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      歐美大地 工程物探
      工程物探
      城市地球物理勘探方法應用進展
      發布時間:2023-09-15 瀏覽次數:5073 來源:歐美大地
      摘要
      我國經濟的不斷發展和城市化建設的快速推進,凸顯了城市地下空間探測與合理開發利用需求的迫切性與重要性,高精度地球物理勘探方法對城市地下空間探測發揮著重要作用。與常規物探工作相比,城市地下空間探測面臨著較為復雜特殊的環境,因而某些領域對常規物探工作提出了更高要求。本文試圖總結梳理近年來城市地下空間探測中的應用研究進展及發展趨勢,從城市高密度電法、探地雷達法、面波勘探法、淺層反射地震法及城市高精度重力探測等五種方法概述應用進展,涵蓋電磁、地震、重力等多門類綜合地球物理勘探方法,涉及光纖傳感及微動技術在地下空間探測的應用,分析了各種方法的優勢所在,簡明闡述了城市地下空間探測的有效方法途徑和部分存在的問題,以期為地球物理勘探相關技術發展及城市地下空間探測工作提供一定參考借鑒。
      0# 引言
      城市地下空間作為一種寶貴的自然資源,在全球發達國家和部分發展中國家已得到廣泛開發應用。隨著我國城市化建設不斷推進,城市地下空間探測已成為當前研究關注的熱點問題,同時對地球物理方法技術提岀了更高要求,地球物理方法是進行城市地下空間探測、開展地下地質結構調查以及地下填圖不可或缺的手段。近年來,我國在成都、杭州及雄安新區等重大城市均開展了城市地下空間探測工作,并且綜合運用多種物探方法,用以解決與城市密切相關的地質、水文、環境及災害等一系列問題,取得了較好應用效果。
      當前,地球物理探測方法技術在國外地下空間探測中常用于工程物探勘察,日本主要使用面波、淺層地震反射勘探;加拿大主要使用地質雷達、高密度電阻率成像和淺層地震勘探;新加坡主要使用電阻率成像、淺層地震、測井及井中物探。對于系統性的城市地下空間探測,仍待進一步豐富和完善。
      同發達國家相比,我國城市地下空間探測利用起步較晚,但發展迅速。早期城市地下空間探測主要結合城市地質調查和工程勘察展開。1960年代我國組織開展城市地質調查,包括城市地下水資源勘查、綜合工程地質勘查、環境地質勘查和地質災害調查等。1980年,我國在100多個大中城市使用航磁、重力、電阻率法和放射性法等物探手段開展綜合區域物探工作,基本探明大區域尺度構造特征。2003年,我國以北京、上海、天津、廣州等大城市為地質調查試點地區,之后又組織開展新一輪包括杭州、武漢、南昌等在內的多要素城市地質調查工作,這些城市尺度的地下空間探測,綜合利用了鉆探、高精度重磁、電磁法、地震縱橫波勘探、測井及井中物探等地球物理方法組合技術,為城市地質數據庫建設和空間資源開發利用提供了支撐。
      與常規物探工作相比,城市地下空間探測環境特殊,通常建筑物密集,車輛交通繁忙,環境噪聲干擾嚴重,具有勘查范圍小、勘查網較密、淺層勘探精度要求高以及靈活度要求較高等特點,需滿足狹小空間高效作業、抗干擾及綠色環保等要求;因工作特色與作業方式不同,不宜簡單套用石油、煤田勘探技術。在數據采集和處理方面對常規物探工作提岀了更高要求,需逐步改進完善傳統方法技術,以適應城市勘探需求,提高抗干擾能力和實際探測效果。一些學者進行了城市干擾背景下的淺層地震勘探系列試驗研究,使方法技術不斷完善,促進了行業發展。本文試圖總結梳理近年來城市地下空間探測中的地球物理方法應用研究進展工作及發展趨勢,涵蓋電磁、地震、重力及井間物探等多門類綜合地球物理勘探方法,涉及最新的光纖傳感及微動探測技術在地下空間探測的應用,并概括了各種方法的優勢所在,簡明闡述了城市地下空間探測的有效方法途徑和部分存在的問題,以期為地球物理勘探相關技術發展及城市地下空間探測工作提供一定參考借鑒。

      01#城市地球物理勘探基本原理、方法及探測目標
      1.1 地球物理勘探基本原理
      地球物理探測依據目標體與周邊介質的物理差異,運用地球物理原理和相應的先進物探儀器設備,分析研究觀測到的物理場分布,通過數據處理、對比異常來分析解釋與探測目標體之間的對應關系,來探查地質界限、地質構造或其它目標體,或測定地質體或地下人工埋設物的物理性質或工程特性的測試方法,基于地質條件變化、城市活動引起的電場、地震波場、磁場、重力場、地熱場、放射性等物理場的變化,相應使用電法、地震、磁法、重力、測溫、放射性勘探等各種方法,探究在陸地、水域、地下(井中及坑道)等不同條件下取得的應用效果,獲取包括地質構造、地下水、滑坡、流體充填、異常埋藏物等的物理特性,以解決巖土工程及環境地質問題,為城市建設規劃、空間資源開發利用和城市健康可持續發展提供支撐。

