數據中提取出瑞雷波相速度頻散曲線,經頻散曲線反演獲得橫波速度結構再進行推斷解釋地層結構。數據處理主要步驟有空間自相關(SPAC)、設置頻率區間、頻散聚合濾波、干擾點剔除。

3.2 單點頻散曲線

30000/L1—32250/ L1測點頻散曲線的形狀均符合被動源地震臺陣勘探的一般規律。(圖2)

單點成果解釋如下:

(1)30000/L1測點:勘探深度為2 600 m,頻散曲線整體速度呈逐漸增加趨勢,經過處理后,“之”字形折曲十分明顯,說明上下地層速度差異較大,隨著地層深度增加,頻散點疏密變化明顯,說明地層隨深度增加出現層位的交替(圖2a)。

(2)30250/ L1測點:勘探深度為2 900 m,在1 750 m深度出現了明顯的“之”字形回拐,上下地層速度差異較大,頻散曲線整體速度與30000/L1一致。其他深度分層“之”字形回拐較小,頻散點疏密變化較明顯,地層劃分可見圖2b。

(3)30500/L1測點:勘探深度為2 300 m,頻散曲線整體速度呈增加趨勢,經過濾波處理之后,“之”字形拐點在250、500、1 000、1 200、1 500 m深度較為明顯,說明上下地層速度有明顯差異(圖2c)。

(4)30750/ L1測點:勘探深度為2200 m,頻散曲線整體速度呈增加趨勢,1 000 m以深速度整體與30500/L1保持一致。濾波處理后“之”字形拐點在250、500、1 000、1 250、1 700 m深度對應分層頻散點疏密變化清晰(圖2d)。

(5)31000 /L1測點: 勘探深度為3 200 m,1 000 m以深速度要高于30500 /L1和30750 /L1點,與30000 /L1和30250 /L1點速度一致,根據“之”字形拐點和疏密變化點在250、500、1 050、1 500、2 500 m深度見明顯分層點,分層后反演各層剪切波速度見圖2e。

(6)31250/ L1測點:勘探深度為2 900 m,1 000 m以深速度整體低于31250/ L1點。濾波處理后,頻散疏密變化點和“之”字形拐點明顯可見,在250、500、900、1 250、1 750、2 250 m深度附近可見明顯分層拐點(圖2f)。

(7)31500/ L1測點:勘探深度為2 300 m,在濾波處理后,“之”字形拐點相較前幾個測點回拐較大,收斂一般,在200、400、1 000、1 300和2 100 m深度附近可見明顯劃分層位。1 000 m以深速度高于31250/ L1點但低于前幾點(圖2g)。

(8)31750/ L1測點:勘探深度為2 500 m,濾波處理后,在250、1 200、1 700、2 200 m深度附近“之”字形回拐明顯,頻散點疏密變化清晰,1 000 m以深速度與30000/ L1和30250/ L1速度近似(圖2h)。

(9)32000/ L1測點:勘探深度為3 600 m,頻散曲線1 000 m以深速度與前一點一致。濾波處理后,在500、1 500、2 500 m深度可見明顯分層拐點。根據“之”字形拐點和頻散疏密變化點劃分層位,反演各層剪切波速度見圖2i。

(10)32250/ L1測點:勘探深度為2 250 m,經過濾波處理,頻散曲線整體速度低于前幾個測點,在200、400、600、1 250、1 700 m深度附近可見明顯“之”字形拐點。根據拐點和疏密變化點劃分層位,反演各層剪切波速度見圖2j。

圖2 30000/L1—32250/L1 頻散曲線圖

3.3 剖面解釋

3.3.1 微動勘探線成果

利用采集的10個被動源地震臺陣測點,繪制反演橫波速度剖面圖。從等值線圖直觀反映地層介質的物性,介質顆粒由細到粗的變化,介質由松散到密實的變化和介質由塑性到堅硬的變化。

反演橫波速度剖面圖(圖3)可見橫波速度隨深度增加而逐漸增加,結合已知鉆孔資料、物性資料、單個測點頻散曲線異常拐點及頻散點疏密分布分析,橫波速度小于500 m/s,速度層位厚50～100 m,推斷為第四系(Q)砂質黏土層;橫波速度為500～1 000 m/s,推斷為風化砂礫巖;橫波速度為1 000～1 750 m/s,推斷為未風化砂礫巖;橫波速度為1 750～2 000 m/s,推斷為二長片麻巖;橫波速度大于2 000 m/s,推斷為二長花崗巖;根據圖3呈現出高速中夾帶相對低速變化條帶推斷1條斷裂構造,各層的厚度巖性及斷裂構造發育。

4 結論

通過微電探測方法對廣州市南沙區的勘探結合已有地質資料得出以下結論:

(1)本次廣州南沙區微動勘探共得到10個頻散數據,頻散曲線折拐特征明顯、頻散點疏密變化清晰,低速現象突出,頻散曲線具有相當的分辨地層的能力。對于廣州市南沙區勘探,采用天然源面波方法與前期地質資料結合研究分析的方法是可行的。

(2)微電探測成果顯示從反演速度剖面圖推斷斷裂構造發育位置與地質已知斷裂構造吻合,能夠提供縱向地層分層巖性分類等重要信息。

(3)微電探測方法的局限性主要體現在場地的大小限制臺陣的大小,故探測深度亦受到一定的限制。

圖3 L1線反演橫波速度剖面圖