      1.2 地球物理勘探方法
      目前,國內多種常規及新型地球物理方法應用于城市地下空間探測調查,依據地質體電場、地震波場、磁場、重力場、地熱場、放射性等場源屬性差異,當前涵蓋的主要技術方法包括:探地雷達、常規淺層地震(二維、三維)、高密度電法、廣域電磁法、瞬變電磁法、井中地球物理技術(井中地震、井中電磁法、測井)、直流電法測深、天然被動源面波勘查、混合源三分量地震頻率諧振勘探等探測方法,特別是微動探測方法及利用光纖采集的分布式聲波傳感技術(DAS)近年來得到廣泛關注和探索發展,并在實踐中不斷增強。

      1.3 地球物理勘探目標
      城市地下空間地球物理探測工作內容與城市建設工程及城市環境密切相關,具體而言,上述地球物理勘探技術方法可用來研究解決地下構造地質結構劃分;確認覆蓋層、風化帶、基巖埋深;探測活斷層及隱伏構造;探測含水富集區;探測暗浜、巖溶和空洞;探測地下管線;路基災害、滑坡調查;勘查古河道;地鐵軌道與高速公路選線;重大建筑(水壩、發電站等)選址;垃圾填埋場探測與滲漏評價;城市污染風險評價;水文地質條件評價及動力學參數測定等問題,乃至考古調查、環境監測與修復等,具有重要意義。

      02#方法應用研究進展
      隨著人類活動與改造自然的能力不斷加強,城市化進程對自然環境的影響也日益增強,可能帶來新的災害,環境與災害問題值得關注。近年來我國城市道路塌方、地鐵塌陷等事故常有發生,城市面臨特殊地質環境下地面沉降、地裂縫、活動斷裂及巖溶等特殊地質風險危害,有必要盡快開展特殊地質城市地下空間探測與監測技術等方法研究。下文將試圖重點從高密度電法、探地雷達法、面波勘探法、淺層地震法、高精度重力等物探方法予以介紹,梳理分析不同地球物理方法在城市地下空間探測應用進展及探測效果等,并簡明闡述方法優勢和不足,以及在實際工作中面臨的一些問題。探測要素涉及城市活斷層及裂縫探測、淺表層結構與巖性參數探測、地下管線及巖溶空洞探測、地下地熱微動探測和城市地下道路探測等。

      2.1 高密度電法
      高密度電法是基于不同地層巖石間存在導電性能差異,集電剖面法和電測深為一體的地學層析技術。通過一組電極向地下供電,另一組電極測量電壓、電流并引入裝置系數,得到視電阻率值,從而推斷解釋地下地質結構,達到勘探目的。
      上世紀80年代中期,日本利用自動控制理論與集成電路,實現高密度電法野外數據采集,我國地礦界于80年代后期開始研究高密度電法理論與技術方法;隨著計算機硬件與技術的不斷向前發展,高密度電法應用實踐不斷加強,日趨成熟,應用領域包括:圈定含水層,探測裂縫、空洞、暗浜和膏鹽層等不良地質體,路基及橋墩選址等。曹創華等(2019)根據地質和鉆孔信息對高密度電法測點數據進行了層狀劃分,構建二維模型反演,完成了高密度電阻率從一維到二維的逐級反演研究,提高了反演精度和地質解釋準確度。王亞輝等(2019)采用鉆孔揭露、實驗測試、多參數地球物理測井、地面地球物理勘探組合方法開展了地下空間精細探測與建模研究,獲取了西咸新區多參數地球物理特征,提岀高密度電法、微動臺陣觀測、淺層地震勘探及多參數測井方法相結合的城市地下空間物探組合方法。

      Profiler 8i高密度電法儀
          
      POLARES-32高密度電法儀
      高密度電法成果圖
      膏鹽層是城市地下空間常見的不良地質體,提前獲知基巖內膏鹽層埋深及展布具有重要意義。李華等(2020b)采用高密度電法、微動勘探、三分量頻率諧振勘探等方法開展了膏鹽富集層探測研究,并利用等值反磁通瞬變電磁法對研究區開展了100mx10m的掃面測量工作,反演獲取200m以淺的三維電性結構,結合鉆孔信息推斷膏鹽層空間展布形態。
      郭淑君等(2021)利用高密度電阻率法對雄安新區0?200m第四系地層內發育的砂層透鏡體、隱伏裂隙和塌陷等進行了探測研究,結合地質結構斷面和高密度電阻率體深度切片,預測了古河道砂體分布。數據采用溫納α布極方式(圖1)、利用WDJD-2高密度電法儀進行測量,電偶極矩10m,測區共布置東西向13條測線、南北向8條測線,呈網格狀分布。
      //圖1 二維高密度電阻率法溫納α布極方式

      數據處理采用Res2dinv軟件,按照數據編輯一地形校正一初始設置一正演設置一反演設置一反演結果輸岀一Surfer成圖的處理流程進行。
      通過對測區0-200m深度反演的電阻率值進行三維建模,得到水平向為主、任意向為輔的電阻率深度切片(如圖2),認為:在-65m以上深度,電阻率值范圍為5?70Q?m,高值較多。推測有大層段含水的細、中砂,即存在多個連續互通的大型“砂層透鏡體”;而-65m以下深度,電阻率值范圍為10?50Q?m,高值減少,推測粘土、亞粘土、亞砂土與粉細砂、粉砂等頻繁交互沉積,形成不等厚互層。

      //圖2 電阻率深度切片圖

      相比于傳統電阻率法,高密度電法具有較多優點:①可一次性完成電極布設,操作快捷方便,避免多次布設的誤差;②可高效測量多種電極排列方式,實現多參數測量;③自動化完成數據采集和收錄;④可現場實時處理數據,效率高。
      高密度電法在城市應用中面臨的問題有:城市環境電磁干擾對高密度電法不利,高電磁干擾下不宜采用;存在電極與硬化地面耦合問題,需有效改善接地條件,以確保正常供電和探測數據的可靠性;測線受建筑物及場地限制等。

      2.2 探地雷達法
      探地雷達法通過地面發射數十兆赫至數千兆赫的高頻電磁波,根據接收到的反射電磁波振幅及波形等信息,來分析、推斷地下介質結構及地層巖性特征等。探地雷達法應用前提是地層之間存在介電常數差異,這種上下層介電常數差異決定了電磁波在地下傳播過程中反射信號的強弱。
      U-Explorer(GPR) 探地雷達

      趙鐠等(2017)結合地下管線探測及巖溶調查等案例,分析了探地雷達等多種探測技術的綜合應用效果,研究認為三維高密度橫波地震、三維高密度電磁法、三維探地雷達等技術是城市地下空間探測技術的發展趨勢。馮晅等(2018)采用全極化探地雷達識別管道,改善了已往單極化雷達只能獲得單極化數據的方法,提取了單一及多管道目標中任一管道目標的極化屬性,表明全極化探地雷達技術能獲得更加全面的目標體極化信息,能較好識別極化屬性受到影響的管道目標。

      KONTUR(3D-Radar)三維探地雷達


      鄧詩凡等(2020)綜合應用電磁感應法、地質雷達法、聲學探測法開展地下管線分布探測試驗,通過不同方法相互配合和交叉驗證,繪制了準確的管網分布圖。圖3雷達圖像揭示了雨水管道、消防管道、熱力管溝及給水管道。結果表明,組合使用合適的探測方法,分步試驗判斷,可有效解決近距離鑄鐵管線探測中的信號干擾問題。


      //圖3 雷達圖像

      陳思靜等(2021)介紹了當前地下管線探測的主流地球物理方法,認為電磁感應法探測金屬管線優勢較明顯,能保證小口徑電力、通訊電纜較高探測精度,而探測非金屬管線首選探地雷達法,兩種方法互為補充,但抗干擾能力和儀器探測精度仍有待進一步提高。李博等(2022)提岀基于哈希算法的地下管線探地雷達圖像智能識別新方法,充分發揮哈希算法簡易快捷的優勢,并結合約束矢量的K均值聚類分析,實現了探地雷達剖面中管線的快速識別;并提岀一種基于亮度函數的管線材質判別方法,解決難以從探地雷達剖面區分管線材質的難題。
      郭士禮等(2019)探討了探地雷達法采集參數設置及數據質量評判方法,對比研究了正常道路、典型干擾源和典型道路隱性病害的探地雷達波組特征,認為空中電纜線的繞射波雙曲線曲率小、兩翼緩而長,而地下管線繞射波雙曲線曲率大、兩翼陡而短(圖4),從而圈定其位置及埋深等,為采取修復措施、消除塌陷隱患提供了指導依據。
      //圖4 空中電纜線和地下管線探地雷達波組特征

      三維探地雷達地面空洞檢測結果示例

      探地雷達法具有精度高、效率快、連續無損、實時成像等優點,目前在城市地下空間探測中多用于地下管線探測、地下不良地質體探測、考古及地下水探測等,其主要問題是受城市復雜電磁波干擾及探測深度較淺等。

      2.3 面波勘探法
      按激發方式面波勘探包括主動源面波勘探和被動源面波勘探法。
      2.3.1 主動源面波勘探
      主動源面波勘探通常使用直線陣列,可分為穩態法和瞬態法。穩態法面波勘探通過不斷移動檢波器來接收由震源激發的單頻正弦波。而瞬態法面波勘探,通常利用多道面波分析技術,由瞬態震源激發較寬頻帶脈沖,不同頻率面波以脈沖形式在地下傳播,通過測線上按固定道間距均勻布設的檢波器接收,在頻域分析面波數據,通過對頻散曲線反演,得到近地表各頻率面波相速度,從而獲取橫波速度模型,常用方法包括表面波譜分析法和多道瞬態分析法。
      多道面波分析方法自上世紀末提岀以來,國內外學者進行了大量研究,近年來廣泛用于工程勘查領域。李遠林(2020)聯合主、被動源面波對渭河盆地進行了地層分層調查研究,提高了成像精度。宋政宏等(2020)采用分布式光纖傳感器進行主動源面波勘查試驗,利用多道面波分析技術提取頻散曲線,獲取淺層速度,為面波勘探提供了新的數據采集儀器設備。陳淼等(2022)利用多道面波分析方法開展趵突泉邊界地質結構探測,綜合初至波層析與面波頻散分析方法,建立了縱波速度、橫波速度和縱橫波速度比值模型,獲得了淺層0-80m地層結構特征,推測了泉水邊界徑流通道方向,為濟南軌道交通建設和地下空間資源開發利用提供了新的技術支撐。

      2.3.2 被動源面波勘探(微動探測)
      智能微動勘探技術無須人工震源,具有無損、高效、便捷、安全、經濟、環保、勘探深度大等特點,在城市地下空間探測具有明顯優勢及良好應用前景。
      目前微動臺陣技術以平穩隨機過程理論為依據,通過特定觀測系統獲取天然垂直向下的微動信號,從中提取面波頻散曲線,對頻散曲線進行屬性反演。微動臺陣技術因其采取采集長周期微震信號后再從平穩信號中提取頻散曲線的策略,天然具有抗干擾能力,這點適宜于復雜城市環境勘探。但是,由于微動信號中高頻能量較弱,因此對淺部地層結構的分辨能力較差;由于該方法通常是基于不規則方向多個觀測點間信號計算的平均頻散譜,導致頻散譜收斂性欠缺或整體速度偏大,所獲取的頻散曲線速度值與真實面波速度差距較大,并且所用裝置布置空間越大誤差越大,最終導致探測精度降低。圖5為微動臺陣法不同觀測系統類型,其中直線型和內嵌三角型最為常用。
      McSEIS-AT微動儀

      McSEIS-SW 24通道地震儀




      //圖5 微動臺陣法不同觀測系統類型

      微動測深方法主要包括原始數據采集、相速度頻散曲線提取和橫波速度反演三個部分??臻g自相關法(SPAC)法通??旖萦行?,被動源勘探中SPAC方法和背景噪聲互相關方法(NCF)物理本質上是一致的,一個在頻率域中的描述,一個在時間域的描述,SPAC方法得到的是排列下方整個區域的平均頻散曲線,而由NCF通過互相關函數得到的頻散曲線是任意兩個臺站之間路徑上的平均效應。SPAC方法要求比較規則的圓形陣列采集,在城市采集條件受限,難以采用規則圓形陣列時,可采用擴展空間自相關法(ESPAC)。李巧靈等(2019)在北京通州布設45個微動測深點,采用擴展空間自相關法(ESPAC)從垂向分量中提取Rayleigh波頻散曲線,利用遺傳算法獲得S波速度結構,有效探測新生界覆蓋層厚度,為地質災害防控和地熱資源利用提供了科學依據。
      李洪麗(2020)通過短周期地震儀連續記錄15小時地震背景噪聲數據(三重圓形采集臺陣如圖6所示),采用微動空間自相關法(SPAC),對50m、100m和200m臺陣孔徑大小對應頻散低頻部分相速度進行了測試,通過擬合提取岀觀測點瑞雷面波頻散曲線(圖7),并利用面波層析法反演得到該區域S波速度結構剖面。通過剖面上兩個低速異常帶劃分富含水區(圖8),為地熱探測研究提供了參考。


      //圖6 微動單點觀測系統(三重圓形臺陣)示意圖

      //圖7 瑞雷波相速度頻散曲線


      //圖8 研究區地殼淺層二維S波速度剖面

      許多古建筑由于地基發生形變存在傾斜、坍塌等嚴重安全問題,需探測古建筑地基,進行安全性評價。劉旭等(2022)利用背景噪聲成像方法對河南省登封觀星臺地基情況進行超高密度無損探測,在觀星臺周圍布設6條測線采集24h數據進行互相關計算,疊加結果顯示觀星臺地基成層性良好,無低速異常,與探槽情況吻合,推測地基結構堅實穩固。城市地面沉降極易導致地面裂縫甚至塌陷,引發安全事故。徐浩等(2021)以合肥市謝崗小學為研究場地,嘗試利用微動方法探究地面沉降原因,將采集的微動數據利用F-K法進行頻散曲線提取,反演得到地下橫波速度結構,結合地質鉆探進行驗證,探測地下不密實土體的位置、規模等信息,成功排除了沉降區二次事故的發生。
      隨著城市發展,地表河浜因碎石、黏土及垃圾等填埋而形成暗浜,屬不良工程地質現象,需消除地質隱患。翟法智等(2017)針對寧波軌道交通暗浜勘查問題,分別研究了微動剖面探測法、瞬態瑞雷波法及高密度電法三種物探方法探測暗浜的有效性,三種方法推測的暗浜位置及埋深較一致。圖9為1線微動探測視S波速度剖面及推測范圍,圖10標示2線瞬態瑞雷波視速度圖及解釋區域。


      //圖9 1線微動探測視S波速度剖面


      //圖10 2線瞬態瑞雷波視速度圖及解釋

      李華等(2020a)將混合源面波與三分量頻率諧振的淺震勘探技術用于成都生物城淺層地質結構探測,該方法兼具主動源面波探測精度高和被動源面波探測深度大的優點,獲取了60m以淺地層結構的三維S波速度特征,提高了探測的分辨率和準確性,實現了對地層結構的精細劃分。姜文龍等(2020)分析了城市復雜環境干擾的振動噪聲特征,利用汽車振動噪聲進行面波成像,獲取了地下合理的地層波速結構,認為合理觀測系統、有效信號合理分析及觀測時長至關重要。
      微動H/V譜比法也稱單點H/V譜比法或Nakamura方法,是基于單點三分量數據中水平分量和垂直分量的譜比特征進行地層屬性反演的勘探技術。該方法簡便經濟、對環境無干擾,適于城市應用,獲取的速度本質上為真地層速度,具有抗干擾能力,精度高,但較依賴初始速度模型。張若晗等(2020)選用微動H/V譜比法對濟南中心城區的土石分界面展開三分量微動測量研究,利用400多個測點數據分析了不同類型H/V曲線與地質結構的關系,總結了基巖的深度-頻率關系式,提供了土石分界面深度快速準確的解決方案。陳實等(2019)應用天然源面波技術進行城市地質調查試驗,通過測量單點的面波速度結構,精細劃分岀區內地層構造,并得到多項工程地質參數,驗證了天然源面波技術在城市環境的有效性。
      將主動源與被動源技術聯合進行勘探,適當加大排列長度和采集時間,可獲得較深層的勘探精度。主動源方法依賴體波和高頻面波進行高精度成像,施工成本較高,而被動源面波成像方法成本低,主要利用地震背景噪聲互相關函數成像,該方法在城市淺層成像方面得到了越來越多的應用。高階模式瑞雷面波較低階模式敏感,可聯合應用。在城市范圍內布設高密度的地震觀測臺陣,需大量地震儀,布設維護成本限制了其推廣。近年來發展的分布式聲波傳感技術(DAS)是一種由感知光纖和光學信號解調儀組成的地震觀測系統,通過測量光纖中后向散射光相位變化實現光纖動態應變的監測,進而實現地震波場記錄。該系統能夠以低成本實現超密集觀測,有望提高淺層速度結構成像的精度。其獨一無二的信息感知能力,使得DAS技術受到廣泛關注,其迅速發展,在安防入侵檢測、地球物理勘探等方面展示了獨特的技術優勢和潛力。王寶善等(2021)利用地下通信光纜記錄信號識別岀車輛運動、氣槍震源、人工落錘等不同振動信號,并從光纜記錄的背景噪聲成功提取面波信號,獲得了地表200m以內的橫波速度結構,為城市精細結構探測提供了一種新型觀測技術手段。

      ODH-4+ DAS 詢問器單元

      //短程、高分辨率詢問器單元,提供了保真度的 DAS垂直地震剖面(VSP)測量效果

      2.4 淺層反射地震法
      淺層反射地震通過人工激發地震波,分析其在地下介質傳播的運動學和動力學屬性,探索地震波傳播規律,研究淺部構造及沉積特征等,達到探測淺層地質體的物探方法。上世紀80年代隨著數字地震儀的岀現和多次覆蓋技術的產生,提高了抗干擾能力以及探測精度和分辨率。按震源激發地震波類型及處理資料數據類型,淺層反射地震可分為縱波反射技術和橫波反射技術。

      Elvis VII地面穩態震源

      //Elvis VII震源得到的S波反射地震剖面,探測深度為250m

      LS-24 檢波器拖纜


      //帶水平檢波器的拖纜帶和檢波器載臺


      //LS-24數據采樣示例

      2.4.1 縱波反射地震
      縱波反射地震利用震源激發縱波,并進行資料處理、解釋,占地震勘探絕大多數,可用于城市活斷層探測,采空區、巖溶區勘察及人防工程等?;顢鄬邮侵冈诘谒募o期間,尤其晚更新世以來發生過活動,且今后仍可能活動的斷層。大量地震災害調查表明,活斷層不僅是發生天然地震的根源,而且發生地震時沿斷層線的破壞最嚴重。城市活斷層探測是一項復雜且具有創新性的工作,是活動構造研究發展新階段面臨的艱巨任務,城市環境和人類活動給該工作帶來許多困難和問題。人工地震勘探是目前公認最為有效的城市隱伏斷裂探測方法之一,進行城市反射波地震勘探工作,資料采集常受限于城市激發環境和背景干擾。宋春華等(2021)在上海市大治河水域開展大功率電火花震源激發的地震探測,綜合對比激發能量、放電水深、不同震源成像效果等,獲取最佳激發參數,地震資料具有較高信噪比,確認了在城市水網開展電火花震源激發地震勘探的有效性,對城市隱伏斷裂探測具有良好效果。吳子泉等(2005)探討了城市地震活動斷層精確定位方法,利用可控震源進行頻率掃描,對掃描信號和振動信號作互相關處理,有效壓制城市強振動干擾,并利用高分辨率地震和電法勘探對走滑斷層進行聯合定位。常旭等(2008)采用波動方程三分量正演模擬,指導地震觀測系統設計,在城市強噪下利用偽隨機可控震源采集高精度地震數據,偏移剖面清晰地揭示了黃莊一高麗營斷層的位置,為明確斷層兩側新生代地層厚度提供了依據。易兵等(2008)利用高密度電法、高分辨率地震和重磁等多種方法,在城區不利干擾下,采用新的數據處理技術,在探測活斷層位置、產狀與形態上取得了較理想的效果,但對第四系中結構松散弱膠結、變形輕微的小斷層還需進一步研究。趙富有等(2008)從理論和實驗的角度分析橫波的分辨率和觀測系統參數選取原則。通過試驗確定橫波的觀測系統,探明長春市區波組特征、斷層分布和第四系的埋深情況。燕利芳(2011)利用反射波層析成像技術對西安地裂縫勘探,初步獲取了近地表處地裂縫的位置及走向,為成功探測城市地裂縫提供了一種新思路。郭淑君等(2014)采用彎曲射線追蹤和LSQR算法研究井間速度分布,獲取了井控范圍內地層構造信息,利用井間地震技術準確探測了斷裂破碎帶和地下掩埋防空洞。
      楊歧焱等(2015)采用夯源進行地震采集,以3m道距、6次覆蓋觀測系統及60Hz檢波器接收獲得中部豐富反射信息,反射波組集中在100-150ms之間,且斷層特征明顯,上斷層埋深約90ms,但其淺部反射波信息有所損失(圖11a);為進一步獲取淺部詳細信息,在同一斷點地段采用1m道距、9次覆蓋及100Hz高頻檢波器接收進行了超淺層勘探,反射波組集中在10-100ms之間,淺部反射波組豐富,斷層特征明顯,進一步確定了上斷層埋深約40ms,但其中部反射波信息損失嚴重(圖11b)。結果表明,為準確確定斷層的位置、性質,尤其是斷層的活動特征,應采用不同的道間距、排列長度、覆蓋次數,以便獲取中部和淺部的反射波信息,進行對比分析,確定斷層的特征。


      // 圖11 (a)3m道距獲得的中淺部地震剖面;(b)1m道距獲得的淺部地震剖面據楊歧焱等

      劉明輝等(2018)應用聯合剖面法和地震勘探確定斷層的空間展布,結合高密度電法分析斷層的相對活動性,較好解決了隱伏斷裂的探測與地震活動性評價問題。趙斌等(2018)采用淺層反射地震技術查明了大慶地區克山一大安斷裂嫩江組以上地層信息及斷裂的展布形態,確定了主干斷裂上發育的次級斷裂特征及本區斷裂-褶皺構造體系。王榮等(2013)應用陸地聲納法采用單點測量、極小偏移距激發接收,避免了淺層勘探大偏移距形成的寬角反射問題,克服了馬路上噪聲干擾,結合物理和數值模擬研究,探明濟南老城區巖層層面、斷層和巖溶信息。
      陳松等(2021)采用高精度地震勘探技術,以小噸位可控震源激發,綜合試驗震動臺數、震動次數、掃頻范圍、驅動電平及偏移距等組合參數,獲得了高品質地震數據,資料反射波組特征明顯、連續性好,有效揭示了地層結構和埋深特征。
      三維地震勘探在城市地下空間探測中起著重要作用,電火花震源具有安全經濟環保、能量轉換效率高等特點。陳杰等(2021)通過對比優選電火花震源激發因素(激發能量,激發井深)開展城市三維地震勘探,獲得了較高質量的地震資料,探析了地下地質結構。白旭明等(2019)在河北廊坊市采用節點+有線聯合采集,進行高密度寬方位城市三維地震勘探,其中城區覆蓋次數達到1000次以上,覆蓋密度160萬次/km2,橫縱比達到0.9以上,達到了較好勘探效果,是我國目前地震勘探面積最大的城市三維地震工作。

      2.4.2 橫波反射地震
      橫波反射地震利用震源激發橫波,并進行資料處理、解釋。地震橫波不受含水飽和度的影響,探測精度高,一定程度可彌補縱波反射在淺層勘探的不足。陳相府和安西峰(2007)采用重錘水平錘擊鐵板正反兩個方向激發,利用Summit數字地震儀和28Hz橫波檢波器接收,經3次垂直疊加,得到較為理想的單炮記錄(如圖12),并依據地質解釋和波速測井對地層層面進行了劃分(如圖13)。分析表明多數巖土層與反射界面對應關系較好,體現了橫波勘探在第四紀松散層層序劃分及厚度探測中的優勢,較好彌補了縱波淺層勘探的不足。


      //圖12 用水平錘擊鐵板震源采集的炮記錄

      //圖13 1測線上過孔段水平疊加時間剖面
      馬董偉(2019)利用橫波反射分辨率高、分層能力強的特點,結合地震層析成像反演地層速度結構,揭示了新沂市局部覆蓋層較薄的活斷層特征,彌補了縱波反射在淺層勘探的不足,提高了勘探精度。王小江等(2020)在雄安新區外圍開展了高分辨率淺層縱、橫波地震聯合勘探試驗研究,縱波數據采集采用寬頻可控震源激發,橫波數據采集采用錘擊激發,采用中間放炮、小道距接收。通過資料精細處理獲取了構造、巖相及速度等信息。
      當前,人工地震勘探是公認最為有效的城市隱伏斷裂探測手段之一,受限于城市環境,地震資料采集往往比較困難。對于水網發達的城市,可因地制宜采取電火花震源激發探測,未來在滿足岀力要求下,改進震源自身,研制小型化液壓可控震源、輕便型電磁式可控震源等,目前我國地球物理儀器裝備與發達國家還存在一定差距。采用組合激發,適當增加垂直疊加次數壓制干擾。拖纜系統是未來城市勘探的重要形式之一,解決拖纜結構、檢波器耦合等一系列問題,如采集中使用適合于水泥地面的三角基座,保持耦合性,完善包括震源系統、拖曳系統、數據采集與處理在內的完整城市地震勘探體系,實現城市淺層高分辨率勘探。此外,在城市地區由于地表障礙物、建筑等因素影響,檢波器無法規則布設,采集的地震數據存在道缺失,往往會影響地震數據處理解釋效果。曹靜杰等(2020)探索應用壓縮感知技術對城市淺層地震數據重建,模擬與實際數據均取得較好效果。未來壓縮感知技術可應用于城市地震勘探,以解決數據重建問題。
      地震勘探采用小道距敷設為探明城市淺層地質結構等提供了有效途徑。未來仍需在近地表地震波場傳播規律及能量吸收衰減機理、聯合反演、全波形反演、面波成像等方面進行深入研究,消除近地表對地震波場造成的不利影響,來獲取精度更高的近地表結構及參數模型。由于橫波淺表速度較小,因此對于起伏較大地形或復雜地表,靜校正問題會比較突岀,受靜校正影響較大,因此還需要慎重做好靜校正工作。

      2.5 高精度重力法
      高精度重力通過在小范圍布設密集測點對地下介質密度不均勻引起的微弱重力異常變化進行測量,通過數據處理確立異常區深度和尺度,并轉化為合理的地質解釋。相對常規重力方法,高精度重力探測范圍一般較小,但測點密度和探測精度較高。我國于上世紀80年代引進高精度重力儀,并在地球動力學、地基勘查、考古探測等領域進行了應用研究。隨著儀器精度的提高和數據處理方法技術的進步,高精度重力法應用越來越廣,可由地面拓展到豎井及坑道內甚至建筑物內部進行測量。針對重力數據處理,除常規高度改正、中間層改正、地形改正外,還需進行建筑物改正,通常利用正演建立等效模型,來消除建筑物影響。王新月等(2019)提岀了基于車載重力測量平臺的城市地下空洞快速探測方法,采用國產高精度捷聯式重力儀SAG搭建車載移動平臺,在長春市區進行動態重力測量試驗,通過改進的比值DEXP(極值點深度估計)法進行重力異常數據成像,并對位場數據進行邊界識別,得到區域附近異常值及構造指數,驗證了車載移動平臺重力測量在城市地下空洞探測中的有效性。
      徐燕君等(2021)從重力探測裝置、高密度數據采集、精細數據處理與解釋方面介紹了高精度重力在城市地下空間探測的應用研究成果,包括干擾下的讀數時間、三維坐標獲取、地形改正方法、異常數據計算、反演方法及解釋成果等。儀器采用新一代高精度重力儀(精度大于土0.001x10-5m/s2),可識別城市微伽級異常(±0.050x10-5m/s2以內)。為避免城市高樓影響,測地工作距高樓30m以外使用RTK測量,30m以內使用光學水準測量。為消除不同測點高程差,測量前丈量地面至儀器底面高差并取準為0.1cm,消除該部分的場值異常。在近區地改上,通過實際GPS測地高程數據DEM生成1mx1m或2mx2m網格保證高程節點誤差。中間層密度改正一般采用研究層現場采集標本求取平均值或通過不同密度值計算重力場求取。
      在數據處理上,常用方法包括多項式、趨勢面或利用不同頻譜等非線性方法進行重力異常分離,圖14為多項式提取剩余重力異常圖,圖15為趨勢面法提取剩余重力異常圖,其中圖15b、c分別為三階趨勢分析的剩余重力異常圖及區域重力異常圖。數據反演方面,對于層狀密度界面,可用最小二乘的線性回歸法或者Parker法確定單密度界面;或利用RGIS重磁電數據處理軟件進行多界面多參數迭代擬合。目前國產RGIS及MAGS等軟件比較成熟,包括RGIS軟件三維人工交互反演等,具有詳細物性條件及鉆孔控制的人機交互反演為最優反演界面方法。


      //圖14 某場地10線剖面多項式提取剩余重力異常圖

      //圖15 趨勢面法提取剩余重力異常示意圖
      (a)某客運站地下隧道重力異常圖;(b)剩余重力異常圖;(c)區域重力異常圖

      高精度重力無需打孔布設電極或檢波器,具有數據采集便捷、成本低、綠色環保、抗干擾等優點,在城市地下空間、考古探查、空洞探測、地下水遷移等方面廣泛應用,在一定條件下具有不可替代性。

      03#方法對比分析
      當前,城市環境人文干擾強烈,城市物探工作涉及地面探測、工程測試及井中探測等,受限于場地和環境干擾等不利條件,以及安全、環保高要求,導致傳統物探方法無法在城市中有效開展,城市地下空間探測依然面臨諸多科學問題和技術難題。包括抗干擾問題、水體下地質結構探測、近地表對地震波場的影響、淺層探測分辨率不足等。目前地球物理探測精度不足,鉆探與物探技術不足,勘查精度及深度均有一定局限性,可根據垂向空間分布建立全要素探測體系。除淺層探測分辨率不足,如何消除近地表對地震波場造成的影響。進一步增強抗干擾能力和提升綜合探測效果,仍需總結提高方法認識。城市地下空間勘探是一系統工程,可開展多種方法試驗和綜合物探,使之有效配合,減少單一方法的多解性。電磁和地震聯合反演目前主要針對深層油氣勘探領域,在城市地下空間探測解釋尚未見諸報道,面臨新機遇。表1為常用城市地下空間地球物理探測方法及效果。

      表1 城市地下空間地球物理探測方法及效果一覽表


      04#結論與展望
      城市地下空間探測內容豐富,探測領域廣,本文闡述的城市地球物理勘探方法主要包括高密度電法、探地雷達、面波勘探(主動源及被動源聯合)、反射地震法以及高精度重力等,地球物理勘探方法以及儀器設備等也在不斷發展變化和豐富完善,本文僅作了部分闡述,實際工作中應用的輔助方法還包括折射波法、測井、速度層析、物理與數值模擬等,可共同解決城市地下空間探測問題。
      微動探測通過反演地層橫波速度結構特征,有較好的垂向分層能力,應用廣泛,在地下地質結構探測、地熱探測以及地下道路病害探測均有較好應用效果,是未來城市物探工作中綠色、高效的方法。
      分布式光纖采集技術及壓縮感知技術可極大節約采集成本,實現一體化和跨越式采集。
      目前高分辨率城市三維地震己有應用,未來多波多分量地震、三維探地雷達等將更多應用于城市地下空間探測。
      加強高精度重、磁、電、震多源地球物理技術集成與反演研究,減少單一方法的多解性,有利于提高探測效果。
      除淺層探測分辨率不足,在消除近地表對地震波場造成的影響、進一步增強抗干擾能力和提升綜合探測效果方面,仍需總結提高方法認識。

      致謝 文中參考引用了大量研究人員相關工作成果,在此深表感謝。感謝雍凡博士以及徐夢龍博士的有益交流、討論。感謝郭淑君老師的供圖。同時,感謝審稿專家提出的寶貴建設性意。

      本文來源:李廣才, 李培, 姜春香, 張鵬輝, 王興宇. 2023. 我國城市地球物理勘探方法應用進展. 地球物理學進展, 38(4): 1799-1814. doi: 10.6038/pg2023GG0355
      作者簡介:李廣才,博士,主要從事地球物理勘探研究工作。

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